专利名称：一种利用粉末制备涂层的动能喷涂喷枪的制作方法
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 1200 m/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°C，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 U990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 用高压压縮空气作为工作气体，所采用粒子直径(>65pm)也大于Papyrin等所用细小 金属粒子(l-50)im)。美国Inovati公司也推出f所谓的动力金属化(Kinetic Metallization)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lMPa) 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Obninsk Center for Powder Spraying 、波兰Metal Forming Institute 、力口拿大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0￥1^5丁 ，在加拿大注册 SST ),该系统的主要特点是采用小于IMPa (—般0.7MPa)的压縮空气作为工作气 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l、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l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 l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-l位于枪体l的直后端，入口接头4-2位于枪体l的斜后端。
所述的喷嘴6为收縮扩张型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'C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l，其出口距离喷嘴喉部的距离可方便调节。
图l:为本实用新型喷枪结构示意(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2:为本实用新型下游送粉喷嘴结构示意l枪体，2测温接头，3测压接头，4-l气体入口接头，4-2气体入口接头，5夹持 把柄，6喷嘴，6-l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，喷嘴收縮段长度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。如果喷嘴加工西难，可 采用分段加工再连接组装的方法，保证加工方便。
参见图l(a)与图2，采用喷嘴扩张段送粉时，预热后(温度在100 80(TC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-l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-l，经过喷嘴收縮段6-2的 压縮效应，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 60(TC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l(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-l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 80(TC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l，然后流入喷嘴6的上游平直段6-l，经过 喷嘴收縮段6-2的压縮效应，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 60(TC之间)从 气体入口接头4-l送入到轴向送粉导气嘴7，然后进入喷嘴收縮段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-l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。
权利要求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)为收縮扩张型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。
专利摘要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。
文档编号C23C24/00GK201324710SQ20082022266
公开日2009年10月14日 申请日期2008年11月28日 优先权日2008年11月28日
发明者李文亚 申请人:西北工业大学