一种便携式低压冷喷涂装置制造方法
【专利摘要】本发明属于冷喷涂设备【技术领域】，涉及一种便携式低压冷喷涂装置，第一送粉管的一端通过橡胶管与送粉器管道式连接，另一端嵌入式安装在喷嘴内；喷嘴的下部安装制有加热器，喷嘴为同轴下游送粉喷嘴结构或侧向下游送粉喷嘴结构，喷嘴为同轴下游送粉喷嘴时，喷嘴和加热器之间成垂直状态；喷嘴为侧向下游送粉喷嘴时，喷嘴和加热器之间成平行状态；加热器的底部连接制有温控系统；供热管路与加热器固定连接，压缩空气通过供热管路进入加热器；其结构简单，原理可靠，操作方便，环境友好。
【专利说明】一种便携式低压冷喷涂装置
【技术领域】:
[0001]本发明属于冷喷涂设备【技术领域】，涉及一种用于防腐涂层制备和受损部件修复现场施工的便携式低压冷喷涂装置，适用于0.8-1.5MPa使用的超音速喷枪，提升材料的沉积效率。
【背景技术】:
[0002]俄罗斯专利1674585、美国专利 6502767 ((advanced cold spray system》、美国专利 6759085 ((methods and apparatus for low pressure cold spraying〉〉和中国专利ZL00253384.7《超音速冷喷涂装置》均公开了低压冷喷涂设备及其使用方法，这些专利公开的低压冷喷涂设备的加热器和超音速喷嘴均集成在一起，降低热量在管道中的损失，最大限度在最小的体积内安排最大的电输入功率，满足喷涂需求；同时，通过下游虹吸式送粉，将粉末从下游稳定负压区送入，再配合电磁阀自动控制粉量，保证涂层质量均匀，这种结构无需使用特别的送粉器，减少了结构的复杂性，简化了设备，喷涂设备可加工铝、锌、镍、锡和铜合金及其复合材料等，专利覆盖的气体流量为15m3-20m3，由于加速能力低于普通的高压冷喷涂设备，其沉积主要是通过添加氧化物材料实现活化的，典型的工艺条件下效率仅为20% ;从便携性和涂层性能来看，现有的商用冷喷涂设备已经满足各种现场施工的要求，但是材料的利用率和沉积效率很低，主要的缺点为沉积效率过低，其原因为:一是便携式冷喷涂设备的加热器实现手持，集成要求其重量和体积均足够小，导致加热器功率输入收到限制；二是加热器不是通过保温而是通过隔空散热保证加热器表面低温，导致热利用效率较低；三是气流量小导致前气室压力无法提高，限制了气流的加速能力，同时限制了沉积效率；四是现有的设备持续喷涂时间受到喷嘴的快速磨损限制，无法长时间连续加工；五是沉积效率仅为20%导致施工效率低下，延长施工工期；六是加热器采用电热丝加热，电热丝容易损坏，组装复杂，绝缘处理采用表面氧化工艺，对封装要求高。因此，设计一种便携式低压冷喷涂装置提升装置的效率和使用寿命，是目前冷喷涂领域内设备设计研究的重点方向。
【发明内容】
:
[0003]本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种便携式低压冷喷涂装置，其气室入口压力为0.8-1.5MPa，25-35m3/h流量压缩空气的温度达到喷涂要求，工艺的沉积效率高，喷涂效率好。
[0004]为了实现上述目的，本发明的主体结构包括供气管路、加热器、第一送粉管、温控系统、送粉器、喷嘴和橡胶管；第一送粉管的一端通过橡胶管与送粉器管道式连接，橡胶管的长度根据实际需要选择，送粉器的送粉压力为0-1.5MPa，送粉粒径为5-50um，送粉量为
0.5-2.5g/s ;第一送粉管的另一端嵌入式安装在喷嘴内；喷嘴的下部安装制有加热器，力口热器的输入功率为2.5-4.5kW可调，温度为300°C _550°C;喷嘴为同轴下游送粉喷嘴结构或侧向下游送粉喷嘴结构，喷嘴为同轴下游送粉喷嘴时，喷嘴和加热器之间成垂直状态；喷嘴为侧向下游送粉喷嘴时，喷嘴和加热器之间成平行状态；加热器的底部连接制有温控系统；供热管路与加热器固定连接，压缩空气通过供热管路进入加热器。
