一种混合送粉装置

本发明涉及粉末喷涂技术领域，尤其涉及一种混合送粉装置。

背景技术：

冷喷涂亦称冷气体动力学喷涂(coldgasdynamicspray，cgds)，它是以压缩气体(氦气、氮气、空气或混合气体等)为加速介质，携带固态颗粒进入拉瓦尔喷嘴(lavalnozzle)内产生超音速气-固两相流，固态颗粒经过加速后以极高的速度(大于等于其临界沉积速度)碰撞基体表面，使颗粒和基体同时发生强烈的塑性变形而形成涂层的一种新型喷涂技术。与热喷涂相比，冷喷涂过程中颗粒加热温度低，仍然保持固态，固态颗粒在极高的应力、应变和应变速率条件下通过“绝热剪切失稳”引起的塑性流变或者通过剧烈塑性变形等机械过程实现在工件表面上的沉积。因此喷涂过程中颗粒不易发生氧化、烧损、相变、晶粒长大等现象，使得冷喷涂涂层的化学成分以及显微组织结构可与原材料保持一致，尤其适用于温度敏感材料(如纳米材料、非晶材料等)、易氧化材料(如铝、铜、钛等)和易相变材料(如碳基复合材料等)的涂层制备。

虽然冷喷涂在保持涂层材料原始成分、减少热影响等方面具有其独特的优势，但是单纯的冷喷涂技术尚存在以下缺点：(1)沉积硬度较高的涂层材料时，必须以氦气为工作载气，成本较高；(2)颗粒有效沉积及稳定的高质量涂层的制备很大程度上依赖于颗粒与基板材料的特性；(3)涂层与基体的结合机制主要是机械结合，因此沉积涂层的结合强度较低。

针对冷喷涂技术的不足，英国剑桥大学的williamo’neill课题组提出了超音速激光沉积技术(supersoniclaserdeposition，sld)，把激光辐照同步引入冷喷涂加工过程中，通过激光能量辐射对冷喷涂颗粒、基体或者两者同时进行热软化处理，瞬间调节和改善材料力学性能和碰撞沉积状态，提高低压冷喷涂层的厚度、沉积效率、致密度和结合强度，进而提高涂层的使用性能。由于激光加热对喷涂颗粒和基材的软化作用，喷涂颗粒的临界沉积速度降至原来的一半，因此可用价格低廉的氮气替代昂贵的氦气，实现高硬度材料的沉积，在降低成本的同时拓宽了冷喷涂沉积材料的范围。

超音速激光沉积实验装置主要由以下几部分组成：激光器、喷枪、机械手臂、送粉器和高压气源以及其他辅助设备。其中，喷枪系统是核心装置。喷涂颗粒与加速气体在喷枪中混合，并加速到一定速度，撞击基板形成涂层。传统超音速激光沉积系统如图1所示，包括：拉瓦尔喷嘴和激光器等结构，其中，拉瓦尔喷嘴与激光器分别装夹在机械手臂上，两者相互独立。超音速的粉末颗粒沉积在激光束辐照的区域内。在实验进行前，需要向送粉装置内部放置喷涂所需的金属粉末，粉末类型一般为单一的一种材料或者多种材料混合而成，而混合粉末材料一般是先经过混粉机进行材料混合。超音速激光沉积实验对粉末的需求量很少，动用混粉机有点大材小用，而且针对实验设备占用问题，混粉机与超音速激光沉积设备并不是同处一地，混粉机作为通用设备，在工作过程中容易引入杂质污染混合粉末；此外，针对不同材料不同涂层的喷涂，传统超音速激光沉积技术需要往复更换送粉装置内的材料，极为不方便。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种混合送粉装置，以解决现有技术现场混粉不方便、易引入杂质的问题。

