專利名稱：一種軸向虹吸送粉式冷噴涂用的噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于表面處理工程的冷噴涂技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高壓和低壓兩用式冷噴涂用的超音速噴嘴的新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是一種軸向虹吸送粉式冷噴涂用的噴嘴。
背景技術(shù)：
冷噴涂作為一種新興的表面處理工程新技術(shù)，是對傳統(tǒng)的熱噴涂技術(shù)的改進(jìn)提高與發(fā)展，冷噴涂工藝技術(shù)的原理是在低溫固態(tài)下，用高速沖擊使顆粒和底層表面的金屬破碎實(shí)現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)結(jié)合，通過較大的塑性變形而沉積于基體表面上形成致密、結(jié)合牢固的涂層，具有許多傳統(tǒng)熱噴涂無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。目前使用的冷噴涂設(shè)備的具體工作原理為高壓
源使氣體產(chǎn)生高壓，推動工作氣及送粉氣體加速；其加熱器通常設(shè)有兩套，分別使載粉氣及工作氣預(yù)熱到一定的溫度；送粉器是在帶壓的狀態(tài)下將粉末送入噴槍內(nèi)，噴槍后部是腔膛，在此處粉末與工作氣混合，經(jīng)喉管進(jìn)入噴嘴；工作氣是產(chǎn)生高速的介質(zhì)，進(jìn)入槍膛前先在加熱器內(nèi)預(yù)熱到100-1000°c的高溫，以加速金屬顆粒(I 50um)流速至300 1200m/s ;載氣在另一加熱器受熱后，經(jīng)送粉器成軸向?qū)⒎勰┧腿雵姌專褂玫膰娮旖Y(jié)構(gòu)為收斂一擴(kuò)散型Iaval噴嘴，以使氣體達(dá)到超音速；噴嘴有不同的幾何形式，噴涂氣流隨噴嘴的不同而呈現(xiàn)不同的流動狀態(tài)，決定金屬顆粒的速度和分布等參數(shù)，噴嘴是冷噴涂設(shè)備及其噴涂工藝過程中相當(dāng)重要的部件。目前，在冷噴涂過程中，最重要的是沉積材料粉末顆粒的最終撞擊速度，只有高于臨界速度，粉末材料才能沉積形成涂層，而顆粒的最終撞擊速度與噴嘴的結(jié)構(gòu)、工藝溫度、工藝壓力、基體形狀和粉末特征等因素有關(guān)；現(xiàn)有的技術(shù)表明，噴嘴的結(jié)構(gòu)不但影響到顆粒的最終撞擊速度，還可以影響涂層的形狀，甚至進(jìn)而影響到整個設(shè)備的部件數(shù)量和構(gòu)造，因此，噴嘴和噴槍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向來受到工程技術(shù)人員高度重視。美國專利2007022174620040191449《cold spray nozzle design)) 6722584《cold spray nozzlesystem))6502767((advanced cold spray system〉〉和 6759085〈〈methods and apparatus forlow pressure cold spraying));中國專利 200253384. 7,96211942. 3 和 200510083138. 3 ；俄羅斯專利1674585 ;以及中國專利200410034941. 3《具有粉末預(yù)熱裝置的冷噴涂設(shè)備》和ZL00253384. 7《超音速冷噴涂裝置》等公開的技術(shù)，都涉及到關(guān)于用于冷噴涂的噴槍的參數(shù)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其共同特征在于下游送粉可以不必使用額外的高壓送粉器，大大降低設(shè)備的復(fù)雜度，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場施工，同時也能改善噴嘴易粘著堵塞的缺點(diǎn)。但是現(xiàn)有的這些技術(shù)涉及到的噴嘴普遍存在噴涂效率低和噴嘴壁面磨損快等共同缺點(diǎn)，通過中空型方式改善送粉特征，可以避免對壁面造成的損失，但是由于氣流的特征，中心流速較低，不利于整體粉末加速；而且現(xiàn)有噴嘴結(jié)構(gòu)的送粉流量控制范圍有限，要達(dá)到所需求的送粉量，喉部的面積過大，對空壓機(jī)或者氣體管路的要求過高，施工時很多情況下難以適用這種條件。