一種分級協(xié)調控溫控速火焰噴涂裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于熱噴涂及快速成型領域，尤其涉及一種分級協(xié)調控溫控速火焰噴涂裝置及方法。所述的協(xié)調控溫控速火焰噴涂裝置包括了，點火裝置、燃料送給裝置、助燃氣體送給裝置、水冷系統(tǒng)、送粉裝置、燃燒室、拉瓦爾噴嘴、混合室、用于通入氣體(或液體)的送氣(或液體)裝置以及加長槍管。所述的點火裝置、燃料送給裝置以及助燃氣體送給裝置連接至燃燒室；送粉裝置與拉瓦爾噴嘴及加長槍管連通，水冷系統(tǒng)包在槍體外層。所述的用于通入常溫或低溫氣體或液體的裝置與混合室前端連通。本發(fā)明在使用時可以向混合室內直接通入常溫或低溫氣體或液體，同時控制前端燃燒室的流量與壓力，達到焰流溫度和焰流速度在一個較大范圍內進行調節(jié)的效果。
【專利說明】
一種分級協(xié)調控溫控速火焰噴涂裝置及方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于熱噴涂成型領域，尤其涉及一種分級協(xié)調控溫控速火焰噴涂裝置及方法。
【背景技術】
[0002]熱噴涂工藝已經(jīng)在很多工程領域得到了廣泛應用，其中高速火焰噴涂(HVOF)工藝近年來發(fā)展迅速，其制備的涂層結合強度高，粗糙度低，涂層較為致密，主要用于制備金屬或金屬陶瓷涂層。然而，由于現(xiàn)有高速火焰噴涂的焰流溫度依然較高(常見為2000-3000K)，所以粒子尤其是金屬粒子在噴涂過程中容易發(fā)生氧化，使所獲得的涂層氧含量較高，并不適合噴涂鈦等易氧化的金屬涂層。
[0003]冷噴涂又被稱為動力噴涂，它利用被加熱的氣體作為載體，攜帶顆粒進行噴涂，顆粒受熱溫度低，速度快，它可以很大程度上抑制噴涂顆粒的氧化，尤其在制備易變形的合金或者復合材料上有優(yōu)勢，但冷噴涂受制于氣體加熱條件，很難將高速氣流加熱至1000K以上，另外一些強度較高的材料需要使用氦氣作為輸運氣體，成本高。
[0004]在傳統(tǒng)高速火焰噴涂基礎上發(fā)展而來的HVAF技術利用空氣為助燃氣體，可以有效降低傳統(tǒng)高速火焰噴涂技術的焰流溫度，在一些對熱敏感材料的噴涂上也得到較大范圍的應用和發(fā)展，但是噴涂時由于不參與燃燒的N2比例與02是固定的，因此對噴涂顆粒降溫作用是一定的，此外，一些研究單位在高速火焰噴涂的基礎上發(fā)展了低溫高速火焰噴涂，主要通過通入常溫或低溫氣體(或霧化水滴)降低焰流溫度，同時保持氣流壓力用以保持焰流速度，從而使顆粒在速度不變甚至升高的情況下溫度降低，氧化減少。日本的Seiji Kuroda小組將該種噴涂工藝命名為Warm Spray (溫噴涂)。J.A.Browning在他的專利中就提到了在燃燒焰流膨脹區(qū)混入霧化水的方法來降低HVOF焰流溫度。中國專利201620186U提出向燃燒室中直接注入霧化水來達到降溫保壓的目的。研究結果表明，利用這種噴涂方法制備的鈦涂層具有明顯優(yōu)勢。另外，所制備的鋁、鋅、銅等其他金屬及合金，WC-C0等金屬陶瓷涂層上也比傳統(tǒng)高速火焰噴涂涂層氧化物含量明顯降低，綜合性能更為優(yōu)越，然而上述這類設備共同特點是僅僅關注的是通過混合的方法來強行降低燃燒火焰的溫度，未考慮引入二級混合室或在燃燒室混入水后對一級燃燒室的干擾和影響，比如，Kuroda小組發(fā)明的噴槍在運行過程中，燃燒室壓力較低，不利于產(chǎn)生高速氣流。劉敏，周克崧等的發(fā)明中，直接向燃燒室中注水可能會對燃料燃燒產(chǎn)生影響，造成焰流的不穩(wěn)定。

