專利名稱：冷噴涂用噴嘴及使用該冷噴涂用噴嘴的冷噴涂裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種冷噴涂(cold spray)用噴嘴及使用該冷噴涂用噴嘴的冷噴涂(cold spray)裝置，具有如下優(yōu)點(diǎn)能夠?qū)⑼扛曹涃|(zhì)材料的粉末時(shí)由于粉末涂覆在噴嘴內(nèi)部而引起的噴嘴堵塞現(xiàn)象減到最少；能夠防止涂覆高硬質(zhì)材料的粉末時(shí)由于粉末與噴嘴壁面碰撞而產(chǎn)生的噴嘴磨損；由于可以長時(shí)間使用噴嘴，因此可容易地應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)；由于可以實(shí)施長時(shí)間高品質(zhì)的涂覆，因此大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)可以節(jié)約制造成本；由于在粉末供給裝置中不需要高壓的加壓裝置，因此可以使用便宜的設(shè)備結(jié)構(gòu)；不僅如此，由于不用調(diào)節(jié)供給氣體的流量而是通過調(diào)節(jié)噴射管的位置就能夠調(diào)節(jié)粉末速度，因此易于進(jìn)行工序變化。
背景技術(shù)：
冷噴涂涂覆法是這樣一種方法利用超音速運(yùn)載氣體在常溫狀態(tài)下或者在未加熱的比較低的溫度下噴射粉末、并涂覆到待涂覆物的表面，在該方法中，經(jīng)超音速噴射氣流(300～1200/ms)加速后的微粒(1～50m)與金屬或陶瓷基板碰撞并涂覆到金屬或陶瓷基板上，該涂覆的工序的變量包括加速后的氣體溫度、氣體速度以及粒子大小等。
特別地，由于原理是使加速成高速度的粒子與未加熱的基板碰撞來進(jìn)行涂覆，因此具有如下特性涂覆效率根據(jù)各種要涂覆的材料的不同而變化，加速后的粒子速度越大涂覆效率也越大，并在大于等于一定速度時(shí)急劇增加。
在利用超音速的冷噴涂涂覆法中，用于涂覆的基本要求如下。a)噴射氣流的溫度必須始終低于被加速粒子的熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)。b)被加速粒子必須在1～50m范圍內(nèi)。c)粒子速度根據(jù)粒子材料和大小必須在300～1200m/s范圍內(nèi)。實(shí)際上，粒子是在馬赫數(shù)為2～4左右、1～3MPa范圍內(nèi)的超音速噴射氣流的協(xié)助下被涂覆的。作為氣體的種類，可使用空氣、氮?dú)?、氦氣或混合氣等，無論使用何種氣體，必須使被加速粒子超過臨界速度才能進(jìn)行涂覆(V＞Vcrit)。
由于該原因，為了增加氣體速度，通過升高氣體溫度來增加流量，以往，為了提供超音速運(yùn)載氣體，使用了典型的德-拉伐爾型(De LavalType)噴嘴。與此相關(guān)的內(nèi)容為下述專利文獻(xiàn)1中公開的技術(shù)，其具有如圖8所示的結(jié)構(gòu)。但是，如圖8所示，這種德-拉伐爾型噴嘴(收斂—擴(kuò)散噴嘴)是這樣一種噴嘴，其在喉部之前，將已混合了從左側(cè)供給的氣體和粉末的氣體/粉末混合體與從下部供給的運(yùn)載氣體混合，然后對(duì)它們進(jìn)行加速。
因此，如圖9和圖10所示，這樣供給的氣體/粉末混合體通過收斂—擴(kuò)散噴嘴的收斂部逐漸加速，并在喉部達(dá)到音速，為了在達(dá)到音速后使通過某特定地點(diǎn)的氣體的重量維持恒定，噴嘴的后尾部分設(shè)置為擴(kuò)散型式。由此，離開喉部的氣體速度增大，而成為超音速。以超音速流動(dòng)的氣體具有如下特性向外膨脹的速度大于向后方加速的速度。這是因?yàn)橛捎谙蚩s流方向壓縮氣體，能量向圓周方向擴(kuò)散。收斂—擴(kuò)散噴嘴利用該原理產(chǎn)生以超音速推進(jìn)噴嘴內(nèi)的氣體/粉末混合體所必需的推力。
專利文獻(xiàn)1美國注冊(cè)專利第6,139,913號(hào)但是，在圖8所示方式的情況下，由于在喉部以前引入氣體/粉末混合體，因此粉末要經(jīng)過必須通過喉部進(jìn)行噴射的過程，在該情況下，在上述注入的粉末為鋁等比較軟的粉末時(shí)，粉末被涂覆到上述喉部，在短時(shí)間內(nèi)堵塞上述喉部，不能夠再實(shí)施涂覆，存在難以應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)的問題，在上述注入的粉末為鎳或超合金那樣的高硬度粉末時(shí)，由于在上述喉部的速度為音速左右的水平，因此雖然不發(fā)生涂覆，但由于粉末的碰撞在喉部產(chǎn)生劇烈磨損而使噴嘴損壞，因此存在流速隨著喉部的形狀改變而發(fā)生變化、從而使工序條件發(fā)生變化的問題。
