专利名称：制备粉末材料涂层的方法和实施该方法的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及涂覆和制备粉末材料涂层的领域，更具体地涉及制备粉末材料涂层的方法及实现该方法的装置。
现有技术已知一种制备粉末材料涂层的方法，包括把原料粉末材料导入一个加速粉末材料的气体流中，形成一个高速的气体-粉末射流，和把粉末材料喷涂到工件的表面(俄罗斯发明者证书NO.1618778，Cl.C23C4/00，1991)。
上述的方法有如下的缺点涂层材料的颗粒的速度不能被气体流加速到加速涂料材料的气体的速度，并且形成涂层的方法不能在压力为P＜10×105N/m2的工作气体的相对不高的参数下实施。
所述的缺点限制了该方法的工艺可行性和要相当多的功率输入。
还已知一个在工件表面制备粉末材料涂层的方法，工件材料选自包括金属、合金及绝缘材料，该方法包括形成工作运载气体的加速流，把粉末材料的颗粒加到气体流中，把形成的气体-粉末混合物供到加速超声喷嘴，和由气体流把粉末材料喷涂到工件的表面(WO91/19016，Cl.C23C4/00，B05B7/24，B05C19/00，1991)。
为实施该方法使用了一种装置，包括一个喷涂单元，包括一个超声喷嘴带有一个亚音速传送部分和一个超声部分，和一个中间喷嘴，一个供送压缩的工作运载气体的装置，和一个把气体一粉末混合物导入喷涂单元的装置(WO91/19016，Cl C23C4/00，B05B7/24，B05C19/00，1991)。
该已知方法和装置的缺点是由于在应用的粉末材料颗粒上有表面氧化膜使涂层结构有氧化夹杂而限制了制备满足要求的质量的涂层材料的可行性；由于在要处理的工件的表面在压缩的壁层颗粒的减速而使颗粒加速过程效果不充分；制备的涂层的物化性能不够高；限制了控制气体流及形成涂层的粉末材料的速度的可行性；沿着超声喷嘴的加速通道的壁颗粒的摩擦及减速，导致了涂覆涂料的效率及喷涂系统的使用寿命的降低。所述的缺点干扰了制备高的物化性能的涂层，限制了制备高质量粉末材料涂层的可行性，也干扰了提供涂料过程的高效率及提供喷涂系统长寿命。
本发明的目的是提供一种制备粉末材料涂层的方法和实施该方法的装置，可扩大制备粉末材料或其混合物的涂层的工艺可行性，改进制备的涂层的物化性能，提高涂覆和制备涂层过程的效率和延长喷涂系统的寿命。
为实现本发明的上述目的，本发明提供了一种由粉末材料制造涂层的方法，包括下列步骤形成一个工作运载气体的加速流，把生成的气体-粉末混合物供入加速超声喷嘴，和借助气体流把粉末材料涂到工件的表面，其特征在于在把气体-粉末混合物供入加速超声喷嘴之前，由对初始粉末材料惰性的气体对气体-粉末混合物进行初步加速到由0.3≤M≤1.0限定的速度，其中M是马赫数，和由把气体-粉末混合物导入工作运载气体的加速流的芯部进行附加加速，和在把粉末材料涂到工件表面前，使粉末颗粒与气体分离。
形成工作运载气体的加速流相应于加速超声喷嘴的型面的变化的平方律实施。这就可以更有效地利用气体流的能量。
优选地，把气体-粉末混合物供入加速喷嘴足以加速运载气体和对粉末材料惰性的气体的合成流传送，按照加速喷嘴的计算条件调节。
本方法设计用空气或气体混合物作为工作载流气体和用不与粉末材料反应的气体或气体混合物对粉末材料惰性的气体。
在进行初步加速前，粉末在对粉末材料惰性的气体介质中进行机械、电化学或化学处理，和粉末材料供入该介质流中进入计量加料器。
最好用温度T≤300°K的气体用作对粉末材料惰性的气体。
气体-粉末混合物可以脉冲的方式从计量加料器导入加速流的芯部中。
