冷气动力喷涂装置

1.一种冷气动力喷涂装置，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(1 1)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)；其特征 在于：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A、B(33、33′)、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A、B(33、33′)，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(3 1)壁上另设一与超音速喷嘴(6) 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)和 壁之间的间隙构成压缩空气入气口B(33′)至粉末颗粒出口(35)之间的 通道。
2.按照权利要求1所述冷气动力喷涂装置，其特征在于：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。

技术领域\n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。\n背景技术\n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)。\n发明内容\n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。\n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；\n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。\n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。\n本发明具有如下优点：\n1.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。\n2.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。\n3.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。\n4.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)。\n5.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。\n附图说明\n图1为现有技术中送粉器结构示意图。\n图2为本发明结构示意图。\n图3为图2中送粉器结构放大图。\n图4为图2中超音速喷嘴结构放大图。\n具体实施方式\n下面结合附图和实施例详述本发明。\n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；\n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；\n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；\n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。\n本发明工作过程如下：\n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。\n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。\n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：\nv2/2+K/K-1·P/ρ＝常              (1)\nρ·v·S＝常                      (2)\nP/ρk＝常                         (3)\n由上面三个公式，可求得：\nds/s＝(M2-1)dv/v                  (4)\n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。\n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：\n(1)基体前处理：清洗—宏观粗化—喷砂。\n(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；\n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；\n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。\n(3)涂层后处理：采用机械打磨，抛光。\n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％。\n相关比较例\n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％。\n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％。