另外，在利用圖8所示的裝置進(jìn)行涂覆時(shí)，由于作用于噴射管上的壓力必須高于從噴嘴下部供給并作為運(yùn)載氣體提供給收斂部的氣體的壓力，因此存在必須另外設(shè)置加壓裝置的問題，其中，噴射管用于注入從噴嘴左側(cè)供給的氣體/粉末混合體。
不僅如此，如圖9和圖10所示，在使用以往的收斂—擴(kuò)散噴嘴的情況下，可以觀察到即使改變提供氣體/粉末混合體的噴射管的位置，噴嘴出口端處的最終出口流速也不會(huì)發(fā)生變化。因此，在為了變化工序條件而使流速變化的情況下，存在必須改變整個(gè)系統(tǒng)的流量的難題。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明是鑒于這樣的問題而提出的，其目的在于，提供一種冷噴涂用噴嘴和使用該冷噴涂用噴嘴的冷噴涂裝置，在涂覆軟質(zhì)材料的粉末時(shí)能夠?qū)娮於氯F(xiàn)象減到最少，在涂覆高硬質(zhì)材料的粉末時(shí)能夠防止噴嘴磨損，由于可以長時(shí)間使用噴嘴，因此可容易地應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)，可以實(shí)施長時(shí)間高品質(zhì)的涂覆。
另外本發(fā)明的目的還在于，提供一種冷噴涂用噴嘴和使用該冷噴涂用噴嘴的冷噴涂裝置，即使不調(diào)節(jié)供給氣體的流量也能夠控制從噴嘴的出口噴射的粉末的速度，易于進(jìn)行工序控制。
另外本發(fā)明的目的還在于，提供一種經(jīng)濟(jì)的冷噴涂用噴嘴和使用該冷噴涂用噴嘴的冷噴涂裝置，由于氣體/粉末供給裝置不需要具備加壓裝置，因此可以低價(jià)構(gòu)成涂覆裝備，并且可以長時(shí)間使用而無需保養(yǎng)修理，不僅節(jié)約初期成本還可以節(jié)約運(yùn)轉(zhuǎn)成本。
為了解決上述課題，本發(fā)明提供一種冷噴涂用噴嘴，其特征在于，包括中空型噴嘴部，其具有截面積收斂的收斂引入部，與上述收斂引入部的收斂端部連接的喉部，與上述喉部的端部連接的出口部；以及噴射管，其位于上述收斂引入部的內(nèi)部，該噴射管配置為其端部噴射口位于上述喉部或超過該喉部的出口部內(nèi)；在上述出口部的出口端處的粉末流速為300～1200m/s。
根據(jù)本發(fā)明的冷噴涂用噴嘴及使用該冷噴涂用噴嘴的冷噴涂裝置，具有以下優(yōu)點(diǎn)由于能夠在涂覆軟質(zhì)材料的粉末時(shí)使噴嘴堵塞現(xiàn)象減至最少、能夠在涂覆高硬度材料的粉末時(shí)防止噴嘴的磨損，所以可不堵塞噴嘴且不改變形狀地長時(shí)間使用，可容易地應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)。
另外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)由于可以持續(xù)實(shí)施長時(shí)間高品質(zhì)的涂覆，因此可以減少維修保養(yǎng)等問題，可以節(jié)約運(yùn)轉(zhuǎn)成本，從而可以節(jié)約生產(chǎn)成本。
另外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)由于即使不調(diào)節(jié)供給氣體的流量，也可以通過噴射管的移動(dòng)來容易地控制從噴嘴的出口噴射的粉末速度，因此工序控制變得很容易，具有多種工序控制方法。
不僅如此，還具有如下的經(jīng)濟(jì)效果由于氣體/粉末供給裝置不需要具有加壓裝置，因此可以低價(jià)構(gòu)成涂覆裝備，可以節(jié)約初期成本。


圖1～圖3是分別表示本發(fā)明的冷噴涂用噴嘴的實(shí)施例的截面的截面圖。
圖4～圖7是分別表示本發(fā)明的冷噴涂用噴嘴中的具有緩沖室的實(shí)施例的截面的截面圖。
圖8是表示以往的冷噴涂用噴嘴及其系統(tǒng)的概略圖。
圖9是表示圖8的以往冷噴涂用噴嘴的流動(dòng)特性的數(shù)值分析結(jié)果的圖(單位m/s)。
圖10是表示在圖8的以往冷噴涂用噴嘴中改變噴射管的噴射口位置時(shí)的流動(dòng)特性的數(shù)值分析結(jié)果的圖(單位m/s)。
圖11是用于對(duì)本發(fā)明的冷噴涂用噴嘴的一個(gè)實(shí)施例的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值分析的流場模型的立體圖。
圖12是表示圖11的一個(gè)實(shí)施例的冷噴涂用噴嘴的流動(dòng)特性的數(shù)值分析結(jié)果的圖(單位m/s)。
圖13是表示在圖11的本發(fā)明冷噴涂用噴嘴中改變噴射管的噴射口位置時(shí)的流動(dòng)特性的數(shù)值分析結(jié)果的圖(單位m/s)。
