CN114959679B - 一种冷喷涂辅助装置 - Google Patents

Abstract

一种冷喷涂辅助装置，包括有内涵道(11)、外涵道(12)、伸缩件(14)，内涵道(11)的内部具有上下贯通的通道；外涵道(12)套设在内涵道的外周，外涵道(12)的侧周壁与内涵道(11)的侧周壁间隔相对，两者之间形成供气流通过的环形间隙(10)，该环形间隙(10)的顶部闭合并连接有与环形间隙(10)相连通的送气管(13)，所述送气管(13)有至少两个并沿环形间隙的周向间隔布置，该环形间隙(10)的底部为开口(100)向下的敞开结构；在光照下能伸缩的伸缩件(14)，至少择一地设于上述内涵道(11)或外涵道(12)之侧周壁的下部。与现有技术相比，本申请能提高喷涂精度的同时，还能调节喷涂角度。

Description

一种冷喷涂辅助装置

技术领域

本发明属于材料表面喷涂技术领域，具体涉及一种冷喷涂辅助装置。

背景技术

冷喷涂(Cold Spray，简称CS)，也称为冷气体动力喷涂(Cold Gas DynamicSpray，简称CGDS)，是近20年来发展起来的一种新型表面涂层技术，是一种固态成形工艺。在冷喷涂过程中，将一定温度与压力的气体(氮气、氦气、压缩空气等)送入特定的喷嘴，产生超音速气体流动，然后将具有一定粒径的粉末颗粒送入到高速气流中，经过加速加热，在固态下高速撞击基体，产生严重的塑性变形而沉积在基体表面形成涂层。

冷喷涂所使用的喷管为拉瓦尔喷管，拉瓦尔喷管是推力室的重要组成部分。沿着气流的流动方向，拉瓦尔喷管前半部分的内径逐渐缩小，后半部分的内径逐渐增大，前半部分与后半部分的衔接处形成一个窄喉。气体受高压流入拉瓦尔喷嘴的前半部分，穿过窄喉后由后半部分逸出。这一结构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速到音速，直至加速至超音速，超音速下气流中的粉末粒子会沉积在基体表面形成涂层。但超音速下，当气流与粉末粒子从拉瓦尔喷管的喷口喷出后，它们会迅速发散，导致喷涂的精度下降。

为此，专利号为ZL201721746906.3的实用新型专利《多层气体屏障激光熔覆喷嘴及具有该喷嘴的激光喷涂装置》(授权公告号为CN207596963U)公开了一种多层气体屏障激光熔覆喷嘴及具有该喷嘴的激光喷涂装置，其包括设置在激光熔覆装置主体架上的连接架、设置在连接架上的喷头单元及设置在喷头单元上的保护嘴；喷头单元包括至少两层类锥状中空喷头，各喷头上设有与保护气通道相通的至少一个通风槽；环形锥状保护气通道与激光腔共轴，如此，保护气能解决气流及粉末粒子喷出后的发散问题，提高喷涂精度。但同样使得喷头的喷涂角度、喷涂范围受限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种能提高喷涂精度的同时，还能调节喷涂角度的冷喷涂辅助装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种冷喷涂辅助装置，其特征在于包括有：

内涵道，内部具有上下贯通的通道；

外涵道，套设在内涵道的外周，且外涵道的侧周壁与内涵道的侧周壁间隔相对，两者之间形成供气流通过的环形间隙，该环形间隙的顶部闭合并连接有与环形间隙相连通的送气管，所述送气管有至少两个并沿环形间隙的周向间隔布置，该环形间隙的底部为开口向下的敞开结构；

在光照下能伸缩的伸缩件，至少择一地设于上述内涵道或外涵道之侧周壁的下部，用于趋使伸缩件所在的侧周壁发生弯曲形变而改变上述环形间隙底部开口的朝向和大小。

为了更好地调节环形间隙底部开口的朝向和大小，优选地，所述伸缩件有两个，分别为第一伸缩件、第二伸缩件，所述第一伸缩件设于内涵道之侧周壁的下部，所述第二伸缩件设于外涵道之侧周壁的下部。如此，第一伸缩件能趋使内涵道之侧周壁发生弯曲形变，第二伸缩件能趋使外涵道之侧周壁发生弯曲形变，进而能更加灵活地调节环形间隙底部开口的朝向和大小。当然，伸缩件也可为三个、四个甚至更多，以四个伸缩件为例，其中两个伸缩件一上一下设于内涵道之侧周壁，另外两个伸缩件一上一下设于内涵道之侧周壁，具体的数量以及安装位置根据需要设计。

