改进的气体动态冷喷涂装置和涂覆基材的方法制造方法及图纸

根据本发明专利技术的改进的气体动态冷喷涂装置可在各种基材上沉积各种各样的材料。其包含连接至喷枪(2)的控制板(1)，该喷枪(2)设置有缩扩喷嘴(9)，借助该喷嘴(9)实现超音速从而以总体优化的功率和气体消耗在不使用任何粉末预热器、模板、流量调节器的情况下引起材料沉积。通过气动柔性软管(5)将压缩气体供应(4)提供至控制板。携带气体的气动柔性软管(6、7)连接控制板、喷枪和粉末进料器(3)。粉末进料器以通过气动软管(7a)和粉末进料管(15)的载气的方式向喷枪提供粉末。控制板通过电缆(13、8、12)电连接至粉末进料器和气体加热器(11)。

Improved gas dynamic cold spraying device and method of coating substrate

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改进的气体动态冷喷涂装置和涂覆基材的方法专利
本专利技术涉及改进的气体动态冷喷涂装置和通过将各种各样的材料沉积在不同形状和类型的基材上的涂覆系统和方法。在此通过以非常高的速度固体颗粒撞击金属性以及非金属性基材的方式发生沉积，其中通过工艺气体/载气例如空气或氮或氦的超音速喷射实现所述非常高的速度。这个方法没有其它金属沉积方法共有的大多数缺点。这个方法还具有许多额外的技术、经济和生态优势，例如减小的热能输入、能够沉积自由形式和便携性的选择，使用清洁空气或氮或氦作为工艺气体而不是其它可燃气体。这使这个方法独特并且对于在基材上沉积大范围的材料更有吸引力。专利技术背景在基材上施加涂层，要求闪亮的或有光泽的外观和保护不受阳光、腐蚀和氧化。可通过使用喷涂、电化学、化学或机械施加金属性或非金属性涂层。这些涂层改变部件的表面并提高其使用寿命。这样的涂覆技术之一是热喷涂。在这种技术中，通过喷涂熔融或半熔融条件下的材料来获得涂层。起始原料涂层材料可处于粉末、棒和丝的形式。现有技术然而，根据本专利技术的气体动态冷喷涂是一种产生厚涂层的热喷涂方法，这主要归因于粉末的动能而不是热能。在这个技术中输入至粉末的热能是可忽略的。通过在0.7至5MPa范围内的压力下和从298K至1273K范围内的气体温度下加压的工艺气体/载气例如空气或氮或氦将固体金属粉末加速至非常高的速度，至待涂覆或修复的基材表面上。在粉末颗粒冲击基材的过程中，它们经历严重的塑性变形并粘附到表面上，确保了有效的涂覆。被现有技术所采用以获得本专利技术中提到的一些材料的涂层的现有的系统和方法依赖于获得较高的气体速度或动能。这可通过两种方式获得：1)提高喷嘴的设计马赫数，和2)提高对于给定喷嘴的工艺气体压力和工艺气体预热温度。通过进行以上方式，系统的功耗、气体消耗、尺寸和重量变得非常高并且导致总成本的提高以及削弱这种技术的便携性方面。而且，现有的系统依赖于额外的附件例如除了枪之外的粉末预热器(电的或电磁的)、气体加热器、粉末进料器和喷嘴来实现以上方式，这将再次增加整个系统的重量和尺寸并提高总成本。在这一点上，参考以下现有技术文献：EP2175050A1、US200627687、US20070137560、WO05061116A1、G.Bae等人，ActaMaterialia60(2012)3524-3535。现有技术之一IN198651公开了一种装置，该装置不要求本专利技术要求保护的沉积谱，尤其是沉积难熔材料(Ta、Ti、Nb及其合金)，和尤其是对流动应力具有强温度敏感性的材料例如Ni、Ni-Cr、Inconel、Cu和钢(仅举几个例子)。本专利技术能够沉积所有以上材料。按照现有技术US20070137560，要求保护一种单独的粉末预热装置，借助于该装置粉末在进入喷嘴之前被预热。现有技术解释了可如何通过使用这样的预热装置增强材料例如Ni、WC-Co的沉积。然而，除了这种现有技术在附件列表中增加了单独的装置的事实之外，提高了将粉末加热足够长的时间以促进晶粒生长、脱碳、结晶和氧化的可能性。另一个缺点是与正常的冷喷涂方法相比，功率消耗提高。描述的方法是比冷喷涂更热的喷涂。在本专利技术中，在这个专利技术中不需要额外的加热布置，并且可以总体较低的功率和气体消耗沉积对流动应力和临界速度具有温度敏感性的材料。按照现有技术之一，Fukanuma等人(EP2175050A1)意图通过在喷嘴的收缩部之前有预热区(50mm-1000mm)来沉积材料。目的是预热气体-粉末混合物并提高粉末颗粒的可变形性，并以较高的效率沉积较厚的涂层。