CN1403210A - 冷气动力喷涂装置 - Google Patents
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Abstract
一种冷气动力喷涂装置。它由超音速喷嘴、加热器、送粉器等组成，超音速喷嘴安装在喷涂室入口处，控制器与带有储气罐的空气压缩机连接，并通过送粉开关、压力调节开关分别与加热器、送粉器相连，加热器一端至超音速喷嘴，喷涂室出口加设粉末回收装置；超音速喷嘴通过管道与送粉器连接，由收缩段、喉部、扩张段三部分组成，收缩段为维托辛基曲线形光滑连续收缩结构，与喉部过渡连接，扩散段为超音速段轴对称位流式结构，与喉部过渡连接，它包括初始膨胀段和消波段，初始膨胀段为光滑连续过渡结构，消波段为平行于轴线的轴对称结构，收缩段与混合室相连，其上的过渡管件分别与送粉器、加热器相连接。它送粉效率高、寿命长、无氧化问题。
Description
技术领域
本发明涉及材料的表面喷涂处理，具体地说是一种冷气动力喷涂装置。
背景技术
在现有技术中，对于材料的表面喷涂处理多采用两种技术，一是传统式热喷涂技术，如：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂以及爆炸喷涂等，其共同特点是利用不同的热源，将要喷涂的各种材料如金属、合金、陶瓷、塑料及其各类复合材料加热至熔化或熔融状态，借助气流高速雾化形成“微粒雾流”沉积在经预处理的工作表面形成堆积状与基体紧密结合的涂层。由于热喷涂在喷涂过程中需要很高的温度，当焰流一离开喷嘴后就接触到大量的空气，使喷涂材料严重氧化，于是限制了热喷涂的使用范围。为了解决上述氧化问题，热喷涂技术的进一步改进是采用低压等离子喷涂和真空等离子喷涂，但在真空室内又限制了喷涂工件大小，而且只能对具有稳定液相的粉末材料才能制备涂层，且喷涂设备造价昂贵。二是冷喷涂技术，冷喷涂是由俄罗斯科学家在八十年代后期发明的，俄罗斯、美国及欧共体专利(其中：1)俄罗斯专利，专利号分别为1674585(1991)、1603581(1993)、1618778(1993)、1773072(1993)、2010619(1994)；2)欧洲专利，专利号为0484533 A1(1992)；3)美国专利，专利号为5302414(1994))公开一种冷气动力喷涂装置，其中送粉器与超音速喷嘴连为一体，如图1所示，采用电机带动转鼓，通过转鼓推动粉末进入气体粉末混合室，在送粉器的下端有一个压缩气体入口，并通过两个出口分别将气体导入送粉器转鼓低端和粉末上部以平衡送粉室压力，其不足之处在于：可能造成粉末上端的气体压力低于下端，引起粉末倒流。另外在喷嘴结构上扩散段为锥形，虽便于加工，但压力损失大，不易实现最佳喷射速度，寿命低(1000小时)。
发明内容
本发明的目的是提供一种送粉效率高、寿命长、无氧化问题的冷气动力喷涂装置。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：由超音速喷嘴、加热器、送粉器、喷涂室、粉末回收装置、控制器组成，其中，超音速喷嘴安装在喷涂室入口处，控制器与带有储气罐的空气压缩机管路连接，并通过送粉开关、压力调节开关分别与加热器、送粉器相连，加热器附有加热电源，一端至超音速喷嘴，喷涂室出口加设粉末回收装置；所述超音速喷嘴通过管道与送粉器连接，由收缩段、喉部、扩张段三部分组成，所述收缩段为亚音速段，为维托辛基曲