技术领域
本发明涉及材料的表面喷涂处理,具体地说是一种冷气动力喷涂装置。
背景技术
在
现有技术中,对于材料的表面喷涂处理多采用两种技术,一是传统式
热喷涂技术,如:
火焰喷涂、
电弧喷涂、
等离子喷涂、超音速火焰喷涂以及 爆炸喷涂等,其共同特点是利用不同的热源,将要喷涂的各种材料如金属、
合金、陶瓷、塑料及其各类
复合材料加热至
熔化或熔融状态,借助气流高速 雾化形成“微粒雾流”沉积在经预处理的工作表面形成堆积状与基体紧密结 合的涂层。由于热喷涂在喷涂过程中需要很高的
温度,当焰流一离开
喷嘴后 就
接触到大量的空气,使喷涂材料严重
氧化,于是限制了热喷涂的使用范围。 为了解决上述氧化问题,热喷涂技术的进一步改进是采用低压等离子喷涂和
真空等离子喷涂,但在真空室内又限制了喷涂
工件大小,而且只能对具有稳 定液相的粉末材料才能制备涂层,且喷涂设备造价昂贵。二是
冷喷涂技术, 冷喷涂是由俄罗斯科学家在八十年代后期发明的,俄罗斯、美国及欧共体专 利(其中:1)俄罗斯
专利,专利号分别为1674585(1991)、1603581(1993)、 1618778(1993)、1773072(1993)、2010619(1994);2)欧洲专利,专利号 为0484533 A1(1992);3)美国专利,专利号为5302414(1994))公开一种 冷气动力喷涂装置,其中送粉器与超音速喷嘴连为一体,如图1所示,采用
电机带动转鼓,通过转鼓推动粉末进入气体粉末混合室,在送粉器的下端有 一个压缩气体入口,并通过两个出口分别将气体导入送粉器转鼓低端和粉末 上部以平衡送粉室压力,其不足之处在于:可能造成粉末上端的气体压力低 于下端,引起粉末倒流。另外在喷嘴结构上扩散段为锥形,虽便于加工,但 压力损失大,不易实现最佳喷射速度,寿命低(1000小时)。
发明内容
本发明的目的是提供一种送粉效率高、寿命长、无氧化问题的冷气动力喷 涂装置。
为了实现上述目的,本发明的技术方案是:由超音速喷嘴、加热器、送粉 器、喷涂室、粉末回收装置、
控制器组成,其中,超音速喷嘴安装在喷涂室入 口处,控制器与带有储气罐的空气
压缩机管路连接,并通过送粉
开关、压力调 节开关分别与加热器、送粉器相连,加热器附有加热电源,一端至超音速喷嘴, 喷涂室出口加设粉末回收装置;所述超音速喷嘴通过管道与送粉器连接,由收 缩段、喉部、扩张段三部分组成,所述收缩段为亚音速段,为维托辛基曲线形 光滑连续收缩结构,与喉部过渡连接,所述扩散段为超音速段轴对称位流式结 构,与喉部过渡连接,它包括初始膨胀段和消波段,初始膨胀段为光滑连续过 渡结构,其间为泉流区,消波段为平行于轴线的轴对称结构,其间为均匀区, 所述收缩段与混合室相连,其混合室通过安装在其上的过渡管件分别与送粉 器、加热器相连接;所述送粉器由具有密封盖的装粉室、压缩空气入气口A、 B、安装在装粉室下方的转鼓、粉末颗粒出口构成,所述装粉室壁上设有两个 独立的压缩空气入气口A、B,一个在装粉室上方,一个在转鼓下方,分别经 控制器与储气罐相连,再至空气压缩机,装粉室壁上另设一与超音速喷嘴管路 连接的粉末颗粒出口,转鼓上所设的沟槽与转鼓和壁之间的间隙构成压缩空气 入气口B至粉末颗粒出口之间的通道;
所述控制器通过其上的压力表分别与所述送粉器、超音速喷嘴相连, 通过温控仪经设在超音速喷嘴上的
热电偶与加热器相连,又通过
电压表与 送粉器连接。
本发明原理是:利用压缩气体经过加热携带粉末,通过超音速设计的喷嘴 高速运动到达喷涂室中的基体表面,粉末粒子高速运动轰击基体表面,有大约 1/3
动能转变为
