冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴制造技术

本发明专利技术涉及一种喷嘴，特别是涉及一种用于冷喷涂的拉乌尔（Ｌａｖａｌ）型超音速喷嘴。一种冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，包括收缩段、喉部、扩散段，收缩段为维托辛基曲线，其特征是喉部为等径直线段，扩散段为椭圆轴对称位流式结构，喉部至扩散段的出口端为连续平滑递增，扩散段流道沿喷嘴轴线截面为一段椭圆曲线，收缩段、喉部、扩散段之间光滑过渡。本发明专利技术的喷嘴喷出的粉末颗粒速度高、颗粒束流为不发散的平行束流，并且不发生粘喉，耐磨性好，使用寿命长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种喷嘴，特别是涉及一种用于冷喷涂的拉乌尔(Laval)型超音速喷嘴。
技术介绍
冷气动力喷涂(简称冷喷涂)技术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携带粉末颗粒进入高速气流，通过缩放管(超音速喷嘴)产生超音速双相流，粉末颗粒经超音速喷嘴加速后在完全固态下撞击基体，通过产生强烈的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。高压气体从气源被分成两路，一路进入送粉器携带粉末颗粒；另一路进入加热器而被加热，从而提高气流的速度。与热喷涂技术不同的是，冷喷涂不形成高温，完全依靠气流对粉末颗粒的携带加速作用，因此喷嘴就成为冷喷涂技术的关键。为此俄罗斯、美国及欧共体均开发了各自的喷嘴，俄罗斯、美国及欧共体专利(其中，俄罗斯专利，专利号分别为1674585(1991)、1603581(1993)、1618778(1993)、1773072(1993)、2010619(1994)；欧洲专利，专利号为0484533A1(1992)；美国专利，专利号为5302414(1994))公开了一种冷气动力喷涂装置，其中送粉器与超音速喷嘴连为一体，采用电机带动转鼓推动粉末进入气体粉末混合室，在送粉器的下端有一个压缩气体入口，并通过两个出口分别将气体导入送粉器转鼓低端和粉末上部以平稳送粉室压力，在喷嘴结构上扩散段为锥形。专利号为0042508A1公开了一种冷气动力喷涂装置，在喷嘴结构上扩散段均为锥形，虽便于加工，但压力损失大，不易实现最佳喷射速度，寿命比较短。中国专利，专利申请号为01128130.8，公开号为CN 1403210A公开了一种收缩段为维托辛基曲线形光滑连续收缩，扩散段为轴对称位流式结构的喷嘴。这一喷嘴在收缩段和扩散段均加速气流，但这一喷嘴对粉末颗粒的携带距离短，产生的颗粒速度较低。并且颗粒流在离开喷嘴后由于气流的发散出现颗粒流发散，形成发散角较大的颗粒流，沉积效率较低。另外，为了进一步提高气流的速度，一般情况下要对压缩气体进行加热，这样对喷嘴耐热耐高压性能要求更高。目前的冷喷涂喷嘴由金属材料制备，耐高温性能较低。也有采用烧结碳化钨材料制备的喷嘴，但非常昂贵。并且以上的喷嘴在喷涂低熔点的金属材料时容易在喉部发生粘接。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，该喷嘴用于冷喷涂的粉末颗粒速度高、颗粒束流为不发散的平行束流，并且不发生粘喉，耐磨性好，使用寿命长。本专利技术是这样实现的一种冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，包括收缩段、喉部、扩散段，收缩段为维托辛基曲线，其特征是喉部为等径直线段，扩散段为椭圆轴对称位流式结构，喉部至扩散段的出口端为连续平滑递增，扩散段流道沿喷嘴轴线截面为一段椭圆曲线，收缩段、喉部、扩散段之间光滑过渡。上述的冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，所述扩散段分为膨胀段、消波段和准直段三段，三段曲线先平滑递增、减缓、再减缓，椭圆曲线段的纵轴端面与准直段的轴对称圆柱面相切。上述的冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，所述喷嘴收缩段、喉部直线段和扩散段的外壁由氧化钇全稳定的氧化锆或氧化铝陶瓷制成，喷嘴喉部等径直线段和扩散段内壁由氮化硼陶瓷材料制成。上述的冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，所述喷嘴喉部的截面积与喷嘴出口端的截面积之比为1∶2.0至1∶4.0，最佳范围为1∶2.5至1∶3.0。所述喷嘴喉部等径直线段长度为5毫米至15毫米，最佳范围为8毫米至12毫米。