專利名稱：制備粉末材料涂層的方法和實施該方法的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及涂覆和制備粉末材料涂層的領域，更具體地涉及制備粉末材料涂層的方法及實現(xiàn)該方法的裝置。
現(xiàn)有技術已知一種制備粉末材料涂層的方法，包括把原料粉末材料導入一個加速粉末材料的氣體流中，形成一個高速的氣體-粉末射流，和把粉末材料噴涂到工件的表面(俄羅斯發(fā)明者證書NO.1618778，Cl.C23C4/00，1991)。
上述的方法有如下的缺點涂層材料的顆粒的速度不能被氣體流加速到加速涂料材料的氣體的速度，并且形成涂層的方法不能在壓力為P＜10×105N/m2的工作氣體的相對不高的參數(shù)下實施。
所述的缺點限制了該方法的工藝可行性和要相當多的功率輸入。
還已知一個在工件表面制備粉末材料涂層的方法，工件材料選自包括金屬、合金及絕緣材料，該方法包括形成工作運載氣體的加速流，把粉末材料的顆粒加到氣體流中，把形成的氣體-粉末混合物供到加速超聲噴嘴，和由氣體流把粉末材料噴涂到工件的表面(WO91/19016，Cl.C23C4/00，B05B7/24，B05C19/00，1991)。
為實施該方法使用了一種裝置，包括一個噴涂單元，包括一個超聲噴嘴帶有一個亞音速傳送部分和一個超聲部分，和一個中間噴嘴，一個供送壓縮的工作運載氣體的裝置，和一個把氣體一粉末混合物導入噴涂單元的裝置(WO91/19016，Cl C23C4/00，B05B7/24，B05C19/00，1991)。
該已知方法和裝置的缺點是由于在應用的粉末材料顆粒上有表面氧化膜使涂層結構有氧化夾雜而限制了制備滿足要求的質量的涂層材料的可行性；由于在要處理的工件的表面在壓縮的壁層顆粒的減速而使顆粒加速過程效果不充分；制備的涂層的物化性能不夠高；限制了控制氣體流及形成涂層的粉末材料的速度的可行性；沿著超聲噴嘴的加速通道的壁顆粒的摩擦及減速，導致了涂覆涂料的效率及噴涂系統(tǒng)的使用壽命的降低。所述的缺點干擾了制備高的物化性能的涂層，限制了制備高質量粉末材料涂層的可行性，也干擾了提供涂料過程的高效率及提供噴涂系統(tǒng)長壽命。
本發(fā)明的目的是提供一種制備粉末材料涂層的方法和實施該方法的裝置，可擴大制備粉末材料或其混合物的涂層的工藝可行性，改進制備的涂層的物化性能，提高涂覆和制備涂層過程的效率和延長噴涂系統(tǒng)的壽命。
為實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種由粉末材料制造涂層的方法，包括下列步驟形成一個工作運載氣體的加速流，把生成的氣體-粉末混合物供入加速超聲噴嘴，和借助氣體流把粉末材料涂到工件的表面，其特征在于在把氣體-粉末混合物供入加速超聲噴嘴之前，由對初始粉末材料惰性的氣體對氣體-粉末混合物進行初步加速到由0.3≤M≤1.0限定的速度，其中M是馬赫數(shù)，和由把氣體-粉末混合物導入工作運載氣體的加速流的芯部進行附加加速，和在把粉末材料涂到工件表面前，使粉末顆粒與氣體分離。
形成工作運載氣體的加速流相應于加速超聲噴嘴的型面的變化的平方律實施。這就可以更有效地利用氣體流的能量。
優(yōu)選地，把氣體-粉末混合物供入加速噴嘴足以加速運載氣體和對粉末材料惰性的氣體的合成流傳送，按照加速噴嘴的計算條件調節(jié)。
本方法設計用空氣或氣體混合物作為工作載流氣體和用不與粉末材料反應的氣體或氣體混合物對粉末材料惰性的氣體。
在進行初步加速前，粉末在對粉末材料惰性的氣體介質中進行機械、電化學或化學處理，和粉末材料供入該介質流中進入計量加料器。
最好用溫度T≤300°K的氣體用作對粉末材料惰性的氣體。