【發(fā)明內容】

[0005]針對上述對于易氧化涂層制備的缺陷，本發(fā)明旨在提出一種結構簡單、操作方便、經(jīng)濟節(jié)約、且比較可靠的分級協(xié)調控溫控速火焰噴涂裝置及方法。本發(fā)明中加入的混合室，可以由通入其中的常溫或低溫氣體或液體將氣流溫度控制在1200?2000K左右，氣流速度達到1200m/s?1800m/s左右，填補了冷噴涂和傳統(tǒng)高速火焰噴涂之間的工藝空白，使一些熱敏感材料，比如鈦、鋁、銅等在該工藝條件制備的涂層性能更加優(yōu)異。
[0006]本發(fā)明的目的由以下措施構成的技術方案來實現(xiàn):
[0007]—種分級協(xié)調控溫控速火焰噴涂裝置，包括點火裝置、燃料送給裝置、助燃氣體送給裝置、水冷系統(tǒng)、燃燒室、槍管、送氣或液體裝置、送粉裝置、拉瓦爾噴嘴;其特征在于:還包括有混合室；混合室置于燃燒室后端;所述點火裝置、燃料送給裝置、助燃氣體送給裝置連接至燃燒室中，燃料送給裝置以及助燃氣體送給裝置都由外接的流量表以及壓力表控制其送入的流量和壓力;所述的送氣或液體裝置與混合室連接，其外接流量表以及壓力表控制其送給流量和壓力;所述的拉瓦爾噴嘴置于混合室后端，用于將氣流加速至超音速狀態(tài)；所述的送粉裝置置于拉瓦爾噴嘴后端，送粉由外接送粉器實現(xiàn)，送粉載氣由外接壓力表和流量表控制其送給壓力和流量;所述槍管位于送粉裝置后端;所述水冷系統(tǒng)包圍在裝置外圍。
[0008]進一步，所述的送氣或液體裝置包括高壓栗、輸送管、流量表、壓力表以及混合室前端的噴嘴。
[0009]進一步，混合室直徑根據(jù)燃燒室直徑來確定，應較燃燒室直徑減少2?3mm或者相同，混合室長度在20?60mm之間。通過混入混合室的常溫或低溫氣體或液體將氣體溫度控制在1200K?2000K，氣體速度控制在1200?1800m/s。
[0010]進一步，拉瓦爾噴嘴喉口直徑在5?Ilmm之間。
[0011]應用所述裝置的方法，其特征在于，包括以下工藝步驟:
[0012]I)向裝置輸送冷卻水；
[0013]2)向混合室通入氣體或者液體；
[0014]3)通過送粉裝置的送粉嘴向噴管中通入送粉載氣；
[0015]4)向燃燒室通入燃料和助燃氣體，由點火裝置點燃燃燒；
[0016]5)控制氣體或液體流量，使裝置內氣流穩(wěn)定；
[0017]6)打開送粉器，將粉末由送粉裝置送入噴管中，制備涂層。
[0018]本發(fā)明所述的一種分級協(xié)調控溫控速火焰噴涂裝置，包括點火裝置、燃料送給裝置、助燃氣體送給裝置、水冷系統(tǒng)、送粉裝置、燃燒室、噴嘴、混合室、用于通入常溫或低溫氣體(或液體)的送氣(或液體)裝置以及槍管。其中，所述點火裝置、燃料送給裝置以及助燃氣體送給裝置均與JP-5000噴槍相同，并連接至燃燒室前端，燃料以及助燃氣體送給流量以及壓力由外接流量表和壓力表控制。所述的用于通入常溫或低溫氣體(或液體)的送氣(或液體)裝置置于混合室前端，其氣體或液體流量和壓力由外接流量表和壓力表控制。所述的拉瓦爾噴嘴置于混合室后端。所述送粉裝置置于拉瓦爾噴嘴后端。所述的槍管置于送粉裝置后。水冷系統(tǒng)包圍在整體裝置外圍。
[0019]上述的送氣裝置用于通入常溫或低溫氣體時，則包括氣瓶、送氣管、流量表、壓力表以及送氣嘴。
[0020]上述的輸送液體裝置用于通入常溫或低溫液體時，則包括高壓栗、輸送管、流量表、壓力表以及液體噴嘴，其中液體噴嘴采用霧化噴頭對液體進行霧化處理。
