管子的制造技术

专利名称：管子的制造技术
管子的制造本发明涉及由，例如，金属、陶瓷、聚合物、复合物及其混合物形成的管子的制造方 法。更具体地，本发明涉及通过应用冷气体动态喷涂(或冷喷涂)的无缝管的制造。本发 明还涉及根据本发明的方法制造的管子。尤其感兴趣的是钛和钛合金管。典型地，通过例如挤压或螺旋焊接的工艺来制造管子。在挤压工艺中，加热金属坯 段并用适当的心轴穿透金属坯段；如果必需的话，之后是拉长、碾压、拉直、定径(sizing) 和精加工。在螺旋焊接工艺中，在辊子上形成材料片(例如，钛)，并对该薄片进行缝焊，以 制造管子。如果必需的话，螺旋焊接管子的后续操作包括后热处理、焊缝检查、定径和精加 工。这些生产工艺趋向于是劳动密集的，包括高加工成本和低生产率。与此背景相反，希望提供一种用于制造管子的工艺，该工艺不具有与这些传统技 术相关的缺点。具体地，希望提供一种用于制造管子的方法，该方法简单且具有相对高产 量。因此，本发明提供一种制造管子的方法，该方法包括将颗粒冷喷涂到适当的支撑 件(或基板)上，从而制造管子，并将管子与支撑件分离。在获得管子所需特性的过程中， 颗粒可能包括任何易进行冷喷涂以在支撑件上产生管子结构的材料。颗粒可能包括一种或 多种金属、陶瓷、聚合物、复合物，以及这些材料的任何两种或多种的组合。当使用材料的选 择组合时，可能需要考虑兼容性问题。冷喷涂是一种已知的已经用于对表面施加涂层的方法。一般来说，该方法包括，将 (金属的和/或非金属的)颗粒注入高压气流，然后该高压气流通过导致气流加速至超音 速速度的收缩/扩散喷嘴，或者，将颗粒在喷嘴喉部之后注入超音速气流。然后，将颗粒引 导至待沉积表面。在相对低的温度下执行该处理，在基板和待沉积颗粒的熔点之下，由于颗 粒在基板表面上撞击的结果而形成涂层。该处理在相对低的温度下发生的这个事实，允许 所涂敷的表面和构成涂层的颗粒上的热力的、热的和/或化学的效应被减小或避免。这意 味着，可保持颗粒的原始结构和特性，同时不发生相变等，而高温涂敷处理(例如，等离子 体、HV0F、电弧、气体火焰喷涂或其它热喷涂处理)则可能会相关地发生相变。例如，在US 5，302，414中描述了冷喷涂的基本原理、设备和方法。在本发明的方法中，冷喷涂用来在支撑件的表面上建立管子结构，然后去除支撑 件以产生自立的(free-standing)管子结构。通过加热或冷却管子和/或支撑件，可以实 现管子与支撑件的分离。替代地，通过溶解、熔化、蒸发或破坏支撑件，可以实现管子与支撑 件的分离。根据本发明，将颗粒冷喷涂在适当的支撑件的表面上。这里，将理解，支撑件的表 面是颗粒沉积于其上以建立管子形式的层的表面。支撑件可以采用各种构造。因此，在一个实施方式中，支撑件采用心轴的形式。在 此情况中，心轴的外表面将限定待制造的管子的内表面。在心轴横截面是圆形的情况下，心 轴的外径将相当于待制造的管子的内径。在另一实施方式中，支撑件可以采用成形支撑件(或模具)的形式。在此情况中， 本发明的方法包括将颗粒冷喷涂到模具的表面上，并且，这里将理解，模具的内表面将限定待制造的产品的外表面。因此，在支撑件包括贯穿其的腔体且腔体横截面是圆形的情况中， 腔体的内径将相当于待制造的管子的外径。典型地，待制造的管子的横截面将是圆形的，虽 然当然也可以使用其它适当成形的模具。将由颗粒涂敷的支撑件的表面将影响待制造的管子的相应表面的特性。期望地， 待涂敷支撑件的表面是平滑且无瑕疵的。支撑件的表面特性可能影响支撑件通过加热、冷 却、溶解、熔化或蒸发而与管子分离的简易性，而这在通过冷喷涂形成管子之后是需要的。 例如，可以用氢氧化钠来溶解铝心轴。