CN201324710Y - 一种利用粉末制备涂层的动能喷涂喷枪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种利用粉末制备涂层的动能喷涂喷枪，其特征在于枪体1的下端连接夹持把柄5，后端连接气体入口接头4，喷嘴6通过螺纹连接到喷枪1的前端，轴向送粉导气嘴7通过螺纹连接到枪体1的内部，测温接头2和测压接头3设计在枪体1的上部，测温接头2和测压接头3的下端与枪体1连通；所述的气体入口接头4之一入口接头4－1位于枪体1的直后端，入口接头4－2位于枪体1的斜后端。本实用新型动能喷涂喷枪可实现高压与低压喷涂，亦可实现后部轴向中心送粉与喷嘴扩张段送粉。工作范围广，操作方便。另外，轴向送粉导气嘴7通过螺纹连接到枪体1，其出口距离喷嘴喉部的距离可方便调节。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种利用粉末制备涂层的动能喷涂喷枪，属于表面工程领域中材料表面改性的装置。
背景技术
冷喷涂(Cold Spraying)，也称为冷气动力喷涂(Cold Gas Dynamic Spraying)或动力喷涂(Kinetic Spraying)，是由热喷涂技术拓展而来的一种新型的、先进的表面涂层技术。冷喷涂是基于空气动力学与高速碰撞动力学原理的过程，首先将高压(一般1.5～3.5MPa)气体导入收缩-扩张型拉伐尔(Laval)喷嘴，气体流过喷嘴喉部后产生超音速流动，然后由送粉气(压力一般略高于主气)将喷涂粉末沿轴向从喷嘴上游送入气流中，粉末粒子经过整个喷嘴被加速到300～1200m/s以上的高速度，形成高速粒子流，与基体碰撞发生剧烈的塑性变形而沉积形成涂层。在这一过程中，工作气体通常预热，根据喷涂材料不同，温度一般在100～600℃，但远低于喷涂材料的熔点。因此，“冷”是相对传统热喷涂的概念。另外，最重要的一点是粒子沉积完全靠粒子所获得的动能实现，所以确切地说，冷喷涂应为动能喷涂(Kinetic Energy Spraying)。由于采用低温喷涂，可避免地在热喷涂过程中发生的氧化(针对金属材料)、相变、分解、化学反应、晶粒长大(针对纳米结构材料)、热应力等不利影响。
80年代中期，前苏联科学院西伯利亚分院理论和应用力学研究所的Papyrin等在做超音速风洞试验时发现示踪金属粒子沉积到靶子上，由此正式提出了冷气动力喷涂的概念，获得一系列俄罗斯专利：1618777(1990年)、1618778(1990年)、1773072(1992年)等，又于1994年获得美国专利5302414，于1995年获得欧洲专利0484533。中国专利01128130公开了一种与美国专利5302414类似的冷气动力喷涂装置。VanSteenkiste等就动力喷涂方法与装置申请了美国专利6139913(2000年)，他们主要采用高压压缩空气作为工作气体，所采用粒子直径(＞65μm)也大于Papyrin等所用细小金属粒子(1-50μm)。美国Inovati公司也推出了所谓的动力金属化(KineticMetallization)系统，美国专利6074135(2000年)与6715640(2004年)，其实质是动能喷涂，该系统主要特点是通过特殊设计的直通喷嘴，采用低压(小于1MPa)He气实现金属陶瓷(如WC-Co)涂层的制备，当然也可用于制备其他涂层，但该系统必须使用He气，尽管耗气量比其他冷喷涂系统低，成本依然较高。另外，俄罗斯ObninskCenter for Powder Spraying、波兰Metal Forming Institute、加拿大University of Windsor等联合研究，开发了便携式冷喷涂系统，(在俄罗斯注册
在加拿大注册SSTTM)，该系统的主要特点是采用小于1MPa(一般0.7MPa)的压缩空气作为工作气体，从而降低成本，喷涂材料一般为Cu、Al等软金属或者混入陶瓷的复合粉末，但该系统不太适合大面积喷涂作业，主要适用于修补或小面积喷涂。以上不同冷喷涂设备中喷枪结构都比较复杂，功能单一。
