一种用于生产钛承重结构的方法
【专利摘要】一种用于生产钛承重结构的方法，该方法包括通过冷气动力喷涂钛颗粒于合适成形的支撑构件上，以及如此生产的钛承重结构。
【专利说明】一种用于生产钛承重结构的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及由钛和钛合金生产结构。本发明也涉及根据本发明生产的结构。
【背景技术】
[0002] 钛和钛合金具有高强度重量比，高硬度和优良的耐蚀性。由于这些原因，理想的是 用这样的材料来生产承重结构，如自行车支架。目前钛/钛合金承重结构，如自行车支架的 生产方法，通常涉及独立的管状支架部件，通过真空铸造和变形过程以生产所需的部件外 形，然后通过对各个部件进行装配和焊接来生产支架。由于钛/钛合金具有对氧的高亲和 性，高温处理，如焊接，必须在保护（还原）气氛中进行。总的来说，这种传统的方法耗费时 间，并且是能源和劳动密集的，因此很昂贵。所以钛/钛合金的使用有点限制于这些方面如 航空航天，生物医药和高端运动产品。关于传统的制造方法的限制阻碍了钛及钛合金更广 泛地使用。
[0003] 在这个背景下，需要提供一种不存在这些问题的用于生产钛/钛合金承重结构的 方法。
【发明内容】
[0004] 因此，本发明提供一种用于生产钛承重结构的方法，该方法包括通过冷气动力喷 涂钛颗粒于合适成形的支撑构件上。
[0005] 本发明也提供根据本发明生产的钛承重结构。
[0006] 在本说明书中，除非另有说明，术语钛表示钛本身以及钛合金。因此，本发明的方 法可以应用于生产钛承重结构和钛合金承重结构。
[0007] 除非另有说明，整个说明书和随后的权利要求中的"含有/包括"及其变形应被理 解为表示包含陈述的整数或步骤或成组的整数或步骤，但是不排除任何其他的整数或步骤 或成组的整数或步骤。
[0008] 说明书中对任何在先公开（或从其导出的信息）或对任何已知内容的引用不被、 也不应被用作在先公开（或从其导出的信息）或已知内容构成本说明书所涉及的领域中公 知常识的一部分的承认或认可或任何形式的暗示。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 参考非限制性的附图对本发明的实施方式进行说明如下：
[0010] 图1显示的是用于在自行车架支架上沉积钛的冷喷涂系统的示意图；
[0011] 图2是冷喷涂钛于铝支撑构件（蚀刻）的显微照片；以及
[0012] 图3是钛和铝之间的界面的扫描电子显微照片。
【具体实施方式】
[0013] 根据本发明的冷喷涂的使用能够使得钛颗粒以固态以及极端高速的沉积于合适 的支撑构件上（此处也指"支架"）。有利的，这去除了许多可能其他被需要的中间高温制 造过程，如钛的熔融，乳制和焊接。这些步骤通常需要控制气氛以避免钛氧化。这些过程步 骤的去除也在能量消耗和碳排放等方面有利。
[0014] 根据本发明的冷喷涂的使用也可以导致材料输入的减少，模具和熔融成本的去 除，和/或钛产品的再加工和修整的减少。因此，根据本发明的冷喷涂的使用可以降低制造 成本并提商制造效率和对应的商业价值。
[0015] 冷气动力喷涂（冷喷涂）是已知的用于表面涂层的方法。大体上，该方法包括将 (金属和/或非金属）颗粒加入到高压气流中，该气流而后会通过汇聚/分散喷嘴，使得该 气流被加速到超音速（通常大约l〇〇〇m/ S)，或者该方法在喷嘴喉部后将颗粒加入到超音速 气流中。所述颗粒之后被导向待沉积的表面。
[0016] 该方法在低于基层和待沉积颗粒的熔点的相对低温下进行，由于颗粒撞击在基层 表面形成了涂层。事实上，该方法在相对低温下发生可以减少或避免热力学、热学和/或化 学效应作用于被覆盖的表面和组成涂层的颗粒。这意味着颗粒的原始结构和性质可以保存 而不会出现与高温涂覆工艺如等离子、超音速火焰喷涂（HVOF)、电弧、火焰喷涂或其他热喷 涂工艺相关的现象，如相变等。冷喷涂的基本原理、设备和方法记载在，例如，US 5302414。