[0005]本发明的工作原理过程为:压力为0.8-1.5MPa的压缩空气通过供热管路进入加热器加热，气体压力在加热器的出口处保持进气的压力值；经过喷嘴的缩放管加速之后的气体在下游发展，在喷嘴的出口中心处的气体速度达到750-1300m/s，该气体将5_25um的铜、铝和锌粉末加速到400-650m/s，粉末在由喷嘴的出口喷出后撞击基体材料，发生塑性变形形成涂层。
[0006]本发明涉及的同轴下游送粉喷嘴的主体结构包括第一延长管、第二送粉管、螺孔、扩张段、喉部、第一前气室和进气口，第二送粉管的一端通过螺孔采用螺栓固定安装制有第一延长管，第二送粉管的另一端与第一送粉管连接；同轴下游送粉喷嘴的中间为喉部，喉部的一侧为扩张段，另一侧为空腔结构的第一前气室，第一前气室的顶部开制有进气口 ；喷嘴的整体长度为2cm，收缩段长度为1cm，扩张段长度为1cm，喉部的直径为2.5-3.5mm,第二送粉管的后堵厚为0.5cm，第二送粉管的长度为25-35mm，内径为1.5mm，外径为2mm ;喷嘴工作时，工作气体从进气口进入第一前气室，气体在到达喉部前的压力保持不变，到达喉部时的压力降低，速度达到I倍音速；到达喉部之后，气体压力急剧降低，降到正激波时的最低负压，速度也达到最高；喷嘴出口选在正激波位置，即首次面积扩张到最大的位置，使喷嘴产生负压和虹吸气体；喷嘴的扩张段和第一延长管为阶梯状结构，以每一个0.5mm为阶梯，分别为2.5mm, 3mm, 3.5mm, 4mm和4.5mm,相应的膨胀比为4-13.5 ;第一延长管的长度不小于120mm,第一延长管或为扩散状结构,扩散直径不超过5mm。
[0007]本发明涉及的侧向下游送粉喷嘴的主体结构包括送粉管入口、第二延长管和第二前气室；送粉管入口的内径为l_3mm，使在喷涂工艺范围内的气体为lX10_4-5X10_4m3/s之间的某一数值；该喷嘴可用的压力范围为0.6-1.2MPa，针对入口压力，该喷嘴的膨胀比为5-7.5，产生较为平顺的超音速气流；为控制气体喷涂过程中的耗气量，喉部的直径为2-3mm;第二前气室的温度为400°C时，第二延长管处的大部分气体的速度为850_1200m/s之间，由送粉管入口虹吸进喷嘴的气体与第二前气室的气体混合后降低部分气体温度和速度；该喷嘴可加速5-50um的铜、铝和锌金属颗粒为400-700m/s ;当第二前气室的温度为200°C以上时，能够喷涂铝涂层、铜涂层；当第二前气室的温度为400°C以上时，能够喷涂铝、铜、锌和镍涂层；扩散状的第二延长管长度为80-120mm，扩散直径不超过5mm。
[0008]本发明涉及的加热器的主体结构包括加热元件外筒、接线腔室、接线柱、压缩空气入口管、压缩空气入口管接口、法兰、加热元件、热气流收集段、空气出口接口、热电偶和出口，整个加热器的主体长度不超过220_，直径不超过70_，加热元件外筒和法兰通过螺栓固定并密封；加热元件的一端制有接线柱，热电偶和接线柱在接线腔室内分别与温控系统连接；加热器的尾部为热气流收集段，热气流收集段上制有出口，出口与空气出口接口相连；压缩空气入口管上开制有采用快接软管制成的压缩空气入口管接口，压缩空气入口管接口的直径为8-12mm ;加热元件为缠绕在陶瓷材料沟槽内的电热丝组件，电热丝材料选用不锈钢、蒙奈尔合金、康铜、锰铜或镍铬合金中的一种，电热丝的直径为0.8mm-l.5mm,总长度为5-15m，使电热丝的电阻值为10-20 Ω，输入最大功率5kW，实际输入功率由温控系统控制；热电偶为K型铠装热电偶，测温度范围< 800°C ;热气流收集段的长度为15-20mm，热气体通过热气流收集段汇集到出口，出口为内径12-14mm、长IOmm的内螺纹结构，空气出口接口的锥面和喷嘴的前气室球面密封，使喷嘴不发生漏气现象；加热元件外筒和加热元件的固定架之间内衬厚度为5mm的保温材料。