线形光滑连续收缩结构，与喉部过渡连接，所述扩散段为超音速段轴对称位流式结构，与喉部过渡连接，它包括初始膨胀段和消波段，初始膨胀段为光滑连续过渡结构，其间为泉流区，消波段为平行于轴线的轴对称结构，其间为均匀区，所述收缩段与混合室相连，其混合室通过安装在其上的过渡管件分别与送粉器、加热器相连接；所述送粉器由具有密封盖的装粉室、压缩空气入气口A、B、安装在装粉室下方的转鼓、粉末颗粒出口构成，所述装粉室壁上设有两个独立的压缩空气入气口A、B，一个在装粉室上方，一个在转鼓下方，分别经控制器与储气罐相连，再至空气压缩机，装粉室壁上另设一与超音速喷嘴管路连接的粉末颗粒出口，转鼓上所设的沟槽与转鼓和壁之间的间隙构成压缩空气入气口B至粉末颗粒出口之间的通道；
所述控制器通过其上的压力表分别与所述送粉器、超音速喷嘴相连，通过温控仪经设在超音速喷嘴上的热电偶与加热器相连，又通过电压表与送粉器连接。
本发明原理是：利用压缩气体经过加热携带粉末，通过超音速设计的喷嘴高速运动到达喷涂室中的基体表面，粉末粒子高速运动轰击基体表面，有大约1/3动能转变为热能，粒子在高速动能与热能的作用下瞬间产生塑性变形，使粒子焊接在基体的表面形成涂层；其中气体加速到300～1200m/s，带动喷涂粉末以较低的温度(20～550℃)高速撞击基体形成涂层；将动力气体快速加热至所需温度，并通过与粉末混合使粉末加热。
本发明具有如下优点：
1.改善了送粉方式，提高了送粉效率。本发明将送粉器中的上下进气口分别由两个进气口导入，可通过压力调节开关分别控制，使上口气体压力大于底部，从而保证送粉均匀，避免了现有技术中(上下进气口由一个气口导入)容易造成粉末上端的气体压力低于下端，引起粉末倒流、转鼓被粉末掩死的现象，提高了送粉效率，扩大了送粉范围。
2.喷嘴使用寿命长，喷涂质量好。本发明超音速喷嘴在收缩段采用维托辛斯基曲线，而扩散段(超音速段)则采用轴对称位流设计，所述光滑连续的收缩曲线可将气流均匀加速至音速，减少气流能量损失；另外将加速段分为初始膨胀段和消波段，在初始膨胀段形成超音速径向流动(超音速泉流)气流即由平直音速流向泉流过渡至完全的泉流，在消波段把这个超音速泉流转变成均匀平行于轴线的流动，从而减少流动阻力，使气流最大限度地得以加速，喷嘴使用寿命可提高至1500小时，本发明的喷嘴不仅在加速过程中能量损失少，流动阻力小，而且可获得更大的气流速度。提高涂层质量，减少涂层孔隙率。
3.无氧化问题。本发明与现有技术中其它热喷涂方法的最大区别是可以在比颗粒熔化温度低得多的温度范围内产生涂层，通过超音速喷嘴使涂层材料在比其熔化温度低得多的温度下形成涂层。由于喷涂过程中粉末加热温度较低(20～550℃)，喷涂过程中颗粒不会产生过热，也就不存在其它热喷涂过程中产生的颗粒高温氧化、蒸发、熔化、结晶以及气体释放等问题，显著地提高了涂层的质量。
4.应用范围广。采用本发明不仅适合于金属、合金材料喷涂，同时可以适合于活性金属和热塑性有机树脂的喷涂，其基材可以是各种金属和非导电体(比如玻璃、陶瓷等)。
5.本发明还具有噪音低、能耗小、无热辐射、粉末可循环利用，操作简单、安全和成本低等特点。
附图说明
图1为现有技术中送粉器结构示意图。
图2为本发明结构示意图。
图3为图2中送粉器结构放大图。
图4为图2中超音速喷嘴结构放大图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详述本发明。