热能,粒子在高速动能与热能的作用下瞬间产生塑性
变形,使 粒子
焊接在基体的表面形成涂层;其中气体
加速到300~1200m/s,带动喷涂粉 末以较低的温度(20~550℃)高速撞击基体形成涂层;将动力气体快速加热至 所需温度,并通过与粉末混合使粉末加热。
本发明具有如下优点:
1.改善了送粉方式,提高了送粉效率。本发明将送粉器中的上下进气口 分别由两个进气口导入,可通过压力调节开关分别控制,使上口气体压力大于 底部,从而保证送粉均匀,避免了现有技术中(上下进气口由一个气口导入) 容易造成粉末上端的气体压力低于下端,引起粉末倒流、转鼓被粉末掩死的现 象,提高了送粉效率,扩大了送粉范围。
2.喷嘴使用寿命长,喷涂
质量好。本发明超音速喷嘴在收缩段采用维 托辛斯基曲线,而扩散段(超音速段)则采用轴对称位流设计,所述光滑 连续的收缩曲线可将气流均匀加速至音速,减少气流
能量损失;另外将加 速段分为初始膨胀段和消波段,在初始膨胀段形成超音速径向流动(超音 速泉流)气流即由平直音速流向泉流过渡至完全的泉流,在消波段把这个 超音速泉流转变成均匀平行于轴线的流动,从而减少
流动阻力,使气流最 大限度地得以加速,喷嘴使用寿命可提高至1500小时,本发明的喷嘴不仅 在加速过程中能量损失少,流动阻力小,而且可获得更大的气流速度。提 高涂层质量,减少涂层孔隙率。
3.无氧化问题。本发明与现有技术中其它热喷涂方法的最大区别是可 以在比颗粒熔化温度低得多的温度范围内产生涂层,通过超音速喷嘴使涂层 材料在比其熔化温度低得多的温度下形成涂层。由于喷涂过程中粉末加热温 度较低(20~550℃),喷涂过程中颗粒不会产生
过热,也就不存在其它热喷 涂过程中产生的颗粒高温氧化、
蒸发、熔化、结晶以及气体释放等问题,显 著地提高了涂层的质量。
4.应用范围广。采用本发明不仅适合于金属、合金材料喷涂,同时可以 适合于活性金属和热塑性有机
树脂的喷涂,其基材可以是各种金属和非导电体 (比如玻璃、陶瓷等)。
5.本发明还具有噪音低、能耗小、无热
辐射、粉末可循环利用,操作简 单、安全和成本低等特点。
附图说明
图1为现有技术中送粉器结构示意图。
图2为本发明结构示意图。
图3为图2中送粉器结构放大图。
图4为图2中超音速喷嘴结构放大图。
具体实施方式
下面结合附图和
实施例详述本发明。
如图2、3、4所示,由超音速喷嘴6、加热器7、送粉器3、喷涂室4、粉 末回收装置5、控制器2组成,其中,超音速喷嘴6安装在喷涂室4入口处, 控制器2与带有储气罐11的空气压缩机1管路连接,并通过送粉开关22、压 力调节开关21分别与加热器7、送粉器3相连,加热器7附有加热电源71, 一端至超音速喷嘴6,喷涂室4出口加设粉末回收装置5;
所述超音速喷嘴6通过管道与送粉器3连接,由收缩段61、喉部62、扩 张段63三部分组成,所述收缩段61为亚音速段,为维托辛基曲线形光滑连续 收缩结构,与喉部62过渡连接,所述扩散段63为超音速段轴对称位流式结构, 与喉部62过渡连接,它包括初始膨胀段631和消波段632,初始膨胀段631为 光滑连续过渡结构,其间为泉流区,消波段632为平行于轴线的轴对称结构, 其间为均匀区,所述收缩段61与混合室64相连,其混合室64通过安装在其 上的过渡管件分别与送粉器3、加热器7相连接;
所述送粉器3由具有密封盖32的装粉室31、压缩空气入气口A33、B33′、 安装在装粉室31下方的转鼓34、粉末颗粒出口35构成,所述装粉室31壁 上设有两个独立的压缩空气入气口A33、B33′,一个在装粉室31上方,一 个在转鼓34下方,分别经控制器2与储气罐11相连,再至空气压缩机1, 装粉室31壁上另设一与超音速喷嘴管路连接的粉末颗粒出口35,转鼓34 上所设的沟槽与转鼓34与壁之间的间隙构成压缩空气入气口B33′至粉末颗 粒出口35之间的通道;