圖14是用于對(duì)本發(fā)明的冷噴涂用噴嘴中的具有緩沖室的一個(gè)實(shí)施例的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值分析的流場模型的立體圖。
圖15是表示在圖14的一個(gè)實(shí)施例的冷噴涂用噴嘴處的流動(dòng)特性的數(shù)值分析結(jié)果的圖(單位m/s)。
圖16是表示在圖14的本發(fā)明的冷噴涂用噴嘴中改變噴射管的噴射口位置時(shí)的流動(dòng)特性的數(shù)值分析結(jié)果的圖(單位m/s)。
圖17是使用本發(fā)明的冷噴涂用噴嘴的冷噴涂裝置的系統(tǒng)概略圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
本發(fā)明涉及一種冷噴涂用噴嘴，其特征在于，包括中空型噴嘴部10，其具有截面積收斂的收斂引入部2，與上述收斂引入部2的收斂端部連接的噴口部4，與上述喉部4的端部連接的出口部6；以及噴射管20，其位于上述收斂引入部2的內(nèi)部，該噴射管配置為其端部噴射口12位于上述喉部4或超過該喉部的出口部6內(nèi)；在上述出口部6的出口端8處的粉末流速為300～1200m/s。
與此有關(guān)的具體的實(shí)施例如圖1～圖3所示，其中，上述收斂引入部2構(gòu)成為這樣，即，使運(yùn)載氣體在喉部4達(dá)到音速，而除了噴射管20以外的其余部分僅僅被氣體充滿。由此，在上述喉部4處的運(yùn)載氣體的速度達(dá)到音速，由于從上述喉部4出來的運(yùn)載氣體通過出口部6(該出口部使流擴(kuò)散)，因此被加速至300～1200m/s。由于將通過上述噴射管20提供的氣體/粉末混合體與這種運(yùn)載氣體一同噴射到喉部4內(nèi)或者噴射到超過該喉部4的出口部6內(nèi)，因此不會(huì)發(fā)生在喉部4處的由于涂覆而引起的堵塞和由于碰撞而導(dǎo)致的磨損。另外，由于是在高速區(qū)域噴射，因此上述區(qū)域壓力相對(duì)變低，氣體/粉末混合體通過吸入(suction)而流入噴嘴內(nèi)，因此在噴射管20的入口端不需要另外加壓。由于不需要加壓裝置，從而可以簡單地構(gòu)成裝置。
優(yōu)選地，上述噴嘴由這樣構(gòu)成的上述喉部4和出口部6形成，即，從上述收斂引入部2引入的氣體使從上述噴射管的噴射口12噴射的氣體/粉末混合體流收斂，以使其速度達(dá)到音速，然后，上述流再次擴(kuò)散。由此，氣體/粉末混合體的流速也能夠增大至超音速300～1200m/s，因此具有使出口部6的端部(即出口端8)處的粉末速度增大的效果。
即，如圖12～圖13所示，可以觀察到通過喉部4的運(yùn)載氣體被收斂引入部2加速并達(dá)到音速，由于在其后的出口部6處截面積增大，因此相當(dāng)于擴(kuò)散區(qū)，從而運(yùn)載氣體被加速至超音速。不僅如此，上述運(yùn)載氣體由于膨脹使從上述噴射管20出來的氣體/粉末混合體流收縮，由此使從噴射管20的噴射口12噴射的流收斂。在上述收斂足夠使從噴射口12噴射的流的速度加速至音速時(shí)，上述流加速至音速，然后通過在運(yùn)載氣體的收縮影響變小的出口部6的后端處的擴(kuò)散，噴射至噴射口12的流也被加速至超音速，因此從噴嘴噴射的整個(gè)流可以被加速至超音速，并能夠以高的碰撞速度進(jìn)行涂覆。也就是，被引入收斂引入部2的引入氣體(即運(yùn)載氣體)可以根據(jù)噴嘴的實(shí)際外部形狀，經(jīng)過一般加速(收斂)→在喉部處為音速→超音速加速(擴(kuò)散)的過程被加速，從噴射管20噴射的氣體/粉末混合體可以根據(jù)上述運(yùn)載氣體的擴(kuò)散流動(dòng)經(jīng)過一般加速(流的收斂)→流在喉部形成以及達(dá)到音速→超音速加速(由于消除流動(dòng)的影響)的過程被加速，從而獲得很高的速度。
這一點(diǎn)若觀察圖12和圖13所示內(nèi)容就可以可靠地確認(rèn)，通過附圖可以清楚地觀察到從噴射管20出來的流最初隨著從噴射管流出而速度減小，但是由于被周圍的流向內(nèi)部推動(dòng)而變窄，并收縮和收斂，由此速度增加并達(dá)到音速，之后其再次膨脹、并被加速至超音速。