优选地，所述第一伸缩件呈水平设置的环状体，且第一伸缩件的外圈藏于内涵道之侧周壁，内圈露于内涵道之侧周壁的内侧；所述第二伸缩件呈水平设置的环状体，且第二伸缩件的内圈藏于外涵道之侧周壁，外圈露于外涵道之侧周壁的外侧。如此，当第一伸缩件压缩时，能趋使内涵道之侧周壁向外弯曲，当第一伸缩件伸长时，能趋使内涵道之侧周壁复位；当第二伸缩件伸长时，能趋使外涵道之侧周壁向外弯曲，当第二伸缩件缩短时，能趋使外涵道之侧周壁复位。

为了使得伸缩件在光照下能上下伸缩，优选地，所述第一伸缩件包括有第一压电陶瓷环、设于第一压电陶瓷环的内圈之上并掺杂有磷元素的单晶硅一、设于第一压电陶瓷环的内圈之下并掺杂有硼元素的单晶硅二；所述第二伸缩件包括有第二压电陶瓷环、设于第二压电陶瓷环的外圈之上并掺杂有磷元素的单晶硅三、设于第二压电陶瓷环的外圈之下并掺杂有硼元素的单晶硅四。在压电陶瓷上下结合单晶硅，当位于压电陶瓷下方的单晶硅受到的光照比位于压电陶瓷上方的单晶硅受到的光照高时就会产生电势差，从而在压电陶瓷内部产生电流，压电陶瓷获得电流膨胀或压缩后，压电陶瓷所在的涵道形状就会发生细微改变，从而可以通过光照强弱来控制喷涂位置。

较优选地，所述单晶硅一、单晶硅二均为环状体，且单晶硅二的下方设有环形的能向上发射光线的第二发光件，该第二发光件电连接有用于控制第二发光件工作的第二控制电路。

进一步地，所述单晶硅三、单晶硅四均为环状体，且单晶硅四的外圈水平向外延伸。如此使得单晶硅四更容易感受到光线变化。

在上述各方案中，优选地，所述送气管有至少四个并沿环形间隙的周向等间隔布置。

优选地，所述内涵道之侧周壁的材料为铝合金或铜合金；所述外涵道之侧周壁的材料为铝合金或铜合金。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过将冷喷涂辅助装置设计为具有内涵道、外涵道、至少择一地设于内涵道或外涵道上的伸缩件，内涵道、外涵道之间形成环形间隙，喷涂时，冷喷枪与冷喷涂辅助装置同轴设置，冷喷枪喷出的发散气体被周围环形间隙底部开口喷出的气流约束在较小的范围内，进而能降低冷喷枪喷出气体发散的风险，提高喷涂精度；同时，本申请能采用光控的手段控制伸缩件的伸缩来趋使伸缩件所在的涵道发生形变，进而光控调节环形间隙底部开口的朝向和大小来控制气流的细微变化，从而做到指定位置喷涂。且光控调节除了能在喷涂前进行外，还能在喷涂时进行，而不会影响喷涂枪的工作，进而提高喷涂效率。

附图说明

图1为本发明实施例中冷喷涂辅助装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中冷喷涂辅助装置另一视角下的结构示意图；

图3为本发明实施例中冷喷涂辅助装置与冷喷枪的结构示意图；

图4为图3中A部的放大图；

图5为本发明实施例中冷喷涂辅助装置的内、外涵道形变后的结构示意图；

图6为本发明实施例中冷喷涂辅助装置的使用状态图；

图7为图6的剖视图；

图8为图7中B部的放大图；

图9为本发明实施例中光控装置的横向剖视图；

图10为本发明实施例中LED集群与第一模块之间的电路图；

图11为本发明实施例中第一控制电路图；

图12为本发明实施例喷涂形状图；

图13为本发明实施例中改变第一、第二发光件工作参数后的喷涂形状图；

图14为不使用冷喷涂辅助装置进行喷涂的喷涂形状图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1～13所示，为本发明的一种冷喷涂辅助装置的一个优选实施例，该冷喷涂辅助装置包括有内涵道11、外涵道12、伸缩件14、第二发光件15。