所述喷嘴扩散段的椭圆长短半轴之比为3至10，最佳范围为5至7。本专利技术具有如下优点(1)气流速度高。本专利技术的喷嘴收缩段和扩散段均为光滑的曲线，收缩段采用维托辛基曲线，扩散段采用椭圆轴对称位流结构，减小了气流能量损失，气体流速高，对粉末颗粒的加速大。(2)粉末颗粒速度高。气体流速高对粉末颗粒的加速大，所以粉末颗粒的速度高。另外，本专利技术的喉部设计成等径直线段，在最高气体密度区加速粉末颗粒，在扩散段中的消波段之后增加了准直段，经这两个气流等速的加速后，粉末颗粒的速度可以接近或达到气流的速度，因此本专利技术喷嘴粉末颗粒的速度高。(3)喷涂粉末颗粒的粒径范围大。本专利技术的喷嘴具有一个喉部的等径直线段，此处的气流密度最高，对粉末颗粒的拖曳效率高，粉末粒径较大的颗粒在此处被加速到音速或接近音速，与气流的速度相近。到达扩散段随着气流速度超过音速，粉末颗粒的速度也超过音速。在扩散段中准直段部分可进一步加大粉末颗粒的速度，使粒径较大的颗粒的速度超过临界速度，形成有效的沉积。(4)沉积效率高。本专利技术的喷嘴通过收缩段，喉部等径直线段和扩散段可以将粒径分布范围较大的粉末颗粒粒子全部加速到临界速度以上，形成有效的沉积，因此沉积效率高。(5)喷嘴使用寿命长。喷嘴采用高强度、高硬度和高韧性的陶瓷材料制备，耐磨性好，使用寿命长。(6)喷嘴不发生粘喉。喷嘴喉部采用氮化硼陶瓷制备，氮化硼陶瓷与金属不发生浸润，因此在喷涂低熔点的材料时也会因粉末颗粒中粒径小的金属颗粒的部分熔化而发生粘喉现象。(7)可在较高温度下喷涂低熔点的材料。本专利技术喷嘴外壁均采用高强度、高硬度和高韧性全稳定的氧化锆或氧化铝陶瓷制备，耐高温耐高压的性能优异，因此可以进行较高温度喷涂；喉部采用了不与金属发生浸润的氮化硼陶瓷制备，因此较高温度下金属粉末颗粒的熔化对喷嘴无影响。因此本专利技术喷嘴可进行较高温度下低熔点材料的喷涂。(8)喷涂温度高，本专利技术喷嘴采用了耐高温陶瓷，可以在较高温度下对具有纳米结构的难熔材料进行喷涂。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。图1为本专利技术冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴结构示意图；图2为冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴采用复合陶瓷制备的材料结构示意图。图中1收缩段，2喉部(喉部等径直线段)，3膨胀段(初始扩散段)，4扩散段，5消波段，6准直段，7喷嘴外壁(包括收缩段和喉部与扩散段外壁)，8喉部等径直线段和扩散段内壁。具体实施方式参见图1、图2，一种冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴包括了喷嘴的几何结构和喷嘴制备材料。1.喷嘴的几何结构。本专利技术的喷嘴内径采用收缩段1、喉部等径直线段2和扩散段4三段构成，喷嘴内部的曲线均为轴对称设计和光滑过渡。收缩段1采用维托辛基曲线，喉部2为等径直线段，而扩散段4采用椭圆轴对称位流式结构。所述的光滑连续的维托辛基曲线可将气流均匀加速到音速，减少气流能量损失。喉部2的等径直线段中气流的速度为音速或接近音速，在收缩段4中虽然气体的速度达到音速，可是粉末颗粒速度却远远低于气体的速度，而在喉部2的等径直线段中由于气流的拖曳作用可以提高粉末颗粒的速度，同时由于此处的气体密度最大，因此其拖曳效率最高，所以喉部2的等径直线段是本专利技术与其他喷嘴所不同的一个特点，在此段中的气流特征为平直音速流。在扩散段4采用椭圆轴对称位流式结构，可以分成膨胀段3、消波段5和准直段6三段结构，三段曲线是椭圆曲线加上近似平行于喷嘴轴线的直线，曲线呈先平滑递增、减缓、再减缓。扩散段流道的任何位置的横截面是圆。膨胀段3横截面大于喉部2横截面，膨胀段3气体发生径向流动，达到超音速，形成超音速泉流，即由平直音速流向泉流过渡形成完全的泉流，在消波段5把这个超音速泉流转变成均匀平行于轴线的流动，从而减少流动阻力，使气流最大限度地得以加速；由于椭圆轴对称结构的特点，气流经扩散后形成的是一个与喷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，包括收缩段、喉部、扩散段，收缩段为维托辛基曲线，其特征是喉部为等径直线段，扩散段为椭圆轴对称位流式结构，喉部至扩散段的出口端为连续平滑递增，扩散段流道沿喷嘴轴线截面为一段椭圆曲线，收缩段、喉部、扩散段之间光滑过渡。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊宝，史弼，宋洪伟，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]