当待涂敷支撑件的表面是平滑且无瑕疵(例如，刮痕、凹口、凹陷、空穴、针孔、内 含物、记号等)时，所制造的管子的表面也应该是平滑且无瑕疵的。这种管子可以应用在悬 浮液的运输中，其中，期望使得颗粒从通过管子传输的工艺流体沉积到内管子表面上的沉 积减到最小，因为这会导致流动中断并可能阻塞管子。在某些应用中(例如，热交换器)，可能期望使用具有大表面面积的管子，以使沿 管子厚度的热传递最大。热传递的大小和/或方向可能表示，将管子(内部的和/或外部 的)的哪个表面设计为具有适当大的表面面积。本发明允许，通过分别冷喷涂具有大外表 面面积的心轴或具有大内表面面积的模具，来制造具有大内表面或外表面面积的管子。将 在管子的相应表面上再生产心轴或模具的表面，并且，心轴或模具的表面可以包括任何将 在待制造管子中产生期望的表面面积构造的结构特征。例如，心轴或模具的表面可以包括 一个或多个翅片，以使管子的相应表面具有大的表面面积。不可能用传统的生产工艺来制 造这种管子。特别地，包括钛和/或钛合金的本发明的大表面面积的管子可能适于在热交 换器中使用。本发明的一个可能的优点是，通过冷喷涂施加的组合物(composition，合成物) 可能沿着待制造管子的长度和/或经管子的厚度而变化。这可能在产品特性方面提供柔 性。例如，为了制造在相对的两个端部具有不同的焊接特性的金属管子，可以通过改变不同 端部之间的组合物来实现。也可能期望沿管子厚度而改变组合物。例如，可能期望提供具 有镍密集内部区域的管子，该管子在外部区域中具有较低镍密度(可能较便宜)的物质。有几种可能的改变管子组合物的不同方法。如果沿着管子的长度和/或经管子的 厚度的管子特性(例如，热膨胀系数)的变化是期望的，那么可以相应地改变管子的组合 物。因此，管子可能包括不连续的长度和/或不同材料的层，或者，管子的组合物可以沿着 长度和/或在管子的厚度逐渐改变，或者，管子可能包括这些布置的组合。如果用多种材料制造管子，那么必须考虑不同材料的兼容性。如果两种或更多种 所提出的材料在某些方面(例如，相干性/粘接)是不相容的，则可能必须通过互相相容的 材料的一个或多个区域将不相容的材料隔开。替代地，可这样制造管子，使得从一种材料到 下一种材料的组合物是逐渐变化的，以易于解决所使用的材料之间的不兼容问题。本发明提供制造包括两个或更多个不同层的管子的装置，其中，各个层化学地 (可以改变颗粒的组成)和/或物理地(可以改变所使用的颗粒的大小、包装密度等)不 同。用于最内层和最外层的材料的选择通常将由管子的预期用途以及内部管子和外部管子 在使用过程中将暴露于的处理流体来控制。因此，可能期望制造这样的管子，其中，内表面 和/或外表面是耐腐蚀的或耐磨损的。在管子的层的特性不重要的情况下，可以用相对便 宜的材料形成此层，从而增强成本效率。钛和镍(及其相应的合金)可以用来分别提供对酸性和碱性处理流体的耐腐蚀性。钨和/或碳化钨可以用来提供对研磨处理流体的耐磨性。 较便宜的材料可以包括铝、铜和/或锌。一层一层的方法对于具有相对小的直径的多层管子的制造来说可能特别有用。例 如，考虑到了包括钛的内层和不同材料的外层的小管子。可以证明，如果冷喷涂喷嘴过大 而无法穿过管子腔体，那么非常难以(甚至不可能)通过用钛冷喷涂预制管子的内表面来 生产这种管子。然而，根据本发明，可通过以下方式来制造这种管子在心轴上冷喷涂均勻 的钛层(其外径相当于管子所需的内径)，然后，在涂有钛的心轴上冷喷涂不同材料的均勻 层，然后，去除心轴以产生多层管子。各种工艺参数的精确控制允许包括管壁的不同层之间 具有适当粘合。在本发明中，管子材料优选地包括钛或钛合金。钛管子坚固、耐腐蚀，并且是在地 上和地下以及海底运输水、油、气体和各种化学品的非常好的候选对象。