本发明实施例公开了如下的技术方案：

一种混合送粉装置，包括：外壳、多个粉盒、混粉腔、拉瓦尔喷嘴、电机、搅拌杆、进气管、多个主气管和多个副气管；所述外壳顶端的壳体中心设置有安装孔，所述外壳顶端的壳体围绕所述安装孔间隔均匀设置有多个具有底端出口的粉盒槽，每一所述粉盒可拆卸地安装在所述粉盒槽内，所述粉盒的出口与所述粉盒槽的出口对应，所述电机安装在所述安装孔内，所述电机的输出轴与所述搅拌杆的一端连接，所述混粉腔和所述拉瓦尔喷嘴从上到下依次设置在所述外壳内，所述搅拌杆的另一端伸入所述混粉腔内并延伸到所述混粉腔的底端，所述粉盒槽的出口和所述混粉腔的靠上的进口通过进粉管连通，所述混粉腔底端的出口与所述拉瓦尔喷嘴的进口连通，所述拉瓦尔喷嘴底端的出口与所述外壳底端的出口齐平，所述进气管位于所述外壳的上方，所述进气管的出气口与多个所述主气管一端的进气口通过多通道分接管连通，每一所述主气管的另一端伸入所述外壳使所述主气管另一端的出气口与所述混粉腔的靠下的进气口连通，每一所述副气管一端的进气口通过所述多通道分接管连通所述进气管，每一所述副气管的另一端穿过每一所述粉盒槽的槽壁使每一所述副气管另一端的出气口连通每一所述粉盒的进气口。

进一步：所述混粉腔从上到下分为一级混粉腔、二级混粉腔和三级混粉腔，所述一级混粉腔、所述二级混粉腔和所述三级混粉腔的内径按照顺序逐渐减小。

进一步：所述混粉腔的靠上的进口设置在所述一级混粉腔的腔壁上。

进一步：所述混粉腔的靠下的进气口设置在所述三级混粉腔的腔壁上。

进一步：所述搅拌杆由从上到下位于所述一级混粉腔内的一级搅拌杆、位于所述二级混粉腔内的二级搅拌杆和位于所述三级混粉腔内的三级搅拌杆组成，所述一级搅拌杆、所述二级搅拌杆和所述三级搅拌杆的直径按逐渐减小。

进一步：所述一级搅拌杆、所述二级搅拌杆和所述三级搅拌杆上的搅拌叶的长度逐渐减小。

进一步：所述外壳顶端的壳体的下表面对着每一所述粉盒槽的出口各设置有一通孔，所述粉盒槽的底端与所述外壳顶端的壳体的下表面之间隔有空隙，所述空隙处设置可打开和关闭的活动门以打开或关闭所述粉盒槽的出口，所述进粉管的顶端与所述通孔的外围的所述外壳顶端的壳体的下表面连接。

进一步：所述外壳顶端的壳体围绕所述安装孔间隔均匀设置有多个气缸安装槽，所述气缸安装槽比所述粉盒槽靠近所述安装孔，每一所述气缸安装槽内安装一气缸，所述气缸安装槽与所述空隙连通，所述气缸的活塞杆的一端伸入所述空隙与所述活动门的一端连接。

进一步：所述粉盒槽的顶端设置有保护盖。

本发明实施例的混合送粉装置，能够在加工或试验现场进行粉末混合和分层送粉，实现在实际现场条件下进行粉末混合送粉或粉末分层送粉喷涂，减少粉末更换停机的操作，减少粉末杂质的引入，实现复杂试验条件下涂层的喷涂，提高试验成功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术的粉末混合的过程的示意图。

图2是本发明实施例的混合送粉装置的立体图；

图3是本发明实施例的混合送粉装置的俯视图；

图4是本发明实施例的混合送粉装置的半剖视图；

图5是本发明实施例的混合送粉装置的剖视图；

图6是图5中a处的放大示意图；

图7是本发明实施例的混合送粉装置的多通道分接管立体图；

图8是本发明实施例的混合送粉装置的喷涂示意图；

图9是本发明的应用例1的喷涂示意图；

图10是本发明的应用例2的喷涂示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种混合送粉装置。该装置用于超音速激光沉积粉末。如图2～8所示，该混合送粉装置包括：外壳1、多个粉盒2、混粉腔3、拉瓦尔喷嘴4、电机5、搅拌杆6、进气管7、多个主气管8和多个副气管9。在本发明一具体的实施例中，粉盒2、主气管8和副气管9的数量均为四个。

