权利要求

下游送粉的冷气动力喷涂方法和装置(一） 技术领域本发明涉及一种制备涂层的方法和装置，尤其涉及一种利用冷气 动力喷涂方法将金属粉末材料喷涂到试样或工件表面以制备涂层的方 法和装置。(二） 背景技术制备涂层的常规方法是热喷涂，这些方法包括火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和高速氧燃料喷涂（HVOF)等。火焰喷涂、电弧喷涂 和等离子喷涂的要点是材料完全熔化，而HVOF喷涂只需要部分熔化 就足以形成高质量的涂层。其原因在于，在HVOF喷涂时，颗粒撞击 待喷涂基材的速度非常高。这样，即便在部分熔化的情况下，颗粒也 能牢固地附着于基材上。而对于上世纪末出现的一种新型涂层制备方 法——冷气动力喷涂（亦称冷喷涂或动力学喷涂）而言，待喷涂的粉 末颗粒在整个喷涂过程中不发生任何熔化，涂层的形成完全依靠固体 颗粒的高速度。在冷气动力喷涂中，颗粒与基材的结合力主要来源于 高速颗粒撞击基材时引起的颗粒塑性变形以及由此产生并释放的热 量。因此，在热喷涂过程中常见的一些由于高温所导致的有害作用（如 粉末及基材的烧损、氧化、熔化、蒸发、气体释放、结晶、固态相变、 热应力和热变形等），在冷气动力喷涂过程中都可以避免。冷气动力喷涂是在上世纪八十年代由Alkhimov和Papyrin等发明 的。最早的冷气动力喷涂专利US5302414和EP0484533B1分别于1994 年和1995年提出。在冷气动力喷涂装置中，高压气源提供高压工作气 体和送粉载气。工作气体是产生高速的介质，在与待喷涂粉末混合预 先在加热器中加热到100~800°C。载气在另一加热器中受热后，将送粉 器中的待喷涂粉末送入喷枪。喷枪中包括一个汇聚-发散型的拉乌尔 (Laval)喷嘴，其流道最狭窄处为喷嘴的喉部或颈部，喉部的上游为喷嘴汇聚段，下游为发散段。喷嘴入口处工作气体的温度和压力分别在200~600°C之间和1.5〜3.5 MPa之间。与载气及其携带的待喷涂粉末 混合后的工作气体从喷嘴汇聚段经由喉部到达发散段，膨胀到常压并 加速，从而形成超音速气流。Laval喷嘴可以有不同的几何形式，其主 要特征参数包括：几何轮廓（如出口是圆形还是矩形)、发散段的长度 以及出口流道横截面面积与流道最细部位横截面面积之比（扩张比）。 通常，待喷涂的粉末颗粒通过送粉管注入Laval喷嘴的喉部上游， 即喷枪的前膛。这一区域的压力与送粉管的输入压力接近，可以高达 3.5 MPa以上，这也就意味着这里所使用的送粉器必须是--种高压送粉 器。然而，在如此高的压力下粉末颗粒的输送会遇到很多问题，这些 问题目前尚未完全从技术上得到解决。象送粉管末端的紊流就是其弱 点之一，该弱点使得粉末与工作气体的混合不均匀且难以准确集中地 通过流道中最狭窄的部分（喉部）。Laval喷嘴的喉部横截面直径只有 1.5-3.5 mm，很容易导致粉末颗粒对流道尤其是喉部的磨损、粘圬和堵 塞。在某些情况下，这种堵塞仅仅在喷涂一分钟后就发生了。例如， 在喷涂锡、铝或某些镍合金粉末、或者粉末中含有较大的颗粒、或者 工作气体的温度较高时，常规的Laval喷嘴很容易被粘圬和堵塞从而导 致喷涂终止以及更换或清理喷嘴等问题。