[0017] 本发明中冷喷涂的使用使得钛承重结构的生产大大简化并更加经济。在本发明的 方法中，使用冷气动力喷涂以将钛层沉积并组建于成形的支撑构件上。这种方法不需要制 造并连接单独组件来生产最终结构。特别的，根据本发明的冷喷涂不需要将钛组件焊接在 一起。本发明的方法可以看作是一种生产承重结构的方法，该方法不是（即，传统的）通过 将单独的结构组件焊接在一起来生产的方法。换言之，根据本发明生产的承重结构是作为 整体结构形成的，与之相对的是通过制造并连接各种组件来组装。
[0018] 使用本发明的方法生产承重结构，并且这样做旨在利用上文提到的钛的理想材料 性能。术语"承重结构"是用来表示功能为承受载荷的结构。该承重结构可以采取支架的 形式，这是其他组件被安装在其上的基础结构。举例来说，该支架可以用于航空航天或航海 船只或机动车，或者，它可以是用于自行车、摩托车、小型摩托车、轮椅、悬挂滑翔机或行李 的支架。本发明被认为特别合适用于制造自行车和摩托车支架。
[0019] 该承重结构可以是单体壳设计，其中该结构本身的（钛）表面提供承重功能。举 例来说，在这种情况下，该承重结构可以是摩托车或汽车、小型摩托车整流罩。
[0020] 该承重结构可以是最终产品或者它可以是最终产品的组件。例如，如果是自行车， 本发明可以用于生产主体支架。该承重结构也可以是平的或成形的，并且例如，被用于建筑 施工中。
[0021] 在本发明的方法中，使用冷喷涂以将钛层沉积并组建于支撑构件的表面上。该支 撑构件的形状和结构将呈现被生产的承重结构的预期形状。在这方面，该支撑构件可以被 看作支架或骨架。
[0022] 用于支撑构件的材料必须是当冷喷涂钛于其上时不会变形的材料。毕竟，该支撑 构件提供了钛沉积的基础，它的任何变形可能导致生产的结构的制造公差中的缺陷和/或 偏差。该生产支撑构件本身的机械性能、成本和/或松缓（ease)可能影响用于支撑构件的 材料的选择。该支撑构件可以由单独的组件连接在一起组成，或者它可以为整体结构，例 如，模制结构。
[0023] 在本发明的实施方式中，在完成冷喷涂和足够厚度的钛沉积其上（基于该承重结 构的预期用途）之后，该支撑构件被去掉以生产独立式钛承重结构。
[0024] 当希望保持该结构的重量尽可能低的时候，该支撑构件的去除可能是重要的。根 据设计和使用它的复杂性，该支撑构件可以通过各种方法来去除。例如，可以通过机械方法 来去除该支撑构件。这可以包括破坏或机械去除该支撑构件。在破坏该支撑构件的情况下， 该支撑构件可以由（如陶瓷）材料来形成，该材料具有合适的硬度和温度耐性以使得承重 结构能够形成在支撑构件的表面，但是具有合适的脆性以使得当需要分离该支撑构件和结 构的时候，该支撑构件能够被破坏和去除。
[0025] 钛和支撑构件的分离也可以通过依靠钛和支撑构件之间热膨胀系数的差别来达 至IJ。在这种情况下，结构从支撑构件的分离可以通过加热或冷却该钛结构和支撑构件来达 到。
[0026] 在这实施方式中通过冷喷涂来形成的钛结构的厚度必须在那些支撑构件被去除 的区域满足结构需要。因此，钛的厚度将是根据应用改变的。举例来说，用于自行车支架， 钛厚度范围可以为1-5毫米。
[0027] 作为另一选择，该支撑构件可以通过溶解或熔融来去除。例如，如果支撑材料为 铝，可以通过溶解于氢氧化钠来去除。当然，无论使用哪种方法来去除支撑构件，都不应当 对生产的钛结构产生不利影响。
[0028] 在可选择的实施方式中，在冷喷涂完成之后该支撑构件不被去除。在这种情况下， 该支撑构件可能有利于生产的承重结构的理想性能，并且在这种情况下承重结构/支撑构 件应当被看作复合（或混合）结构。
[0029] 在一种稍有不同的实施方式中，可能希望的是保留支撑构件在特定的位置并且在 生产结构的其他位置去除该支撑构件。例如，可能希望在用于经受高负荷的结构的区域保 留支撑构件，并且在低负荷区域去除支撑构件。这样，进一步修改承重结构的性能同时保持 重量低是可能的。