氣體-粉末混合物可以脈沖的方式從計量加料器導入加速流的芯部中。
在粉末材料涂到工件的表面時，工作表面可受到與輸入的兩相超聲氣流同軸的振動運動。
為了改變要涂覆表面的塑性，工件進行表面加熱。
在涂覆涂層的過程中，可把電勢加到要涂覆的工件上，電勢的符號與氣體-粉末混合物的流的顆粒的電荷相反。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明還提供了一種制備粉末材料涂層的裝置，包括一個噴涂單元，所述的噴涂單元是一個加速超聲噴嘴。帶有一個亞超聲傳送部分和一個超聲發(fā)散部分，以及一個中間噴嘴，一個供送壓縮的工作運載氣體的裝置，一個把氣體-粉末混合物導入噴涂單元的裝置和一個計量加料器，其特征在于還設有供應附加的對粉末涂料惰性的壓縮氣體的裝置，所述的中間噴嘴13制成一個超聲噴嘴，所述的噴嘴出口段的直徑dsect.小于加速噴嘴的主要段的直徑Dcrit.，和安排成與超聲傳送部分中平行位移同軸，和加速超聲噴嘴的超聲部分的出口有一個直線部分，其接著一個有半徑R的曲線表面的部分。
本發(fā)明的裝置可設置一個處理粉末材料使顆粒的表面激活及清潔的裝置，可設有一個氣體脈沖器，與所述的導入氣體-粉末混合物的裝置連接，可設有一個振動器，用來使要涂料的工件振動，和可設有電源供應源用來把電勢供到所述的工件。
下面借助附圖通過本發(fā)明的舉例性的實施例詳細說明本發(fā)明，附圖中

圖1是制備粉末材料涂層的簡要的總圖；圖2是本發(fā)明的噴涂單元帶有導入氣體-粉末混合物和把兩相流分成分流的裝置。
本發(fā)明的裝置包括供應對涂層材料(粉末材料混合物)惰性的壓縮氣體裝置1，一個截流閥2，一個預處理單元3，用于預處理粉末材料以便從粉末材料中除去氧化膜以及使粉末材料激活，一個收集單元4用于收集粉末的氧化膜及細分散的粉末，一個供送單元與用于把處理過的粉末材料供到計量加料器6中，一個截流器7，一個對粉末材料的脈沖發(fā)送器8對粉末材料惰性的氣體，一個供送工作的運載氣體(例如空氣)的裝置9，一個控制系統(tǒng)10用來控制涂覆涂層的工作過程，一個加熱運載氣體的加熱器11，一個裝置12用來使中間超聲噴嘴13作直線的軸向位移，一個調節(jié)運載氣體流的室14，一個中心開孔的套筒15，一個加速噴嘴16，帶有一個直線部分17，其轉變到具有曲線表面18的部分用來改變氣流的運動方向，一個裝置19用來把氣流轉離涂覆的工件20，一個固定及轉動涂覆的工件的裝置21，一個使涂覆的物體作直線運動的單元22，一個振動器23，一個電源供應源24，一個用來供送氣體-粉末混合物的管子25，一個供送工作運載氣體的管26。
下面說明本發(fā)明的方法及本發(fā)明的裝置的工作。
在截流閥2打開時，對涂料材料(粉末成分混合物)惰性的氣體在壓力下從裝置1供到對粉末涂料材料進行預處理的單元3，所述的單元3已初步填充了要求量的粉末(粉末混合物)。當預處理裝置3工作時，通過機械方法或其它方法從粉末材料顆粒表面除去氧化膜。在預處理后，以氧化膜顆粒及不合標準的細分散粉末形式的廢物排到收集單元4。隨后，根據(jù)粉末材料(粉末成分混合物)的化學成分和物理性能，用電磁、熱、化學或其它方法使粉末涂料材料顆粒激活。在單元5的幫助下，激活的粉末材料供到計量加料器6。在計量加料器6充入粉末材料及惰性氣體后，單元3，4，5關閉，截流閥2關閉，使對粉末材料惰性的氣體停止供送。