[0009]本发明与现有技术相比，其结构简单，原理可靠，操作方便，环境友好，送粉速率根据需要可调，保证涂层外观和质量均匀，最大送粉率可达9kg/h，不影响喷嘴气流状态和加速行为，温度450°C，压力1.0MPa时，粉末的沉积效率可达到50%。
【专利附图】
【附图说明】:
[0010]图1为本发明的主体结构原理示意图。
[0011]图2为本发明涉及的同轴下游送粉喷嘴结构原理示意图。
[0012]图3为本发明涉及的侧向下游送粉喷嘴结构原理示意图。
[0013]图4为本发明涉及的加热器结构原理示意图。
[0014]图5为本发明实施例制备的铜涂层结构原理示意图。
【具体实施方式】:
[0015]下面通过实施例并结合附图作进一步说明。
[0016]实施例1:
[0017]本实施例的主体结构包括供气管路1、加热器2、第一送粉管3、温控系统4、送粉器
5、喷嘴6和橡胶管28 ;第一送粉管3的一端通过橡胶管28与送粉器5管道式连接，橡胶管28的长度根据实际需要选择，送粉器5的送粉压力为0-1.5MPa，送粉粒径为5-50um，送粉量为0.5-2.5g/s ;第一送粉管3的另一端嵌入式安装在喷嘴6内；喷嘴6的下部安装制有加热器2，加热器2的输入功率为2.5-4.5kW可调，温度为300°C -550°C ;喷嘴6为同轴下游送粉喷嘴结构或侧向下游送粉喷嘴结构，喷嘴6为同轴下游送粉喷嘴时，喷嘴6和加热器2之间成垂直状态；喷嘴6为侧向下游送粉喷嘴时，喷嘴6和加热器2之间成平行状态；加热器2的底部连接制有温控系统4 ;供热管路I与加热器2固定连接，压缩空气通过供热管路I进入加热器2。
[0018]本实施例的工作原理过程为:压力为0.8-1.5MPa的压缩空气通过供热管路I进入加热器2，由加热器2加热到设定温度，气体压力在加热器2的出口处保持进气的压力值；经过喷嘴6的缩放管加速之后的气体在下游发展，在喷嘴6的出口中心处的气体速度达到750-1300m/s，该气体将5_25um的铜、铝和锌粉末加速到400_650m/s，粉末在由喷嘴6的出口喷出后撞击基体材料，发生塑性变形形成涂层。
[0019]本实施例涉及的同轴下游送粉喷嘴的主体结构包括第一延长管7、第二送粉管8、螺孔9、扩张段10、喉部11、第一前气室12和进气口 13，第二送粉管8的一端通过螺孔9采用螺栓固定安装制有第一延长管7，第二送粉管8的另一端与第一送粉管3连接；同轴下游送粉喷嘴的中间为喉部11，喉部11的一侧为扩张段10，另一侧为空腔结构的第一前气室12，第一前气室12的顶部开制有进气口 13 ;喷嘴6的整体长度为2cm，收缩段长度为1cm，扩张段长度为1cm，喉部11的直径为2.5-3.5mm，第二送粉管8的后堵厚为0.5cm，第二送粉管8的长度为25-35mm，内径为1.5mm，外径为2mm ;喷嘴6工作时，工作气体从进气口 13进入第一前气室12，气体在到达喉部11前的压力保持不变，到达喉部11时的压力降低，速度达到I倍音速；到达喉部之后，气体压力急剧降低，降到正激波时的最低负压，速度也达到最高；喷嘴出口选在正激波位置，即首次面积扩张到最大的位置，使喷嘴产生负压和虹吸气体；喷嘴的扩张段10和第一延长管7为阶梯状结构，以每一个0.5mm为阶梯，分别为2.5mm,3mm, 3.5mm, 4mm和4.5mm,相应的膨胀比为4-13.5 ;第一延长管7的长度不小于120mm,第一延长管7或为扩散状结构,扩散直径不超过5mm。