[0030] 这个实施方式也提高进一步设计的可能性。例如，支撑构件的材料可以基于该支 撑构件将有助于承重结构的性能来选择。另外，或可选择的，该支撑构件的区域可以基于那 些区域将占据生产的承重结构的位置改变厚度和/或设计。另外，或可选择的，该支撑构件 的区域可以基于那些区域将占据生产的承重结构的位置由不同材料来制造。得益于此，本 发明的方法提供有益的设计和灵活性的结果。特别的，可以生产比现有技术更复杂形状的 钦结构。
[0031] 支撑构件的被颗粒覆盖的表面将影响生产的结构的相应表面的性质。优选，支撑 构件的被覆盖的表面为光滑并且无缺陷的。
[0032] 本发明的另外的优点为通过冷喷涂应用的组成可以根据冷喷涂的进行从而改变， 并且这可以在产品特性方面提供灵活性。例如，可能希望改变使用的钛等级（或钛合金类 型），目的是在生产的结构中满足特别承重需要的位置。较少承重敏感的区域可以由更低质 量（或更低等级）并且因此而更廉价的材料来形成。
[0033] 在另一实施方式中，钛沉积的厚度可以改变，目的是满足生产的结构的特别需要。 例如，预期经受高负荷的结构的区域可以比遇到较低负荷的区域制造得更厚。当然，如果该 结构用多种材料来生产，那么不同材料的相容性必须考虑。计划的材料中两种或更多种可 能在一些方面不相容（例如，粘合性/连接性），这样可能有必要通过一个或更多互相相容 的材料的区域将不相容的材料分离。
[0034] 得益于此，在冷喷涂之后无论是否去除支撑构件，这些关于钛沉积的实施方式可 以被应用。
[0035] 冷喷涂的钛颗粒的平均粒度可能影响支撑构件上结果沉积的密度。优选，沉积是 致密的并且无缺陷的，连接微空隙（渗漏）等，因为这些存在会损害质量。典型的，应用于 冷喷涂的颗粒的尺寸为平均颗粒尺寸为大约5-40微米。本领域技术人员将能够确定最适 合的颗粒尺寸或粒度分布来使用，这基于粉末形态和形成的结构的特征。通常，在冷喷涂过 程中，钛层的厚度逐渐发展。
[0036] 在本发明中适合使用的颗粒是有市售的。有用的钛的等级包括商业纯钛，特别是 等级2和3。有用的钛合金是有市售的，其中包括钛铝钒合金如钛64(6%铝4%钒）。
[0037] 用于实施本发明方法的冷喷涂设备可能是常规形式的并且这种设备有市售或者 是单独建的。大体上，用于冷喷涂的设备的原理如US 5302414中所描述和说明的。如果需 要，这样的冷喷涂设备可以和用于把持和操作支撑构件的设备联合。多个喷嘴可以在冷喷 涂中串联使用。
[0038] 在冷喷涂完成后，生产的结构可能是表面抛光，例如，根据最终用户的说明，它可 能是磨光、机械加工或擦亮的。其他组件或部分将被固定到结构是可能的，如托架等，并且 可以按照常规方法来完成。这就是说，冷喷涂可以用于形成托架等作为结构的整体部分。
[0039] 本发明对于生产自行车或摩托车支架可能特别实用。本发明可以用于通过沉积钛 颗粒到合适成形的支撑构件来由钛粉末直接制造支架。利用根据本发明的冷喷涂技术，钛 颗粒以超音速以上的速率撞击支撑构件以形成冶金连接并且沉积在表面以形成无缝钛壳， 在支撑构件上创造单体壳结构。该方法不涉及熔融，从而显著地节省了用于实施制造钛的 保护气氛的成本。材料的快速沉积能够实现是因为颗粒极端快速沉积，这使得该方法高性 价比并且低劳动密集。事实上，该方法有完全自动化的潜力。
[0040] 可以理解本发明可以以下列实施方式的变形来实施。可以理解特定的实施方式可 以联合，而其他显然是相互排斥的。
[0041] 在广泛的实施方式中，本发明提供一种用于生产钛承重结构的方法，该方法包括 冷气动力喷涂钛颗粒于合适成形的支撑构件上。
[0042] 本发明的一个主要优点是，它可避免将独立组件焊接在一起从而生产承重结构。 如上面所解释的，钛成分的焊接具有相关的实际限制。
[0043] 有利的，本发明提供一种用于生产钛承重结构的方法，该方法避免将独立组件焊 接在一起，该方法包括通过冷气动力喷涂钛颗粒于合适成形的支撑构件上。在该实施方式 中承重结构形成为整体结构而不是独立组件的组装。
