可控制温度用于冷喷涂增材制造的喷嘴

1.本发明涉及一种可控制温度用于冷喷涂增材制造的喷嘴。


背景技术：

2.冷喷涂技术是20世纪80年代由原苏联科学院西伯利亚分院理论和应用力学研究所的科学家发明的，经过多年来的发展，已广泛应用于化工、汽车、航空航天、造船、电子、机械、造纸等多个领域。冷喷涂技术由于具有涂层成分及组织与原颗粒材料一致，沉积层致密、孔隙率低，沉积速度快等优点，得到增材制造研究人员的高度关注，逐渐开发出各种冷喷涂增材制造方法。
3.冷喷涂增材制造技术中，喷嘴是其中一个关键零件，采用拉瓦尔喷管以获得冷喷涂所需超音速气流。目前，喷嘴材料一般为金属，主要有不锈钢、铜、工具钢等。采用金属材料做的喷头制造精度高，可做出截面较复杂的形状，制造成本低，同时金属具有较高的热扩散系数，有利于通过温度高的内壁面向金属粒子传递更多的能量，从而提高金属颗粒沉积效率；缺点是其耐磨性能较差，同时冷喷涂中工作气体一般会被加热到较高温度，这使得在喷涂一些低熔点金属材料时，容易在喷嘴内发生粘结，无法满足连续打印或大型零件的喷涂成型要求。此外，由于喷嘴内腔形状复杂，尺寸也较小，对其进行渗碳、渗氮、pvd等强化处理很困难，而进行镀镍等常规电镀强化处理效果也不好，因此现有喷嘴内腔基本没有做表面强化处理。
4.为了解决这一问题，张俊宝等发明了复合陶瓷材料制作的喷嘴，提高了喷嘴的耐磨性和使用寿命；深沼博隆发明一种用玻璃材料做的喷嘴，提高了喷嘴抗阻塞的能力。然而陶瓷或玻璃做的喷嘴尽管耐磨性能好，但这类喷嘴存在明显的缺点：脆性大、易碎，内孔尺寸精度低，无法做出较复杂的截面形状。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可控制温度用于冷喷涂增材制造的喷嘴，其喷涂效率高、不易堵塞、耐磨，适合长时间喷涂成型。
6.为了达到上述目的，本发明是这样实现的，其是一种可控制温度用于冷喷涂增材制造的喷嘴，其特征在于包括喷嘴体和温度控制系统；所述喷嘴体由热扩散系数高的材料制成，在喷嘴体内设有随形水路、水路进水口、水路出水口及喷嘴内腔；所述喷嘴内腔为拉瓦尔管，其截面是圆形、椭圆形或矩形，喷嘴内腔表面有硬化层，所述水路进水口位于喷嘴内腔的扩大端未端，所述水路出水口位于喷嘴内腔的喉结附近；所述随形水路环绕在喷嘴内腔的周围，随形水路的截面为椭圆形或圆形，所述水路进水口与随形水路的进水口连通，所述水路出水口与随形水路的出水口连通；温度控制系统包括plc控制器、冷却器、单向阀、液压泵、管道及温度传感器；所述单向阀、冷却器及液压泵依次通过管道串联联通，所述单向阀的进水口与水路出水口连通，所述液压泵的出水口与水路进水口连通，从而形成串联回路，冷却介质在串联回路中流动；
所述温度传感器安装在喷嘴体上并距离喷嘴内腔表面1-1.5mm处；所述plc控制器接收温度传感器感应的喷嘴内腔表面温度信号，喷嘴内腔表面温度信号通过plc控制器处理后用于控制冷却器及液压泵。
7.在本技术方案中，所述热扩散系数高的材料是不锈钢或铜合金。
8.在本技术方案中，所述冷却器是水循环式冷却器；所述液压泵是微型变频自吸泵；所述管道是塑料软管，内径为φ4mm-φ6mm。
9.在本技术方案中，当所述喷嘴内腔扩张段喷嘴体外径小于35mm时随形水路的截面是椭圆形，当喷嘴内腔扩张段喷嘴体外径大于35mm时随形水路的截面是圆形或椭圆形；所述水路进水口及水路出水口的接口处的截面是圆形。
10.在本技术方案中，所述喷嘴内腔表面有硬化层是ni-p合金化学镀层，其厚度是20-90μm，其硬度是500-1200hv（55-72hrc）。
11.在本技术方案中，所述温度控制系统控制温度的方案如下：步骤一 喷涂打印开始时，启动液压泵，通过plc控制器控制液压泵以5-10hz的工作频率缓慢驱动冷却介质在管道内流动；步骤二 打印过程中，温度传感器检测喷嘴内腔的温度，温度数据传至plc控制器；随着高温高速气流通过喷嘴内腔，喷嘴内腔温度逐渐上升，当检测到温度达到喷嘴内腔设定的工作温度tg
±
5℃时，plc控制器控制液压泵的变频电机，以30-40hz的工作频率使冷却介质在管道内流动，以提升系统冷却能力；步骤三 当检测到喷嘴内腔温度升至工作温度上限tu时，plc控制器控制液压泵的变频电机，以50-60hz的工作频率使冷却介质在管道内快速流动，以增大冷却能力和降低内腔温度；步骤四 当喷嘴内腔温度降至工作温度下限tb时，plc控制器控制液压泵的变频电机，以5-10hz的工作频率缓慢驱动冷却介质在管道内流动,从而降低系统冷却能力，使内腔温度上升。
12.本发明与现有技术相比的优点为：本发明用热扩散系数高的金属材料制成，并通过ni-p合金化学镀得到高的表面硬度和低的黏着性，从而具有比现有陶瓷等材料制成的喷嘴更高的喷涂效率和抗破损能力，比现有普通金属喷嘴耐磨能力高10倍以上，同时也降低喷涂低熔点金属材料时产生粘结的可能性；通过采用金属3d打印技术制作出随形水路，提高喷嘴冷却效率，实现喷嘴温度的精确控制，不但可得到最佳喷涂温度，也进一步避免喷涂低熔点金属材料时粘结现象的出现。