内涵道11竖向设置并内部具有竖向延伸的通道。外涵道12套设在内涵道11的外周，外涵道12的侧周壁与内涵道11的侧周壁间隔相对，两者之间形成供气流通过的环形间隙10。环形间隙10的顶部闭合并连接有与环形间隙10相连通的送气管13，送气管13有四根并沿周向等间隔布置(送气管13也可为2根、3根或4根以上，具体根据需要设计)，送气管13所用材料可以是橡胶、聚氨酯等柔韧性高的材料。环形间隙10的底部为开口100向下的敞开结构。本实施例中，内涵道11、外涵道12的侧周壁所用的材料可以是铝合金、铜合金等熔点高的材料，内涵道11、外涵道12的侧周壁在外力作用下能向内或向外弯曲变形。当内涵道11、外涵道12中至少一个发生弯曲形变时，两者形成的环形间隙10之开口的朝向以及大小也会相应的改变。

伸缩件14有两个分别为第一伸缩件14a、第二伸缩件14b，第一伸缩件14a设于内涵道11之侧周壁的下部，且第一伸缩件14a呈水平设置的环状体，第一伸缩件14a的外圈藏于内涵道11之侧周壁，内圈露于内涵道11之侧周壁的内侧。本实施例中，第一伸缩件14a包括有第一压电陶瓷环141、设于第一压电陶瓷环141的内圈之上并掺杂有磷元素的单晶硅一142、设于第一压电陶瓷环141的内圈之下并掺杂有硼元素的单晶硅二143。单晶硅一142、单晶硅二143均为环状体并与第一压电陶瓷环141紧贴，且单晶硅二143的下方设有环形的能向上发射光线的第二发光件15，该第二发光件15电连接有用于控制第二发光件15工作的第二控制电路，其中，与第二发光件15相连的电线向上穿过内涵道11与外部电源相连，电源电压可变，为0-30V，电源电压越高第二发光件15越亮。

第二伸缩件14b设于外涵道12之侧周壁的下部，且第二伸缩件14b呈水平设置的环状体，第二伸缩件14b的内圈藏于外涵道12之侧周壁，外圈露于外涵道12之侧周壁的外侧。本实施例中，第二伸缩件14b包括有第二压电陶瓷环144、设于第二压电陶瓷环144的外圈之上并掺杂有磷元素的单晶硅三145、设于第二压电陶瓷环144的外圈之下并掺杂有硼元素的单晶硅四146。单晶硅三145、单晶硅四146均为环状体并与第二压电陶瓷环144紧贴，且单晶硅四146的外圈水平向外延伸。

以上的各伸缩件14在光照下能上下伸缩，从而提供上述外力而使得涵道产生形变。且压电陶瓷的材料可为钛酸铅、锆钛酸铅等。

为控制第二伸缩件14b的上下伸缩，本申请的冷喷涂辅助装置1配合光控装置2使用。

如图6～9所示，上述光控装置2设于冷喷涂辅助装置1的下方，并具有壳体20、第一发光件21、第一控制电路、基台22、导光通道23、聚光透镜24。其中，壳体20的顶壁中央带有贯穿其壁厚的敞口200。壳体20内设有基台22，基台22顶部具有用于支撑待喷涂基体的台面221，该台面221与敞口200相对并位于上述敞口200的下方。内、外涵道的底部伸入敞口200内，且环形间隙10的开口100与上述基台22的台面221相对，单晶硅四146的外圈位于敞口200边缘的上方。第一发光件21围绕基台22设于壳体20上部的空间内，并能向敞口200发射光线。导光通道23为环形通道，导光通道23下端的环形入口231与上述第一发光件21相对，上端的环形出口232位于外涵道12的外围，并与上述单晶硅四146的下端面相对。本实施例中，壳体20内设有中央带通孔的导光板25，导光板25设于壳体20之顶壁的下方，导光板25之通孔的边缘位于壳体20之敞口200边缘的下方，且两者相邻近，导光板25的边沿位于第一发光件21的下方，从而导光板25与壳体20之顶壁之间形成上述的导光通道23。本实施例中，壳体20之顶壁以及导光板25均为由中央至边沿向下倾斜的锥面。壳体20之顶壁以及导光板25拆卸式地设置。