此外，由于高壓、低壓兩種冷噴涂的膨脹比和對氣體流量的要求差異較大，通?，F(xiàn)有的噴嘴只能采用單獨(dú)的噴嘴結(jié)構(gòu)及其配合低壓或高壓噴涂方式；每一種工況都必須更換相應(yīng)的噴槍和與其適用的噴嘴結(jié)構(gòu)，非常不利于加工的靈活性，導(dǎo)致生產(chǎn)效率過低，經(jīng)濟(jì)價(jià)值不如意。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，尋求設(shè)計(jì)提供一種高壓和低壓兩用的軸向虹吸送粉式冷噴涂用的噴嘴，通過變換延長管長度和結(jié)構(gòu)，滿足噴嘴在各種壓力條件下的操作需求；采用收斂-擴(kuò)散-延長管結(jié)構(gòu)方式，將噴嘴的送粉口壓力降低并保持穩(wěn)定，其虹吸流量大，保證不堵塞送粉管路；擴(kuò)散段送粉冷噴涂用的噴嘴使其在噴嘴下游噴嘴界面上各個部位(包括中心)的氣流速度與理論出口速度相差較小，噴嘴能將粒子流約束在軸向附近，使噴涂軟質(zhì)材料時粉體對噴嘴喉部的堵塞減小，在噴涂硬材料時噴嘴不易磨損。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的噴嘴結(jié)構(gòu)包括噴嘴延長管、送粉管、延長管固定螺孔、延長管接口、噴嘴喉部、噴嘴前氣室、工作氣體入口、縮放管、噴嘴體和對接螺帽；圓筒柱狀的噴嘴體的后端部一體式固定制有對接螺帽，噴嘴體的后端部處的頂側(cè)面上制有與噴嘴體內(nèi)腔連通的工作氣體入口，噴嘴體的后端內(nèi)腔中制有錐筒狀的噴嘴前氣室，噴嘴體的內(nèi)腔中軸線上串通式固定制有送粉管，送粉管的后端口對接制有縮放管，縮放管的后端伸
出螺帽，以便于與噴槍對接；送粉管與縮放管的對接處外套式制有延長管接口 ；送粉管的前端口處外套式通過延長管固定螺孔固連式制有長筒狀噴嘴延長管，在噴嘴延長管的后端部處管式連通制有延長管接口，噴嘴體的內(nèi)腔中心處制有噴嘴喉部；送粉管和縮放管的對接處為噴嘴喉部，送粉管為后粗前細(xì)結(jié)構(gòu)，與縮放管對接處的兩直徑相同，送粉管向前對接噴嘴延長管時直徑逐漸變??；噴嘴延長管的長度根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境的壓力和噴涂原料能夠進(jìn)行長度和結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)或更換。本發(fā)明涉及的用于加速顆粒的長筒狀結(jié)構(gòu)的噴嘴延長管長度為120-2000mm;送粉管的后半部通過延長管固定螺孔用螺栓固定和調(diào)節(jié)，送粉氣體的流量通過送粉管的出口位置調(diào)節(jié)，送粉管的前端成錐形以適應(yīng)均勻噴嘴延長管流場的需求；延長管固定螺孔通過配套螺絲對噴嘴延長管進(jìn)行緊固，不留縫隙，縫隙易倒吸冷空氣影響加速行為和顆粒溫度；階梯狀延長管接口為噴嘴延長管與送粉管的對接口，根據(jù)縮放比和操作壓力的需求，連接不同直徑的噴嘴延長管，實(shí)現(xiàn)高壓到低壓之間的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明的工作流程如下工作氣體從工作氣體入口進(jìn)入噴嘴前氣室，工作氣體到達(dá)噴嘴喉部之前，氣體壓力保持不變，工作氣體到噴嘴喉部后，壓力降低，速度達(dá)到I倍音速；工作氣體通過噴嘴喉部之后，壓力急劇降低，降到正激波時的最低負(fù)壓，速度達(dá)到最高；噴嘴出口選在正激波位置之后，保證產(chǎn)生最大負(fù)壓以虹吸氣體，并能夠保證虹吸氣體流量穩(wěn)定；確定膨脹比條件下的工作氣體最大速度范圍為600-1400m/s ;通過噴嘴出口以后，高速氣流存在一個倒吸區(qū)，導(dǎo)致送粉管的送粉口附近的速度較低，送粉管的錐度使高速氣流迅速匯集，不會使中心軸線附近的氣體速度一直保持低速，充分加速軸向顆粒到最大速度；噴嘴的擴(kuò)張段設(shè)計(jì)成階梯狀，噴嘴延長管設(shè)計(jì)成相適應(yīng)的階梯狀，以O(shè). 5mm為階梯，分別為