另外，上述出口部6的形狀只要能夠使粉末具有300～1200m/s的速度即可，對(duì)其形狀并無限制，可以構(gòu)成多種形狀，這可以為圖3所示的擴(kuò)散形狀或圖1～圖2所示的直線形狀。作為產(chǎn)生這種加速機(jī)械裝置的具體例子，如圖1至圖2所示，上述出口部6可構(gòu)成為具有大于上述喉部4的中空部截面積的中空部截面積，并構(gòu)成為直線形，并且優(yōu)選地本發(fā)明的冷噴涂用噴嘴這樣構(gòu)成，其中上述喉部4和出口部6構(gòu)造成這樣從上述收斂引入部2引入的氣體使從上述噴射管的噴射口噴射的氣體與粉末混合體流收斂并使其速度達(dá)到音速后，上述流再次擴(kuò)散?？芍@種結(jié)構(gòu)可以通過圖12至圖13的圖示獲得，該圖示為將流場模擬成圖11的形狀、并利用Fluent進(jìn)行數(shù)值分析的結(jié)果，F(xiàn)luent為計(jì)算機(jī)流動(dòng)分析用CFD解析碼。
另外，在本發(fā)明的這種冷噴涂用噴嘴中，上述喉部4為上述噴嘴的最小內(nèi)徑部位，其可構(gòu)成為這樣的形式，即，具有固定長度并在該長度上具有相同的截面。與此有關(guān)的一例如圖2至圖3所示，由此，如圖2所示，可以使噴射管的噴射口12位于喉部內(nèi)、喉部、喉部的端部或者出口部內(nèi)，也可以根據(jù)需要使其在工序中或工序前后改變至所希望的位置。
因此，根據(jù)需要，上述噴射管20構(gòu)成為可沿噴嘴的軸向移動(dòng)，以使其噴射口12可以在喉部內(nèi)或者出口部內(nèi)改變位置。由此，可以調(diào)節(jié)喉部4或者出口部6內(nèi)的、由于涂覆而引起的堵塞或者汽相淀積，或可以將由于碰撞而產(chǎn)生的磨損向減小的方向調(diào)節(jié)，并可以如圖12至圖13所示那樣調(diào)節(jié)出口端的最終流速。即，在圖12和圖13中可知由于噴射口12的突出量(從喉部的端部到出口部側(cè)的噴射口的距離)改變，在出口端8處的粉末速度變大。因此，可以根據(jù)粉末的種類或混合比，可以通過僅僅改變噴射管的噴射口12的位置來進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃俣日{(diào)節(jié)，具有容易控制的優(yōu)點(diǎn)。
另外，根據(jù)工序上的需要或者要涂覆的形狀，上述收斂引入部2、喉部4和噴射管20的中空部截面與出口部6的中空部截面可以使用以往的多種形狀。優(yōu)選地，上述收斂引入部、喉部和噴射管的中空部截面為圓形；為了設(shè)備的維修保養(yǎng)和維持流場的穩(wěn)定，出口部的中空部截面可以構(gòu)成為圓形、正方形或者長方形。
作為本發(fā)明的冷噴涂用噴嘴有關(guān)的具體例構(gòu)成為上述出口部具有大于上述喉部的中空部截面積的中空部截面積、并構(gòu)成為直線形，在上述收斂引入部的輸入端的整個(gè)截面積為900的情況下，在上述喉部中的、由噴嘴部內(nèi)部和噴射管外部構(gòu)成的流道的截面積為9～25，上述噴射管的中空部截面積為0.25～8，上述出口部的截面積為45～100，上述收斂引入部可構(gòu)造成這樣的收斂噴嘴，其使得被引入收斂引入部的引入氣體在喉部的流速達(dá)到音速。
另外，其它具體的理想情況以如下形式構(gòu)成上述喉部的內(nèi)徑為5mm，上述出口部的內(nèi)徑為7mm，上述噴射管的外徑為4.5～3.5mm，噴射管的內(nèi)徑為3～1.5mm，上述噴射管的噴射口的位置位于從喉部的出口側(cè)端部向出口部0～5mm的位置，并且優(yōu)選地，可以使上述噴射管的外徑為4mm，噴射管的內(nèi)徑為2mm，并且，使上述噴射管構(gòu)成為這樣，即，噴射口在喉部或者出口部內(nèi)可沿噴嘴的軸向改變位置，其位置可以為從喉部的出口側(cè)端部向出口部側(cè)0～5mm。
由此，噴嘴內(nèi)的流可以防止產(chǎn)生作用于噴射管內(nèi)側(cè)的壓力即背壓，并且，可以獲得高速流，可以進(jìn)行平穩(wěn)的噴涂。
另外，本發(fā)明的冷噴涂用噴嘴構(gòu)成為除了上述噴嘴的結(jié)構(gòu)，上述噴嘴部10還包括緩沖室30，該緩沖室30以上述喉部4的端部或者出口部6的一個(gè)定點(diǎn)為基點(diǎn)22擴(kuò)展，以具有大于在上述基點(diǎn)22處的中空部截面積的中空部截面積，然后再次收斂，以與出口部內(nèi)表面連接的連接部24的方式形成固定體積；此時(shí)，上述噴射管的端部噴射口可以配置為位于上述喉部內(nèi)、位于超過該喉部的緩沖室內(nèi)或者出口部內(nèi)。
