一种冷喷涂装置及冷喷涂方法与应用

1.本发明涉及冷喷涂技术领域，具体而言，涉及一种冷喷涂装置及冷喷涂方法与应用。


背景技术：

2.冷喷涂作为一种新兴的表面处理工程新技术，是传统热喷涂技术的重要补充之一。它是基于空气动力学原理的一项喷涂技术，其原理是利用高压气体(氮气、氮气、空气、或混合气体等)携带粉末颗粒进入高温、高速气流，通过缩放管(laval管)产生超音速气固两相流，粉末颗粒经超音速喷管加速后在固态状态下以极高的速度碰撞基板，通过产生强烈的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。上述喷涂加热温度远低于材料熔点，适用于纳米晶、非晶等对温度敏感材料，cu、ti等对氧化敏感材料，对于扩展热喷涂领域具有极其重要的意义，为表面工程技术的应用开辟了新的途径。己经广泛应用于制备各种功能性涂层、纳米涂层、汽车制造业、机械零件的修复再制造、航空航天等领域。
3.冷喷涂设备所采用的加热系统大多为空气加热器，传统的空气加热器是通过加热电阻丝将空气流从初始温度加热到所需要的空气温度，但加热效率低，加热时间长和加热不均匀是其主要弊端。
4.也有采用激光对粉末进行预加热的方式，但前置激光器对粉末加热，对于低熔点和较软的金属粉末材料在激光的照射下容易粘结在喷嘴喉部，长时间工作后易造成喷嘴堵塞，且对光斑直径的要求高；而后置激光器对于铜、铝、银等高激光反射材料，其对金属粉末的预热效果不达预期，粉末颗粒表面温度稳定性差，进而造成沉积体结构不均匀，性能较差。同时，激光器成本较高，能量转化率低，也进一步限制了其在冷喷涂技术领域的应用。
5.鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

6.本发明的目的之一在于提供一种冷喷涂装置，该装置结构简单，成本较低，使用寿命较长。通过使用上述冷喷涂装置，能够稳定控制粉末颗粒的碰撞温度，不但有利于获得质量良好的沉积涂层，而且还能有效避免堵枪问题。
7.本发明的目的之二在于提供一种冷喷涂方法，可获得性能良好的涂层。
8.本发明的目的之三在于提供一种由上述冷喷涂方法喷涂所得的涂层的应用。
9.本技术可这样实现：
10.第一方面，本技术提供一种冷喷涂装置，包括拉法尔喷管以及电磁感应线圈；
11.拉法尔喷管具有出口端，电磁感应线圈用于设置于拉法尔喷管的出口端以及基体之间，以使从拉法尔喷管的出口端喷出的粉末颗粒在通过电磁感应线圈的过程中被加热活化。
12.在可选的实施方式中，电磁感应线圈的长度为25-50mm，感应线圈的直径为20-80mm，电磁感应线圈为超高频电磁感应线圈。
13.在可选的实施方式中，电磁感应线圈为超高频电磁感应线圈。
14.在可选的实施方式中，冷喷涂装置还包括送粉器，拉法尔喷管还具有与出口端相对的入口端，入口端和出口端之间依次具有连通的收缩段、喉部以及扩张段；
15.送粉器与拉法尔喷管的入口端连接以将待沉积的粉末颗粒送入收缩段。
16.在可选的实施方式中，冷喷涂装置还包括高压气源，高压气源与拉法尔喷管的入口端连接以向收缩段引入高压气体。
17.在可选的实施方式中，冷喷涂装置还包括温度检测控制系统，温度检测控制系统包括检测器和控制器，检测器用于检测被加热活化后的粉末颗粒的表面温度，控制器用于根据检测器反馈的检测温度结果对应控制电磁感应线圈的工作条件以将被加热活化后的粉末颗粒的表面温度控制在预设范围内。
18.第二方面，本技术提供一种冷喷涂方法，采用上述冷喷涂装置进行喷涂。
19.在可选的实施方式中，电磁感应线圈的作用条件包括：电压为380v的交流电压，频率为＞150khz，功率为50-200kw。
20.在可选的实施方式中，用于对待沉积的粉末颗粒进行加速的高压气体的压力为5-20mpa。