[0021 ]上述的混合室，為新加入的噴槍組件。當其需要與現(xiàn)有噴槍裝配時，其直徑比燃燒室直徑小2?3mm，當其與燃燒室為一體時，其直徑可與燃燒室相同，即直徑在38?Ilmm之間，其長度在20?60mm之間。向其通入常溫或低溫氣體或液體可以將氣體溫度控制在1200K?2000K之間，氣體速度控制在1200m/s?1800m/s之間，填補了高速火焰噴涂以及冷噴涂之間的工藝空白。
[0022]上述的送粉裝置，包括了送粉器、送粉管、流量表、壓力表以及送粉嘴，其中送粉嘴置于加長噴管前端兩側，用于均勻送粉，這與JP-5000噴槍相同。
[0023]本發(fā)明同時提供一種分級協(xié)調控溫控速火焰噴涂裝置所采用的成型方法，它包括以下步驟:
[0024]I)噴槍內送進冷卻水；
[0025]2)向新加入的混合室內通入常溫或低溫氣體(或液體)
[0026]3)通過送粉裝置先向噴管中通入送粉載氣；
[0027]4)向燃燒室通入燃料和助燃氣體，點燃燃燒；
[0028]5)調節(jié)氣體(或液體)流量或壓力，保持焰流溫度在需要的溫度，同時保持燃燒室和混合室壓力；
[0029]6)打開送粉器，將粉末由送粉裝置送入噴管，制備涂層
[0030]本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0031]1.本發(fā)明中所使用的燃料可以為丙烷等氣體燃料或者是煤油等液體燃料，助燃氣體可以為氧氣、空氣等，從燃燒條件上可以做到可調節(jié)范圍寬，且較為靈活；
[0032]2.本發(fā)明中，新加入的混合室既可以作為單獨組件與現(xiàn)有高速火焰噴槍組裝使用，也可以與燃燒室作為一體使用，維護簡單高效，經(jīng)濟實用;且通入的低溫氣體(或液體)可以較大范圍的調節(jié)焰流溫度，保證焰流速度。
[0033]3.本發(fā)明工藝可控性強，通入混合室內的氣體或液體可以在不影響燃燒的基礎上二次調節(jié)焰流溫度，使焰流溫度能夠在比常規(guī)高速火焰噴涂更大的范圍內調節(jié)，其適用范圍更加廣泛；
【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明的一種分級協(xié)調控溫控速火焰噴涂裝置結構示意圖
[0035]圖2為本發(fā)明制備的Ti涂層截面形貌圖
[0036]附圖中各代號含義:I點火裝置;2燃料送給裝置;3助燃氣體送給裝置;4冷卻系統(tǒng)；5燃燒室;6混合室;7加長噴管;8送氣(或液體)裝置;9送粉裝置;10拉瓦爾噴嘴。
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖和實例對本發(fā)明作進一步詳述:
[0038]1.參見圖1，本發(fā)明的一種分級協(xié)調控溫控速火焰噴涂裝置包括點火裝置I，燃料送給裝置2，助燃氣體送給裝置3，水冷系統(tǒng)4，燃燒室5，混合室6，加長噴嘴7，送氣(或液體)裝置8，送粉裝置9，拉瓦爾噴嘴10。
[0039]2.氮氣或水，通過送氣(或液體)裝置8，分兩路送入到混合室中，其中液體需要做霧化處理。
[0040]3.粉末通過送粉裝置，從加長噴管7前端兩側送入到噴管中，以達到均勻送粉的目的。
[0041]本實施例中，采用本發(fā)明的一種分級協(xié)調控溫控速火焰噴涂裝置制備Ti涂層的具體步驟如下:
[0042](I)燃燒室長度為92.6mm，直徑37.76mm。點火裝置、燃料送給裝置、氧氣送給裝置以及控制柜均與JP-5000噴槍相同。槍管直徑llmm，長度152.4mm，外套有水冷套，這與JP-5000噴槍一致。
[0043](2)新加入的混合室長度為50mm，直徑31mm，前端通過連接器與燃燒室連接，裝配簡單，連接良好，混合室外套裝水冷套；