[0044] 在形成承重结构之后，可能需要去除支撑构件。例如，对于减轻钛结构重量它可能 是有利的。在该实施方式中，本发明提供一种用于生产钛承重结构的方法，该方法包括通过 冷气动力喷涂钛颗粒于合适成形的支撑构件上以生产钛承重结构，然后去除支撑构件。
[0045] 在另一实施方式中，在形成钛承重结构后，支撑构件（或支撑构件的部分）被保 留。在这种情况下，该支撑构件可能被用来传递有利性能给结构或部分的结构，如增加刚性 或强度。在该实施方式中该方法的最终产品是包括钛和支撑构件的复合结构。在此，本发 明提供一种用于生产钛复合承重结构的方法，该方法包括通过冷气动力喷涂钛颗粒于合适 成形的支撑构件上。优选铝或铝合金作为支撑构件的材料。
[0046] 该承重结构可以是单体壳式设计。这可以提供重量减轻和节约材料消耗。在该实 施方式中，本发明提供一种用于生产单体壳式设计的钛承重结构的方法，该方法包括通过 冷气动力喷涂钛颗粒于合适成形的支撑构件上。
[0047] 本发明对于生产自行车或摩托车支架可能特别实用。因此，本发明提供一种用于 生产钛的自行车或摩托车支架的方法，该方法包括通过冷气动力喷涂钛颗粒于合适成形的 支撑构件上。在该实施方式中优选在冷喷涂后支撑构件的至少部分被保留，从而生产复合 结构。该支撑构件有助于支架的最终性能。优选，该支撑构件由铝或铝合金形成。当与常 规制造的钛的自行车和摩托车支架相比时，本发明提供如下优点：
[0048] 钛支架直接由钛粉末制造。在常规制造方法中，通过铸造（在保护气氛下）来制 造钛，并且通过一系列变形工艺来生产外形（profile)。这些钛外形被焊接到最终的支架上。 本发明与现有方法不同，熔融、外形铸造和钛部件的连接都是不需要的。这些常规步骤导致 劳动密集和耗费时间。
[0049] 减轻重量和耐蚀性。钛的密度（4. 6g/cm3)几乎是铁（7. 8g/cm3)的一半。低密度 提供更好的重量减轻。钛的高耐蚀性也去除任何额外工艺来提供表面保护。
[0050] 本发明的方法是快速并且低成本的方法，能够高度自动化的制造方法。
[0051] 复杂形状的制造上有灵活性并因此广泛适用于新产品的设计和开发。
[0052] 绿色工艺。本发明消除了制造周期中的熔化和接合过程，从而降低了制造过程中 的碳足迹。同时也避免了使用如聚合物复合材料结构中使用的挥发性物质。
[0053] 本发明对于生产自行车支架可能发现有特别的价值。这些支架往往具有复杂形状 并且通常是通过焊接独立支架构件在一起来形成的。因此本发明代表了一种有吸引力的另 类制造方法。
[0054] 使用本发明方法生产自行车支架的内容在以下方法步骤和实际考虑中进行了讨 论。应当理解的是，这些方法步骤和实际考虑将关联到其他类型的承重结构的生产中去。
[0055] 自行车支架的复杂形状可能需要为了成功沉积和冷喷涂（直接）制造系统的发展 而对喷嘴配置进行检测。在这方面，重要的生产考虑因素是如何将该喷嘴定位和可能的移 动，从而形成支架的复杂角度。
[0056] 此处使用可移动的（例如可旋转的）段（stage)来连接支架可能是适当的。可以 使用可编程计算机系统来控制段的移动。冷喷涂的操作参数也可以被改变目的是优化支架 上的沉积。
[0057] 这也可适当地连接冷喷涂喷嘴到机械臂，该机械臂在计算机控制下移动。然而，在 这种情况下必须小心以避免或限制连接冷喷涂设备的气管和/或电缆的磨损，因为这些磨 损可能导致形成裂缝以及随之而来的安全问题。鉴于此，优选，保持冷喷涂喷嘴固定，并相 对于喷嘴移动支架。因此该支架连接到机械臂，该机械臂在计算机控制下移动。
[0058] 本发明的实施也可以包括对最终产品的承重、重量和成本估算等方面的优化设 计。例如，Autodesk软件可被用于开发CAD/CAM模型来估计该支架材料的应力分布和变形。 以下该产品的钛沉积相关的机械性能可以被测量和/或建模。从这样的工作可以开发模板 来提供估算产品重量和承重能力，这是基于支架厚度和钛沉积厚度。