为了避免粘圬和堵塞，工作 气体的温度不得不受限制，这显然不利于喷射速度的提高。因此，粘 圬和堵塞即便没有造成喷涂过程中断，也会影响喷涂工艺和涂层的内 在质量。为了解决喷嘴的粘圬和堵塞问题，专利W098/22639 、 US2002/0071906 、 US2003測14 、 EP1445033 、 RU2229944 、 US2004166247分别提出：直接将待喷涂粉末颗粒注入Laval喷嘴发散 段（喉部的下游），而不是象通常那样将粉末送到汇聚段（喉部的上游）。其中专利US2004166247提出将送粉管沿着喷嘴流道自上游汇聚 段穿过喉部直接插到下游发散段，粉末颗粒由送粉管的端部沿流道中 轴线直接送进发散段的流道。该发明能够有效解决喷嘴的堵塞和磨损 问题，其缺点是，送粉管末端易于产生紊流。通常，送粉管的内径在3 mm左右，即便管壁只有0,5 mm厚，端部的横截面外圆直径也有4 mm左右。这样，在送粉管端部对应的喷嘴发散段的有效横截面面积就有了12mr^以上的突变，这必将在该部位造成湍流或紊流。由于喷嘴下 游发散段的工作气体业己达到超音速，上述湍流或紊流将对粉末颗粒 的平稳加速产生不利影响。这种影响显然要比送粉管出口在喷嘴上游 的情况严重的多。此外，送粉管端部还是工作气体速度场的一个死角， 其速度远低于该部位工作气体的平均速度，在该部位送出的粉末颗粒 易于粘圬喷嘴且无法得到有效的加速。其余的下游送粉专利W098/22639 、 US2002/0071906 、 US2003190414、 EP1445033、 RU2229944采用了在喷嘴下游发散段侧 壁开送粉孔以从喷嘴外部将待喷涂粉末直接注入发散段流道的方法。 这些专利使用的喷嘴流道横截面（或喷嘴出口）形状只有圆形和矩形 两种。圆形喷嘴的缺点是不能直接用于喷涂狭长斑痕或区域。如果用 于这样的场合，就需要对待喷涂基材进行遮掩。遮掩不仅使喷涂的准 备工作复杂化，还会降低粉末的收得率。矩形喷嘴虽然可以喷涂狭长 斑痕或区域，但存在一个致命的弱点：流场分布不均匀——喷嘴内壁 在四个棱角处存在紊流。紊流的存在不利于粉末颗粒的平稳加速，因 此不利于涂层质量的提高。(三）发明内容本发明的目的在于提供一种下游送粉的冷气动力喷涂方法和装 置，可以有效地避免喷嘴，尤其是喷嘴喉部的粘圬或堵塞；可采用常 规送粉器代替高压送粉器;所使用的喷嘴兼具圆形Laval喷嘴发散段流 道无紊流、矩形Laval喷嘴可以喷涂狭长斑痕或区域而无须遮挡的优 点。本发明是这样实现的： 一种下游送粉的冷气动力喷涂方法，是将 工作气体加热并输入拉乌尔型喷嘴流道上游的汇聚段内，气体经过喷 嘴喉部后在下游发散段膨胀并加速；由载气将送粉器中的待喷涂金属 粉末颗粒直接送入喷嘴的下游发散段，再由其中的工作气体加速至超 音速；其特征是：待喷涂的粉末颗粒是经由送粉管从喷嘴的外部通过 喷嘴侧壁上的送粉孔直接送达喷嘴下游发散段；发散段流道横截面为椭圆形或椭圆-矩形组合形，喷嘴侧壁所有送粉孔的轴线都与椭圆的长 轴处于同一平面，所述椭圆长轴平面为流道横截面椭圆长轴所在的纵 截面，所有送粉孔的出口都位于喷嘴下游的发散段内，粉末颗粒被工 作气体加速后从喷嘴发散段出口端喷出。