在粉末材料涂到工件的表面时，工作表面可受到与输入的两相超声气流同轴的振动运动。
为了改变要涂覆表面的塑性，工件进行表面加热。
在涂覆涂层的过程中，可把电势加到要涂覆的工件上，电势的符号与气体-粉末混合物的流的颗粒的电荷相反。
为实现本发明的目的，本发明还提供了一种制备粉末材料涂层的装置，包括一个喷涂单元，所述的喷涂单元是一个加速超声喷嘴。带有一个亚超声传送部分和一个超声发散部分，以及一个中间喷嘴，一个供送压缩的工作运载气体的装置，一个把气体-粉末混合物导入喷涂单元的装置和一个计量加料器，其特征在于还设有供应附加的对粉末涂料惰性的压缩气体的装置，所述的中间喷嘴13制成一个超声喷嘴，所述的喷嘴出口段的直径dsect.小于加速喷嘴的主要段的直径Dcrit.，和安排成与超声传送部分中平行位移同轴，和加速超声喷嘴的超声部分的出口有一个直线部分，其接着一个有半径R的曲线表面的部分。
本发明的装置可设置一个处理粉末材料使颗粒的表面激活及清洁的装置，可设有一个气体脉冲器，与所述的导入气体-粉末混合物的装置连接，可设有一个振动器，用来使要涂料的工件振动，和可设有电源供应源用来把电势供到所述的工件。
下面借助附图通过本发明的举例性的实施例详细说明本发明，附图中
图1是制备粉末材料涂层的简要的总图；图2是本发明的喷涂单元带有导入气体-粉末混合物和把两相流分成分流的装置。
本发明的装置包括供应对涂层材料(粉末材料混合物)惰性的压缩气体装置1，一个截流阀2，一个预处理单元3，用于预处理粉末材料以便从粉末材料中除去氧化膜以及使粉末材料激活，一个收集单元4用于收集粉末的氧化膜及细分散的粉末，一个供送单元与用于把处理过的粉末材料供到计量加料器6中，一个截流器7，一个对粉末材料的脉冲发送器8对粉末材料惰性的气体，一个供送工作的运载气体(例如空气)的装置9，一个控制系统10用来控制涂覆涂层的工作过程，一个加热运载气体的加热器11，一个装置12用来使中间超声喷嘴13作直线的轴向位移，一个调节运载气体流的室14，一个中心开孔的套筒15，一个加速喷嘴16，带有一个直线部分17，其转变到具有曲线表面18的部分用来改变气流的运动方向，一个装置19用来把气流转离涂覆的工件20，一个固定及转动涂覆的工件的装置21，一个使涂覆的物体作直线运动的单元22，一个振动器23，一个电源供应源24，一个用来供送气体-粉末混合物的管子25，一个供送工作运载气体的管26。
下面说明本发明的方法及本发明的装置的工作。
在截流阀2打开时，对涂料材料(粉末成分混合物)惰性的气体在压力下从装置1供到对粉末涂料材料进行预处理的单元3，所述的单元3已初步填充了要求量的粉末(粉末混合物)。当预处理装置3工作时，通过机械方法或其它方法从粉末材料颗粒表面除去氧化膜。在预处理后，以氧化膜颗粒及不合标准的细分散粉末形式的废物排到收集单元4。随后，根据粉末材料(粉末成分混合物)的化学成分和物理性能，用电磁、热、化学或其它方法使粉末涂料材料颗粒激活。在单元5的帮助下，激活的粉末材料供到计量加料器6。在计量加料器6充入粉末材料及惰性气体后，单元3，4，5关闭，截流阀2关闭，使对粉末材料惰性的气体停止供送。