[0059] 可以使用一种先进的机器人系统来提供必要的复杂的移动以达成适合的支架的 冷喷涂。该机器人可以使用特别的软件在虚拟世界中展示机器人程序的开发和执行。对于 直接制造过程所需的时间，冷喷涂设备的停机时间和所需人员，从虚拟世界转移的开发程 序，并执行实际的沉积条件可以应用于演示成功路径是非常符合成本效益的。下面给出成 功方法的实施例。
[0060] 小尺寸支架的虚拟机器人程序
[0061] 使用有市售的CAD软件来设计在虚拟环境中用于小尺寸支架的程序的开发。在这 方面，可以制作".SAT"文件的任何3D绘画软件都是可以接受的。设计小尺寸支架而非全 尺寸支架以在虚拟程序上达到快速成果。
[0062] 先进算法的开发
[0063] 具有许多连接和角度的支架的复杂形状需要具有相当数量（沉积）目标（MOOO) 和用于成功沉积的路径的复杂的机器人程序。这个大量目标的编程是非常具有挑战性的并 且耗时。为了克服这一点，可以在软件内开发先进的算法，以大大减少开发程序所需的目标 的数量。在这个算法中，支架的每个部分被认为是具有16个由开发者编程的主要目标的模 件，额外的目标通过算法创造。此方法节省了相当多用于编程的时间。总体而言，该算法中 的目标必须满足以下条件。
[0064] 1、相对于冷喷涂喷嘴出口在机器臂达到的距离。
[0065] 2、钛沉积的优化（冷喷涂喷嘴角度和距离）。
[0066] 3、在机械臂附近没有碰撞冷喷涂喷嘴或其他物体。
[0067] 这种类型的直接制造系统的开发的最后阶段是在真实的实验室条件下测试虚拟 机器人程序。高精度机器人的运动可以通过暴露小尺寸支架于冷喷涂钛粒子的超音速喷气 机来进行测试。预测超音速喷气机的行为可能是具有挑战性的，这是由于与该支架的弯曲 和倾斜表面的射流的相互作用产生的复杂湍流导致的。这就需要在真实条件下执行虚拟程 序。
[0068] 机器人参数
[0069] 对于在根据本发明的成本效益的直接制造的机器人速度可以增加用于更快的生 产。然而，已经发现，增加机器人的线性速度对钛的沉积的主要作用是减少钛沉积厚度。此 变小的效果可以通过增加冷喷涂系统进料速率（粉末输出）进行补偿。机器人线性速度不 会对钛的沉积功效具有显著效果，这是由于涉及到的极为迅速的颗粒速度（>l〇〇〇m/s)。这 几乎比常规机器人速度快4个数量级。这为冷喷涂技术提供了独特的优势，实现了一致并 且快速直接的制造工艺，该工艺消除生产过程中涉及费时的焊接和外形的制造过程。
[0070] 表面质量的改进
[0071] 冷喷涂产品的表面质量/表面光洁度对于销售的产品可能是重要的。可以完成各 种表面处理，包括光泽整理、不同颜色的阳极氧化和其他市场驱动的反射面。高反射性表面 可通过对沉积钛的合适的研磨来实现。
[0072] 全尺寸支架的虚拟机器人程序
[0073] 为了实现直接制造全尺寸的支架将包括：
[0074] 1、实现机械臂对于已编程的目标完全的到达；并且
[0075] 2、在程序执行过程中防止大支架和冷喷涂喷嘴设备及其附近其他物体的靠近和 碰撞。
[0076] 在模拟定位后对于全尺寸支架的喷涂喷嘴位置进行优化以实现对所有支架组件 的最佳机械臂范围。"起始"位置可被定义执行各程序模块的后使该支架到其原始位置。快 速生产的支架可以被划分成部分，例如，两个半部，如前面和镜半。每部分再有它自己用于 目标编程的模块。
[0077] 此外，一个校准模块可能需要在真实的沉积条件下建立对应于机械臂和支架的喷 嘴。为了确保支架和喷嘴如同虚拟程序中模拟的一样地严格在空间中相同位置，这是非常 重要的。在虚拟程序中可以开发一系列模块以沉积钛在整个支架结构上。虚拟程序成功的 关键是实现机械臂达到所有目标而没有对单独的目标任何靠近和碰撞。
[0078] 全尺寸钛自行车支架的成功制造
[0079] 在合适的支架钛沉积的第一步包括制造系统的校准，以达到支架和冷喷涂喷嘴在 空间中如在机器人虚拟站的每次模拟一样的精确位置，。这是极其重要的，因为事实上如果 喷嘴和支架没有调准，则在真实沉积条件下几乎所有在虚拟程序中的程序目标都将不在其 位置上。这将导致某些区域没有沉积并可能导致支架和喷嘴的碰撞。可以设计校准过程来 克服这些挑战。