為了進行粉末材料涂涂層的過程，工作的運載氣體(例如空氣、氮氣)在壓力下從供送裝置9供到用來控制涂涂料的工作過程的控制系統(tǒng)10，其中氣體的壓力減小到要求的工作值。壓力減小到要求值的氣體進入氣體加熱器11，在該處氣體加熱到與計算的工作條件相應的溫度。加熱的工作運載氣體沿著供送管道26供到調節(jié)運載氣體流量的室14中，隨后通過中心開孔套管的孔，工作運載氣體供到加速超聲噴嘴16，在該處運載氣體加速到對涂覆及形成涂層要求的速度。當達到了工作運載氣體要求的工作參數(shù)時，截流閥7打開，因而把對粉末材料惰性的氣體供送出，該氣體首先到脈沖發(fā)送器8，在該處，氣體得到有要求頻率的脈沖分量。要供到粉末材料的具有要求頻率的氣體從脈沖發(fā)送器8進入計量加料器6，在該處當在可變動壓力下的氣體與粉末涂料材料的顆?；旌蠒r，形成氣體-粉末混合物，其中粉末顆粒是懸浮的。所形成的氣體-粉末混合物以兩相流的形式通過管25進入中間超聲噴嘴13，隨后進入載流氣體的加速流的芯部，進入加速超聲噴嘴的主要段的區(qū)域中。通過中間噴嘴13的位移，使在加速噴嘴16的主要段的區(qū)域中的工作載流氣體和脈沖氣體-粉末混合物達到要求的額定的熱和氣體動力學參數(shù)。該位移是借助提供直線軸向位移的單元12的幫助，沿著噴嘴的軸線以平移方式位移一段距離，該距離取決于在加速超聲噴嘴16的主要段的區(qū)域中氣體-粉末混合物的流動速度和脈沖頻率。當達到要求的位移，提供中間超聲噴嘴13的軸向位移的單元12關閉，從中間超聲噴嘴13出來粉末顆粒與惰性氣體的脈沖混合物的初始的軸向速度為0.3≤M≤1.0(其中M是馬赫數(shù))，該混合物在加速超聲噴嘴16的主要段的區(qū)域與工作載流氣體混合，和在該區(qū)域發(fā)生氣體-粉末混合物的主加速。在沿著加速超聲噴嘴16的通道達到要求的速度后，氣體-粉末混合物調正在直線部分17中的運動方向，隨后氣流的主部分在有曲線表面18的部分中轉向和進入轉離氣體的裝置19的進口部分。
有大的質量和慣性的涂料材料的粉末顆粒繼續(xù)它們的直線運動直到與要涂料的物件的表面碰撞。當達到涂涂料的必要的熱和氣體動力條件時，固定在固定裝置21的要涂涂料的工件20進行運動(前后運動或轉動)。隨后，與使工件位移的單元22相連的振動器23和電源供應源24接通，該電源供應源24供給工件20一個電勢與運動顆粒電勢相反的符號的電勢。這就是在工件上涂涂料及形成涂層的過程。
作為供到粉末材料的惰性氣體，可選擇一種氣體(或氣體混合物)，其不與涂料的粉末材料起化學反應，例如氮、氬、氦、氪等。具體氣體的選擇取決于最終的涂層、涂層的結構、和后者的材料的成分。
當涂覆及形成涂層時，從涂層材料的粉末材料表面除去氧化膜、激活顆粒、和被供到顆粒的惰性氣體加速防止了涂層材料的氧化和可以得到化學純材料，在其結構表面無氧化，以改善它們的結構、物化及工藝性能。
要涂覆的涂料的使用系數(shù)、粘附力、內聚力和結構取決于要涂到材料表面的涂料材料的沖擊速度。由對涂料材料惰性的氣體使涂料材料的初步加速在溫度T≤300°K下進行，加速氣體的速度為0.3≤M≤1.0(其中M為馬赫數(shù))，和把氣體-粉末混合物引入加速顆粒的運載氣體的芯部可使涂料材料顆粒的速度增加到與加速氣體的速度接近的速度，和最大地使用加速顆粒的氣體射流的能量。把氣體-粉末混合物引入運載氣體的加速流的芯部也消除了顆粒被超聲加速噴嘴的流通部分的壁的減速作用，延長了裝置的壽命，增加了要涂覆的涂料材料的使用系數(shù)。為了消除在壓縮的近壁氣體層中涂料材料的減速作用，該近壁氣體層起源在超聲氣體射流落在工件的表面，在本發(fā)明的方法中，氣體流轉向和轉離處理工件的表面。該氣體流轉向利用當平行的氣體流繞過半徑為R的曲線表面產生。因此，氣體流轉向和轉離處理工件的表面消除了在工件表面的壓縮的近壁氣體層，而涂料顆粒繼續(xù)它們的直線運動，以它們與加速顆粒的氣體流交互作用得到的速度到達工件的表面。因此，可以用氣體流較小的能量參數(shù)，把具有較高沖擊速度的涂料顆粒涂到工件材料的表面。結果，動力輸入減小，涂料材料的使用系數(shù)提高了，和涂層材料的結構、質量和性能改善了。