也已发现，使用本 发明的冷喷涂方法的钛管子的制造符合严格的性能需求并满足对管子生产的传统的高温 处理的低成本替代的需求。在支撑件上形成管子之后，必须将支撑件与管子分离。在一个实施方式中，由于支 撑件的材料和形成管子的材料之间的热膨胀系数不同(冷喷涂可能导致支撑件的局部加 热)，从而出现分离。因此，当支撑件采用心轴的形式时，可以通过使得心轴收缩远离形成于 心轴的外表面上的管子来实现分离。在此情况中，将心轴的热膨胀系数选择为大于待制造 的管子的热膨胀系数。在开始冷喷涂之前加热支撑件也可能是有利的。在另一实施方式中，当支撑件采用模具的形式时，当管子的材料具有比模具的材 料更高的热膨胀系数时，可以实现模具与管子的分离。模具可由蜡或可溶解、熔化或蒸发的 低熔点金属制成。在此情况中，在冷却时，管子的外表面收缩离开模具的内表面。可以基于待制造的管子的材料来选择用于支撑件的材料。在本发明的一个实施方 式中，当支撑件采用心轴的形式且管子材料包括钛颗粒时，心轴可能由不锈钢形成。在另一实施方式中，可以通过破坏支撑件来实现支撑件与管子的分离。在此情况 中，支撑件可以由陶瓷材料形成，该材料具有适当的硬度并耐高温以允许在支撑件的表面 上形成管子，但是具有适当的易碎性以允许当需要分离支撑件和管子时，破坏并去除支撑 件。在本发明的一个实施方式中，被冷喷涂的颗粒的平均大小可能影响在支撑件上产 生的沉积的密度，并由此影响所形成的管子的密度。优选地，沉积密度大且没有瑕疵、没有 所连接的微孔(泄漏)等，因为这些现象的存在会对所产生的管子的质量是有害的。典型 地，通过冷喷涂施加的颗粒的大小是从5至45微米，平均颗粒大小是25微米。本领域的技 术人员将能够确定最佳的颗粒大小或颗粒大小分布，以基于粉末的形态和将形成的管子的 特性来使用。适于在本发明中使用的颗粒是商业上可获得的。可以操作用于冷喷涂工艺的操作参数，以实现具有期望特性(密度、表面光洁度 等)的管子。因此，可以按照需要来调节参数，例如，温度、压力、离开距离(stand off，竖直 高度)(冷喷涂喷嘴和待涂敷支撑件表面之间的距离)、粉末进给速度，以及支撑件和冷喷 涂喷嘴的相对运动。通常，颗粒大小和分布越小，形成于支撑件的表面上的层密度越大。可 能适当的是，调整所使用的冷喷涂设备，以允许使用更高的压力和更高的温度，从而实现更 高的颗粒速度和密度更大的微结构，或允许预加热颗粒。
用于实现本发明的方法的设备可能是传统的形式，并且，这种设备在商业上是可 获得的或可单独建造。一般来说，用于冷喷涂的设备的基本原理将如US 5，302，414中描述 和示出的。根据需要，这种冷喷涂设备可以与用于支持并操作支撑件的设备组合。例如，当 支撑件采用心轴的形式时，可以用车床来使心轴旋转，沉积物沿着心轴轴向移动。在此情况 中，心轴的与喷嘴轴向运动相组合的旋转用于是在支撑件上建立沉积，以产生管子的原因。 对于具有很大长度、壁厚和/或直径的冷喷涂心轴来说，可以相互合作地(in tandem)使用 多个喷嘴。多个喷嘴的使用也可能使制造过程加速。在根据本发明的管子制造之后，可以对管子进行定径并精加工。例如，可以用适当 的辊子辗轧管子，辊子对管子的外表面施加固定负载。辗轧还可以用作在精加工之前对管 子进行定径的装置。根据终端用户的规格，可以对管子表面进行压碾(grind)、加工或抛光。还可以在冷喷涂的过程中执行管子的辗轧，或完全省略辗轧(精加工)步骤。与传统的管子制造工艺相比，与本发明的方法相关的优点如下1.可用粉末直接制造各种等级和组物成的管子，无需熔化。2.所制造的管子的直径仅由所使用的支撑件的大小限制。3.该方法基本不限制所制造的管子的壁厚。4.不需要目前用于制造管子的昂贵的模具或锻造、辊轧成形、焊接或挤压设备。5.该方法适应于各种管子材料(例如，金属、陶瓷、聚合物、复合物及其混合物)， 并适应于分级微结构的生产，以适合各种应用。6.在冷喷涂的过程中，气压控制不是必须的。实例以下非限制性实例示出了本发明的具体实施方式