[0080] 对应于冷喷涂喷嘴的支架的校准
[0081] 对应于冷喷涂喷嘴的支架的精确定位是重要的，因为在真实沉积条件下，要求目 标的坐标类似于机器人虚拟站。为了实现这样精确，支架必须精确地定位在相对于机械臂 和支架座。可以设计轴来连接支架和机械臂，具有栓来保持支架在其位置上。理想的是，预 期的校准是全自动的，支架自动调整其位置以对应于机械臂。
[0082] 可以开发校准程序以检测对应于喷嘴顶端的支架的精确位置。在这个程序中，对 应于冷喷涂喷嘴顶端的支架的角度校准是可能的。开发用于制造的校准过程主要为了精确 线性和角度位置。这对于具有潜力的全自动校准系统的新设计支架的未来发展是特别有必 要的。
[0083] 钛的沉积
[0084] 在制造系统的校准和调整冷喷涂喷嘴和支架之后，下个步骤是钛的沉积。开发的 机器人程序的执行使得通过钛粉末的冷喷涂成功地生产出直接制造的第一件钛自行车支 架。下面详细地通过举例说明的方式给出，并且不应将其视为限制。
[0085] 铝支架，以所希望的自行车支架的形状，是通过连接（焊接）壁厚0.5毫米的铝管 来建造的。在大约45分钟内，在该支架上沉积大约1毫米后钛层。通过更快的钛供给率和 更高机器人速度可以减少时间。值得注意的是，与此相比，使用传统的焊接工艺，需要大约 2天的生产时间。
[0086] 该冷喷涂钛沉积是以围绕支架的壳的形式。这个整体结构不包括任何连接和焊 接。这被认为是展示了这样复杂的结构如何制作的范例。
[0087] 通过溶解支架于合适溶液，如氢氧化钠，来去除支架材料而留下钛壳。
[0088] 然而，也可以保留支架结构作为钛自行车支架的部分，在低密度复合结构中利用 钛和铝的独特的结合性能。
[0089] 钛一些理想的性能，包括强度，轻和耐用性。这些性能在高性能自行车上非常有 利。根据该实施方式，生产用于更"主流"用法的自行车支架也是可能的。在这种情况下， 轻重量可以使用的铝支架（密度2.6g/cm3)和冷喷涂钛外壳/层（密度4.6g/cm3)的组合 来实现。与此相比，常规铁的密度大约为7g/cm3。通过改变使用铝和钛的比例可以控制支 架的成本。得到的支架仍然比全铝支架体积较小，全铝支架必须使用质量以弥补铝的相对 低强度（相比于钛的强度）。
[0090] 参考非限制性的实施例对本发明的实施方式进行说明如下：
[0091] 实施例
[0092] 实施例1
[0093] 冷喷涂系统的材料和方法
[0094] 图1显示的是用于钛粉末沉积在合适成形的支架上的冷喷涂系统的示意图
[0095] 图1的关键：
[0096] 1 外壳
[0097] 2气源（通常为氮气，氦气或它们的混合物）
[0098] 3在高压下气体供应
[0099] 4加热器
[0100] 5钛粉末供给
[0101] 6电加热器
[0102] 7拉伐尔喷嘴
[0103] 8钛颗粒的超音速喷嘴
[0104] 9 支架
[0105] 10机器人
[0106] 氮气、氦气或它们的混合物在高压下穿过加热系统和汇聚/发散喷嘴。在喷嘴出 口气体快速膨胀导致气体加速到超音速以上并且气体温度显著降低。钛粉末注射进入冷喷 涂气流，导致颗粒加速到了超音速。这导致钛颗粒取得了用于冷喷涂沉积并连接支架的所 需动能。
[0107] 下面表1显示冷喷涂钛成功沉积在铝支架上的优化参数。值得注意的是，使用优 化参数的范围可以实现成功的沉积。这是因为气体温度和压力的改变可以各自创造条件以 导致钛颗粒沉积达到临界速度。进一步，加速到该临界速度以上有助于钛沉积的致密化并 且有助于改变产生的覆盖层的机械性能的改变。
[0108] 表1显示的是根据本发明对于等级2钛粉末成功沉积于铝支架上的有用的冷喷涂 参数范围。
[0109]
【权利要求】