2.5mm、3mm、3· 5mm>4mm和4. 5mm,相應(yīng)的膨脹比為4-13. 5 ;噴嘴的軸心速度低于周圍的速度，噴嘴延長管為擴(kuò)散狀，擴(kuò)散程度是直徑不超過O. 8mm。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其總體結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)原理可靠，加工制備技術(shù)成熟，虹吸氣流量穩(wěn)定，送粉均勻，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)環(huán)境友好，應(yīng)用前景好，適應(yīng)高壓和低壓兩種狀態(tài)，利于更換工作狀態(tài)。


圖I為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2為本發(fā)明涉及的一種聞壓噴嘴的結(jié)構(gòu)和尺寸不意圖。圖3為本發(fā)明涉及的現(xiàn)有技術(shù)的噴嘴流場特征示意圖。圖4為本發(fā)明設(shè)計(jì)的噴嘴高壓流場特征示意圖。圖5為本發(fā)明設(shè)計(jì)的噴嘴的顆粒加速軌跡特征示意圖。圖6為本發(fā)明設(shè)計(jì)的低壓噴嘴的結(jié)構(gòu)和尺寸示意圖。圖7為本發(fā)明設(shè)計(jì)的低壓噴嘴低壓流場特征示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本實(shí)施例包括噴嘴延長管I、送粉管2、延長管固定螺孔3、延長管接口 4、噴嘴喉部
5、噴嘴前氣室6、工作氣體入口 7、縮放管8、噴嘴體9和對接螺帽10 ;圓筒柱狀的噴嘴體9的后端部一體式固定制有對接螺帽10，噴嘴體9的后端部處的頂側(cè)面上制有與噴嘴體9內(nèi)腔連通的工作氣體入口 7，噴嘴體9的后端內(nèi)腔中制有錐筒狀的噴嘴前氣室6，噴嘴體9的內(nèi)腔中軸線上串通式固定制有送粉管2，送粉管2的后端口對接制有縮放管8，縮放管8的后端伸出螺帽10，以便于與噴槍對接；送粉管2與縮放管8的對接處外套式制有延長管接口 4 ;送粉管2的前端口處外套式通過延長管固定螺孔3固連式制有長筒狀噴嘴延長管1，在噴嘴延長管I的后端部處管式連通制有延長管接口 4，噴嘴體9的內(nèi)腔中心處制有噴嘴喉部5 ;送粉管2和縮放管8的對接處為噴嘴喉部5，送粉管2為后粗前細(xì)結(jié)構(gòu)，與縮放管8對接處的兩直徑相同，送粉管2向前對接噴嘴延長管I時直徑逐漸變??；噴嘴延長管I的長度根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境的壓力和噴涂原料能夠進(jìn)行長度和結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)或更換。本實(shí)施例涉及的長筒狀結(jié)構(gòu)的噴嘴延長管I用于充分加速顆粒，其長度為120-2000臟，在保證抵消氣體摩擦損耗的情況下由5-6mm擴(kuò)張到5. 5-6. 5mm ;送粉管2的后半部通過延長管固定螺孔3用螺栓固定和調(diào)節(jié)，送粉氣體的流量通過送粉管2的出口位置調(diào)節(jié)，送粉管2的前端成錐形以適應(yīng)均勻延長管流場的需求；延長管固定螺孔3通過配套螺絲對噴嘴延長管I進(jìn)行緊固，不留縫隙，縫隙易倒吸冷空氣影響加速行為和顆粒溫度；延長管接口 4為噴嘴延長管I與送粉管2的對接口，延長管接口 4為階梯狀,根據(jù)縮放比和操作壓力的需求，連接不同直徑的延長管，實(shí)現(xiàn)高壓到低壓之間的轉(zhuǎn)換。本實(shí)施例涉及的縮放管8的擴(kuò)張比由公式(I)限定，其中R4為縮放管8的擴(kuò)散段最大截面半徑，R3為送粉管出口半徑，R2為噴嘴喉部5的最大半徑，R1為噴嘴喉部5的截面位置送粉管的半徑；考慮空壓機(jī)或氣源的供氣能力同時還應(yīng)考慮噴嘴喉部5的面積要求，超音速噴嘴的耗氣流量由式(2)限定，為減小耗氣量，要減小噴嘴喉部5的截面積，減小噴嘴喉部5面積的方法有兩個，一是降低縮放管喉部和送粉管間的距離；二是減小喉部的直徑，適當(dāng)增加距離，噴嘴喉部5的最大直徑為4mm，最小直徑為3mm，噴嘴的膨脹比受限于延長管的內(nèi)徑；噴嘴喉部5的加工精度最高，應(yīng)保證主氣從這里順暢通過，盡可能降低氣體流量，噴嘴喉部5的直徑小于4mm,其膨脹比為4-13. 5 ；
A /,、 =柄⑴
權(quán)利要求
