[發(fā)明專利]具有大面積保形沉積能力的冷噴涂設(shè)備

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201780076908.2
• 申請日: 2017-10-16
• 公開（公告）號: CN110073033B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 普拉萬舒·S·莫漢蒂;維克拉姆·瓦拉達(dá)拉揚(yáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 密歇根大學(xué)董事會
• 主分類號: C23C24/08
• 分類號: C23C24/08;B05B7/22;B05B7/14
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 黃霖;王艷江

一種用于將顆粒的涂層施加到基底上的冷噴涂設(shè)備，該冷噴涂設(shè)備包括噴嘴組件，該噴嘴組件具有終止于共同出口處的多個內(nèi)部通道。該噴嘴組件包括與內(nèi)部通道連通的顆粒供應(yīng)構(gòu)件。該顆粒供應(yīng)構(gòu)件供應(yīng)顆粒以穿過內(nèi)部通道流動并加速，并且經(jīng)由共同出口朝向待在其上進(jìn)行涂覆的基底流出噴嘴組件。此外，每個內(nèi)部通道包括激光器，該激光器發(fā)射傳輸通過內(nèi)部通道的激光束。該激光器加熱顆粒以及基底中的至少一者以促進(jìn)利用顆粒的基底的涂覆。

相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2016年10月17日提交的美國申請No.15/295,050的優(yōu)先權(quán)，該申請是于2010年12月3日提交的美國申請No.12/959,523的部分繼續(xù)申請，其要求于2009年12月4日提交的美國臨時申請No.61/266,639的權(quán)益。上述申請的全部公開內(nèi)容通過引用并入本文。

政府權(quán)力

本發(fā)明是在美國海軍授予的授權(quán)號N00244-07-P-0553下通過政府支持完成的。政府擁有本發(fā)明的某些權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及用于將涂層施加到基底的方法和設(shè)備，更具體地，涉及用于在大面積上施加保形涂層的激光輔助冷噴涂設(shè)備和方法。

背景技術(shù)和發(fā)明內(nèi)容

本部分提供與本公開相關(guān)的背景信息，其不一定是現(xiàn)有技術(shù)。本部分還提供了本公開的總體概述，并且不是其全部范圍或其所有特征的全面公開。

冷噴涂是一種添加方法，其中，固體顆粒流通過載氣加速至高速并通過噴嘴噴向基底。顆粒具有足夠的動能，使得在與基底撞擊時，它們塑性變形并冶金地/機(jī)械地粘合到基底上以形成涂層。盡管冶金結(jié)合是優(yōu)選的，但所有顆粒可能不一定以冶金方式結(jié)合。

將顆粒加速至臨界速度，使得可以產(chǎn)生涂層。該臨界速度可以取決于顆粒的性質(zhì)，并且在較小程度上取決于基底的材料(即可變形性、形狀、尺寸、溫度等)。

假設(shè)當(dāng)顆粒的動能轉(zhuǎn)換為足夠水平的熱能和應(yīng)變(機(jī)械的)能量時，顆粒粘附到基底上，導(dǎo)致本領(lǐng)域已知的現(xiàn)象“絕熱剪切不穩(wěn)定性”。已經(jīng)觀察到的是，隨著顆粒溫度增加到一定程度——這通常通過提高載氣溫度來實現(xiàn)——給定材料的沉積效率增加。載氣溫度還通過通常用于冷噴涂處理中的會聚-擴(kuò)散噴嘴來影響氣體動力學(xué)。換句話說，所有物體保持恒定，更高的載氣溫度導(dǎo)致噴嘴的擴(kuò)散部段中的更高的氣體速度，進(jìn)而可以導(dǎo)致更高的顆粒速度。

相關(guān)的美國申請No.12/959,523教導(dǎo)了一種通過布置與噴嘴同軸的激光束來增加噴嘴的擴(kuò)散部段中的顆粒溫度(獨(dú)立于載氣溫度)的方法，其中，教示的矩形噴嘴的設(shè)計與擴(kuò)散部段中的顆粒進(jìn)料方法一起使得顆粒的分布以及噴嘴的擴(kuò)散部段內(nèi)與激光束的相互作用能夠得到增強(qiáng)，以增加顆粒的溫度。換句話說，所引用的相關(guān)技術(shù)的教導(dǎo)提供了用于獨(dú)立控制對于給定噴嘴的顆粒溫度和氣體動力學(xué)(速度)的機(jī)構(gòu)。此外，一部分激光束也被傳輸?shù)交滓蕴岣叱练e質(zhì)量。

為了使涂層沉積，冷噴涂噴嘴通常在基底上橫移，同時保持合適的目標(biāo)距離。這導(dǎo)致沿著基底上的小軌道(通常類似于噴嘴出口的寬度)的涂層。為了涂覆面積大于噴嘴出口寬度的基底，噴嘴在基底上多次掃過，通常借助于諸如機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)以光柵圖案掃過。噴嘴出口寬度受到對于給定會聚-擴(kuò)散噴嘴的氣體動力學(xué)要求的限制，以實現(xiàn)所需的顆粒速度以及分布。換句話說，對于具有給定入口溫度和壓力的給定氣體，會聚部段、擴(kuò)散部段以及連接兩個部段的頸部的幾何形狀確定氣體流動行為，進(jìn)而影響顆粒速度和顆粒分布。僅僅增加噴嘴橫截面積以涂覆較大的基底并不是直接的。對于實際應(yīng)用，建議優(yōu)化噴嘴的幾何形狀，使得可以通過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)設(shè)備(氣體供應(yīng)、加熱器、粉末進(jìn)料器等)經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)必要的流動動力學(xué)。