[0044](3)向裝置外圍通入冷卻水，流量40L/min，保證噴槍安全運行；
[0045](4)向混合室通入常溫氣體(在此為1000L/min的氮氣，送氣壓力保持在0.7MPa以上)；
[0046](5)由送粉裝置的送粉嘴送入用于運載粉末的氣體，此處使用的是氮氣，流量為28L/min；
[0047](6)向燃燒室內通入燃料和助燃氣體，在此處使用的燃料是霧化煤油(流量為
0.32L/min)，使用的助燃氣體是氧氣(流量為637.lL/min)，保持燃燒室壓力為0.8MPa;
[0048](7)噴槍由短火狀態(tài)變?yōu)殚L火狀態(tài)后，調節(jié)氮氣送氣流量保持在1000L/min，氮氣的送氣壓力保持在0.7MPa ；
[0049](8)打開送粉器，將Ti粉(粒徑15?45μπι)由送粉裝置送入到加長噴嘴前端，送粉率為30g/min，在焰流帶動下，加熱加速噴出噴管，沉積在基體上形成涂層。
【主權項】
1.一種分級協(xié)調控溫控速火焰噴涂裝置，包括點火裝置、燃料送給裝置、助燃氣體送給裝置、水冷系統(tǒng)、燃燒室、槍管、送氣或液體裝置、送粉裝置、拉瓦爾噴嘴;其特征在于:還包括有混合室;混合室置于燃燒室后端;所述點火裝置、燃料送給裝置、助燃氣體送給裝置連接至燃燒室中，燃料送給裝置以及助燃氣體送給裝置都由外接的流量表以及壓力表控制其送入的流量和壓力;所述的送氣或液體裝置與混合室連接，其外接流量表以及壓力表控制其送給流量和壓力;所述的拉瓦爾噴嘴置于混合室后端，用于將氣流加速至超音速狀態(tài);所述的送粉裝置置于拉瓦爾噴嘴后端，送粉由外接送粉器實現(xiàn)，送粉載氣由外接壓力表和流量表控制其送給壓力和流量;所述槍管位于送粉裝置后端;所述水冷系統(tǒng)包圍在裝置外圍。2.根據(jù)權利要求1所述的一種分級協(xié)調控溫控速火焰噴涂裝置，其特征在于，所述的送氣或液體裝置包括高壓栗、輸送管、流量表、壓力表以及混合室前端的噴嘴。3.根據(jù)權利要求1所述的一種分級協(xié)調控溫控速火焰噴涂裝置，其特征在于，混合室直徑根據(jù)燃燒室直徑來確定，應較燃燒室直徑減少2?3mm，混合室長度在20?60mm之間。通過混入混合室的常溫或低溫氣體或液體將氣體溫度控制在1200K?2000K，氣體速度控制在1200?1800m/s。4.根據(jù)權利要求1所述的一種分級協(xié)調控溫控速火焰噴涂裝置，其特征在于，拉瓦爾噴嘴喉口直徑在5?I Imm之間。5.應用權利要求1-4任意一項所述裝置的方法，其特征在于，包括以下工藝步驟: 1)向裝置輸送冷卻水； 2)向混合室通入氣體或者液體； 3)通過送粉裝置的送粉嘴向噴管中通入送粉載氣； 4)向燃燒室通入燃料和助燃氣體，由點火裝置點燃燃燒； 5)控制氣體或液體流量，使裝置內氣流穩(wěn)定； 6)打開送粉器，將粉末由送粉裝置送入噴管中，制備涂層。
【文檔編號】B05B7/20GK106064123SQ201610467119
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年6月24日 公開號201610467119.9, CN 106064123 A, CN 106064123A, CN 201610467119, CN-A-106064123, CN106064123 A, CN106064123A, CN201610467119, CN201610467119.9
【發(fā)明人】李輝, 楊天龍, 徐法令, 鄭良, 吳旭, 周正, 賀定勇
【申請人】北京工業(yè)大學, 北京航天振邦精密機械有限公司