13.本发明中，由于喷嘴内腔表面强化采用的ni-p合金化学镀技术，适用本发明喷嘴所用不锈钢或铜材料，其镀层与基材结合强度高，镀层硬度最高可达1000hv，具有极高的耐磨性和耐腐蚀性；相比其它常规的渗碳、渗氮、镀ni等表面强化方法，ni-p合金化学镀对形状较为复杂的喷嘴内腔适应性强，镀层覆盖均匀，不影响基体原有的表面粗糙度，镀后不变形，无需再加工，且ni-p镀层具有很小的摩擦系数和较好的不黏着性，自润滑性能很好，这些对喷嘴的长时间工作非常有利。
附图说明
14.图1是本发明喷嘴的结构示意图；
图2是本发明温度控制系统的示意图。
具体实施方式
15.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
16.如图1及图2所示，其是一种可控制温度用于冷喷涂增材制造的喷嘴，其包括喷嘴体11和温度控制系统；所述喷嘴体11用不锈钢(316l)或铜合金或铬锆铜合金材料制成，在喷嘴体11内设有随形水路12、温度传感器13、水路进水口14、水路出水口15及喷嘴内腔16，所述喷嘴内腔16为拉瓦尔管，喷嘴内腔16的截面为圆形，喷嘴内腔16表面有硬化层；所述随形水路12环绕在喷嘴管内腔16的周围，随形水路12的截面为椭圆形，所述水路进水口14与随形水路12的进水口连通，所述水路出水口15与随形水路12的出水口连通；本实施例中，所述随形水路12在水路进水口14或水路出水口15前10~15mm过渡为圆形截面，过渡段截面面积相同；水路进水口14位于喷嘴内腔16的扩大端未端，水路出水口15位于喷嘴内腔16的喉结附近，通过金属3d打印制作而成；温度控制系统包括plc控制器2、冷却器3、单向阀4、液压泵5、管道6及温度传感器13；所述单向阀4、冷却器3及液压泵5依次通过管道6串联联通，所述单向阀4的进水口与水路出水口15连通，所述液压泵5的出水口与水路进水口14连通，从而形成串联回路，冷却介质在串联回路中流动，从而降低喷嘴内腔16的温度；所述温度传感器13安装在喷嘴体11上并距离喷嘴内腔16表面1 mm处，用于测量喷嘴内腔16表面的温度；所述plc控制器2接收温度传感器13感应的喷嘴内腔16表面温度信号，喷嘴内腔16表面温度信号通过plc控制器2处理后用于控制冷却器3及液压泵5。也可以根据实际情况，温度传感器13距离喷嘴内腔16表面1.1mm、1.2 mm、1.3mm、1.4 mm 或1.5mm等，但需在1mm-1.5 mm范围内。
17.在本实施例中，所述冷却器3是水循环式冷却器；所述液压泵5是微型变频自吸泵；所述管道6是塑料软管，内径为φ6mm，也可以根据实际情况，管道6的内径为φ4mm或φ5mm等，但其内径需在φ4mm-φ6mm范围内。
18.在本实施例中，当所述喷嘴内腔16扩张段喷嘴体外径小于35mm时随形水路12的截面是椭圆形，当喷嘴内腔16扩张段喷嘴体外径大于35mm时随形水路12的截面是圆形或椭圆形；所述水路进水口14及水路出水口15的接口处的截面是圆形。
19.在本实施例中，所述喷嘴内腔16表面的硬化层有ni-p合金化学镀层，其厚度是20-90μm，其硬度是500-1200hv（55-72hrc）。ni-p合金化学镀层的加工方法如下：步骤一 对喷嘴内腔16表面进行ni-p合金化学镀，镀层厚度：30-50μm；步骤二 将喷嘴1放在热处理炉中加热至250-260℃，保温2小时，使内腔镀层硬度为：800-1000hv（64-68hrc）。
20.在本技术方案中，喷嘴温度控制过程如下（喷涂材料为铜粉）：步骤一 喷涂打印开始时，启动液压泵5，通过plc控制器2控制液压泵5以5hz的工作频率缓慢驱动冷却介质在管道6内流动，冷却介质为水或导热油；步骤二 打印过程中，温度传感器13检测喷嘴内腔16的温度，温度数据传至plc控
制器2；随着高温高速气流通过喷嘴内腔16，喷嘴内腔16温度逐渐上升，当检测到温度达到喷嘴内腔16设定工作温度500
±
5℃时，plc控制器2控制液压泵5的变频电机，以40hz的工作频率使冷却介质在管道6内流动，以提升系统冷却能力；步骤三 当检测到温度升至工作温度上限520
±
5℃时，plc控制器2控制液压泵5的变频电机，以50hz的工作频率使冷却介质在管道6内快速流动，以增大冷却能力和降低内腔温度；步骤四 当温度降至工作温度下限480
±
5℃时，plc控制器2控制液压泵5的变频电机，以5hz工作频率缓慢驱动冷却介质在管道内流动,从而降低系统冷却能力，使内腔温度上升。
21.以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换及变形仍落入在本发明的保护范围内。