一种分级协调控温控速火焰喷涂装置及方法
【专利摘要】本发明属于热喷涂及快速成型领域，尤其涉及一种分级协调控温控速火焰喷涂装置及方法。所述的协调控温控速火焰喷涂装置包括了，点火装置、燃料送给装置、助燃气体送给装置、水冷系统、送粉装置、燃烧室、拉瓦尔喷嘴、混合室、用于通入气体(或液体)的送气(或液体)装置以及加长枪管。所述的点火装置、燃料送给装置以及助燃气体送给装置连接至燃烧室；送粉装置与拉瓦尔喷嘴及加长枪管连通，水冷系统包在枪体外层。所述的用于通入常温或低温气体或液体的装置与混合室前端连通。本发明在使用时可以向混合室内直接通入常温或低温气体或液体，同时控制前端燃烧室的流量与压力，达到焰流温度和焰流速度在一个较大范围内进行调节的效果。
【专利说明】
一种分级协调控温控速火焰喷涂装置及方法
技术领域
[0001]本发明属于热喷涂成型领域，尤其涉及一种分级协调控温控速火焰喷涂装置及方法。
【背景技术】
[0002]热喷涂工艺已经在很多工程领域得到了广泛应用，其中高速火焰喷涂(HVOF)工艺近年来发展迅速，其制备的涂层结合强度高，粗糙度低，涂层较为致密，主要用于制备金属或金属陶瓷涂层。然而，由于现有高速火焰喷涂的焰流温度依然较高(常见为2000-3000K)，所以粒子尤其是金属粒子在喷涂过程中容易发生氧化，使所获得的涂层氧含量较高，并不适合喷涂钛等易氧化的金属涂层。
[0003]冷喷涂又被称为动力喷涂，它利用被加热的气体作为载体，携带颗粒进行喷涂，颗粒受热温度低，速度快，它可以很大程度上抑制喷涂颗粒的氧化，尤其在制备易变形的合金或者复合材料上有优势，但冷喷涂受制于气体加热条件，很难将高速气流加热至1000K以上，另外一些强度较高的材料需要使用氦气作为输运气体，成本高。
[0004]在传统高速火焰喷涂基础上发展而来的HVAF技术利用空气为助燃气体，可以有效降低传统高速火焰喷涂技术的焰流温度，在一些对热敏感材料的喷涂上也得到较大范围的应用和发展，但是喷涂时由于不参与燃烧的N2比例与02是固定的，因此对喷涂颗粒降温作用是一定的，此外，一些研究单位在高速火焰喷涂的基础上发展了低温高速火焰喷涂，主要通过通入常温或低温气体(或雾化水滴)降低焰流温度，同时保持气流压力用以保持焰流速度，从而使颗粒在速度不变甚至升高的情况下温度降低，氧化减少。日本的Seiji Kuroda小组将该种喷涂工艺命名为Warm Spray (温喷涂)。J.A.Browning在他的专利中就提到了在燃烧焰流膨胀区混入雾化水的方法来降低HVOF焰流温度。中国专利201620186U提出向燃烧室中直接注入雾化水来达到降温保压的目的。研究结果表明，利用这种喷涂方法制备的钛涂层具有明显优势。另外，所制备的铝、锌、铜等其他金属及合金，WC-C0等金属陶瓷涂层上也比传统高速火焰喷涂涂层氧化物含量明显降低，综合性能更为优越，然而上述这类设备共同特点是仅仅关注的是通过混合的方法来强行降低燃烧火焰的温度，未考虑引入二级混合室或在燃烧室混入水后对一级燃烧室的干扰和影响，比如，Kuroda小组发明的喷枪在运行过程中，燃烧室压力较低，不利于产生高速气流。刘敏，周克崧等的发明中，直接向燃烧室中注水可能会对燃料燃烧产生影响，造成焰流的不稳定。
【发明内容】
[0005]针对上述对于易氧化涂层制备的缺陷，本发明旨在提出一种结构简单、操作方便、经济节约、且比较可靠的分级协调控温控速火焰喷涂装置及方法。本发明中加入的混合室，可以由通入其中的常温或低温气体或液体将气流温度控制在1200?2000K左右，气流速度达到1200m/s?1800m/s左右，填补了冷喷涂和传统高速火焰喷涂之间的工艺空白，使一些热敏感材料，比如钛、铝、铜等在该工艺条件制备的涂层性能更加优异。
[0006]本发明的目的由以下措施构成的技术方案来实现:
[0007]—种分级协调控温控速火焰喷涂装置，包括点火装置、燃料送给装置、助燃气体送给装置、水冷系统、燃烧室、枪管、送气或液体装置、送粉装置、拉瓦尔喷嘴;其特征在于:还包括有混合室；混合室置于燃烧室后端;所述点火装置、燃料送给装置、助燃气体送给装置连接至燃烧室中，燃料送给装置以及助燃气体送给装置都由外接的流量表以及压力表控制其送入的流量和压力;所述的送气或液体装置与混合室连接，其外接流量表以及压力表控制其送给流量和压力;所述的拉瓦尔喷嘴置于混合室后端，用于将气流加速至超音速状态；所述的送粉装置置于拉瓦尔喷嘴后端，送粉由外接送粉器实现，送粉载气由外接压力表和流量表控制其送给压力和流量;所述枪管位于送粉装置后端;所述水冷系统包围在装置外围。