1. 一种用于生产钛承重结构的方法，所述方法包括通过冷气动力喷涂钛颗粒于合适成 形的支撑构件上。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，在冷气动力喷涂完成后所述支撑构件被去除以 生产独立式钛承重结构。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述支撑构件通过机械方法或通过溶解或熔融 来去除。
4. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述支撑构件通过依靠钛和支撑构件之间热膨 胀系数的差别来去除。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中，在冷气动力喷涂完成后所述支撑构件不被去除， 由此所述承重结构为包括钛和支撑构件的复合结构。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中，在冷气动力喷涂完成后所述支撑构件被保留在 特定位置并且从承重结构的其他位置（去除）。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述支撑构件被保留在用于经受相对高负荷的 承重结构的区域，并且从用于经受相对低负荷的承重结构的区域去除。
8. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述支撑构件的材料基于对所述支撑构件将有 助于承重结构的性能来选择。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中，通过冷气动力喷涂施加的钛是随着冷气动力喷 涂的进行从而改变的组合物，以满足在承重结构中特别区域的承重需要。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中，基于承重结构的特别区域的承重需要，钛以不 同厚度沉积于支撑构件上。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中，钛颗粒的颗粒尺寸为5-40微米，平均颗粒尺寸 为大约25微米。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中，通过冷气动力喷涂沉积的钛的厚度为50微 米-1毫米。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中，钛选自商业纯钛或钛、铝和钒的合金。适合在本 发明中使用的颗粒是有市售的。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述支撑构件相对于冷气动力喷涂喷嘴移动， 所述冷气动力喷涂喷嘴用于冷气动力喷涂。
15. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述承重结构为支架。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述支架为用于航空航天或航海船只或机动 车的支架，或者，用于自行车、摩托车、小型摩托车、轮椅、悬挂滑翔机或行李的支架。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述支架为自行车支架。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述支撑构件由铝或铝合金形成，并且在冷气 动力喷涂后所述支撑构件的至少部分被保留从而生产复合承重结构。
19. 一种根据权利要求1所述的方法生产的钛承重结构。
【文档编号】B05D7/14GK104364018SQ201380029219
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年3月26日 优先权日:2012年4月4日
【发明者】S·查希瑞, M·亚赫迪, J·兰, T·福克斯, R·福克斯 申请人:联邦科学与工业研究组织