所述控制器2通过其上的压力表25分别与所述送粉器3、超音速喷嘴6相 连,通过温控仪24经设在超音速喷嘴6上的热电偶与加热器7相连,又通过 电压表23与送粉器3连接。
本发明工作过程如下:
本发明以压缩空气和电为动力源,由控制器2控制,通过管道使压缩气 体送进用于喷涂时调节气体温度的加热器2及用于喷涂时供应粉末的送粉器 3,粉末被加热的气体携带进入超音速喷嘴6,超音速喷嘴6实现喷涂过程中 给粉末颗粒加速,通过高速运动到达基体表面,粉末粒子高速运动轰击基体 表面,在喷涂室4中对基材进行涂层,有大约1/3动能转变为热能,粒子在 高速动能与热能的作用下瞬间产生塑性变形,使粒子焊接在基体的表面形成 涂层,多余的粉末通过粉末回收装置5
回收利用,以上冷气动力喷涂过程的 实施是由控制器2控制完成。
本发明的操作工艺参数范围:气体压力1.2~3.0MPa、气体温度20~580℃、 气体流量10~30g/s、耗电量2~12KW、粉末粒度从50nm到60μm。
本发明超音速喷嘴的设计原理由
流体力学公式给出,对一维定常流动,考 虑可压缩流体,则有:
v2/2+K/K-1·P/ρ=常 (1)
ρ·v·S=常 (2)
P/ρk=常 (3)
由上面三个公式,可求得:
ds/s=(M2-1)dv/v (4)
式中:S管道截面积;M=v/v声(
马赫数);ρ气体
密度;K气体常数; P气体压力;v气体流速。由公式(4)可知,当v>v声,则dv符号与ds符号 相同。即:随管道截面积变大(ds为正值),流体速度增大。当v<v声则dv 符号与ds符号相反,即:随管道截面积变小(ds为负值),流体速度亦增大。 因此,经过足够收缩,流体速度可在管道喉部截面处达到声速,经过此截面 后,将获得超音速。
以在聚四氟乙烯基体上制备锌-
铜复合涂层,为大型
电子元件(如电容器) 制作提供途径。其涂层制备具体包括三个工艺过程实施例:
(1)基体前处理:清洗—宏观粗化—
喷砂。
(2)喷涂工艺:采用冷气动力喷涂方法,选锌为涂层底层厚度0.3mm左 右,然后表面喷紫铜厚度2~3mm;
喷锌工艺:喷涂距离10~20mm、气体压力1.6~1.8MPa、气体温度 200~220℃、气体流量10~30g/s、粉末粒度30~50μm;
喷铜工艺:喷涂距离10~20mm、气体压力1.6~1.8MPa、气体温度 250~280℃、气体流量10~30g/s、粉末粒度30~50μm。
(3)涂层后处理:采用机械打磨,
抛光。
采用本发明涂层的性能:涂层与基体的
抗拉强度68MPa、剪切强度35MPa、 含氧量0.3~0.5%、
电阻0.05~0.08Ω、耐压45kV、涂层孔隙率锌涂层为3~5%、 紫铜涂层为1~3%、沉积效率75%。
相关比较例
采用俄罗斯冷喷涂方法制备的涂层性能如下:涂层与基体的抗拉强度 65MPa、剪切强度35MPa、含氧量0.3~0.5%、电阻0.05~0.08Ω、耐压45kV、 涂层孔隙率锌涂层为3~6%、紫铜涂层为2~3%、沉积效率65%。
本发明使用的气体可以是空气、氮气、氦气或混合气体等高压气体。可喷 涂的材料为金属及其合金、热塑性有机树脂,基材可以是各种金属和非导电体 (比如玻璃、陶瓷等)。涂层与基体的粘接力达30~80MPa,
空隙率1~8%,涂 层厚度1-105μm,沉积效率55~80%。