1.一種軸向虹吸送粉式冷噴涂用的噴嘴，其特征在于包括噴嘴延長管、送粉管、延長管固定螺孔、延長管接口、噴嘴喉部、噴嘴前氣室、工作氣體入口、縮放管、噴嘴體和對接螺帽；圓筒柱狀的噴嘴體的后端部一體式固定制有對接螺帽，噴嘴體的后端部處的頂側(cè)面上制有與噴嘴體內(nèi)腔連通的工作氣體入口，噴嘴體的后端內(nèi)腔中制有錐筒狀的噴嘴前氣室，噴嘴體的內(nèi)腔中軸線上串通式固定制有送粉管，送粉管的后端口對接制有縮放管，縮放管的后端伸出螺帽，以便于與噴槍對接；送粉管與縮放管的對接處外套式制有延長管接口 ；送粉管的前端口處外套式通過延長管固定螺孔固連式制有長筒狀噴嘴延長管，在噴嘴延長管的后端部處管式連通制有延長管接口，噴嘴體的內(nèi)腔中心處制有噴嘴喉部；送粉管和縮放管的對接處為噴嘴喉部，送粉管為后粗前細(xì)結(jié)構(gòu)，與縮放管對接處的兩直徑相同，送粉管向前對接噴嘴延長管時直徑逐漸變?。粐娮煅娱L管的長度根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境的壓力和噴涂原料進(jìn)行調(diào)節(jié)或更換。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軸向虹吸送粉式冷噴涂用的噴嘴，其特征在于加速顆粒的長筒狀的噴嘴延長管長度為120-2000mm ;送粉管的后半部通過延長管固定螺孔用螺栓固定和調(diào)節(jié)，送粉氣體的流量通過送粉管的出口位置調(diào)節(jié)，送粉管的前端成錐形以適應(yīng)均勻噴嘴延長管流場的需求；延長管固定螺孔通過配套螺絲對噴嘴延長管進(jìn)行緊固，不留縫隙；階梯狀延長管接口為噴嘴延長管與送粉管的對接口，根據(jù)縮放比和操作壓力的需求，連接不同直徑的噴嘴延長管，實(shí)現(xiàn)高壓到低壓之間的轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軸向虹吸送粉式冷噴涂用的噴嘴，其特征在于工作氣體從工作氣體入口進(jìn)入噴嘴前氣室，工作氣體到達(dá)噴嘴喉部之前，氣體壓力保持不變，工作氣體到噴嘴喉部后，壓力降低，速度達(dá)到I倍音速；工作氣體通過噴嘴喉部之后，壓力急劇降低，降到正激波時的最低負(fù)壓，速度達(dá)到最高；噴嘴出口選在正激波位置之后，保證產(chǎn)生最大負(fù)壓以虹吸氣體，并保證虹吸氣體流量穩(wěn)定；確定膨脹比條件下的工作氣體最大速度范圍為600-1400m/s ;通過噴嘴出口以后，高速氣流存在一個倒吸區(qū)，導(dǎo)致送粉管的送粉口附近的速度較低，送粉管的錐度使高速氣流迅速匯集，不會使中心軸線附近的氣體速度一直保持低速，充分加速軸向顆粒到最大速度；噴嘴的擴(kuò)張段設(shè)計(jì)成階梯狀，噴嘴延長管設(shè)計(jì)成相適應(yīng)的階梯狀，以O(shè). 5mm為階梯，分別為2. 5mm、3mm、3· 5mm>4mm和4. 5mm,相應(yīng)的膨脹比為4-13.5 ;噴嘴的軸心速度低于周圍的速度，噴嘴延長管為擴(kuò)散狀，擴(kuò)散程度是直徑不超過O.8mm η
全文摘要
本發(fā)明屬于冷噴涂技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種軸向虹吸送粉式冷噴涂用的噴嘴，圓筒柱狀的噴嘴體后端部固定制有對接螺帽，后端部處的頂側(cè)面上制有工作氣體入口，后端內(nèi)腔中制有錐筒狀的噴嘴前氣室，內(nèi)腔中軸線上串通式固定制有送粉管，送粉管后端口對接制有縮放管，縮放管的后端伸出螺帽；送粉管與縮放管的對接處外套式制有延長管接口；前端口處外套式通過延長管固定螺孔固連式制有長筒狀噴嘴延長管，噴嘴延長管后端部處連通制有延長管接口，噴嘴體的內(nèi)腔中心處制有噴嘴喉部；噴嘴延長管的長度根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境的壓力和噴涂原料進(jìn)行調(diào)節(jié)；其結(jié)構(gòu)簡單，原理可靠，制備技術(shù)成熟，虹吸氣流穩(wěn)定，送粉均勻，生產(chǎn)成本低效率高，環(huán)境友好，應(yīng)用前景好。
文檔編號B05B7/14GK102814248SQ201210273519
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月1日
發(fā)明者黃國勝, 李相波, 邢路闊 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所