上述的下游送粉的冷气动力喷涂方法，所述送粉器为常温常压下 的送粉器。一种下游送粉的冷气动力喷涂装置，包括控制柜、加热器、送粉 器、管路、拉乌尔型喷嘴、喷嘴前膛，高压气体进入到控制柜后被分 成二路， 一路作为工作气体进入加热器，经工作管路进入喷嘴前膛，经拉乌尔型喷嘴喷出；另一路作为载气进入送粉器并将待喷涂粉末带 出，其特征是：送粉管连接至拉乌尔型喷嘴下游发散段侧壁的送粉孔， 喷嘴下游发散段内壁上开有送粉孔；拉乌尔型喷嘴发散段流道横截面 由喉部直径很小的圆平滑连续地渐变为出口端的椭圆，即发散段任何 部位的流道横截面都是椭圆；发散段喷嘴侧壁上的所有送粉孔的轴线 都与椭圆的长轴处于同一平面，所述椭圆长轴平面为流道横截面椭圆 长轴所在的纵截面。上述的下游送粉的冷气动力喷涂装置，所述拉乌尔型喷嘴发散段 流道横截面由喉部直径很小的圆平滑连续地渐变为出口端的椭圆-矩形 组合形，即发散段任何部位的流道横截面都是椭圆-矩形组合形；所述 椭圆-矩形组合形是这样构成的：中间为边长分别为26和/o的矩形，一 个长短轴分别为2"和26的椭圆分成两半对称地平滑连接在该矩形的 两条对边的外侧；出口端流道横截面轮廓即为这两个半椭圆弧以及长 度为/o的两个矩形对边共四段线条连接而成的封闭曲线。本发明的优点在于： (1)由于把送粉孔的出口置于喷嘴喉部之后的发散段，在载气压 力远远低于上游工作气体压力的情况下仍然可以实现顺利送粉，因为 工作气体经过喉部进入发散段后，压力迅速降低，到达送粉孔时压力 已经接近常压，这就使得利用常规送粉器代替高压送粉器进行冷气动 力喷涂成为可能。与常规送粉器相比，高压送粉器不仅造价昂贵，而 且操作和维护复杂、安全要求高。(2) 由于把送粉孔的出口置于喉部之后的发散段，工作气体的温 度甚至可以髙于待喷涂粉末的熔点而不会引起粉末的熔化，因为工作 气体经过喉部后，温度迅速降低，接触到粉末时温度己经远低于其熔 点，有时甚至低于室温，从而突破了常规冷气动力喷涂对温度的限制。(3) 送粉孔的出口位于喷嘴的发散段，而此处的工作气体温度较 低，可以避免粉末对喷嘴内壁的粘圬和塞积。(4) 送粉孔的出口位于喷嘴发散段的侧壁，此处的工作气体沿着 平滑渐变的喷嘴的内壁高速流动，由于射流效应而对送粉孔内的粉末 颗粒产生强烈的抽吸作用。相对于常规方法只依靠送粉管内载气对粉 末颗粒的拖曳作用，这种抽吸作用不仅有利于送粉，而且还可以克服 粉末颗粒在送粉管以及送粉孔内部的粘圬和堵塞问题。(5) 与圆形Laval喷嘴（常规喷嘴）相比，本发明喷嘴的出口为 椭圆形或椭圆-矩形组合形，可以喷涂狭长的斑点或区域而无须遮挡。(6) 与矩形Laval喷嘴相比，本发明喷嘴发散段的流道横截面为 椭圆形或椭圆-矩形组合形，流道中不存在棱角，因此不存在紊流区， 工作气体和待喷涂粉末颗粒的加速平稳，并且可以减少喷嘴内壁的磨 损、粘圬和塞积。(四）附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。图1为本发明下游送粉的冷气动力喷涂方法和装置示意图。图中 示出了送粉孔的一种形式：送粉孔5有两个，且这两个送粉孔5均位 于喷嘴3流道中轴线的同一侧的侧壁。