另外一个冷喷涂过程中常遇到问题是，喷涂Sn、Zn、Al以及低熔点合金时会出现喷嘴内壁的粒子粘附或堵塞，从而影响喷涂。目前采用2种方法解决以上问题，一是将送粉气入枪喷嘴口延伸到Laval喷嘴喉部以下某个区域(如中国专利200510027430、中国专利200510083138.3、美国专利2004166247)，但这样容易在送粉管末端产生湍流或紊流，从而影响喷涂质量。二是直接从Laval喷嘴喉部以下某个区域送入(如中国专利200510030914、美国专利2002/0071906、美国专利2003190414、W098/22639、EP1445033与RU2229944)，但以上方法喷嘴设计与加工时也存在困难，如粉末送入角度问题。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本实用新型提出一种利用粉末制备涂层的动能喷涂喷枪，可用于制备纯金属、合金、金属基复合材料、纳米结构材料涂层或块材。该装置属于一种多功能设备，针对不同的喷涂材料，系统可方便地工作在不同的气体条件、送粉条件下。
技术方案
一种利用粉末制备涂层的动能喷涂喷枪，其特征在于包括枪体1、测温接头2、测压接头3、气体入口接头4、夹持把柄5、喷嘴6与轴向送粉导气嘴7；枪体1的下端连接夹持把柄5，后端连接气体入口接头4，喷嘴6通过螺纹连接到喷枪1的前端，轴向送粉导气嘴7通过螺纹连接到枪体1的内部，测温接头2和测压接头3设计在枪体1的上部，测温接头2和测压接头3的下端与枪体1连通；所述的气体入口接头4之一入口接头4-1位于枪体1的直后端，入口接头4-2位于枪体1的斜后端。
所述的喷嘴6为收缩扩张型Laval喷管，喷嘴平直段6-1直径在8～30mm，喷嘴喉部6-3直径在1.5～4mm，喷嘴出口6-6直径在3～12mm，喷嘴平直段6-1长度在10～50mm，喷嘴收缩段6-2长度在10～50mm，喷嘴扩张段6-5长度150～300mm，距离喷嘴喉部10～30mm处有2个对称分布的送粉用粉末入口6-7，所述的粉末入口6-7与喷嘴中心轴线夹角在25～60°之间，并且相交至喷嘴送粉汇流点6-4；所述的喷嘴送粉汇流点6-4距离喷嘴喉部6-3为10～30mm。
上述结构中枪体用于使流入的工作气体气流稳定后再流入喷嘴；测温接头、测压接头分别将喷嘴入口的温度与压力信号传递到控制部件；气体入口接头用于导入气流到枪体；夹持把柄用于固定喷枪(如与机械手连接)；喷嘴用于产生超音速气流，以加速粉末粒子，并可以从喷嘴扩张段(下游)送粉；轴向送粉导气嘴用于将粉末从后部轴向中心送粉至喷嘴(上游)。
有益效果
本实用新型的利用粉末制备涂层的动能喷涂喷枪，是一种操作简单的、成本低的、多工作模式的动能喷涂喷枪。该装置可用于制备纯金属、合金、金属基复合材料、纳米结构材料涂层或块材。该装置属于一种多工作模式的涂层制备设备，针对不同的喷涂材料，可方便地选择使用不同的工作气体。可工作在高压(1.0～4.0MPa)或低压(0.4～1.0MPa)的气体条件下，气体温度可在室温～800℃之间，粉末可从喷枪后部轴向中心送入喷枪喷嘴(上游)，也可从喷嘴扩张段(下游)送入。制备复合材料时最多可同时采用3个装有不同粉末的送粉器送入喷枪(1个上游送粉与2个下游送粉)。该设备的可控性较好，操作简单。
本实用新型动能喷涂喷枪可实现高压与低压喷涂，亦可实现后部轴向中心送粉与喷嘴扩张段送粉。工作范围广，操作方便。另外，轴向送粉导气嘴7通过螺纹连接到枪体1，其出口距离喷嘴喉部的距离可方便调节。
附图说明
图1：为本实用新型喷枪结构示意图；
(a)喷嘴下游送粉结构示意图，
(b)后部轴向中心送粉结构示意图；
图2：为本实用新型下游送粉喷嘴结构示意图；
1枪体，2测温接头，3测压接头，4-1气体入口接头，4-2气体入口接头，5夹持把柄，6喷嘴，6-1喷嘴平直段，6-2喷嘴收缩段，6-3喷嘴喉部，6-4喷嘴送粉汇流点，6-5喷嘴扩张段，6-6喷嘴出口，6-7粉末入口，7轴向送粉导气嘴。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本实用新型作进一步描述：
实施例1：