21.在可选的实施方式中，待沉积的粉末颗粒在拉法尔喷管中被高压气体加速至500-2500m/s。
22.在可选的实施方式中，待沉积的粉末颗粒被电磁感应线圈加热活化后的表面温度低于粉末颗粒的熔点。
23.第三方面，本技术提供一种由前述实施方式任一项的冷喷涂方法喷涂所得的涂层在金属靶材或航空设备功能层中的应用。
24.本技术的有益效果包括：
25.本技术提供的冷喷涂装置将待沉积的粉末颗粒(固态微米级粉末)的加速和预热过程完全分离，待沉积的颗粒粉末经过拉法尔喷嘴内的高压气体加速后，从拉法尔扩张段射出，随后进入电磁感应线圈通道，并对磁场进行快速切割，使金属粉末颗粒表面迅速升温。表面经过加热的颗粒高速碰撞到基体表面，依次累加，进而完成冷喷涂涂层制备过程。电磁感应线圈对喷涂粉末的加热活化过程在拉瓦尔喷管的后端进行，因此完全不会造成堵枪；同时由于电磁感应线圈可根据需要将喷涂颗粒加热至较高温度，对于激光高反的银、铜、铝等材料也完全适用，有利于在金属材料基体表面的沉积，提高金属沉积层的质量。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
27.图1为本技术提供的冷喷涂装置的部分结构示意图；
28.图2为本技术提供的待沉积的粉末颗粒经电磁感应线圈作用后表面迅速升温的示意图。
29.图标：1-拉法尔喷管；2-电磁感应线圈；3-基体；4-粉末颗粒；5-金属沉积层。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
31.下面对本技术提供的冷喷涂装置及冷喷涂方法与应用进行具体说明。
32.就常规冷喷涂技术而言，通常是利用加热的气体携在拉瓦尔喷管内的对喷涂粉末进行加速和预热，以增加粒子的变形能力，从而提高沉积效果。但上述方法必须严格控制喷涂粉末在拉瓦尔喷管内的加热温度和加热均匀程度，否则加热温度过高或加热不均匀都会导致在拉瓦尔喷管的收缩部出现堵枪现象，更无法覆盖材料熔点以下的全部温度范围。
33.基于此，发明人提出：不对拉瓦尔喷管内的气体和粉末进行预热，也即，喷涂粉末在拉瓦尔喷管中仅进行加速，该方法可在一定程度上避免堵枪现象的发生。但通过实际喷涂操作显示：喷涂粉末在拉法尔喷管1中从入口端到出口端温度呈下降趋势(如以室温从入口端进入拉法尔喷管1内部，其会以零下负几十度的温度从出口端喷出)，喷出的喷涂颗粒温度过低，导致涂层沉积效果大大降低。
34.进一步地，发明人创造性地提出一种冷喷涂装置，如图1所示，包括拉法尔喷管1以及电磁感应线圈2；
35.拉法尔喷管1具有出口端，电磁感应线圈2用于设置于拉法尔喷管1的出口端以及基体3之间，以使从拉法尔喷管1的出口端喷出的粉末颗粒4在通过电磁感应线圈2的过程中被加热活化。
36.上述方式将待沉积的粉末颗粒4(固态微米级粉末)的加速和预热过程完全分离，无需对进入拉法尔喷嘴的高压气体和喷涂粉末进行预热，对相应的设备要求低，当经过拉法尔喷嘴的高压气体加速后的超音速颗粒从拉法尔扩张段射出后，便会进入电磁感应线圈通道，高速颗粒对磁场的快速切割，使金属粉末颗粒4表面迅速升温，表面经过加热的颗粒经过高速碰撞到基体3表面依次累加，进而完成冷喷涂过程。上述电磁感应线圈2对喷涂粉末的加热活化温度可设置成较高温度，由于该过程在拉瓦尔喷管的后端进行，因此完全不会造成堵枪；同时由于电磁感应线圈可根据需要将喷涂颗粒加热至较高温度，因此，更利于在基体3表面的沉积，提高金属沉积层5的质量。
37.也即，通过以上述冷喷涂装置进行喷涂，既能有效避免拉法尔喷管1出现堵枪现象，又能良好的喷涂沉积效果，获得高品质的金属沉积层5。
38.本技术中，上述电磁感应线圈的长度为25-50mm，如25mm、28mm、30mm、32mm、35mm、38mm、40mm、42mm、45mm、48mm或50mm等，也可以为25-50mm范围内的其它任意值。该长度指电磁感应线圈的靠近拉法尔喷管1的出口端的一端到远离拉法尔喷管1的出口端的一端之间的直线距离。
