专利名称：包覆热喷涂涂层的超声波工具头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及超声波设备，尤其涉及一种包覆热喷涂涂层的超声波工具头。
背景技术：
高能超声具有独特的声学效应。利用超声波处理改善金属凝固组织、提高力学性 能是一种最新的、有效的方法。在金属凝固过程中引入超声振动，凝固组织就会从粗大的柱 状晶变为均勻细等轴晶，金属的宏观及微观偏析均得到改善。如锡锑(Sn-Sb)合金是较为 广泛应用的轴承材料，通过超声处理细化其晶粒将有效提高其力学性能和耐磨性能。在超声处理中，超声波工具头起到将超声波发射到熔融液体金属中去的作用。超 声波工具头会受到高温液体金属和超声波空化腐蚀的双重影响。尤其是高温液体金属，相 当于一种强烈的金属腐蚀剂，对超声波工具头的腐蚀速度很快。通常情况下，就算是最昂贵 的钛合金超声波工具头，在铝合金熔体中累计工作几个小时左右就开始出现肉眼可见的腐 蚀痕迹，十几小时后就会形成大小不等的腐蚀孔，然后腐蚀孔不断扩大、扩张，导致超声波 工具头的振动频率发生偏移，发射效率下降，使用寿命基本不会超过100小时。通常的超声 波工具头为了耐高温而采用昂贵的钛合金材料，钛合金材料是一种综合性能非常好的金属 材料。特别是在超声波领域，它强度高、超声波传递损耗小、发热低，其重要性不可替代。然 而，钛合金材料硬度不是很高，抗腐蚀性也不是很强。在某些特殊的超声波应用领域，比如 切割、化工生产的强腐蚀场合、腐蚀性的高温环境，钛合金的应用就受到限制。要解决超声波在这些特殊领域的应用，只有两条途径。其一是找到一种更好的材 料，既具有钛合金所有的优点，又没有钛合金现有的缺点。然而，这种材料暂时还找不到。第 二个办法是对钛合金材料进行改性，既保留它原来的优点，尽可能克服它存在的问题。通常认为，若用一般的耐高温耐腐蚀材料进行包裹保护是行不通的。因为超声波 工具头要做高频小振幅振动，振动加速度极大。又由于保护材料一般质量较大，在很大的 振动加速度条件下，剥离力轻易就会超过结合强度，导致保护材料很快脱落。而且较大的 质量也会影响超声波工具头本身的振动特性。为此本实用新型的中请人曾选择薄型涂层 (通常叫做PVD涂层)进行改性，并以中国实用新型专利(耐高温腐蚀的超声波工具头， CN201305623)的形式对其技术加以介绍且申请了专利。从实际的使用效果看，这样的改性 是有一定的作用的，但仍不能从根本上解决问题。这种涂层固然避免了因为振动而脱落的 问题，但是太薄，使用寿命短，保护作用不大。例如从提高硬度的角度，因为太薄，极易被硬 物刺穿。从防腐的角度，也是因为太薄，很快便会失效。热喷涂技术是材料科学领域内表面工程学的重要组成部分，它是一种表面强化和 表面改性的技术，通过在金属基体表面喷涂一层涂层使金属具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、 电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。热喷涂技术主要用于高温、耐磨、耐腐蚀等部件 的预保护、功能涂层的制备及对失效部件的修复等。热喷涂工艺方法中应用较广泛的有火 焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速喷涂技术。采用热喷涂技术在金属基体上制备陶瓷涂层，能把金属材料的特点和陶瓷材料的特点有机地结合起来，获得复合材料结构。由于这种复合材料结构具有异常优越的综合性 能，使得热喷涂技术迅速从高尖领域扩展应用到能源、交通、冶金、轻纺、石化、机械等民用 工业领域。尽管热喷涂技术有着如此广泛的应用领域，但在超声波技术领域还没有应用。其 主要原因是，一般均认为，因为采用热喷涂技术获得的涂层很厚。而在通常意义上的理解 是，涂层越厚，越容易脱落，不适合在超声波设备这样高频小振幅振动、振动加速度极大的 条件下应用。而且，由于涂层的特性与基体金属材料的特性相差太大，一般均认为，肯定会 对超声波系统的传递、损耗、振动幅度、频率特性，等等，都有很大的影响。