與此相關(guān)的具體實(shí)施例如圖4至圖7所示，上述收斂引入部2構(gòu)成為這樣使所供給的運(yùn)載氣體在喉部4達(dá)到音速，除了噴射管20之外的其它部分部分僅僅被氣體充滿。由此，在上述喉部4運(yùn)載氣體的速度達(dá)到音速，由于從上述喉部4出來的運(yùn)載氣體通過出口部6(該出口部使流擴(kuò)散)，因此被加速至300～1200m/s。由于將通過上述噴射管20提供的氣體/粉末混合體與這種運(yùn)載氣體一同噴射到喉部4內(nèi)或者噴射到超過該喉部4的緩沖室30內(nèi)或者出口部6內(nèi)，因此不會(huì)發(fā)生在喉部4處的由于涂覆而引起的堵塞和由于碰撞而導(dǎo)致的磨損，其中，喉部4為噴嘴中截面積最小的部位。另外，上述噴嘴部10還包括緩沖室30，該緩沖室30以上述喉部4的端部或者出口部6的一個(gè)定點(diǎn)為基點(diǎn)22擴(kuò)展，以具有大于在上述基點(diǎn)22處的中空部截面積的中空部截面積，然后再次收斂，從而以與出口部內(nèi)表面連接的連接部24的方式形成固定體積。利用這種緩沖室30，可以從根本上切斷加速至音速的流與噴嘴部10的內(nèi)部的相互作用。
另外，由于是在高速區(qū)域噴射，如上所述，通過吸入而流入噴嘴內(nèi)，因此在噴射管20的入口端不需要另外加壓，因此，不需要加壓裝置，可以簡單地構(gòu)成裝置。
優(yōu)選地，上述噴嘴由這樣構(gòu)成的上述喉部4和出口部6形成，即從上述收斂引入部2引入的氣體使從上述噴射管的噴射口12噴射的氣體/粉末混合體流收斂，以使其速度達(dá)到音速，然后，上述流再次擴(kuò)散。由此，氣體/粉末混合體的流速也能夠增大至超音速300～1200m/s，因此具有使出口部6的端部(即出口端8)處的粉末速度增大的效果。
即，與不具有上述緩沖室的情況相類似，在具有緩沖室30的情況下，如圖15至圖16所示，可以觀察到通過喉部4的運(yùn)載氣體被收斂引入部2加速并達(dá)到音速，由于在其后的出口部6處截面積增大，因此相當(dāng)于與上述系統(tǒng)中的機(jī)械裝置類似的、沒有緩沖區(qū)的擴(kuò)散區(qū)，從而運(yùn)載氣體被加速至超音速。不僅如此，上述運(yùn)載氣體由于膨脹使從上述噴射管20出來的氣體/粉末混合體流收縮，并使從噴射管20的噴射口12噴射的流收斂。在上述收斂足夠使從噴射口12噴射的流的速度加速至音速時(shí)，上述流加速至音速，然后通過在運(yùn)載氣體的收縮影響變小的出口部6的后端處的擴(kuò)散，噴射至噴射口12的流也被加速至超音速，因此從噴嘴噴射的整個(gè)流可以被加速至超音速，并能夠以高的碰撞速度進(jìn)行涂覆。
這一點(diǎn)若觀察圖15至圖16所示內(nèi)容就可以可靠地確認(rèn)，通過附圖可以清楚地觀察到從噴射管20出來的流最初隨著從噴射管流出而速度減小，但是由于被周圍的流向內(nèi)部推動(dòng)而變窄，并收縮收斂，由此速度增加并達(dá)到音速，之后其再次膨脹、并被加速至超音速。
另外，在該情況下，上述出口部6的形狀只要能夠使粉末具有300～1200m/s的速度即可，對(duì)其形狀并無限制，可以構(gòu)成多種形狀，這可以是圖6至圖7所示的擴(kuò)散形狀或圖4至圖5所示的直線形狀。作為產(chǎn)生這種加速機(jī)械裝置的具體例，如圖4至圖5所示，上述出口部6可構(gòu)成為具有大于上述喉部4的中空部截面積的中空部截面積，并構(gòu)成為直線形，并且優(yōu)選地，本發(fā)明的冷噴涂用噴嘴由這樣構(gòu)成的上述喉部4和出口部6形成，即從上述收斂引入部2引入的氣體使從上述噴射管的噴射口噴射的氣體與粉末混合體流收斂并使其速度達(dá)到音速后，上述流再次擴(kuò)散。另外，作為將噴嘴部10的內(nèi)部與粉末的相互作用減少到最少的優(yōu)選具體例，如圖6至圖7所示，上述出口部6可以構(gòu)成為具有大于上述喉部4的中空部截面積的中空部截面積，并構(gòu)成為擴(kuò)散的形狀，并且優(yōu)選地，本發(fā)明的冷噴涂用噴嘴由這樣構(gòu)成的上述喉部4和出口部6形成從上述收斂引入部2引入的氣體使從上述噴射管的噴射口12噴射的氣體與粉末混合體流收斂并使其速度達(dá)到音速后，上述流再次擴(kuò)散。
可知這種結(jié)構(gòu)可以通過圖15至圖16的圖示獲得，該圖示為將流場模擬成圖14的形狀、并利用Fluent進(jìn)行數(shù)值分析的結(jié)果，F(xiàn)luent為計(jì)算機(jī)流動(dòng)分析用CFD解析碼。
另外，在該情況下，上述喉部4為上述噴嘴的最小內(nèi)徑部位，并可構(gòu)成為這樣的形式，即，具有固定長度，在該長度上具有相同的截面。與此有關(guān)的一例如圖5至圖7所示，由此，如圖5所示，可以使噴射管的噴射口12位于喉部內(nèi)、喉部、喉部的端部、緩沖室或者出口部內(nèi)，也可以根據(jù)需要使其在工序中或工序前后改變至所希望的位置。