[0020]本实施例涉及的侧向下游送粉喷嘴的主体结构包括送粉管入口 14、第二延长管15和第二前气室16 ;送粉管入口 14的内径为l_3mm，使在喷涂工艺范围内的气体为I X 10_4-5 X 10V/s之间的某一数值；该喷嘴可用的压力范围为0.6-1.2MPa，针对入口压力，该喷嘴的膨胀比为5-7.5，产生较为平顺的超音速气流；为控制气体喷涂过程中的耗气量，喉部的直径为2-3mm ;第二前气室16的温度为400°C时，第二延长管15处的大部分气体的速度为850-1200m/s之间，由送粉管入口 14虹吸进喷嘴的气体与第二前气室16的气体混合后降低部分气体温度和速度；该喷嘴可加速5-50um的铜、铝和锌金属颗粒为400-700m/s ;当第二前气室16的温度为200°C以上时，能够喷涂铝涂层、铜涂层；当第二前气室16的温度为400°C以上时，能够喷涂铝、铜、锌和镍涂层；扩散状的第二延长管长度为80-120mm,扩散直径不超过5mm。
[0021]本实施例涉及的加热器的主体结构包括加热元件外筒17、接线腔室18、接线柱19、压缩空气入口管20、压缩空气入口管接口 21、法兰22、加热元件23、热气流收集段24、空气出口接口 25、热电偶26和出口 27，整个加热器2的主体长度不超过220mm，直径不超过70mm,加热元件外筒17和法兰22通过螺栓固定并密封；加热元件23的一端制有接线柱19，热电偶26和接线柱19在接线腔室18内分别与温控系统4连接；加热器2的尾部为热气流收集段24，热气流收集段24上制有出口 27，出口 27与空气出口接口 25相连；压缩空气入口管20上开制有采用快接软管制成的压缩空气入口管接口 21，压缩空气入口管接口 21的直径为8-12mm ;加热元件23为缠绕在陶瓷材料沟槽内的电热丝组件，电热丝材料选用不锈钢、蒙奈尔合金、康铜、猛铜或镍铬合金中的一种，电热丝的直径为0.8mm-1.5mm,总长度为5-15m，使电热丝的电阻值为10-20 Ω，输入最大功率5kW，实际输入功率由温控系统4控制；热电偶26为K型铠装热电偶，测温度范围< 800°C;热气流收集段24的长度为15_20mm，热气体通过热气流收集段24汇集到出口 27，出口 27为内径12-14mm、长IOmm的内螺纹结构，空气出口接口 25的锥面和喷嘴6的前气室球面密封，使喷嘴不发生漏气现象；加热元件外筒11和加热元件23的固定架之间内衬厚度为5_的保温材料。
[0022]实施例2:
[0023]本实施例采用侧向下游送粉喷嘴，送粉管入口处内径由3mm变成1.5mm，入口位于缩放管放的最大截面处，长度3mm,喉部直径2.54mm,缩放部分均IOmm,下游延长管120mm,操作压力0.8MPa，温度320°C，该喷嘴的膨胀比在6.25，延长管由4.5mm变为5mm，该参数条件下，最大气体流速约lOOOm/s，粉末选取5-25um的电解铜粉，获得的涂层如图5所示，涂层的沉积效率为35%。
【权利要求】
1.一种便携式低压冷喷涂装置，其特征在于主体结构包括供气管路、加热器、第一送粉管、温控系统、送粉器、喷嘴和橡胶管；第一送粉管的一端通过橡胶管与送粉器管道式连接，橡胶管的长度根据实际需要选择，送粉器的送粉压力为0-1.5MPa，送粉粒径为5-50um，送粉量为0.5-2.5g/s ;第一送粉管的另一端嵌入式安装在喷嘴内；喷嘴的下部安装制有加热器，加热器的输入功率为2.5-4.5kW可调，温度为300°C -550°C ;喷嘴为同轴下游送粉喷嘴结构或侧向下游送粉喷嘴结构，喷嘴为同轴下游送粉喷嘴时，喷嘴和加热器之间成垂直状态；喷嘴为侧向下游送粉喷嘴时，喷嘴和加热器之间成平行状态；加热器的底部连接制有温控系统；供热管路与加热器固定连接，压缩空气通过供热管路进入加热器。
2.根据权利要求1所述的便携式低压冷喷涂装置，其特征在于工作原理过程为:压力为0.8-1.5MPa的压缩空气通过供热管路进入加热器加热，气体压力在加热器的出口处保持进气的压力值；经过喷嘴的缩放管加速之后的气体在下游发展，在喷嘴的出口中心处的气体速度达到750-1300m/s，该气体将5_25um的铜、铝和锌粉末加速到400-650m/s，粉末在由喷嘴的出口喷出后撞击基体材料，发生塑性变形形成涂层。