为了进行粉末材料涂涂层的过程，工作的运载气体(例如空气、氮气)在压力下从供送装置9供到用来控制涂涂料的工作过程的控制系统10，其中气体的压力减小到要求的工作值。压力减小到要求值的气体进入气体加热器11，在该处气体加热到与计算的工作条件相应的温度。加热的工作运载气体沿着供送管道26供到调节运载气体流量的室14中，随后通过中心开孔套管的孔，工作运载气体供到加速超声喷嘴16，在该处运载气体加速到对涂覆及形成涂层要求的速度。当达到了工作运载气体要求的工作参数时，截流阀7打开，因而把对粉末材料惰性的气体供送出，该气体首先到脉冲发送器8，在该处，气体得到有要求频率的脉冲分量。要供到粉末材料的具有要求频率的气体从脉冲发送器8进入计量加料器6，在该处当在可变动压力下的气体与粉末涂料材料的颗粒混合时，形成气体-粉末混合物，其中粉末颗粒是悬浮的。所形成的气体-粉末混合物以两相流的形式通过管25进入中间超声喷嘴13，随后进入载流气体的加速流的芯部，进入加速超声喷嘴的主要段的区域中。通过中间喷嘴13的位移，使在加速喷嘴16的主要段的区域中的工作载流气体和脉冲气体-粉末混合物达到要求的额定的热和气体动力学参数。该位移是借助提供直线轴向位移的单元12的帮助，沿着喷嘴的轴线以平移方式位移一段距离，该距离取决于在加速超声喷嘴16的主要段的区域中气体-粉末混合物的流动速度和脉冲频率。当达到要求的位移，提供中间超声喷嘴13的轴向位移的单元12关闭，从中间超声喷嘴13出来粉末颗粒与惰性气体的脉冲混合物的初始的轴向速度为0.3≤M≤1.0(其中M是马赫数)，该混合物在加速超声喷嘴16的主要段的区域与工作载流气体混合，和在该区域发生气体-粉末混合物的主加速。在沿着加速超声喷嘴16的通道达到要求的速度后，气体-粉末混合物调正在直线部分17中的运动方向，随后气流的主部分在有曲线表面18的部分中转向和进入转离气体的装置19的进口部分。
有大的质量和惯性的涂料材料的粉末颗粒继续它们的直线运动直到与要涂料的物件的表面碰撞。当达到涂涂料的必要的热和气体动力条件时，固定在固定装置21的要涂涂料的工件20进行运动(前后运动或转动)。随后，与使工件位移的单元22相连的振动器23和电源供应源24接通，该电源供应源24供给工件20一个电势与运动颗粒电势相反的符号的电势。这就是在工件上涂涂料及形成涂层的过程。
作为供到粉末材料的惰性气体，可选择一种气体(或气体混合物)，其不与涂料的粉末材料起化学反应，例如氮、氩、氦、氪等。具体气体的选择取决于最终的涂层、涂层的结构、和后者的材料的成分。
当涂覆及形成涂层时，从涂层材料的粉末材料表面除去氧化膜、激活颗粒、和被供到颗粒的惰性气体加速防止了涂层材料的氧化和可以得到化学纯材料，在其结构表面无氧化，以改善它们的结构、物化及工艺性能。
要涂覆的涂料的使用系数、粘附力、内聚力和结构取决于要涂到材料表面的涂料材料的冲击速度。由对涂料材料惰性的气体使涂料材料的初步加速在温度T≤300°K下进行，加速气体的速度为0.3≤M≤1.0(其中M为马赫数)，和把气体-粉末混合物引入加速颗粒的运载气体的芯部可使涂料材料颗粒的速度增加到与加速气体的速度接近的速度，和最大地使用加速颗粒的气体射流的能量。把气体-粉末混合物引入运载气体的加速流的芯部也消除了颗粒被超声加速喷嘴的流通部分的壁的减速作用，延长了装置的寿命，增加了要涂覆的涂料材料的使用系数。为了消除在压缩的近壁气体层中涂料材料的减速作用，该近壁气体层起源在超声气体射流落在工件的表面，在本发明的方法中，气体流转向和转离处理工件的表面。该气体流转向利用当平行的气体流绕过半径为R的曲线表面产生。因此，气体流转向和转离处理工件的表面消除了在工件表面的压缩的近壁气体层，而涂料颗粒继续它们的直线运动，以它们与加速颗粒的气体流交互作用得到的速度到达工件的表面。因此，可以用气体流较小的能量参数，把具有较高冲击速度的涂料颗粒涂到工件材料的表面。结果，动力输入减小，涂料材料的使用系数提高了，和涂层材料的结构、质量和性能改善了。