如图2、3、4所示，由超音速喷嘴6、加热器7、送粉器3、喷涂室4、粉末回收装置5、控制器2组成，其中，超音速喷嘴6安装在喷涂室4入口处，控制器2与带有储气罐11的空气压缩机1管路连接，并通过送粉开关22、压力调节开关21分别与加热器7、送粉器3相连，加热器7附有加热电源71，一端至超音速喷嘴6，喷涂室4出口加设粉末回收装置5；
所述超音速喷嘴6通过管道与送粉器3连接，由收缩段61、喉部62、扩张段63三部分组成，所述收缩段61为亚音速段，为维托辛基曲线形光滑连续收缩结构，与喉部62过渡连接，所述扩散段63为超音速段轴对称位流式结构，与喉部62过渡连接，它包括初始膨胀段631和消波段632，初始膨胀段631为光滑连续过渡结构，其间为泉流区，消波段632为平行于轴线的轴对称结构，其间为均匀区，所述收缩段61与混合室64相连，其混合室64通过安装在其上的过渡管件分别与送粉器3、加热器7相连接；
所述送粉器3由具有密封盖32的装粉室31、压缩空气入气口A33、B33′、安装在装粉室31下方的转鼓34、粉末颗粒出口35构成，所述装粉室31壁上设有两个独立的压缩空气入气口A33、B33′，一个在装粉室31上方，一个在转鼓34下方，分别经控制器2与储气罐11相连，再至空气压缩机1，装粉室31壁上另设一与超音速喷嘴管路连接的粉末颗粒出口35，转鼓34上所设的沟槽与转鼓34与壁之间的间隙构成压缩空气入气口B33′至粉末颗粒出口35之间的通道；
所述控制器2通过其上的压力表25分别与所述送粉器3、超音速喷嘴6相连，通过温控仪24经设在超音速喷嘴6上的热电偶与加热器7相连，又通过电压表23与送粉器3连接。
本发明工作过程如下：
本发明以压缩空气和电为动力源，由控制器2控制，通过管道使压缩气体送进用于喷涂时调节气体温度的加热器2及用于喷涂时供应粉末的送粉器3，粉末被加热的气体携带进入超音速喷嘴6，超音速喷嘴6实现喷涂过程中给粉末颗粒加速，通过高速运动到达基体表面，粉末粒子高速运动轰击基体表面，在喷涂室4中对基材进行涂层，有大约1/3动能转变为热能，粒子在高速动能与热能的作用下瞬间产生塑性变形，使粒子焊接在基体的表面形成涂层，多余的粉末通过粉末回收装置5回收利用，以上冷气动力喷涂过程的实施是由控制器2控制完成。
本发明的操作工艺参数范围：气体压力1.2～3.0MPa、气体温度20～580℃、气体流量10～30g/s、耗电量2～12KW、粉末粒度从50nm到60μm。
本发明超音速喷嘴的设计原理由流体力学公式给出，对一维定常流动，考虑可压缩流体，则有：
v2/2+K/K-1·P/ρ＝常 (1)
ρ·v·S＝常 (2)
P/ρk＝常 (3)
由上面三个公式，可求得：
ds/s＝(M2-1)dv/v (4)
式中：S管道截面积；M＝v/v声(马赫数)；ρ气体密度；K气体常数；P气体压力；v气体流速。由公式(4)可知，当v＞v声，则dv符号与ds符号相同。即：随管道截面积变大(ds为正值)，流体速度增大。当v＜v声则dv符号与ds符号相反，即：随管道截面积变小(ds为负值)，流体速度亦增大。因此，经过足够收缩，流体速度可在管道喉部截面处达到声速，经过此截面后，将获得超音速。
以在聚四氟乙烯基体上制备锌-铜复合涂层，为大型电子元件(如电容器)制作提供途径。其涂层制备具体包括三个工艺过程实施例：
(1)基体前处理：清洗一宏观粗化—喷砂。
(2)喷涂工艺：采用冷气动力喷涂方法，选锌为涂层底层厚度0.3mm左右，然后表面喷紫铜厚度2～3mm；