39.通过将电磁感应线圈设置成上述长度，可使金属粉末颗粒4的表面得到有效升温。需说明的是，若电磁感应线圈超过50mm，容易导致粉末颗粒速度降低，造成沉积质量下降。
40.较佳地，感应线圈在上述长度范围内尽量呈密排形式，从而增加磁场强度。
41.可参考地，上述感应线圈的直径可以为20-80mm，如20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm或80mm等，也可以为20-80mm范围内的其它任意值。上述电磁感应线圈为超高频电磁感
应线圈。通过采用超高频电磁感应线圈，高速颗粒对高频磁场的快速切割，可使金属粉末表面产生局部涡电流，进而完成颗粒表面的迅速升温(如图2所示)。
42.进一步地，本技术所提供的冷喷涂装置还包括送粉器(图未示)，拉法尔喷管1还具有与出口端相对的入口端，入口端和出口端之间依次具有连通的收缩段、喉部以及扩张段；
43.送粉器与拉法尔喷管1的入口端连接以将待沉积的粉末颗粒4送入收缩段。
44.进一步地，冷喷涂装置还包括高压气源(图未示)，高压气源与拉法尔喷管1的入口端连接以向收缩段引入高压气体。
45.进一步地，冷喷涂装置还包括温度检测控制系统(图未示)，温度检测控制系统包括检测器和控制器，检测器用于检测被加热活化后的粉末颗粒4的表面温度，控制器用于根据检测器反馈的检测温度结果对应控制电磁感应线圈的工作条件以将被加热活化后的粉末颗粒4的表面温度控制在预设范围内。
46.也可理解为：待沉积的粉末颗粒4的表面温度的监控由温度检测器进行监测并反馈回控制器，控制器根据检测器反馈的温度并结合粉末粒子的所需沉积温度值和对电磁感应加热的效率自动调节电磁感应线圈的频率和功率大小，使得加热后的喷涂粒子的温度维持在其熔点以下。需说明的是，上述有关电磁感应和温度测量及控制的相关原理可参照相关的现有技术，在此不做过多赘述。
47.相应地，本技术还提供了一种冷喷涂方法，采用上述冷喷涂装置进行喷涂。
48.可参考地，电磁感应线圈2的作用条件包括：电压为380v的交流电压，频率＞150khz，功率为50-200kw。
49.其中，频率可以为150khz、180khz、200khz、220khz、250khz、280khz、300khz、320khz、350khz、380khz或400khz等，也可以为＞150khz范围内的其它任意值。
50.功率可以为50kw、80kw、100kw、120kw、150kw、180kw或200kw等，也可以为50-200kw范围内的其它任意值。
51.可参考地，用于对待沉积的粉末颗粒4进行加速的高压气体的压力为5-20mpa。
52.其中，高压气体的压力可以为5mpa、8mpa、10mpa、12mpa、15mpa、18mpa或20mpa等，也可以为5-20mpa范围内的其它任意值。
53.较佳地，高压气体的温度为10-35℃，最高不超过100℃。需强调的是，高压气体的温度即使在60-90℃，其对金属材料的加热效果和最终的碰撞效果影响极小，基本可以忽略。
54.可参考地，待沉积的粉末颗粒4在拉法尔喷管1中被高压气体加速至500-2500m/s，如500m/s、800m/s、1000m/s、1200m/s、1500m/s、1800m/s、2000m/s、2200m/s或2500m/s等，也可以为500-2500m/s范围内的其它任意值。
55.通过设置成上述速度范围，以使喷涂粉末对高频磁场进行快速切割，使金属粉末表面产生局部涡电流，进而完成颗粒表面的迅速升温。若速度较低，在碰撞变形是无法形成有效变形，沉积质量不高。