相应于从加速喷嘴输出的气体流的计算状态设定工作运载气体和对粉末涂料材料惰性的气体的累积的流量是一个工况，其中在加速超声喷嘴的出口段的压力与环境介质的压力相应。在该条件下，从超声喷嘴出来的气体流速度最大。在运载气体的参数方面任何的变化(如温度、压力、气体种类)都导致偏离设计状态，也就是导致气流速度的损失，和因此使涂覆的涂料材料的颗粒速度损失。
在以脉冲模式同步导入气体-粉末混合物的到加速的运载气体流中的情形下要处理的工件进行振动运动是以这种方式实施，使得当要处理的工件沿与涂料材料的颗粒流的运动方向相反时时刻供送气体-粉末混合物。在该情形下，涂料材料颗粒的运动速度和要处理的工件的位移速度相加。结果，颗粒与表面碰撞速度增加，这导致颗粒渗入工件材料的表面的深度增加，它们的塑性变形范围增加，涂料材料的利用系数增加，改进了涂层的结构和工艺性。
在本发明方法中，为了强化在涂料材料颗粒与工件表面碰撞中，在工件材料的表面层的机械和化学处理的过程，工件表面加热到一个温度，在该温度下，工件材料表面的塑性与涂料材料表面的塑性接近。这使得可以把有较小的硬度的涂料涂到更硬和更少塑性的工件表面。在这种情形下，(颗粒材料和工件材料)过渡区的性能急剧变化，结果，改善了该区的结构，结果也改善了涂料的粘性。在把金属涂到金属上时，该过渡区还形成包括涂料材料的金属和工件材料金属的中间化合物。在气流中移动，由于固体颗粒与气体摩擦，相互摩擦，和对气体通道的流通部分的壁的摩擦，固体颗粒得到有限定的值和符号的电荷。电荷的值和符号与颗粒材料有关。在本发明方法中，一个相反的符号的电势供到要涂料工件的表面，使得在达到工件的表面时带电颗粒的速度增加，和在碰撞时产生一个微电弧放电。
用不同的电磁方法，和通过供到工件的电势值作用在带电颗粒的移动流，可以调节涂涂料及形成涂层的过程。
这使得在涂涂料过程中可改变涂层的结构、性能和质量。
导入气体-粉末混合物的装置的结构特点使得可以把带有初始速度的涂料颗粒沿轴向导入加速所述的颗粒的工作运载气体流的芯部，避免在dsect.≤Dcrit.的条件下涂料材料颗粒与加速喷嘴16的壁的交互作用。
因此可以延长装置的寿命，以最大地使用气体流的能量以便增加涂料材料颗粒的动能，可用运载气体不高的初始参数进行形成涂层的过程，及增加涂料材料的使用系数。
本发明的装置可由选自包括金属、合金或它们的机械混合物以及绝缘材料和有机化合物的各种粉末成分制造多功能的涂层和材料。
由于提供了允许激活颗粒及去除在它们表面存在的氧化膜，用本发明方法涂涂层用的材料的范围可实质上扩大了。
因此，所述的用于粉末材料涂涂层的方法和装置可以强化从各种粉末及它们的混合物涂涂料及形成涂层的过程，得到的涂层材料的结构没有氧化夹杂，改进了涂层材料的结构和物化性能、降低了气体流的能量参数、扩大了控制涂涂料及形成涂层的过程的可行性、得到的涂层材料具有均匀性能，和扩大了制备涂层的方法的工艺及功能的可行性。
本发明可用于冶金工程、机械工程、无线电和电子工程和其它工业方面改进工件的工艺及物化性能，修复各种磨损的零件和使工件表面具有特别的性能。
权利要求
1.一种由粉末材料制造涂层的方法，包括下列步骤形成一个工作运载气体的加速流，把生成的气体-粉末混合物供入加速超声喷嘴(16)，和借助气体流把粉末材料涂到工件的表面，其特征在于在把气体-粉末混合物供入加速超声喷嘴(16)之前，由对初始粉末材料惰性的气体对气体-粉末混合物进行初步加速到由0.3≤M≤1.0限定的速度，其中M是马赫数，和由把气体-粉末混合物导入工件运载气体的加速流的芯部进行附加加速，和在把粉末材料涂到工件表面前，使粉末颗粒与气体分离。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于形成工作运载气体的加速流相应于加速超声喷嘴的型面的变化的平方律实施。