因此，根據(jù)需要，如圖5所表示的其中一個(gè)實(shí)施例所示，上述噴射管20可構(gòu)成為可沿噴嘴的軸向移動(dòng)，以使其噴射口12可以在喉部內(nèi)、緩沖室內(nèi)或者出口部內(nèi)改變位置。由此，可以調(diào)節(jié)喉部4或者出口部6內(nèi)的由于涂覆而引起的堵塞或者汽相淀積，或可以將由于碰撞而產(chǎn)生的磨損向減小的方向調(diào)節(jié)，還可以如圖15至圖16所示那樣調(diào)節(jié)出口端的最終流速。即，在圖15和圖16中可觀察到由于噴射口12的突出量(從喉部的端部到出口部側(cè)的噴射口的距離)改變，在出口端8處的粉末速度變大。因此，可以根據(jù)粉末的種類或混合比，僅僅通過改變噴射管的噴射口12的位置來進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃俣日{(diào)節(jié)，具有容易控制的優(yōu)點(diǎn)。
另外，根據(jù)工序上的需要或者要涂覆成的形狀，上述收斂引入部2、喉部4和噴射管20的中空部截面與出口部6的中空部截面可以使用以往的多種形狀，優(yōu)選地，上述收斂引入部、喉部、緩沖室和噴射管的中空部截面為圓形；為了設(shè)備的維修保養(yǎng)和維持流場的穩(wěn)定，出口部的中空部截面可以構(gòu)成為圓形、正方形或者長方形。
另外，為了防止由從上述噴射管噴射的氣體/粉末混合體與運(yùn)載氣體混合而成的混合體與噴嘴部的內(nèi)部碰撞涂覆，或使噴嘴部的內(nèi)部磨損，在噴嘴部內(nèi)部擴(kuò)展一定空間是非常有幫助的，因此，為了該目的，如上所述，在噴嘴部2內(nèi)部具有上述緩沖室，優(yōu)選地以擴(kuò)散形狀形成出口部。
另外，如圖4至圖7所示，上述緩沖室30構(gòu)成為以上述定點(diǎn)為基點(diǎn)22，沿垂直方向在預(yù)定寬度內(nèi)均勻地增加內(nèi)徑，以使緩沖室30具有大于在上述基點(diǎn)22處的中空部截面積的中空部截面積，然后，上述內(nèi)徑以固定比率減小并形成與出口部的內(nèi)部連接的連接部24；如圖4至圖6所示，該緩沖室的位置可以從喉部端部形成，如圖7所示，也可以構(gòu)成為位于出口部內(nèi)的規(guī)定部分。
另外，以上述固定比率減少的區(qū)間的減少可以以現(xiàn)有的多種形式減少，其可以以直線性減少、指數(shù)性減少、拋物線性減少等多種形式減少，考慮到制作的容易性和將堵塞現(xiàn)象或磨損現(xiàn)象減少到最少，優(yōu)選地，如圖4～圖7所示，上述固定比率的減少為，從噴嘴的中心軸傾斜30～60°角度的直線形式直線性的減少。
作為與本發(fā)明的冷噴涂用噴嘴相關(guān)的具體例構(gòu)成為上述出口部具有大于上述喉部的中空部截面積的中空部截面積、并構(gòu)成為直線形，在上述收斂引入部的輸入端的整個(gè)截面積為900的情況下，在上述喉部中的、由噴嘴部內(nèi)部和噴射管外部構(gòu)成的流道的截面積為9～25，上述噴射管的中空部截面積為0.25～8，上述出口部的截面積為45～100；上述收斂引入部構(gòu)成為這樣的收斂噴嘴，即，其可以使被引入收斂引入部的引入氣體在喉部的流速達(dá)到音速。
另外，其它具體的理想情況可以以如下形式構(gòu)成上述喉部的內(nèi)徑為5mm，上述緩沖室以喉部的出口部側(cè)端部為基點(diǎn)形成，其中，緩沖室基點(diǎn)的內(nèi)徑為14mm、上述內(nèi)徑以從噴嘴中心軸傾斜30～60°的直線的形式減少，并且該緩沖室形成為與上述出口部的內(nèi)面在內(nèi)徑為7mm的地方連接，上述出口部從上述喉部的出口部側(cè)端部到出口端的距離為60mm，出口端的內(nèi)徑為10mm，上述噴射管的外徑為4.5～3.5mm，噴射管的內(nèi)徑為3～1.5mm，上述噴射管的噴射口的位置位于上述緩沖室內(nèi)。
由此，噴嘴內(nèi)的流可以防止產(chǎn)生作用于噴射管內(nèi)側(cè)的壓力即背壓，并且，將從噴射管噴射的粉末與噴嘴內(nèi)部壁面的相互作用減少到最少，可以減少堵塞或磨損，同時(shí)可以獲得高速流，可以進(jìn)行平穩(wěn)的噴涂。
另外，本發(fā)明提供一種冷噴涂裝置，其特征在于，包括上述多種形狀的本發(fā)明的冷噴涂噴嘴；與上述噴嘴的收斂引入部連接的氣體供給裝置；以及與上述噴射管連接的氣體/粉末混合體供給裝置。
與此相關(guān)的具體例如圖17所示，其特征在于，可以同時(shí)使用在普通現(xiàn)有的冷噴涂裝置中使用的全部裝置，但是，供給至噴射管的壓力較低，因此，在噴射管的輸入端不另具有加壓裝置。
另外，本發(fā)明提供一種冷噴涂方法，其特征在于，包括如下步驟利用這種冷噴涂裝置，可以在與以往的冷噴涂工序相類似的條件下進(jìn)行冷噴涂工序。即，利用上述冷噴涂裝置，將由上述氣體供給裝置供給的氣體被加速到音速或超音速，在上述加速后的氣體中混合從上述氣體/粉末混合體供給裝置供給的氣體/粉末混合體，在將氣體/粉末混合體維持在足夠低的溫度的狀態(tài)下，將上述粉末加速至300～1200m/s，噴射到被涂覆物的表面來進(jìn)行涂覆。