相應于從加速噴嘴輸出的氣體流的計算狀態(tài)設定工作運載氣體和對粉末涂料材料惰性的氣體的累積的流量是一個工況，其中在加速超聲噴嘴的出口段的壓力與環(huán)境介質的壓力相應。在該條件下，從超聲噴嘴出來的氣體流速度最大。在運載氣體的參數(shù)方面任何的變化(如溫度、壓力、氣體種類)都導致偏離設計狀態(tài)，也就是導致氣流速度的損失，和因此使涂覆的涂料材料的顆粒速度損失。
在以脈沖模式同步導入氣體-粉末混合物的到加速的運載氣體流中的情形下要處理的工件進行振動運動是以這種方式實施，使得當要處理的工件沿與涂料材料的顆粒流的運動方向相反時時刻供送氣體-粉末混合物。在該情形下，涂料材料顆粒的運動速度和要處理的工件的位移速度相加。結果，顆粒與表面碰撞速度增加，這導致顆粒滲入工件材料的表面的深度增加，它們的塑性變形范圍增加，涂料材料的利用系數(shù)增加，改進了涂層的結構和工藝性。
在本發(fā)明方法中，為了強化在涂料材料顆粒與工件表面碰撞中，在工件材料的表面層的機械和化學處理的過程，工件表面加熱到一個溫度，在該溫度下，工件材料表面的塑性與涂料材料表面的塑性接近。這使得可以把有較小的硬度的涂料涂到更硬和更少塑性的工件表面。在這種情形下，(顆粒材料和工件材料)過渡區(qū)的性能急劇變化，結果，改善了該區(qū)的結構，結果也改善了涂料的粘性。在把金屬涂到金屬上時，該過渡區(qū)還形成包括涂料材料的金屬和工件材料金屬的中間化合物。在氣流中移動，由于固體顆粒與氣體摩擦，相互摩擦，和對氣體通道的流通部分的壁的摩擦，固體顆粒得到有限定的值和符號的電荷。電荷的值和符號與顆粒材料有關。在本發(fā)明方法中，一個相反的符號的電勢供到要涂料工件的表面，使得在達到工件的表面時帶電顆粒的速度增加，和在碰撞時產生一個微電弧放電。
用不同的電磁方法，和通過供到工件的電勢值作用在帶電顆粒的移動流，可以調節(jié)涂涂料及形成涂層的過程。
這使得在涂涂料過程中可改變涂層的結構、性能和質量。
導入氣體-粉末混合物的裝置的結構特點使得可以把帶有初始速度的涂料顆粒沿軸向導入加速所述的顆粒的工作運載氣體流的芯部，避免在dsect.≤Dcrit.的條件下涂料材料顆粒與加速噴嘴16的壁的交互作用。
因此可以延長裝置的壽命，以最大地使用氣體流的能量以便增加涂料材料顆粒的動能，可用運載氣體不高的初始參數(shù)進行形成涂層的過程，及增加涂料材料的使用系數(shù)。
本發(fā)明的裝置可由選自包括金屬、合金或它們的機械混合物以及絕緣材料和有機化合物的各種粉末成分制造多功能的涂層和材料。
由于提供了允許激活顆粒及去除在它們表面存在的氧化膜，用本發(fā)明方法涂涂層用的材料的范圍可實質上擴大了。
因此，所述的用于粉末材料涂涂層的方法和裝置可以強化從各種粉末及它們的混合物涂涂料及形成涂層的過程，得到的涂層材料的結構沒有氧化夾雜，改進了涂層材料的結構和物化性能、降低了氣體流的能量參數(shù)、擴大了控制涂涂料及形成涂層的過程的可行性、得到的涂層材料具有均勻性能，和擴大了制備涂層的方法的工藝及功能的可行性。
本發(fā)明可用于冶金工程、機械工程、無線電和電子工程和其它工業(yè)方面改進工件的工藝及物化性能，修復各種磨損的零件和使工件表面具有特別的性能。
權利要求
1.一種由粉末材料制造涂層的方法，包括下列步驟形成一個工作運載氣體的加速流，把生成的氣體-粉末混合物供入加速超聲噴嘴(16)，和借助氣體流把粉末材料涂到工件的表面，其特征在于在把氣體-粉末混合物供入加速超聲噴嘴(16)之前，由對初始粉末材料惰性的氣體對氣體-粉末混合物進行初步加速到由0.3≤M≤1.0限定的速度，其中M是馬赫數(shù)，和由把氣體-粉末混合物導入工件運載氣體的加速流的芯部進行附加加速，和在把粉末材料涂到工件表面前，使粉末顆粒與氣體分離。