喷嘴6为关键部件，参见图2，本实用新型喷嘴为采用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT优化设计的简单收缩扩张型Laval喷管。采用喷嘴下游送粉方式，喷嘴设计如下：喷嘴平直段直径16mm，喷嘴喉部直径2mm，喷嘴出口直径5mm，喷嘴平直段长度20mm，喷嘴收缩段长度25mm，喷嘴扩张段长度170mm，粉末入口角度45°，喷嘴送粉汇流点距离喷嘴喉部20mm。两个粉末入口各通过一个接头与从送粉器出来的管路连接；喷嘴出口6-6处气流速度马赫数在1.5～7之间。如果喷嘴加工困难，可采用分段加工再连接组装的方法，保证加工方便。
参见图1(a)与图2，采用喷嘴扩张段送粉时，预热后(温度在100～800℃之间)的工作气体(压力在0.4～4.0MPa之间)经过气体入口接头4-1导入到枪体1(此时气体入口接头4-2被封闭)，然后流入喷嘴6的上游平直段6-1，经过喷嘴收缩段6-2的压缩效应，在喷嘴喉部6-3达到音速，然后在喷嘴扩张段6-5产生超音速流动，其中枪体处气体温度与压力通过测温接头2与测压接头3获得，用于在线监测。与此同时，携带待喷涂粉末的送粉气体(压力在0.4～1.0MPa之间，温度在室温～600℃之间)从喷嘴粉末入口6-7进入下游喷嘴扩张段6-5，汇流点6-4距离喷嘴喉部10～30mm，经高速工作气流加速后(粒子速度在200～1200m/s之间)。粒子飞出喷嘴出口6-6后，撞击基体，如果粒子速度超过临界速度(在150～1000m/s之间)，就可以形成涂层。
当采用后部轴向中心游送粉时，参见图1(b)。首先将轴向送粉导气嘴7装入枪体1，更换没有加工下粉末入口的喷嘴(或者将喷嘴粉末入口密封)，将气体入口接头4-1作为送粉气体入口，将气体入口接头4-2作为工作气体入口；与喷嘴扩张段送粉同样的工作原理，预热后(温度在100～800℃之间)的工作气体(压力在0.4～4.0MPa之间)经过气体入口接头4-2导入到枪体1，然后流入喷嘴6的上游平直段6-1，经过喷嘴收缩段6-2的压缩效应，在喷嘴喉部6-3达到音速，然后在喷嘴扩张段6-5产生超音速流动，同时枪体1处气体温度与压力通过测温接头2与测压接头3获得。然后将携带待喷涂粉末的送粉气体(压力在0.4～1.0MPa之间，温度在室温～600℃之间)从气体入口接头4-1送入到轴向送粉导气嘴7，然后进入喷嘴收缩段6-2(轴向送粉导气嘴7出口距离喷嘴喉部6-3为10～30mm)，经高速气流加速后而获得高速度。
当制备复合涂层时，可按照上述方法进行喷涂。也可先将两种粉末分别放入两个不同送粉器，分别由喷嘴6的两个粉末入口6-7送入到喷嘴扩张段6-5。在上述过程中，两种粉末的比例通过调节两路送粉气流量实现。最多可采用三个送粉器送三种粉末(混合粉末可算作一种)，一个从轴向中心送粉(从气体入口接头4-1导入)，另外两个从两个粉末入口6-7送入，这样气体入口接头4-2作为工作气体入口。
Claims (2)
1.一种利用粉末制备涂层的动能喷涂喷枪，其特征在于包括枪体(1)、测温接头(2)、测压接头(3)、气体入口接头(4)、夹持把柄(5)、喷嘴(6)与轴向送粉导气嘴(7)；枪体(1)的下端连接夹持把柄(5)，后端连接气体入口接头(4)，喷嘴(6)通过螺纹连接到喷枪(1)的前端，轴向送粉导气嘴(7)通过螺纹连接到枪体(1)的内部，测温接头(2)和测压接头(3)设计在枪体(1)的上部，测温接头(2)和测压接头(3)的下端与枪体(1)连通；所述的气体入口接头(4)之一入口接头(4-1)位于枪体(1)的直后端，入口接头(4-2)位于枪体(1)的斜后端。
2.根据权利要求1所述的利用粉末制备涂层的动能喷涂喷枪，其特征在于：所述的喷嘴(6)为收缩扩张型Laval喷管，喷嘴平直段(6-1)直径在8～30mm，喷嘴喉部(6-3)直径在1.5～4mm，喷嘴出口(6-6)直径在3～12mm，喷嘴平直段(6-1)长度在10～50mm，喷嘴收缩段(6-2)长度在10～50mm，喷嘴扩张段(6-5)长度150～300mm，距离喷嘴喉部10～30mm处有2个对称分布的送粉用粉末入口(6-7)，所述的粉末入口(6-7)与喷嘴中心轴线夹角在25～60°之间，并且相交至喷嘴送粉汇流点(6-4)；所述的喷嘴送粉汇流点(6-4)距离喷嘴喉部(6-3)为10～30mm。
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