如此，待喷涂基体不会遮挡第一发光件21发射的光线，且第一发光件21发射的光线能集中照射至单晶硅四。

聚光透镜24呈环状，并设于导光通道23内，且聚光透镜24的断面呈具有向上述环形入口231凸出的第一圆弧面241、与第一圆弧面241相对并向环形出口232凸出的第二圆弧面242的结构。如此，第一发光件21仅能向上述单晶硅四146发射光线，而不会照射到内涵道11之侧周壁上的单晶硅。同时单晶硅四146遮挡住第一发光件21发射出的光线，而不会照射到单晶硅四146上方的单晶硅三145。

同时，如图10、11所示，第一发光件21包括有若干个LED集群，若干个LED集群沿周向布置在上述基台22的外围，每个LED集群中具有多个LED灯单元。第一控制电路包括有若干个第一模块，第一模块的数量与LED集群的数量相匹配，用于控制各自对应的LED集群的工作；第一控制电路还包括有用于控制各个第一模块的控制模块。控制模块包括有用于控制每个第一模块、以调节每个LED集群的发光强度的第二模块，该第二模块与第一模块电连接；控制模块还包括有用于控制每个第一模块、以调节每个LED集群的亮灭的第三模块，第三模块与第一模块电连接；控制模块还包括有控制器，与上述第二、第三模块电连接。本实施例中，LED集群有8个并沿周向均布在基台22的外围，第一模块也有8个，各第一模块均为ZLG7290芯片，第二模块、第三模块均为74HC595芯片，控制器为上位机，上位机中烧录有以C#语言编写的可视化程序，可以在上位机中直接控制LED集群的亮灭明暗。上位机可以与手机蓝牙相连，下载专门的软件并开启蓝牙即可在手机上直接远程操控LED集群亮灭明暗。

喷涂工作前，将待喷涂基体放置于基台22之台面221上(待喷涂基体可直接从壳体20的敞口200放至基台22上；也可取下壳体20之顶壁以及导光板25后将待喷涂基体放至基台22上，再重新装上壳体20之顶壁以及导光板25)。将冷喷涂辅助装置1支撑在光控装置2的上方，并将冷喷枪3支撑在冷喷涂辅助装置1的上方，冷喷枪3的喷管31竖向伸入内涵道11内，并与内涵道11同轴布置，具体请参见图3、6、7。

喷涂工作时，气流通过送气管13进入环形间隙10内，并通过底部开口100以一定的倾斜角度向下喷出，同时，冷喷枪3之喷管31中的气体混杂粉末向下喷出，此时，环形间隙10之开口100喷出的气流与喷管31喷出的气体接触，原本喷管31喷出的发散气体被周围环形间隙10喷出的气流约束在较小的范围内。

本申请中将掺杂磷元素的单晶硅称为N区，掺杂硼元素的单晶硅称为P区，中间的压电陶瓷称为结区。

当P区与N区受光照时，其对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子(电子-空穴对)。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能通过。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对(少子)扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。

简而言之，当P区受光照时，P区与N区之间就会产生电势差，就会产生由P区指向N区的电流，于是在P区与N区之间的压电陶瓷就会由于有电流通过而形变(逆压电效应)。

当电流由P区指向N区时，压电陶瓷会压缩，当电流由N区指向P区时，压电陶瓷会拉伸。如图4所示，当内涵道11上的单晶硅二143受强光照射，外涵道12上的单晶硅四146受弱光照射时，第一压电陶瓷环141压缩，第二压电陶瓷环144拉伸，内、外涵道的弯曲程度都较大，于是从环形间隙10底部的开口100射出的气流相对于喷管31喷射气流倾斜角较大，对喷管31喷射气流的影响也较大。如图5所示，当内涵道11上的单晶硅二143受弱光照射，外涵道12上的单晶硅四146受强光照射时，第一压电陶瓷环141拉伸，第二压电陶瓷环144压缩，内、外涵道的弯曲程度都较小，于是从环形间隙10底部的开口100射出的气流相对于喷管31喷射气流倾斜角较小，对喷管31喷射气流的影响也较小。

