[发明专利]喷涂沉积装置

说明书

本发明涉及通过喷涂沉积生产3D物体的装置。该装置具有粉末输送管线A，用于将夹带在载气中的喷涂材料流输送至喷嘴(第一流)。该装置还具有工艺管线B，其用于将气流输送至喷嘴(第二流)。该装置还具有喷涂喷嘴8。该装置使得对所述第一流的压力和温度参数进行实时控制，但不对所述第二流的这些参数进行实时控制。所述两个流合并以将喷涂材料从喷嘴8推进至基体来形成3D物体。

技术领域

本发明涉及用于形成3D物体的喷涂沉积装置。

背景技术

采用冷喷涂技术形成3D物体是众所周知的。采用的喷涂材料涉及到金属、陶瓷、聚合物或任何其他合适的颗粒。将喷涂材料分层施加到3D基体上，以最终形成所需要的形状。在一些已知的系统中，由于需要引入和控制超音速喷涂粉末流，所以导致冷喷涂工艺很复杂。这样就对控制沉积过程的计算机化系统提出了很高的要求。

在一些系统中，冷喷涂涉及到使用高速(例如，300-1200m/s)气体射流，以将1-50μm的粉末颗粒加速到基体上。这些颗粒以超音速接触基体并发生塑性变形，在撞击时结合。随着颗粒继续轰击系统，它们会“堆叠”起来形成目标3D形状。如果使用适当的控制参数，则在颗粒之间形成的结合会非常强，从而有助于生产高质量的产品。

一些已知的冷喷涂系统涉及到：

·加热加压气体源，以向喷涂颗粒提供动能；

·粉末供给系统，为喷涂提供颗粒；

·会聚-发散式施用喷嘴，以使颗粒达到所需要的超音速(例如，可通过De Laval实现)；

·用于接收颗粒的基体；及

·电子控制系统，以监测和调节喷涂参数(例如，速度和温度)。、

这些部件的配置方式及其操纵过程变量的方式决定了是具有低压喷嘴系统还是高压喷嘴系统。这些已知的系统具有输送高速气流的主管线或工艺管线及通过次级气流的方式将来自进料器的喷涂粉末输送至该主气流的“输送管线”。该工艺管线布置在喷嘴最狭窄点之前，换言之，布置在其上游上。粉末输送管线可位于喷嘴上游(对于高压系统)或下游(对于低压系统)。

低压系统使得可以使用较简单的控制特征、较便宜的设备和较高的系统可移植性。然而，由于次优粒子速度，相对较低的沉积速率和喷涂材料在基体上较低质量的沉积可能会抵消这些益处。

高压系统通常需要高压压缩气体，以将粉末自粉末进料器输送至喷嘴。已知氦气在高压冷喷涂技术中表现良好，但其价格相对昂贵。虽然存在氦气回收系统，但这些系统很复杂，并且只能适度有限地延长所使用的氦气的寿命。氮(例如，液氮)通常较便宜但性能不佳。高压冷喷涂可用于诸如军事和航空铸造等高容限作业及修理作业。依赖纯净的、零湿度工艺气体(例如，液氮)是惯例做法。

通常优选高压冷喷涂系统，因为高压冷喷涂系统往往会产生非常高的颗粒速度，从而形成更好的沉积并产生更好的成品质量。粉末在喷嘴高压侧上的注入可使颗粒撞击速度最大化，并使不良变化最小化。这种系统可以消除文丘里管中的湍流混合区域。去除通常存在于低压系统中的文丘里管可减少颗粒速度的不良变化。这就是说，高压系统由于控制系统的波动仍会遭受沉积速度的变化。这些波动可使沉积过程变得无法预测。

在冷喷涂系统中，撞击前的颗粒速度通常是一个重要的变量。没有足够高的速度，颗粒不会结合，而速度太高，颗粒会破坏已经沉积的颗粒。为了保持较高的工艺性能，通常须保持较高的颗粒撞击速度。这样可以改善最终的材料性能及沉积效率。理想的冷喷涂系统将获得稳定的喷射流，其可以在颗粒沉积范围内以恒定的高速度将喷涂颗粒输送至基体上。

流体的速度与其流量密切相关。在该领域内，存在一个已知的关于通过De Laval喷嘴¹的质量流量的方程：

其中，

单元：kg/s