外壳1顶端的壳体中心设置有安装孔。外壳1顶端的壳体围绕安装孔间隔均匀设置有多个具有底端出口的粉盒槽。在本发明一具体的实施例中，粉盒槽的数量为四个。每一粉盒2可拆卸地安装在粉盒槽内。粉盒2的出口与粉盒槽的出口对应。粉盒2用于装载喷涂用的粉末，不同的粉盒2可以装载不同的粉末。优选的，粉盒2的出口与粉盒槽的出口齐平。优选的，粉盒槽的顶部设置有保护盖10，避免粉末洒出，也可避免杂质掉入粉盒2污染粉末。电机5安装在安装孔内。电机5的输出轴与搅拌杆6的一端连接，具体可通过联轴器连接。混粉腔3和拉瓦尔喷嘴4从上到下依次设置在外壳1内。搅拌杆6的另一端伸入混粉腔3内并延伸到混粉腔3的底端。启动电机5，带动搅拌杆6转动，以提高粉末的混合效果。粉盒槽的出口和混粉腔3的靠上的进口通过进粉管11连通，这样粉盒2中的粉末可进入到混粉腔3内。混粉腔3底端的出口与拉瓦尔喷嘴4的进口连通。拉瓦尔喷嘴4底端的出口与外壳1底端的出口齐平。混合后的粉末可从拉瓦尔喷嘴4的出口喷出。拉瓦尔喷嘴4的上窄下宽的结构可对粉末进行最后的速度提升。进气管7位于外壳1的上方。进气管7的进气口可通过管道与高压储气设备连通。进气管7的出气口与多个主气管8一端的进气口通过多通道分接管12连通。多通道分接管12具有一个进气口和多个(本发明实施例为八个)出气口。具体的，如图7所示，多通道分接管12由一根主管121和四根副管122组成。主管121的上端与进气管7连通，四根副管122间隔均匀且围绕主管121呈放射状水平设置。四根副管122的一端均与主管121的下端连通。每一副管122的另一端均向下延伸一个第一出气口123(该第一出气口123用于与主气管8连通)，每一副管122的中部也均向下延伸一个第二出气口124(该第二出气口124用于与副气管9连通)。每一主气管8的另一端伸入外壳1使主气管8另一端的出气口与混粉腔3的靠下的进气口连通，以便在此处通过气流对运动较慢的粉末进行加速。每一副气管9一端的进气口通过多通道分接管12连通进气管7。应当理解的是，外壳1的顶端的壳体的对应位置具有供多通道分接管12的相应管道穿过的孔。每一副气管9的另一端穿过每一粉盒槽的槽壁使每一副气管9另一端的出气口连通每一粉盒2的进气口。主气管8的内径大于进粉管11的内径。进粉管11的内径大于副气管9的内径。通过上述的结构设计，高压气体通过进气管7分别进入主气管8和副气管9，副气管9的气体带动粉盒2中的粉末从进粉管11加速进入混粉腔3，不同粉盒2中装载的不同的粉末在混粉腔3中混合均匀，主气管8中的气体对流动到混粉腔3下部的粉末进一步加速，粉末进入拉瓦尔喷嘴4，从拉瓦尔喷嘴4中喷出，从而无需停机，在现场即可完成不同粉末的混合和喷涂。

优选的，混粉腔3从上到下分为一级混粉腔31、二级混粉腔32和三级混粉腔33。一级混粉腔31、二级混粉腔32和三级混粉腔33的内径按照顺序逐渐减小。混粉腔3的靠上的进口设置在一级混粉腔31的腔壁上，因此，进粉管11的出口与一级混粉腔31连通，以便有充足的空间对粉末进行混合。混粉腔3的靠下的进气口设置在三级混粉腔33的腔壁上，因此，主气管8的出气口与三级混粉腔33连通，以便对运动较慢的粉末进行加速。更优选的，一级混粉腔31为直筒型；二级混粉腔32上部为直筒型，下部为圆锥形；三级混粉腔33为圆锥形，便于粉末向下流动。

搅拌杆6由从上到下位于一级混粉腔31内的一级搅拌杆、位于二级混粉腔32内的二级搅拌杆和位于三级混粉腔33内的三级搅拌杆组成。一级搅拌杆、二级搅拌杆和三级搅拌杆的直径逐渐减小，使搅拌杆6整体呈圆锥形；并且一级搅拌杆、二级搅拌杆和三级搅拌杆上的搅拌叶61的长度也逐渐减小，以适应混粉腔3的内径的变化。

不同的粉末从不同的粉盒2进入一级混粉腔31，此时成分各自独立，在一级混粉腔31进行初步搅拌混合；然后进入二级混粉腔32，由于粉末流速不同的原因，有些粉末还未完全搅拌均匀，需要再次搅拌混合，二级混粉腔32能够实现绝大多数不同成分的粉末的混合均匀；然后进入三级混粉腔33，确保所有的粉末成分完全混合均匀。副气管9将来自一级混粉腔31和二级混粉腔32的搅拌均匀的粉末送入三级混粉腔33中，此时受限于管道以及搅拌过程中搅拌杆6的阻拦，气体对粉末的加速有限，因此，为获得高速粉末，需要对粉末进行再次加速，在三级混粉腔33中，粉末流速下降，在此处通过主气管8送入高压气体进行加速。