[0008]进一步，所述的送气或液体装置包括高压栗、输送管、流量表、压力表以及混合室前端的喷嘴。
[0009]进一步，混合室直径根据燃烧室直径来确定，应较燃烧室直径减少2?3mm或者相同，混合室长度在20?60mm之间。通过混入混合室的常温或低温气体或液体将气体温度控制在1200K?2000K，气体速度控制在1200?1800m/s。
[0010]进一步，拉瓦尔喷嘴喉口直径在5?Ilmm之间。
[0011]应用所述装置的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤:
[0012]I)向装置输送冷却水；
[0013]2)向混合室通入气体或者液体；
[0014]3)通过送粉装置的送粉嘴向喷管中通入送粉载气；
[0015]4)向燃烧室通入燃料和助燃气体，由点火装置点燃燃烧；
[0016]5)控制气体或液体流量，使装置内气流稳定；
[0017]6)打开送粉器，将粉末由送粉装置送入喷管中，制备涂层。
[0018]本发明所述的一种分级协调控温控速火焰喷涂装置，包括点火装置、燃料送给装置、助燃气体送给装置、水冷系统、送粉装置、燃烧室、喷嘴、混合室、用于通入常温或低温气体(或液体)的送气(或液体)装置以及枪管。其中，所述点火装置、燃料送给装置以及助燃气体送给装置均与JP-5000喷枪相同，并连接至燃烧室前端，燃料以及助燃气体送给流量以及压力由外接流量表和压力表控制。所述的用于通入常温或低温气体(或液体)的送气(或液体)装置置于混合室前端，其气体或液体流量和压力由外接流量表和压力表控制。所述的拉瓦尔喷嘴置于混合室后端。所述送粉装置置于拉瓦尔喷嘴后端。所述的枪管置于送粉装置后。水冷系统包围在整体装置外围。
[0019]上述的送气装置用于通入常温或低温气体时，则包括气瓶、送气管、流量表、压力表以及送气嘴。
[0020]上述的输送液体装置用于通入常温或低温液体时，则包括高压栗、输送管、流量表、压力表以及液体喷嘴，其中液体喷嘴采用雾化喷头对液体进行雾化处理。
[0021 ]上述的混合室，为新加入的喷枪组件。当其需要与现有喷枪装配时，其直径比燃烧室直径小2?3mm，当其与燃烧室为一体时，其直径可与燃烧室相同，即直径在38?Ilmm之间，其长度在20?60mm之间。向其通入常温或低温气体或液体可以将气体温度控制在1200K?2000K之间，气体速度控制在1200m/s?1800m/s之间，填补了高速火焰喷涂以及冷喷涂之间的工艺空白。
[0022]上述的送粉装置，包括了送粉器、送粉管、流量表、压力表以及送粉嘴，其中送粉嘴置于加长喷管前端两侧，用于均匀送粉，这与JP-5000喷枪相同。
[0023]本发明同时提供一种分级协调控温控速火焰喷涂装置所采用的成型方法，它包括以下步骤:
[0024]I)喷枪内送进冷却水；
[0025]2)向新加入的混合室内通入常温或低温气体(或液体)
[0026]3)通过送粉装置先向喷管中通入送粉载气；
[0027]4)向燃烧室通入燃料和助燃气体，点燃燃烧；
[0028]5)调节气体(或液体)流量或压力，保持焰流温度在需要的温度，同时保持燃烧室和混合室压力；
[0029]6)打开送粉器，将粉末由送粉装置送入喷管，制备涂层
[0030]本发明具有如下的有益效果:
[0031]1.本发明中所使用的燃料可以为丙烷等气体燃料或者是煤油等液体燃料，助燃气体可以为氧气、空气等，从燃烧条件上可以做到可调节范围宽，且较为灵活；
[0032]2.本发明中，新加入的混合室既可以作为单独组件与现有高速火焰喷枪组装使用，也可以与燃烧室作为一体使用，维护简单高效，经济实用;且通入的低温气体(或液体)可以较大范围的调节焰流温度，保证焰流速度。
[0033]3.本发明工艺可控性强，通入混合室内的气体或液体可以在不影响燃烧的基础上二次调节焰流温度，使焰流温度能够在比常规高速火焰喷涂更大的范围内调节，其适用范围更加广泛；
【附图说明】
[0034]图1为本发明的一种分级协调控温控速火焰喷涂装置结构示意图
[0035]图2为本发明制备的Ti涂层截面形貌图
[0036]附图中各代号含义:I点火装置;2燃料送给装置;3助燃气体送给装置;4冷却系统；5燃烧室;6混合室;7加长喷管;8送气(或液体)装置;9送粉装置;10拉瓦尔喷嘴。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图和实例对本发明作进一步详述:
[0038]1.参见图1，本发明的一种分级协调控温控速火焰喷涂装置包括点火装置I，燃料送给装置2，助燃气体送给装置3，水冷系统4，燃烧室5，混合室6，加长喷嘴7，送气(或液体)装置8，送粉装置9，拉瓦尔喷嘴10。
[0039]2.氮气或水，通过送气(或液体)装置8，分两路送入到混合室中，其中液体需要做雾化处理。
[0040]3.粉末通过送粉装置，从加长喷管7前端两侧送入到喷管中，以达到均匀送粉的目的。
[0041]本实施例中，采用本发明的一种分级协调控温控速火焰喷涂装置制备Ti涂层的具体步骤如下:
[0042](I)燃烧室长度为92.6mm，直径37.76mm。点火装置、燃料送给装置、氧气送给装置以及控制柜均与JP-5000喷枪相同。枪管直径llmm，长度152.4mm，外套有水冷套，这与JP-5000喷枪一致。
[0043](2)新加入的混合室长度为50mm，直径31mm，前端通过连接器与燃烧室连接，装配简单，连接良好，混合室外套装水冷套；
[0044](3)向装置外围通入冷却水，流量40L/min，保证喷枪安全运行；
[0045](4)向混合室通入常温气体(在此为1000L/min的氮气，送气压力保持在0.7MPa以上)；
[0046](5)由送粉装置的送粉嘴送入用于运载粉末的气体，此处使用的是氮气，流量为28L/min；
[0047](6)向燃烧室内通入燃料和助燃气体，在此处使用的燃料是雾化煤油(流量为
0.32L/min)，使用的助燃气体是氧气(流量为637.lL/min)，保持燃烧室压力为0.8MPa;
[0048](7)喷枪由短火状态变为长火状态后，调节氮气送气流量保持在1000L/min，氮气的送气压力保持在0.7MPa ；
[0049](8)打开送粉器，将Ti粉(粒径15?45μπι)由送粉装置送入到加长喷嘴前端，送粉率为30g/min，在焰流带动下，加热加速喷出喷管，沉积在基体上形成涂层。
【主权项】
1.一种分级协调控温控速火焰喷涂装置，包括点火装置、燃料送给装置、助燃气体送给装置、水冷系统、燃烧室、枪管、送气或液体装置、送粉装置、拉瓦尔喷嘴;其特征在于:还包括有混合室;混合室置于燃烧室后端;所述点火装置、燃料送给装置、助燃气体送给装置连接至燃烧室中，燃料送给装置以及助燃气体送给装置都由外接的流量表以及压力表控制其送入的流量和压力;所述的送气或液体装置与混合室连接，其外接流量表以及压力表控制其送给流量和压力;所述的拉瓦尔喷嘴置于混合室后端，用于将气流加速至超音速状态;所述的送粉装置置于拉瓦尔喷嘴后端，送粉由外接送粉器实现，送粉载气由外接压力表和流量表控制其送给压力和流量;所述枪管位于送粉装置后端;所述水冷系统包围在装置外围。2.根据权利要求1所述的一种分级协调控温控速火焰喷涂装置，其特征在于，所述的送气或液体装置包括高压栗、输送管、流量表、压力表以及混合室前端的喷嘴。3.根据权利要求1所述的一种分级协调控温控速火焰喷涂装置，其特征在于，混合室直径根据燃烧室直径来确定，应较燃烧室直径减少2?3mm，混合室长度在20?60mm之间。通过混入混合室的常温或低温气体或液体将气体温度控制在1200K?2000K，气体速度控制在1200?1800m/s。4.根据权利要求1所述的一种分级协调控温控速火焰喷涂装置，其特征在于，拉瓦尔喷嘴喉口直径在5?I Imm之间。5.应用权利要求1-4任意一项所述装置的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤: 1)向装置输送冷却水； 2)向混合室通入气体或者液体； 3)通过送粉装置的送粉嘴向喷管中通入送粉载气； 4)向燃烧室通入燃料和助燃气体，由点火装置点燃燃烧； 5)控制气体或液体流量，使装置内气流稳定； 6)打开送粉器，将粉末由送粉装置送入喷管中，制备涂层。
【文档编号】B05B7/20GK106064123SQ201610467119
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月24日 公开号201610467119.9, CN 106064123 A, CN 106064123A, CN 201610467119, CN-A-106064123, CN106064123 A, CN106064123A, CN201610467119, CN201610467119.9
【发明人】李辉, 杨天龙, 徐法令, 郑良, 吴旭, 周正, 贺定勇
【申请人】北京工业大学, 北京航天振邦精密机械有限公司