然而，它还利用(一个或多个)单独的加热器来加热预热区，基于几个因素，例如预热区的长度、气体类型、气体密度、原料化学组成、原料形状和尺寸、喷嘴材料类型和壁厚，该预热区为50mm至1000mm长。所有以上因素不仅提高附件/备件数，而且提高涂覆过程中的总能量消耗，并且对于较长的预热区，其类似于具有单独的粉末预热器。解决这个问题，在本专利技术中不需要额外的加热布置，并且可以总体较低的功率和气体消耗沉积对流动应力和临界速度具有温度敏感性的材料。另一个现有技术US7244466公开了一种喷嘴设计，其结合双锥形流量调节器或集中器以产生小尺寸或点尺寸(spotsize)的涂层。以上专利技术还使用两种类型的流量调节器来调节由其获得的涂层尺寸。本专利技术以较低的能量输入相同地进行，而不使用需要额外的制造步骤并增加整个系统成本的复杂的流量调节器。因此，现有技术改进了气体动态冷喷涂装置和通过在具有不同形状的基材上沉积各种各样材料的涂覆方法，而没有以上缺点。我们改变气体和粉末输送系统的构造，以定制颗粒速度、颗粒温度和分散，从而满足各种材料要求。我们以较低的功率和气体消耗和改进的沉积效率获得这一点，其导致不仅常规材料如例Cu、Cu合金、Sn、Sn合金、Ag、Ag合金、Zn、Zn合金的成功沉积，而且导致难以涂覆的材料例如Ta、Ta合金、Nb、Nb合金、Ti、Ti合金、Ni、Ni-Cr、Ni超级合金、不锈钢、粉末共混物、纳米结构的团聚粉末、高熵合金、生物玻璃、金属基体复合粉末(具有陶瓷增强材料)以比目前其它系统使用的低得多的输入能量的沉积。在本专利技术的详细描述中公开了细节。本专利技术目的本专利技术的主要目的是提供改进的气体动态冷喷涂装置，其具有增强的能力以较低的输入功率和气体消耗沉积除了例如Cu、Cu合金、Sn、Sn合金、Ag、Ag合金、Zn、Zn合金的常规材料之外例如Ta、Ta合金、Nb、Nb合金、Ti、Ti合金、Ni、Ni-Cr、Ni超级合金、不锈钢、粉末共混物、纳米结构的团聚粉末、高熵合金、生物玻璃、金属基体复合粉末(具有陶瓷增强材料)的材料更好的涂层。该额外清单的材料可用于各种工程和非工程应用。本专利技术的另一个目的是提供装置和方法，其能够沉积具有高电导率和热导率的纯相涂层应用于电力工业。本专利技术的另一个目的是提供装置和方法，其能够沉积具有优异的耐空穴腐蚀损害的纯相涂层。本专利技术的另一个目的是提供装置和方法，其能够在锅炉管上沉积金属性涂层，用于高温导电性、抗氧化性和耐热循环性。本专利技术的另一个目的是提供装置和方法，其能够在非金属性基材上沉积金属性涂层用于能量电子应用。本专利技术的另一个目的是提供装置和方法，其能够在电导条(busbar)上沉积金属性/合金/金属陶瓷涂层用于连接目的。本专利技术的另一个目的是提供装置和方法，其能够沉积耐腐蚀涂层用于牺牲保护/阻隔保护和阳极保护。所提出专利技术的另一个目的是提供装置和方法，其能够沉积难熔金属用于高温应用(抗氧化和耐腐蚀)、生物医学应用、超导应用、用于溅射靶修复、高温耐磨应用。另一个目的是提供装置和方法，以沉积纳米结构的团聚粉末和共混物用于高导电性和耐磨性应用、块体金属性玻璃用于耐侵蚀腐蚀应用、高熵合金用于高温应用和生物玻璃用于生物医学应用。本专利技术的另一个目的是提供装置和方法，以获得非常厚的涂层或类似于增材制造的自由形式或独立涂层。通过提供如在下面的段落中详细解释的系统来实现所有以上目的。概述改进的气体动态冷喷涂装置，其可沉积各种各样的材料，即Cu、Cu合金、Sn、Sn合金、Ag、Ag合金、Zn、Zn合金、不锈钢、Ni、Ni-Cr、其它Ni超级合金、Ta、Ta合金、Nb、Nb合金、Ti、Ti合金、粉末共混物、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.改进的气体动态冷喷涂装置系统，用于将待沉积的材料涂覆在基材上，包含：控制板(1)、喷枪(2)和粉末进料器(3)，特征在于其包含：a)控制板(1)，为使用PLC控制板设置有自动加热和粉末进料控制的自动化控制板，该控制板(1)连接至：i)气动柔性软管(5)用于提供压缩载气/工艺气体供应(4)；ii)分别连接至喷枪(2)和粉末进料器(3)的其它气动柔性软管(6和7)；和iii)电缆(12、13和8)用于分别向气体加热器(11)、粉末进料器(3)和喷枪(2)的热电偶(14)提供能量；b)喷枪(2)，容纳缩扩型喷嘴(9)，借助该喷嘴(9)实现超音速，并且该喷枪(2)连接至：i)来自控制板(1)的气动柔性软管(6)；ii)粉末进料管(15)，携带来自粉末进料器(3)的粉末和载气的气动柔性软管(7a)与该粉末进料管(15)汇合；iii)通过电缆(8)电连接至控制板(1)的热电偶(14)，和iv)喷枪(2)的气体加热器(11)，来自控制板(1)的电缆(12)连接至气体加热器(11)；和c)粉末进料器(3)，连接至：i)控制板(1)，该连接通过携带来自控制板(1)的载气的气动柔性软管(7)；ii)含有载气和粉末的气动柔性软管(7a)，该气动柔性软管(7a)与喷枪(2)的粉末进料管(15)汇合；iii)电缆(13)，该电缆(13)连接至控制板(1)；和iv)具有轻质“电机‑齿轮箱组件”的变速电机，该变速电机驱动转筒，该转筒是在传送粉末的表面上具有锥形槽的轴。