喷锌工艺：喷涂距离10～20mm、气体压力1.6～1.8MPa、气体温度200～220℃、气体流量10～30g/s、粉末粒度30～50μm；
喷铜工艺：喷涂距离10～20mm、气体压力1.6～1.8MPa、气体温度250～280℃、气体流量10～30g/s、粉末粒度30～50μm。
(3)涂层后处理：采用机械打磨，抛光。
采用本发明涂层的性能：涂层与基体的抗拉强度68MPa、剪切强度35MPa、含氧量0.3～0.5％、电阻0.05～0.08Ω、耐压45kV、涂层孔隙率锌涂层为3～5％、紫铜涂层为1～3％、沉积效率75％。
相关比较例
采用俄罗斯冷喷涂方法制备的涂层性能如下：涂层与基体的抗拉强度65MPa、剪切强度35MPa、含氧量0.3～0.5％、电阻0.05～0.08Ω、耐压45kV、涂层孔隙率锌涂层为3～6％、紫铜涂层为2～3％、沉积效率65％。
本发明使用的气体可以是空气、氮气、氦气或混合气体等高压气体。可喷涂的材料为金属及其合金、热塑性有机树脂，基材可以是各种金属和非导电体(比如玻璃、陶瓷等)。涂层与基体的粘接力达30～80MPa，空隙率1～8％，涂层厚度10～105μm，沉积效率55～80％。
Claims (2)
1.一种冷气动力喷涂装置，由超音速喷嘴(6)、加热器(7)、送粉器(3)、喷涂室(4)、粉末回收装置(5)、控制器(2)组成，其中，超音速喷嘴(6)安装在喷涂室(4)入口处，控制器(2)与带有储气罐(11)的空气压缩机(1)管路连接，并通过送粉开关(22)、压力调节开关(21)分别与加热器(7)、送粉器(3)相连，加热器(7)附有加热电源(71)，一端至超音速喷嘴(6)，喷涂室(4)出口加设粉末回收装置(5)；其特征在于：所述超音速喷嘴(6)通过管道与送粉器(3)连接，由收缩段(61)、喉部(62)、扩张段(63)三部分组成，所述收缩段(61)为亚音速段，为维托辛基曲线形光滑连续收缩结构，与喉部(62)过渡连接，所述扩散段(63)为超音速段轴对称位流式结构，与喉部(62)过渡连接，它包括初始膨胀段(631)和消波段(632)，初始膨胀段(631)为光滑连续过渡结构，其间为泉流区，消波段(632)为平行于轴线的轴对称结构，其间为均匀区，所述收缩段(61)与混合室(64)相连，其混合室(64)通过安装在其上的过渡管件分别与送粉器(3)、加热器(7)相连接；所述送粉器(3)由具有密封盖(32)的装粉室(31)、压缩空气入气口A、B(33、33′)、安装在装粉室(31)下方的转鼓(34)、粉末颗粒出口(35)构成，所述装粉室(31)壁上设有两个独立的压缩空气入气口A、B(33、33′)，一个在装粉室(31)上方，一个在转鼓(34)下方，分别经控制器(2)与储气罐(11)相连，再至空气压缩机(1)，装粉室(31)壁上另设一与超音速喷嘴(6)管路连接的粉末颗粒出口(35)，转鼓(34)上所设的沟槽与转鼓(34)和壁之间的间隙构成压缩空气入气口B(33′)至粉末颗粒出口(35)之间的通道。
2.按照权利要求1所述冷气动力喷涂装置，其特征在于：所述控制器(2)通过其上的压力表(25)分别与所述送粉器(3)、超音速喷嘴(6)相连，通过温控仪(24)经设在超音速喷嘴(6)上的热电偶与加热器(7)相连，又通过电压表(23)与送粉器(3)连接。
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