本申请使用fluent软件，启用其中的离散相，模拟冷喷涂系统喷涂铝粉。喷管底端离待喷涂基体25mm，截取待喷涂基体上粒子的坐标。仿真图请参见图12。然后改变第一、第二发光件的工作参数进行仿真，仿真结果如图13所示。

当不使用冷喷涂辅助装置1，仅用冷喷枪3进行喷涂的喷涂形状图如图14所示。

Claims (8)

1.一种冷喷涂辅助装置，其特征在于包括有：

内涵道(11)，内部具有上下贯通的通道；

外涵道(12)，套设在内涵道(11)的外周，且外涵道(12)的侧周壁与内涵道(11)的侧周壁间隔相对，两者之间形成供气流通过的环形间隙(10)，该环形间隙(10)的顶部闭合并连接有与环形间隙(10)相连通的送气管(13)，所述送气管(13)有至少两个并沿环形间隙的周向间隔布置，该环形间隙(10)的底部为开口(100)向下的敞开结构；

在光照下能伸缩的伸缩件(14)，至少择一地设于上述内涵道(11)或外涵道(12)之侧周壁的下部，用于趋使伸缩件(14)所在的侧周壁发生弯曲形变而改变上述环形间隙(10)底部开口(100)的朝向和大小。

2.根据权利要求1所述的冷喷涂辅助装置，其特征在于：所述伸缩件(14)有两个，分别为第一伸缩件(14a)、第二伸缩件(14b)，所述第一伸缩件(14a)设于内涵道(11)之侧周壁的下部，所述第二伸缩件(14b)设于外涵道(12)之侧周壁的下部。

3.根据权利要求2所述的冷喷涂辅助装置，其特征在于：所述第一伸缩件(14a)呈水平设置的环状体，且第一伸缩件(14a)的外圈藏于内涵道(11)之侧周壁，内圈露于内涵道(11)之侧周壁的内侧；所述第二伸缩件(14b)呈水平设置的环状体，且第二伸缩件(14b)的内圈藏于外涵道(12)之侧周壁，外圈露于外涵道(12)之侧周壁的外侧。

4.根据权利要求3所述的冷喷涂辅助装置，其特征在于：所述第一伸缩件(14a)包括有第一压电陶瓷环(141)、设于第一压电陶瓷环(141)的内圈之上并掺杂有磷元素的单晶硅一(142)、设于第一压电陶瓷环(141)的内圈之下并掺杂有硼元素的单晶硅二(143)；所述第二伸缩件(14b)包括有第二压电陶瓷环(144)、设于第二压电陶瓷环(144)的外圈之上并掺杂有磷元素的单晶硅三(145)、设于第二压电陶瓷环(144)的外圈之下并掺杂有硼元素的单晶硅四(146)。

5.根据权利要求4所述的冷喷涂辅助装置，其特征在于：所述单晶硅一(142)、单晶硅二(143)均为环状体，且单晶硅二(143)的下方设有环形的能向上发射光线的第二发光件(15)，该第二发光件(15)电连接有用于控制第二发光件(15)工作的第二控制电路。

6.根据权利要求5所述的冷喷涂辅助装置，其特征在于：所述单晶硅三(145)、单晶硅四(146)均为环状体，且单晶硅四(146)的外圈水平向外延伸。

7.根据权利要求1～6中任一权项所述的冷喷涂辅助装置，其特征在于：所述送气管(13)有至少四个并沿环形间隙(10)的周向等间隔布置。

8.根据权利要求1～6中任一权项所述的冷喷涂辅助装置，其特征在于：所述内涵道(11)之侧周壁的材料为铝合金或铜合金；所述外涵道(12)之侧周壁的材料为铝合金或铜合金。