图2为本发明的拉乌尔型喷嘴3剖面图，图中示出了送粉孔5的 又一种形式：送粉孔5有一对，且这对送粉孔5分别位于喷嘴3相对 的侧壁并相对于流道中轴线呈对称分布。图中：1工作管路，2喷嘴前膛，3拉乌尔型喷嘴，4-1送粉管，4-2 分支送粉管，5送粉孔，6控制柜，7加热器，8送粉器，9涂层，10 基材，ll髙压气体，12载气，13工作气体，14粉末。(五）具体实施方式参见图l、图2， 一种下游送粉的冷气动力喷涂方法，是将200。C 至600°C的工作气体输入Laval型喷嘴3流道上游的汇聚段内，气体经 过喷嘴3喉部（流道最狭窄的部分）后在下游发散段膨胀并加速；由 载气将送粉器8中颗粒直径5 (jm至120 fxm的待喷涂粉末颗粒直接送 入喷嘴3的下游发散段，再由其中的工作气体加速至超音速。其中待 喷涂的粉末颗粒是经由送粉管4-l和4-2从喷嘴3的外部通过喷嘴侧壁 上的送粉孔5直接送达喷嘴3下游发散段的；喷嘴3下游发散段流道 横截面为椭圆形或椭圆-矩形组合形，喷嘴3侧壁所有送粉孔5的轴线 都与椭圆的长轴处于同一平面，所述椭圆长轴平面为流道横截面椭圆 长轴所在的纵截面，所有送粉孔5的出口都位于喷嘴3流道下游的发 散段内。一种下游送粉的冷气动力喷涂装置，包括控制柜6、加热器7、送 粉器8、管路、拉乌尔型喷嘴3、喷嘴前膛2。高压气体进入到控制柜 6后被分成二路， 一路作为工作气体进入加热器7，经过加热器7加热 的工作气体通过工作管路1进入前膛2，前膛2中工作气体的温度在 200°C至600°C之间。进入喷嘴3中的工作气体经过喉部后膨胀、降 温、加速。与此同时，另一路气体作为载气进入送粉器8并将待喷涂 的粉末带出，经由送粉管4-1和经过分路的分支送粉管4-2及喷嘴侧壁 上的送粉孔5直接送到喷嘴3下游的发散段。进入喷嘴3下游发散段 的粉末颗粒被工作气体加速至超音速，并喷涂到基材IO表面形成涂层 9。需要强调指出的是，由于送粉孔5位于喷嘴3流道的下游，该处的 压力已接近常压，这样载气的压力就可以大幅度降低，因此可以用常 规送粉器8代替冷气动力喷涂常用的高压送粉器。参见图2，上述的下游送粉的冷气动力喷涂方法和装置中所包含的 拉乌尔型喷嘴3的侧壁上开有送粉孔5。喷嘴3发散段流道横截面尺寸 和形状由喉部直径很小（2仏）的圆连续平滑地渐变为出口端长短轴分 别为和26的椭圆，亦即发散段任何部位的流道横截面都是椭圆。 出口端椭圆的适宜长短半轴比fl/6在1.25至10之间，更好在2至7之 间；出口端的椭圆短半轴尺寸Z^凡，且在l mm至3 mm之间；长半轴a在3mm至15mm之间，更好在5 mm至10 mm之间。作为上述方案的进一步改进，喷嘴的发散段流道横截面尺寸和形 状由喉部直径很小（2及*)的圆连续平滑地渐变为出口端的椭圆-矩形组 合形，亦即发散段任何部位的流道横截面都是椭圆-矩形组合形。所述 的椭圆-矩形组合形是这样构成的：中间为边长分别为26和/o的矩形， 一个长短轴分别为2a和26椭圆分成两半对称地连接在该矩形的两条 对边的外侧，这两个半椭圆的短轴26分别与长度为26的两个矩形对 边吻合；出口端流道横截面轮廓即为这两个半椭圆弧以及长度为/0的 两个矩形对边总共四段线条连接而成的封闭曲线。