。实例1可在附图(

图1)所示的具体设计的原位辊轧试验台和车床上执行本发明的方法。 特别地，在试验台上可制造直径(内径)可达125mm且长度可达450mm的钛管子(不限制 所制造的管子的直径、壁厚和/或长度)。图1的(实验室)设备被设计成使得，在冷喷涂的过程中可以保持由压力辊子头 1所施加的辊轧压力，并保持由滑动驱动电机3所驱动的两个压力辊子滑块2的横动速度， 并且，可以使冷喷涂喷嘴(未示出)同步，以当管子形成时沿着管子移动。冷喷涂喷嘴将典 型地直接定位成与心轴相对。对于具有相当大的长度、壁厚和/或直径的冷喷涂心轴，可以 合作地(in tandem，一前一后地)使用多个喷嘴。多个喷嘴的使用也可以使制造过程加速。 将在车床驱动头5和车床尾架6之间牢固地固定心轴4，使得心轴可以高速旋转，以进行冷 喷涂沉积。一旦达到期望的管子长度和壁厚，则可以将涂有钛的心轴与试验台分离，并且可 以移除心轴，以呈现出经过冷喷涂的钛管子。替代地，可通过在心轴上冷喷涂钛和/或钛合金并省略轧制(精加工)步骤，而在 试验台上制造钛和/或钛合金管子。典型地，冷喷涂机器参数如下设备CGTKinetic 3000 或 4000超音速喷嘴的数量一个或多个心轴材料不锈钢
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心轴速度可达600RPM离开距离(standoff，竖直高度)20-100mm喷涂材料CP钛和/或钛合金粉末颗粒直径10-30微米气压10-40巴气体氦气、氮气、氩气，或空气载体气体氦气、氮气、氩气，或空气，或它们的混合物粉末进给速度10-200g/min横动速度10-100mm/min实例2已经为了运输腐蚀性液体的目的而制造钛/软钢双重管子。用5mm厚度的商用纯 钛的层来冷喷涂不锈钢心轴(外径，50mm ；长度，300mm)。在钛层上沉积附加的5mm厚的软 钢层，以制造IOmm厚度的双重管子。通过利用钛和不锈钢的热膨胀系数之间的差异，来移 除不锈钢心轴。典型地，用于制造双重管子的冷喷涂机器参数如下设备:CGTKinetic 4000MOC超音速喷嘴心轴材料不锈钢心轴速度可达600RPM离开距离30mm喷涂材料商用纯钛和软钢颗粒直径对于钛和软钢，是10-30微米气压对于钛是38巴，对于软钢是35巴气体对于两种粉末，是99. 999%纯度的氮气载体气体对于两种粉末，是99. 999%纯度的氮气粉末进给速度对于两种粉末，是30g/min横动速度对于两种粉末，是20mm/min实例3已经用冷喷涂来制造具有复杂内部形状的无缝钛和钛合金管子。在外表面上加工 铝合金心轴，以产生花键形状的心轴，花键形状的心轴增加了经过冷喷涂的钛管子的内部 表面积。花键在圆周周围包含10个齿轮形状的齿，并且，每个齿被测得是3mm宽、3mm深。替 代地，花键形状不限于所提供的实例，可根据所需热传递的量来改变花键齿的深度和宽度。 为了以所需速度旋转心轴的目的，铝花键被置于车床中。在心轴的表面上冷喷涂钛或钛合 金，以建立6mm厚的热交换器管子的壁厚。在冷喷涂之后，通过在氢氧化钠溶液中溶解来移 除心轴，以呈现出钛热交换器管子。图2中示出了钛热交换器管子。典型地，冷喷涂机器参数如下设备:CGTKinetic 4000MOC超音速喷嘴心轴材料铝合金