56.在可选的实施方式中，待沉积的粉末颗粒4被电磁感应线圈加热活化后的表面温度低于粉末颗粒4的熔点。以使电磁感应线圈仅对粉末表面进行加热，喷涂粉末的中间依然为坚硬的内核，只是粉末表面呈现软化状态(非熔化状态)，可提高喷涂粉末与基体3的结合效果。
57.承上，本技术通过将待沉积的颗粒粉末的加速过程和预热过程完全分离，无需对进入拉法尔喷嘴的高压气体和粉末进行预热；当待沉积的颗粒粉末经过拉法尔喷嘴内的高压气体加速后，形成超音速颗粒从拉法尔扩张段射出后，随后进入至长为25-50mm的高频电磁感应线圈通道，高速颗粒对高频磁场的切割，使待沉积的金属粉末颗粒4表面迅速升温。粉末颗粒4表面温度的监控由温度检测器进行监测并反馈回控制器，控制器根据检测器反馈的温度并结合粉末粒子的所需沉积温度值和对电磁感应加热的效率自动调节电磁感应线圈的频率和功率大小，使得加热后的喷涂粒子的温度维持在其熔点以下。表面经过加热的颗粒经过高速碰撞到基体3表面依次累加，在高速碰撞变形过程中，粉末颗粒4之间，颗粒与基材之间的界面形成强塑性变形交织和元素扩散，紧密结合在一起，当大量颗粒依次碰撞沉积，从而完成金属粉末的固态沉积过程，得到高品质的金属沉积层5。
58.与传统冷喷涂方法相比，本技术提供的方法无需对进入拉法尔喷嘴的高压气体和粉末进行预热，不但能够降低固态沉积加热器对高温材料的使用需求，简化喷枪结构，降低成本，延长使用寿命，还能够避免粉末由于温度过高在拉法尔喷嘴内部的粘连造成的堵枪现象。同时，利用电磁感应加热可以稳定控制粉末颗粒4的碰撞温度，提升冷喷涂层的性能及稳定性。
59.此外，本技术还提供了一种器械，其具有由上述冷喷涂方法喷涂所得的涂层。
60.可参考地，上述器械示例性地可以为金属靶材或航空设备功能层，此外也可为其它的机械零件等。
61.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
62.实施例1
63.本实施例提供了一种冷喷涂方法，其采用以下冷喷涂装置进行喷涂。
64.该冷喷涂装置包括：电磁感应线圈2、温度检测控制系统、高压气源、送粉器及拉法尔喷管1。
65.拉法尔喷嘴具有相对的入口端和出口端，入口端和出口端之间依次具有连通的收缩段、喉部以及扩张段。送粉器与拉法尔喷管1的入口端连接以将待沉积的粉末颗粒4送入所述收缩段，高压气源与拉法尔喷管1的入口端连接以向收缩段引入高压气体，并在粉末颗粒4依次通过收缩段、喉部以及扩张段的过程中对其进行加速。
66.上述过程中，待沉积的粉末颗粒4为固态微米级(平均粒径15微米)的纯铜粉末颗粒4；高压气体的压力为12mpa、温度为25℃；纯铜粉末颗粒4在拉瓦尔喷管中被超音速气流加速至800m/s。
67.高速粉末从扩张段射出后，直接进入长度为50mm的超高频电磁感应线圈通道。电磁感应工作电压为380v的交流电压，工作频率为200khz，功率为100kw。
68.通过高速的纯铜粉末颗粒4对上述超高频电磁感应线圈产生的高频磁场的快速切割，使纯铜粉末颗粒4表面产生局部涡电流，进而完成颗粒表面的迅速升温。
69.温度检测控制系统包括检测器和控制器，检测器用于检测被加热活化后的粉末颗粒4的表面温度，控制器用于根据检测器反馈的检测温度结果对应控制电磁感应线圈的频率和功率以将被加热活化后的粉末颗粒4的表面温度控制在800℃左右。
70.表面经过加热的纯铜颗粒经过高速碰撞到基体3表面依次累加，进而完成纯铜粉末的冷喷涂过程。
71.实施例2
72.本实施例与实施例1的区别在于：高压气体的压力为5mpa、温度为30℃；纯铜粉末颗粒4在拉瓦尔喷管中被超音速气流加速至500m/s。
73.高速粉末从扩张段射出后，直接进入长度为25mm的超高频电磁感应线圈通道。电磁感应工作电压为380v的交流电压，工作频率为150khz，功率为50kw。
74.实施例3