出口端椭圆的适宜 长短半轴比a/6在1至IO之间，更好在1至7之间；矩形的一个边的 长度/o满足3^H^)，更好是满足2flH^;出口端的椭圆短半轴尺寸 62凡，且在lmm至3mm之间；长半轴a在2 mm至15 mm之间， 更好在2 mm至10 mm之间。对于喷嘴3侧壁上的送粉孔5的出口具体应该开在什么位置？研 究表明，在用氮作为工作气体喷涂颗粒直径25 pm的铜粉末的情况下： 在距离喉部丄/5处，工作气体的速度达v。的85。/。；丄/4处，vo的88。/。； 丄/3处，vo的92。/o;丄/2处，vq的97o/o; 3丄/4处，vo的990/。——其中丄 为喷嘴发散段长度，w为工作气体在发散段终点处的速度。由此可见， 如果将所有送粉孔5的出口都开在距离喉部丄/4至3丄/4范围内，工作 气体的速度已经达到了 vo的88%至99%,有利于对粉末颗粒的加速。 如果将所有送粉孔5的出口都开在距离喉部iL/3至3174范围内，工作 气体的速度已经达到了 v。的92°/。至99%,对粉末颗粒的平稳加速最有 利。此外，当到喉部的距离超过丄/4，特别是超过丄/3时，喷嘴流道的 压力已经降低到常压附近。另外，由于此处的工作气体温度较低，可 以减小来自送粉孔5的粉末对喷嘴3内壁的粘圬和塞积。如前所述，本发明的喷嘴3侧壁的送粉孔5的轴线与椭圆长轴处 于同一平面，送粉孔5的出口位于喷嘴下游的发散段内。相对于喷嘴3 流道中轴线而言，送粉孔5的布局有两种方式：其一是位于流道中轴 线同一侧，其二是位于两侧。当送粉孔5位于流道中轴线的两侧时， 送粉孔5的个数必须是偶数，并且相对于流道中轴线呈对称分布，这样有利于减少由送粉孔5送出的粉末颗粒对出口对面的喷嘴侧壁的冲 刷和粘污。送粉孔5的轴线与喷嘴流道中轴线的角度十分重要，理论上，该 角度可以在0。至90。之间。但是，角度太小，送粉孔5的孔道长、加工 困难。因此，该角度应该大于1(T，更好大于3(T。如果将送粉孔5的 轴线与喷嘴流道中轴线的角度控制在10°至90°，尤其是控制在30°至 75°，不仅便于加工制造，而且低压的工作气体沿着平滑渐变的喷嘴3 的内壁的高速流动将由于射流效应而对送粉孔5内的粉末颗粒产生强 烈的抽吸作用。这种抽吸作用不仅有利于送粉，而且可以克服粉末颗 粒在送粉管4-2内部的粘圬和堵塞问题。送粉孔5的尺寸和形状同样十分重要。通常采用圆孔（内壁平滑 且便于加工），送粉孔5的内径与送粉管4-2的内径相同。送粉孔5过 粗（如直径大于相应位置椭圆的短轴）则没有足够的加工空间，送粉 孔5过细则难于加工。因此，每个送粉5的内径在①0.5 mm至05 mm 之间，更好在①lmm至03mm之间。送粉孔5的个数原则上不限，但 要确保：1)所有送粉孔5的出口都开在距离喉部L/4至3丄/4范围内； 2)所有送粉孔5的横截面积之和应该等于或约等于送粉管4-1的横截 面积。通常，喷嘴3流道中轴线同一侧的侧壁上的出粉孔个数在0个 至3个，较好1个至2个，更好1个。送粉孔5过多将造成粉末颗粒 速度差别增大，颗粒之间互相碰撞，不利于粉末的平稳加速。考虑到 与送粉孔5连接的送粉管4-2的壁厚，相邻送粉孔5之间的距离应该是 送粉孔5内径的3倍至15倍。送粉孔5间距过大，则粉末的速度差增 大；送粉孔5间距过小，则孔的加工困难。