心轴速度可达600RPM离开距离30mm喷涂材料商用纯钛颗粒直径10-30微米气压38巴气体99. 999%纯度的氮气载体气体99. 999%纯度的氮气粉末进给速度30g/min横动速度20mm/min在此说明书和以下权利要求中，除非上下文要求，否则，词语“包括”及其变型(例 如，“包括”和“包括”)将被理解为包含所提到的整体或步骤，或整体或步骤的组，但是不排 除任何其它整体或步骤，或整体或步骤的组。在此说明书中，对任何现有公开物(或由其得到的信息)的参考，或对任何已知事 物的参考，不是并且不应是作为，认可、承认或任何形式地暗示，现有公开物(或由其得到 的信息)或已知的事物形成此说明书所尽力涉及的领域中的常用一般知识的一部分。
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权利要求
一种制造管子的方法，所述方法包括，在适当的支撑件上冷气体动态地喷涂颗粒，从而产生管子，并将所述管子与所述支撑件分离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述支撑件采用心轴的形式，所述心轴的外表面 限定所述管子的内表面。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述支撑件采用模具的形式，所述模具的内表面 限定所述管子的外表面。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述支撑件的表面是平滑且无瑕疵的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述管子的组合物沿着所述管子的长度和/或在 所述管子的厚度上而变化。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述管子包括两个或更多个不连续的长度和/或 层的不同材料。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述管子的组合物沿着所述管子的长度和/或在 所述管子的厚度上而逐渐变化。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述管子包括为所述管子的表面提供耐腐蚀性 和/或耐磨性的材料。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述支撑件包括为所述管子的相应表面提供大 表面积的表面特征。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，通过加热或冷却所述管子和/或所述支撑件，实 现所述管子与所述支撑件的分离。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，通过溶解、熔化、蒸发或破坏所述支撑件，实现 所述管子与所述支撑件的分离。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述管子包括钛和/或钛合金。
13.—种通过根据权利要求1至权利要求12中任一项所述的方法制造的管子。
14.一种通过根据权利要求9所述的方法制造的用于热交换器中的管子。
全文摘要
本发明涉及制造管子的方法，该方法包括，在适当的支撑件上用冷气体动态地喷涂颗粒，从而产生管子，并将管子与支撑件分离。
文档编号B22F3/04GK101983258SQ200980111098
公开日2011年3月2日 申请日期2009年3月6日 优先权日2008年3月6日
发明者唐才先, 斯特凡·古利齐亚, 比尔·蒂加尼斯, 萨德恩·查希瑞, 马赫纳兹·贾赫迪 申请人:国家科学和工业研究组织