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.26 IN 2017110067491.改进的气体动态冷喷涂装置系统，用于将待沉积的材料涂覆在基材上，包含：控制板(1)、喷枪(2)和粉末进料器(3)，特征在于其包含：a)控制板(1)，为使用PLC控制板设置有自动加热和粉末进料控制的自动化控制板，该控制板(1)连接至：i)气动柔性软管(5)用于提供压缩载气/工艺气体供应(4)；ii)分别连接至喷枪(2)和粉末进料器(3)的其它气动柔性软管(6和7)；和iii)电缆(12、13和8)用于分别向气体加热器(11)、粉末进料器(3)和喷枪(2)的热电偶(14)提供能量；b)喷枪(2)，容纳缩扩型喷嘴(9)，借助该喷嘴(9)实现超音速，并且该喷枪(2)连接至：i)来自控制板(1)的气动柔性软管(6)；ii)粉末进料管(15)，携带来自粉末进料器(3)的粉末和载气的气动柔性软管(7a)与该粉末进料管(15)汇合；iii)通过电缆(8)电连接至控制板(1)的热电偶(14)，和iv)喷枪(2)的气体加热器(11)，来自控制板(1)的电缆(12)连接至气体加热器(11)；和c)粉末进料器(3)，连接至：i)控制板(1)，该连接通过携带来自控制板(1)的载气的气动柔性软管(7)；ii)含有载气和粉末的气动柔性软管(7a)，该气动柔性软管(7a)与喷枪(2)的粉末进料管(15)汇合；iii)电缆(13)，该电缆(13)连接至控制板(1)；和iv)具有轻质“电机-齿轮箱组件”的变速电机，该变速电机驱动转筒，该转筒是在传送粉末的表面上具有锥形槽的轴。2.根据权利要求1所述的改进的气体动态冷喷涂装置系统，其中只要气体入口压力达到设定的初始压力，该控制板(1)基于期望的入口温度自动地控制输入至喷枪(2)内设置的气体加热器(11)的电流，并且在气体压力下降至小于设定的初始压力的值的情况下，该控制板切断至加热器的电流供应，以避免损坏该气体加热器。3.根据权利要求1所述的改进的气体动态冷喷涂装置系统，其中该喷嘴(9)设置有收缩部(20，25)、喉部(22，27)和扩张部(21，26)以及内壁(19，24)和外壁(18，23)，并且能够通过使用对于给定应用而言喉部和出口面积以及扩张和收缩长度的适当组合以(i)变化的沉积速率(50-500μm/s)；(ii)变化的点宽度或直径(0.9-4mm)和(iii)变化的点长度或直径(0.9-12mm)沉积涂层，而不损害以总体优化的功率和气体消耗的工艺沉积效率。4.根据权利要求1所述的改进的气体动态冷喷涂装置系统，其中该喷嘴的横截面对于入口、喉部和出口而言选自圆形、矩形、方形或组合，以通过使边界层效应最小化来优化给定喉部尺寸或形状的沉积效率。5.根据权利要求1所述的改进的气体动态冷喷涂装置系统，其中通过维持恒定的出口与喉部面积比或选自2至3.5的恒定马赫数以满足期望的应用或沉积速率的需要，通过减小或提高在0.2mm2至16mm2范围的喉部面积和在0.6mm2至50mm2范围的出口面积来改变喷嘴(9)的尺寸，从而获得具有细的点尺寸或在0.9mm宽或更小和/或3-10mm长的范围内的较小尺寸的涂层，而不损害沉积效率，并且不使用任何模板或掩模或一种或多种流量调节器，从而以优化的功率和气体消耗产生期望的沉积速率和沉积面积。6.根据权利要求1所述的改进的气体动态冷喷涂装置系统，其中可成功地沉积具有临界速度和/或流动应力的强温度依赖性的选自Ni、Ni-Cr、其它Ni基合金(IN625、IN718)、钢材(AISI1045、AISI4340、H13)、Cu和Cu合金(筒形黄铜)的材料或选自Ti、Ti、Ta、Ta合金、Nb和Nb合金、Cu和Cu合金的氧化敏感材料，而不需要一个或多个电或电磁粉末预...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·M·查瓦尼，S·K·皮莱，S·P·帕达萨拉迪，S·R·达默拉查拉，
申请(专利权)人：国际先进的粉末冶金和新材料研究中心ARCI，
类型：发明
国别省市：印度,IN