上述工序中的工序條件可以全部使用與以往的冷噴涂工序相類似的條件。但是，即使供給至噴射管的壓力較低，也可通過吸入來進(jìn)行噴射，因此具有可以將上述供給壓力維持得較低的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然也可以根據(jù)需要將上述供給壓力調(diào)高。
另外，上述氣體/粉末混合體在混合體內(nèi)的粉末體積比率為1～99％的范圍內(nèi)具有多種范圍，上述粉末中使用的物質(zhì)可以為金屬、合金、金屬或合金的混合物、有機(jī)物、無機(jī)物、有機(jī)物或無機(jī)物的混合物，或者它們的混合物等多種物質(zhì)的全部，根據(jù)涂覆層的要求特性，可以以多種形式的組合來進(jìn)行單層涂覆或多層涂覆。
此外，本發(fā)明提供了一種涂覆物，其特征在于，利用上述冷噴涂方法來進(jìn)行涂覆。成為上述涂覆對(duì)象的被涂覆物可以是金屬、合金、金屬或合金的混合物、有機(jī)物、無機(jī)物、有機(jī)物或無機(jī)物的混合物、或者它們的混合物等多種物質(zhì)的全部，根據(jù)被涂覆物的要求特性，可以多種形式的組合構(gòu)成被涂覆物。
以上所說明的本發(fā)明并不限于上述發(fā)明的詳細(xì)說明及附圖，當(dāng)然在不脫離權(quán)利要求范圍中所述的本發(fā)明的精神和領(lǐng)域的范圍內(nèi)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員所進(jìn)行多種修正和改變都包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種冷噴涂用噴嘴，其特征在于，包括中空型噴嘴部，其具有截面積收斂的收斂引入部，與上述收斂引入部的收斂端部連接的喉部，與上述喉部的端部連接的出口部；和噴射管，其位于上述收斂引入部的內(nèi)部，該噴射管配置為在其端部的噴射口位于上述喉部或超過該喉部的出口部內(nèi)；其中在上述出口部的出口端處的粉末流速為300～1200m/s。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷噴涂用噴嘴，其特征在于，上述噴嘴部還包括緩沖室，該緩沖室以上述喉部的端部或者出口部的一個(gè)定點(diǎn)為基點(diǎn)擴(kuò)展，以具有大于在上述基點(diǎn)處的中空部截面積的中空部截面積，然后再次收斂，從而以與出口部內(nèi)表面連接的連接部的形式形成固定體積；上述噴射管的端部噴射口配置為位于上述喉部內(nèi)、位于超過該喉部的緩沖室內(nèi)、或者位于出口部內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的冷噴涂用噴嘴，其特征在于，上述喉部和出口部構(gòu)造為這樣從上述收斂引入部引入的氣體使從上述噴射管的噴射口噴射的氣體/粉末混合體流收斂，以使其速度達(dá)到音速，然后，上述流再次擴(kuò)散。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的冷噴涂用噴嘴，其特征在于，上述出口部具有大于上述喉部的中空部截面積的中空部截面積，并構(gòu)成為直線形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的冷噴涂用噴嘴，其特征在于，上述出口部具有大于上述喉部的中空部截面積的中空部截面積，并構(gòu)成為擴(kuò)散的形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的冷噴涂用噴嘴，其特征在于，上述喉部和出口部構(gòu)造成這樣從上述收斂引入部引入的氣體使從上述噴射管的噴射口噴射的氣體與粉末混合體流收斂，以使其速度達(dá)到音速，然后，上述流再次擴(kuò)散。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的冷噴涂用噴嘴，其特征在于，上述喉部和出口部構(gòu)造為這樣從上述收斂引入部引入的氣體使從上述噴射管的噴射口噴射的氣體與粉末混合體流收斂，以使其速度達(dá)到音速，然后，上述流再次擴(kuò)散。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的冷噴涂用噴嘴，其特征在于，上述喉部是上述噴嘴部的最小內(nèi)徑部位，并且具有固定長度，在該長度上的截面相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的冷噴涂用噴嘴，其特征在于，上述噴射管可以沿噴嘴的軸向移動(dòng)，以使其噴射口能夠在喉部內(nèi)或出口部內(nèi)改變位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的冷噴涂用噴嘴，其特征在于，上述收斂引入部、喉部以及噴射管的中空部截面為圓形，上述出口部的中空部截面為圓形、正方形或者長方形。