实施例1:采用氮气作为工作气体，待喷涂铜粉末颗粒直径在10 mn至30 Hm，基体为铝板。喷嘴进口处工作气体压力为2.5MPa，温度380。C。 采用髙压送粉器，载气的压力略高于2.5 MPa。喷嘴的形式如图2所示， 喉部直径为02.5 mm，出口为椭圆形，椭圆的长短轴分别为14 mm和 4mm，发散段长度为65mm。喷嘴流道中轴线两侧的侧壁开有一对相 对于流道中轴线对称分布的送粉孔，送粉孔的直径02.1 mm、轴线与喷嘴中轴线呈45。角、出口距离喉部20 mm。喷涂结果为：沉积率75%左右，涂层均匀良好。 实施例2:采用氮气作为工作气体，待喷涂铜粉末颗粒直径在20 Mm至45 Mm,基体为铝板。喷嘴进口处工作气体压力为3.5MPa,温度400。C。 采用高压送粉器，载气的压力略高于3.5 MPa。喷嘴的形式如图1所示， 喉部直径为0>2.7 mm,出口为椭圆-矩形组合形（正圆-矩形组合形）， 椭圆的长短轴分别为6 mm和6 mm (正圆的直径），组成喷嘴出口内壁 轮廓的矩形边长为3.9 mm,发散段长度为120 mm。喷嘴流道中轴线单 侧的侧壁开有两个送粉?L送粉孔的直径02.1 mm、轴线与喷嘴中轴线 呈60°角，第一和第二送粉孔出口分别距离喉部55 mm和65 mm。喷 涂结果为：沉积率65%左右，涂层均匀良好。实施例3:采用氮气作为工作气体，待喷涂铜粉末颗粒直径在50 Mm至75 Jim，基体为铝板。采用常规送粉器，载气的压力为0.4 MPa。喷嘴进 口处工作气体压力为3.0MPa，温度500。C。喷嘴喉部直径为03.0 mm， 出口为椭圆形，椭圆的长短轴分别为13.7mm和4mm,发散段长度为 200 mm。喷嘴流道中轴线一侧的侧壁开有一个送粉孔，送粉孔的直径 (D2.5mm、轴线与喷嘴中轴线呈30°角、出口距离喉部75mm。喷涂结 果为：沉积率70°/。左右，涂层均匀良好。实施例4:采用氮气作为工作气体，待喷涂铜粉末颗粒直径在70 Mm至100 拜，基体为铝板。采用常规送粉器，载气的压力为0.3 MPa。喷嘴进 口处工作气体压力为3.5 MPa，温度500°C。喷嘴的喉部直径为02.0 mm，出口为椭圆-矩形组合形，椭圆的长短轴分别为12mm和4mm， 组成喷嘴出口内壁轮廓的矩形边长为3.2mm，发散段长度为150 mm。 喷嘴流道中轴线两侧的侧壁开有两对送粉孔，送粉孔的直径0)1.5 mm、 轴线与喷嘴中轴线呈60°角，第一和第二送粉孔出口分别距离喉部70 mm和85mm。喷涂结果为：沉积率略高于60%，涂层均匀良好。实施例5:釆用氮气作为工作气体，待喷涂铜粉末颗粒直径在10 ,至30 Mm,基体为铝板。采用常规送粉器，载气的压力为0.3 MPa。喷嘴进 口处工作气体压力为3.0MPa,温度450。C。喷嘴的形式如图2所示， 喉部直径为02.7 mm,出口为椭圆形，椭圆的长短轴分别为13.1 mm和 5mm，发散段长度为120 mm。喷嘴流道中轴线两侧的侧壁开有一对相 对于流道中轴线对称分布的送粉孔，送粉孔的直径0>2.5 mm、轴线与喷 嘴中轴线呈75°角、出口距离喉部60 mm。喷涂结果为：沉积率接近 80%，涂层均匀良好。