3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于把气体-粉末混合物供入加速喷嘴(16)是以加速运载气流和对粉末材料惰性的气体的合成流传送，按照加速喷嘴(16)的计算条件调节。
4.按照权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于空气用作工作运载气体，和不与粉末材料反应的气体或气体混合物用作对粉末材料惰性的气体。
5.按照权利要求1-4中任一项的方法，在进行初步加速前，粉末在对粉末材料惰性的气体介质中进行处理以便激活粉末材料和从粉末材料表面移去氧化膜，和粉末材料在这个介质的流中供入计量加料器(6)中。
6.按照权利要求5的方法，其特征在于所述的粉末材料的处理用机械、电化学或化学方法进行处理。
7.按照权利要求1-6中任一项的方法，其特征在于所述的对粉末材料惰性的气体在温度T≤300°K下使用。
8.按照权利要求1-7中任一项的方法，其特征在于把气体-粉末供入工作运载气体的加速流的芯部是以脉冲方式进行的。
9.按照权利要求1-8中任一项的方法，在粉末涂料材料涂到工件的表面时，工件表面受到与输入的两相流同轴的振动位移。
10.按照权利要求1-9中任一项的方法，其特征在于把粉末材料涂到表面前，对材料加热。
11.按照权利要求1-10中任一项的方法，其特征在于把粉末材料涂到要涂覆的表面是在把电势加到工件下进行，电势的符号与气体-粉末混合物的流的颗粒的电荷符号相反。
12.一种制备粉末材料涂层的装置，包括一个喷涂单元，所述的喷涂单元是一个加速超声喷嘴(16)。带有一个亚超声传送部分和一个超声发散部分，以及一个中间喷嘴(13)，一个供送压缩的工作运载气体的装置(9)，一个把气体-粉末混合物导入喷涂单元的装置和一个计量加料器，其特征在于还设有供应附加的对粉末涂料惰性的压缩气体的装置，所述的中间喷嘴(13)制成一个超声喷嘴，所述的喷嘴出口段的直径dsect.小于加速喷嘴的主要段的直径Dcrit.，和安排成与超声传送部分中平行位移同轴，和加速超声喷嘴(16)的超声部分的出口有一个直线部分(17)，其接着一个有半径R的曲线表面(18)的部分。
13.按照权利要求12的装置，其特征在于还设有一个处理粉末材料使颗粒的表面激活及清洁的装置(3)，该装置连着一个导入气体-粉末混合物的装置。
14.按照权利要求12或13的装置，其特征在于设有一个脉冲器(8)，与所述的导入气体-粉末混合物的装置连接。
15.按照权利要求12-14中任一项的装置，其特征在于所述的脉冲器(8)安排在所述的计量加料器(6)的前面。
16.按照权利要求12-15中任一项的装置，其特征在于设有一个振动器(23)用来使要涂料的工件振动。
17.按照权利要求12-16中任一项的装置，其特征在于设有一个电源供应源(24)用来把电势供到所述的工件。
全文摘要
本发明的目的是改进制备的粉末材料涂层的物化性能和改进涂覆方法的效率。本发明的特征在于把气体－粉末混合物供入加速喷嘴前,使用对粉末材料是惰性的气体把所述的混合物预先加速到预定的速度,再供入工作运载气体的加速流的芯部。装置包括一个喷涂单元,包括一个加速喷嘴,有一个直线部分,在出口段转为曲线部分。该装置包括一个中间加速喷嘴,与加速喷嘴同轴,和可在其超声部分中往复运动。
文档编号C23C24/04GK1332811SQ99815192
公开日2002年1月23日 申请日期1999年7月29日 优先权日1998年11月5日
发明者尤利伊维尼阿米诺维奇·基古斯 申请人:俄罗斯技术股份有限公司