发明内容本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的偏见，提供一种包覆热喷涂 涂层的超声波工具头。我们用15K，20K，35K，40K等超声波系统做了一系列的大功率超声 波试验，事实证明在合适的条件下，热喷涂涂层是可靠安全的，完全可以用在超声波振动系 统上。以20K超声波纵向振动工具头为例，只要控制振幅在70微米范围内，涂层厚度小于 5mm，就能够保证涂层的有效。而且，对整个超声波系统性能的影响也在可控制和可接受的 范围内。为解决该技术问题，本实用新型采用的技术方案是提供一种包覆热喷涂涂层的超声波工具头，包括工具头本体，所述的工具头本体 为一棒体，其外表包覆一层以热喷涂方法实现附着的涂层，该涂层的厚度为0. 15 4. 5mm。作为一种改进，所述的涂层是多元金属陶瓷涂层、镍铬碳化铬涂层、碳化钨涂层、 碳化铬涂层、合成氮化铬涂层或非金属陶瓷涂层中的任意一种。作为一种改进，所述的涂层是全部包覆或者是局部覆盖于工具头本体外表。超声 波工具头经过热喷涂涂层处理后，再进行表面研磨抛光处理，或再进行涂层封闭(封孔)处理。作为一种改进，所述的工具头本体呈铁饼型，涂层涂覆于外圆周面上，再进行表面 研磨抛光。工具头本体做径向振动，可以用于超声波旋转切割系统。在所述的工具头本体的侧面上，可设有若干相间隔的环形沟槽，以提高超声波工 具头的发射效率和均勻性。可用于超声波声化学系统。工具头本体的前端设置正锥形头或倒锥台形头，可扩大超声波振动的辐射面，提 高发射效率和功率。倒锥形头，起到聚能超声波的作用，提高超声波功率密度。工具头本体为金属材料，可选择合金钢材料。合金钢材料也是种耐高温材料，但耐 高温性能次于钛合金，更次于陶瓷材料，但其与钛合金相比，价格相对低廉。超声波工具头 内为合金钢材料，外为陶瓷材料，既确保耐高温、不被腐蚀，又有效降低成本。工具头本体的横截面可以呈圆形、方形或多边形，在空间受限制的特殊情况下，超 声波工具头也可设计成其他形状，同样可达到发射超声波的目的。工具头本体一般是做纵向振动或径向振动，超声波频率通常在14kHz 60kHz范 围。在通常情况下，工具头本体的后端头连接有变幅杆，变幅杆再与超声波换能器相 连，超声波换能器与驱动电源电连接。驱动电源驱动超声波换能器作超声波振动，变幅杆放大振幅，再将超声波振动能量传递给超声波工具头。最后，超声波工具头将超声波能量发射 到特定的地方。本实用新型的有益效果是与采用物理气相沉积的方法附着涂层的超声波工具头相比，采用热喷涂技术的超 声波工具头可以通过在廉价的工具头本体外附着上相对更厚的涂层，既增强其抗腐蚀性、 硬度，又能够确保其振动频率稳定、提高发射效率，更能延长使用寿命、降低成本。用热喷涂技术改性的钛合金(或普通合金钢)超声波发射头，主要有三方面的应用。其一是超声波切割领域，钛合金发射头既发射超声波，又作为切割组件中的砧板。 在工作中它要承受合金钢刀具不停的切割，相当于是一块切菜的砧板。如果不做处理，钛合 金产品的磨损很快，使用寿命会很短。经过热喷涂技术的碳化铬涂层处理，硬度大大提高， 至少能够达到HRC60以上。而且与钛合金基体的结合强度也很好，对超声波性能影响很少， 完全能够满足超声波切割工艺的技术要求。其二是应用在熔融金属的超声波处理领域，特别是铝合金熔体处理。在超声处理 中，超声波发射头起到将超声波能量发射到熔融液体金属中去的作用。超声波发射头会受 到高温液体金属和超声波空化腐蚀的双重影响。尤其是高温液体金属，相当于一种强烈的 金属腐蚀剂，对超声波发射头的腐蚀速度很快。通常情况下，就算是最昂贵的钛合金超声波 发射头，在铝合金熔体中累计工作几小时左右就开始出现肉眼可见的腐蚀痕迹，几十小时 后就会形成大小不等的腐蚀孔，然后腐蚀孔不断扩大、扩张，导致超声波发射头的振动频率 发生偏移，发射效率下降，使用寿命基本不会超过100小时。钛合金发射头通过热喷涂技 术，涂覆了耐高温合金粉材料，耐高温腐蚀性能有了本质的提高，甚至基体材料不用钛合金 也可以。这使得金属熔体超声波处理工艺的工业化有了可能，也大大降低了超声波设备的 使用成本。其三是在高腐蚀性的化工生产领域。众所周知超声波能够加速化学反应，提高反 应产率，降低反应温度和压力，所以超声波技术已经越来越多地被应用于化工生产领域。然 而，由于超声波需要有比较高强度的金属材料作为发射头，所以在许多腐蚀性的场合，超声 波无能为力。也就是说，到目前为止，还没有找到比较好的能够应用于强腐蚀化工生产领域 的超声波金属材料。金属的超声波发射头，通过热喷涂技术涂覆耐腐蚀的陶瓷材料，再经过 比较好的封孔处理，耐腐蚀性能有了大大的提高，完全可以应用在强腐蚀场合。