具体的，外壳1顶端的壳体的下表面对着每一粉盒槽的出口各设置有一通孔。粉盒槽的底端与外壳1顶端的壳体的下表面之间隔有空隙。空隙处设置可打开和关闭的活动门13以打开或关闭粉盒槽的出口。进粉管11的顶端与通孔的外围的外壳1顶端的壳体的下表面连接。在一具体实施例中，该活动门13可通过气缸14控制打开和关闭。具体的，外壳1顶端的壳体围绕安装孔间隔均匀设置有多个气缸安装槽。气缸安装槽比粉盒槽靠近安装孔，即气缸安装槽分布在内圈，粉盒槽分布在外圈。气缸安装槽和副气管9交错设置，便于两种结构的设计安装，不会相互干扰。每一气缸安装槽内安装一气缸14，气缸安装槽与空隙连通。气缸14的活塞杆15的一端伸入空隙与活动门13的一端连接。通过气缸14作用带动活塞杆15伸长或缩短，使得活动门13密封粉盒槽的出口或者打开粉盒槽的出口。这样，在使用时，可以通过活动门13先封闭粉盒槽的出口，根据需要控制活动门13打开，以便粉盒2中的粉末流入混粉腔3中。气缸14可与外部的控制器电连接，接受控制器的控制，以便根据需要打开或关闭活动门13。

应用例1

该应用例应用于长方体工件，工件材料为铝板，尺寸为60mm×40mm×10mm。

如图9所示，喷涂具体采用以下步骤：

(1)将工件装入加工车床，卡盘加紧，确保工件转动时圆心在同一水平线上。

(2)将cuo粉末和al2o3粉末分别装入粉盒中(图9中左侧粉盒装cuo粉末，右侧粉盒装al2o3粉末)，在操作面板上设置相应的参数，同时打开cuo粉末和al2o3粉末对应的活动门以导通对应的进粉管，打开电机，设置搅拌杆转速为30r/min。

(3)调节本装置，使拉瓦尔喷嘴垂直于工件表面，在工件表面喷出粉斑，粉斑直径为6mm；调节激光器的功率，将激光器的光斑设置在粉斑移动位置的前方。

(4)喷涂粉末为cuo和al2o3混合金属粉末，粉末粒径为15-53μm，喷涂工艺：载气为氮气，气体压力为4mpa，预热温度为800℃，喷涂距离50mm，激光器采用光纤耦合半导体激光器，激光功率为1000w。

(5)最后获得厚度为300μm，致密且与基体结合良好的混合粉末涂层，沉积速率高达8m²/h。

应用例2

该应用例应用于长方体工件，工件材料为铜板，尺寸为60mm×40mm×10mm。

如图10所示，喷涂具体采用以下步骤：

(1)将工件装入加工车床，卡盘加紧，确保工件转动时圆心在同一水平线上。

(2)将cuo粉末和al2o3粉末分别装入粉盒中(图10中左侧粉盒装cuo粉末，右侧粉盒装al2o3粉末)，在操作面板上设置相应的参数，先设置打开cuo粉末对应的活动门以导通对应的进粉管，当cuo粉末用尽时再打开al2o3粉末对应的活动门以导通对应的进粉管，打开电机，设置搅拌杆转速为30r/min。

(3)调节本装置，使拉瓦尔喷嘴垂直于工件表面，在工件表面喷出粉斑，粉斑直径为6mm；调节激光器的功率，将激光器的光斑设置在粉斑移动位置的前方。

(4)喷涂粉末为cuo粉末和al2o3粉末，粉末粒径为15-53μm、喷涂工艺：载气为氮气，气体压力为4mpa，预热温度为800℃，喷涂距离50mm，激光器采用光纤耦合半导体激光器，激光功率为1000w。

(5)最后获得厚度为300μm，致密且与基体结合良好的粉末涂层，涂层下层为cuo，al2o3涂层搭接在cuo涂层之上，沉积速率高达8m²/h。

综上，本发明实施例的混合送粉装置，能够在加工或试验现场进行粉末混合和分层送粉，实现在实际现场条件下进行粉末混合送粉或粉末分层送粉喷涂，减少粉末更换停机的操作，减少粉末杂质的引入，实现复杂试验条件下涂层的喷涂，提高试验成功率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。