2.按照權利要求1的方法，其特征在于形成工作運載氣體的加速流相應于加速超聲噴嘴的型面的變化的平方律實施。
3.按照權利要求1或2的方法，其特征在于把氣體-粉末混合物供入加速噴嘴(16)是以加速運載氣流和對粉末材料惰性的氣體的合成流傳送，按照加速噴嘴(16)的計算條件調節(jié)。
4.按照權利要求1-3中任一項的方法，其特征在于空氣用作工作運載氣體，和不與粉末材料反應的氣體或氣體混合物用作對粉末材料惰性的氣體。
5.按照權利要求1-4中任一項的方法，在進行初步加速前，粉末在對粉末材料惰性的氣體介質中進行處理以便激活粉末材料和從粉末材料表面移去氧化膜，和粉末材料在這個介質的流中供入計量加料器(6)中。
6.按照權利要求5的方法，其特征在于所述的粉末材料的處理用機械、電化學或化學方法進行處理。
7.按照權利要求1-6中任一項的方法，其特征在于所述的對粉末材料惰性的氣體在溫度T≤300°K下使用。
8.按照權利要求1-7中任一項的方法，其特征在于把氣體-粉末供入工作運載氣體的加速流的芯部是以脈沖方式進行的。
9.按照權利要求1-8中任一項的方法，在粉末涂料材料涂到工件的表面時，工件表面受到與輸入的兩相流同軸的振動位移。
10.按照權利要求1-9中任一項的方法，其特征在于把粉末材料涂到表面前，對材料加熱。
11.按照權利要求1-10中任一項的方法，其特征在于把粉末材料涂到要涂覆的表面是在把電勢加到工件下進行，電勢的符號與氣體-粉末混合物的流的顆粒的電荷符號相反。
12.一種制備粉末材料涂層的裝置，包括一個噴涂單元，所述的噴涂單元是一個加速超聲噴嘴(16)。帶有一個亞超聲傳送部分和一個超聲發(fā)散部分，以及一個中間噴嘴(13)，一個供送壓縮的工作運載氣體的裝置(9)，一個把氣體-粉末混合物導入噴涂單元的裝置和一個計量加料器，其特征在于還設有供應附加的對粉末涂料惰性的壓縮氣體的裝置，所述的中間噴嘴(13)制成一個超聲噴嘴，所述的噴嘴出口段的直徑dsect.小于加速噴嘴的主要段的直徑Dcrit.，和安排成與超聲傳送部分中平行位移同軸，和加速超聲噴嘴(16)的超聲部分的出口有一個直線部分(17)，其接著一個有半徑R的曲線表面(18)的部分。
13.按照權利要求12的裝置，其特征在于還設有一個處理粉末材料使顆粒的表面激活及清潔的裝置(3)，該裝置連著一個導入氣體-粉末混合物的裝置。
14.按照權利要求12或13的裝置，其特征在于設有一個脈沖器(8)，與所述的導入氣體-粉末混合物的裝置連接。
15.按照權利要求12-14中任一項的裝置，其特征在于所述的脈沖器(8)安排在所述的計量加料器(6)的前面。
16.按照權利要求12-15中任一項的裝置，其特征在于設有一個振動器(23)用來使要涂料的工件振動。
17.按照權利要求12-16中任一項的裝置，其特征在于設有一個電源供應源(24)用來把電勢供到所述的工件。
全文摘要
本發(fā)明的目的是改進制備的粉末材料涂層的物化性能和改進涂覆方法的效率。本發(fā)明的特征在于把氣體－粉末混合物供入加速噴嘴前,使用對粉末材料是惰性的氣體把所述的混合物預先加速到預定的速度,再供入工作運載氣體的加速流的芯部。裝置包括一個噴涂單元,包括一個加速噴嘴,有一個直線部分,在出口段轉為曲線部分。該裝置包括一個中間加速噴嘴,與加速噴嘴同軸,和可在其超聲部分中往復運動。
文檔編號C23C24/04GK1332811SQ99815192
公開日2002年1月23日 申請日期1999年7月29日 優(yōu)先權日1998年11月5日
發(fā)明者尤利伊維尼阿米諾維奇·基古斯 申請人:俄羅斯技術股份有限公司