75.本实施例与实施例1的区别在于：高压气体的压力为20mpa、温度为10℃；纯铜粉末颗粒4在拉瓦尔喷管中被超音速气流加速至2500m/s。
76.高速粉末从扩张段射出后，直接进入长度为30mm的超高频电磁感应线圈通道。电磁感应工作电压为380v的交流电压，工作频率为400khz，功率为200kw。
77.实施例4
78.以实施例1为例，本实施例与实施例1的区别在于：电磁感应线圈2的工作频率为500khz，其余条件同实施例1。
79.对比例1
80.以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：拉瓦尔喷管的出口端未设置电磁感应线圈2，其余条件(包括结构、材料及参数等)均与实施例1相同。
81.对比例2
82.以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：将高压气体预热至800℃，其余条件(包括结构、材料及参数等)均与实施例1相同。
83.对比例3
84.以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：采用激光对进入拉瓦尔喷管的气体进行预热，且拉瓦尔喷管的出口端未设置电磁感应线圈2，其余条件(包括结构、材料及参数等)均与实施例1相同。
85.对比例4
86.以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：未使用温度控制器，其余条件(包括结构，材料及参数等)均与实施例1相同。
87.对比例5
88.以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：电磁感应线圈的长度为100mm，其余条件同实施例1。
89.对比例6
90.以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：电磁感应线圈2的工作频率为10khz，其余条件同实施例1。
91.对比例7
92.以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：纯铜颗粒在拉法尔喷管1中被高压气体加速至100m/s，其余条件同实施例1。
93.对比例8
94.以实施例1为例，本对比例与实施例1的区别在于：纯铜颗粒在拉法尔喷管1中被高压气体加速至3000m/s，其余条件同实施例1。
95.试验例
96.对上述实施例1-4以及对比例1-8提供的冷喷涂结果进行比较，其结果如表1所示。
97.其中，堵枪时间指粉末进入喷枪，到喷嘴堵塞，无法从喷嘴喷出粉末材料的时间间隔；材料沉积效率指沉积于基体3上的纯铜颗粒占进入拉瓦尔喷管中的纯铜颗粒的质量百分数，拉伸强度指沉积铜层自身的拉伸强度，拉伸强度的测试标准参照《gb/t 228.1-2010》。
98.表1结果
[0099][0100][0101]
由表1可以看，本技术提供的冷喷涂方法既能有效避免拉法尔喷管1出现堵枪现象，又能良好的喷涂沉积效果，获得高品质的金属沉积层5。当冷喷涂装置的结构发生变化或冷喷涂条件发生变化时，则会导致堵枪或沉积效果不佳。
[0102]
综上所述，本技术提供的方法无需对进入拉法尔喷嘴的高压气体和粉末进行预热，不但能够降低固态沉积加热器对高温材料的使用需求，简化喷枪结构，降低成本，延长使用寿命，还能够避免粉末由于温度过高在拉法尔喷嘴内部的粘连造成的堵枪现象。同时，利用电磁感应加热可以稳定控制粉末颗粒4的碰撞温度，提升冷喷涂层的性能及稳定性。
[0103]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人
员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。