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的冷噴涂用噴嘴，其特征在于，上述緩沖室以上述定點(diǎn)為基點(diǎn)沿垂直方向在預(yù)定寬度內(nèi)均勻地增加內(nèi)徑，以使緩沖室具有大于在上述基點(diǎn)處的中空部截面積的中空部截面積，然后，上述內(nèi)徑以固定比率減小，從而以與出口部內(nèi)表面連接的連接部的形式形成固定體積。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的冷噴涂用噴嘴，其特征在于，上述固定比率的減少以從噴嘴的中心軸傾斜30～60°角度的直線的形式直線性減少。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的冷噴涂用噴嘴，其特征在于，在上述收斂引入部的輸入端的整個(gè)截面積為900的情況下，在上述喉部中的、由噴嘴部內(nèi)部和噴射管外部構(gòu)成的流道的截面積為9～25，上述噴射管的中空部截面積為0.25～8，上述出口部的截面積為45～100，上述收斂引入部構(gòu)造成這樣的收斂噴嘴，即，其使被引入收斂引入部的氣體在喉部的流速達(dá)到音速。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷噴涂用噴嘴，其特征在于，上述喉部的內(nèi)徑為5mm，上述出口部的內(nèi)徑為7mm，上述噴射管的外徑為4.5～3.5mm，噴射管的內(nèi)徑為3～1.5mm，上述噴射管的噴射口的位置位于從喉部的出口側(cè)端部向上述出口部0～5mm的位置。
15.根據(jù)權(quán)利要求5所述的冷噴涂用噴嘴，其特征在于，上述喉部的內(nèi)徑為5mm，上述緩沖室形成為以喉部的出口部側(cè)端部為基點(diǎn)，其中，在上述基點(diǎn)處的內(nèi)徑為14mm、上述內(nèi)徑以從噴嘴中心軸傾斜30～60°的直線的形式減少，并且該緩沖室形成為與上述出口部的內(nèi)部在內(nèi)徑為7mm的地方連接，上述出口部從上述喉部的出口部側(cè)端部到出口端的距離為60mm，上述出口端的內(nèi)徑為10mm，上述噴射管的外徑為4.5～3.5mm，上述噴射管的內(nèi)徑為3～1.5mm，上述噴射管的噴射口的位置位于上述緩沖室內(nèi)。
16.一種冷噴涂裝置，其特征在于，包括權(quán)利要求1～15中的任一項(xiàng)所述的冷噴涂用噴嘴；與上述噴嘴的收斂引入部連接的氣體供給裝置；與上述噴射管連接的氣體/粉末混合體供給裝置。
17.一種使用如權(quán)利要求16的冷噴涂裝置的冷噴涂方法，其特征在于，包括如下步驟將由上述氣體供給裝置供給的氣體加速到音速或超音速，在上述加速后的氣體中混合從上述氣體/粉末混合體供給裝置供給的氣體/粉末混合體，在將氣體/粉末混合體維持在足夠低的溫度的狀態(tài)下，將上述粉末加速至300～1200m/s，噴射到被涂覆物的表面來進(jìn)行涂覆。
18.一種涂覆物，其特征在于，利用如權(quán)利要求17所述的冷噴涂方法進(jìn)行涂覆。
全文摘要
提供一種冷噴涂用噴嘴及使用該冷噴涂用噴嘴的冷噴涂裝置，其能夠在涂覆軟質(zhì)材料的粉末時(shí)使噴嘴堵塞現(xiàn)象減至最少，可以在涂覆高硬度材料的粉末時(shí)防止噴嘴的磨損，由于可以長時(shí)間使用噴嘴，因此可容易地應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)，可以實(shí)施長時(shí)間高品質(zhì)的涂覆。本發(fā)明的冷噴涂用噴嘴及使用該冷噴涂用噴嘴的冷噴涂裝置，其特征在于，包括中空型噴嘴部，其具有截面積收斂的收斂引入部，與上述收斂引入部的收斂端部連接的喉部，與上述喉部的端部連接的出口部；以及噴射管，其位于上述收斂引入部的內(nèi)部，該噴射管配置為其端部噴射口位于上述喉部或超過該喉部的出口部內(nèi)；在上述出口部的出口端處粉末流速為300～1200m/s。
文檔編號(hào)B05B1/02GK1830576SQ200510083138
公開日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2005年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月9日
發(fā)明者高景現(xiàn), 李夏勇, 李在洪, 李在丁, 劉永鎬 申請(qǐng)人:Snt株式會(huì)社