3.根据权利要求1所述的便携式低压冷喷涂装置，其特征在于涉及的同轴下游送粉喷嘴的主体结构包括第一延长管、第二送粉管、螺孔、扩张段、喉部、第一前气室和进气口，第二送粉管的一端通过螺孔采用螺栓固定安装制有第一延长管，第二送粉管的另一端与第一送粉管连接；同轴下游送粉喷嘴的中间为喉部，喉部的一侧为扩张段，另一侧为空腔结构的第一前气室，第一前气室的顶部开制有进气口 ；喷嘴的整体长度为2cm，收缩段长度为1cm，扩张段长度为1cm，喉部的直径为2.5-3.5_，第二送粉管的后堵厚为0.5cm，第二送粉管的长度为25-35mm，内径为1.5mm，外径为2mm ;喷嘴工作时，工作气体从进气口进入第一前气室，气体在到达喉部前的压力保持不变，到达喉部时的压力降低，速度达到I倍音速；到达喉部之后，气体压力急剧降低， 降到正激波时的最低负压，速度也达到最高；喷嘴出口选在正激波位置，即首次面积扩张到最大的位置，使喷嘴产生负压和虹吸气体；喷嘴的扩张段和第一延长管为阶梯状结构，以每一个0.5mm为阶梯,分别为2.5mm, 3mm, 3.5mm, 4mm和4.5mm,相应的膨胀比为4-13.5 ;第一延长管的长度不小于120mm,第一延长管或为扩散状结构,扩散直径不超过5mm。
4.根据权利要求1所述的便携式低压冷喷涂装置，其特征在于涉及的侧向下游送粉喷嘴的主体结构包括送粉管入口、第二延长管和第二前气室；送粉管入口的内径为1-3_，使在喷涂工艺范围内的气体为lX10_4-5X10_4m3/s之间的某一数值；该喷嘴可用的压力范围为0.6-1.2MPa，针对入口压力，该喷嘴的膨胀比为5-7.5，产生较为平顺的超音速气流；为控制气体喷涂过程中的耗气量，喉部的直径为2-3mm ;第二前气室的温度为400°C时，第二延长管处的大部分气体的速度为850-1200m/s之间，由送粉管入口虹吸进喷嘴的气体与第二前气室的气体混合后降低部分气体温度和速度；该喷嘴可加速5-50um的铜、铝和锌金属颗粒为400-700m/s ;当第二前气室的温度为200°C以上时，能够喷涂铝涂层、铜涂层；当第二前气室的温度为400°C以上时，能够喷涂铝、铜、锌和镍涂层；扩散状的第二延长管长度为80-120mm,扩散直径不超过5mm。
5.根据权利要求1所述的便携式低压冷喷涂装置，其特征在于涉及的加热器的主体结构包括加热元件外筒、接线腔室、接线柱、压缩空气入口管、压缩空气入口管接口、法兰、加热元件、热气流收集段、空气出口接口、热电偶和出口，整个加热器的主体长度不超过220mm,直径不超过70mm,加热元件外筒和法兰通过螺栓固定并密封；加热元件的一端制有接线柱，热电偶和接线柱在接线腔室内分别与温控系统连接；加热器的尾部为热气流收集段，热气流收集段上制有出口，出口与空气出口接口相连；压缩空气入口管上开制有采用快接软管制成的压缩空气入口管接口，压缩空气入口管接口的直径为8-12mm ;加热元件为缠绕在陶瓷材料沟槽内的电热丝组件，电热丝材料选用不锈钢、蒙奈尔合金、康铜、锰铜或镍铬合金中的一种，电热丝的直径为0.8mm-l.5mm,总长度为5_15m，使电热丝的电阻值为10-20 Ω，输入最大功率5kW，实际输入功率由温控系统控制；热电偶为K型铠装热电偶，测温度范围< 800°C ;热气流收集段的长度为15-20mm，热气体通过热气流收集段汇集到出口，出口为内径12_14mm、长IOmm的内螺纹结构，空气出口接口的锥面和喷嘴的前气室球面密封，使喷嘴不发生漏气 现象；加热元件外筒和加热元件的固定架之间内衬厚度为5_的保温材料。
【文档编号】B05C19/06GK103521404SQ201310513371
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】黄国胜, 李相波, 邢路阔 申请人:中国船舶重工集团公司第七二五研究所