图1是实施例1中工具头的轴向剖视结构示意图。图2是实施例2中工具头的结构示意图。图3是实施例3中工具头的结构示意图。图4是实施例4中工具头的结构示意图。图5是实施例5中工具头的使用状态下安装示意图。图6是实施例6中工具头的结构示意图。图中的附图标记为1工具头本体，2涂层，3沟槽，4倒锥台形头，5正锥形头，6法兰盘，7变幅杆，8超声波换能器，9驱动电源。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。实施例1 本实施例的一种超声波工具头如图1所示，包括呈圆棒状的工具头本体 1，其外表包覆一层以热喷涂方法实现附着的涂层2，涂层2的材料采用多元金属陶瓷涂层， 其厚度为3. 0mm。工具头本体1采用合金钢材料，可用于超声波化学工程。当然，工具头本体1也可是横截面呈方形或多边形的棒体。实施例2 本实施例的超声波工具头如图2所示，工具头本体1的侧面有多个相间 隔的环形沟槽3，涂层2材料采用合成氮化钛材料，其厚度为2. 4mm，其余的同实施例1。实施例3 本实施例的超声波工具头如图3所示，工具头本体1的前端头为正锥形 头4，涂层2的材料采用合成氮化铬材料，其厚度为1. 7mm，其余的同实施例1。实施例4 本实施例的超声波工具头如图4所示，工具头本体1的前端头为倒锥形 头5，涂层2的材料采用非金属陶瓷材料，其厚度为0. 5mm，其余的同实施例1。实施例5 实施例1中的超声波工具头的使用状态如图5所示。工具头本体1的后端头连接有变幅杆7，变幅杆7再与超声波换能器8相连，超声 波换能器8与驱动电源9电连接。工具头本体1上靠近其后端头处有一个法兰盘6。其余 的同实施例1。实施例6 本实施例的工具头本体呈铁饼型，做径向振动。涂层在外圆周面上，再 进行表面研磨抛光。可以用于超声波旋转切割系统。在使用时，应控制好超声波系统的频率和振幅(也就是控制超声波系统的振动加 速度，最终是控制超声波传递时的内应力)。而且，正是因为热喷涂技术的涂层相对于物理 气相沉积的方法附着的涂层更厚，它的硬度问题、耐腐蚀问题能够比较好的解决了。一般在 超声波频率为20kHz的条件下，控制超声波工具头的振幅不超过70 ym，这样的内应力情况 下，采用热喷涂技术的涂层是可以承受的。还需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不 限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容 直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。
权利要求一种包覆热喷涂涂层的超声波工具头，包括工具头本体，其特征在于，所述的工具头本体为一棒体，其外表包覆一层以热喷涂方法实现附着的涂层，该涂层的厚度为0.15～4.5mm。
2.根据权利要求1所述的超声波工具头，其特征在于，所述的涂层是多元金属陶瓷涂 层、镍铬碳化铬涂层、碳化钨涂层、碳化铬涂层、合成氮化铬涂层或非金属陶瓷涂层中的任意一种。
3.根据权利要求1或2任意一项中所述的超声波工具头，其特征在于，所述的涂层是全 部包覆或者是局部覆盖于工具头本体外表的。
4.根据权利要求1或2任意一项中所述的超声波工具头，其特征在于，所述的工具头本 体为金属材料的工具头本体。
5.根据权利要求1或2任意一项中所述的超声波工具头，其特征在于，所述的工具头本 体的横截面呈圆形、方形或多边形。
6.根据权利要求1或2任意一项中所述的超声波工具头，其特征在于，所述的工具头本 体呈铁饼型，涂层涂覆于外圆周表面上。
专利摘要本实用新型涉及一种超声波设备，旨在提供一种包覆热喷涂涂层的超声波工具头。该工具头包括工具头本体，所述的工具头本体为一棒体，其外表包覆一层以热喷涂方法实现附着的涂层，该涂层的厚度为0.15～4.5mm。本实用新型与采用物理气相沉积的方法附着涂层的超声波工具头相比，采用热喷涂技术的超声波工具头可以通过在廉价的工具头本体外附着上相对更厚的涂层，既增强其抗腐蚀性、硬度，又能够确保其振动频率稳定、提高发射效率，更能延长使用寿命、降低成本。
文档编号C23C4/10GK201713563SQ201020146029
公开日2011年1月19日 申请日期2010年3月30日 优先权日2010年3月30日
发明者陈元平 申请人:陈元平