專利名稱：一種用于模擬顆粒沉積成型的試驗裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱噴涂及快速成型領(lǐng)域，尤其涉及一種模擬單個熔化顆粒撞擊基材逐層堆積形成涂層及工件的試驗方法及其相關(guān)裝置。
背景技術(shù)：
熱噴涂涂層是由大量高溫熔滴撞擊到基體表面變形、鋪展、凝固冷卻變形后形成的扁平顆粒逐層堆積形成的，涂層的質(zhì)量與單個扁平顆粒的形成過程密切相關(guān)。然而，熱噴涂形成的單個熔滴粒徑小(直徑為10 120 μ m)、熔滴撞擊基體的速度快(100 300m/s)， 熔滴的扁平化過程作用時間短暫(10 20 μ s)，很難直接觀察單個熔滴的扁平化過程。在熱噴涂領(lǐng)域，研究者普遍認為利用相似性原則設(shè)計的低速大熔滴下落模擬試驗，可作為研究熱噴涂涂層形成的重要手段。噴射成形技術(shù)，是將熔融金屬或合金通過高壓惰性氣體霧化，形成顆粒噴射流，直接噴射在相對較冷的基體上，經(jīng)過碰撞、聚集、凝固而形成沉積件的制造方法。該方法集中了快速凝固、半固態(tài)加工以及近終型成形等工藝的優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而，噴射成形時由于霧化形成的金屬熔滴大小不一，工藝控制不當時，零件致密度差，孔隙度高，產(chǎn)品質(zhì)量不理想，采用尺寸、溫度速度可調(diào)的模擬試驗裝置可以為分析工件噴射成型機理提供保障。日本Fukumoto等人采用高頻加熱設(shè)備加熱并熔化金屬絲材，產(chǎn)生的金屬熔滴長大到一定尺寸后就會在重力的作用下自由下落并撞擊到基體表面，進而發(fā)生扁平變形。法國Vardelle等人采用感應(yīng)等離子加熱線圈熔化金屬絲材，國內(nèi)李長久以及華僑大學(xué)張素芝等人也是采用感應(yīng)加熱裝置熔化金屬絲材，設(shè)計了毫米級熔滴墜落試驗裝置。然而，高頻加熱設(shè)備和感應(yīng)加熱設(shè)備成本較高且加熱能力有限，只能用于低熔點材料的模擬實驗，而無法對陶瓷涂層，高熔點金屬涂層(如鉬)進行模擬實驗。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述高溫大熔滴墜落模擬試驗裝置中存在的缺陷，本發(fā)明旨在提出一種結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟方便的可用于模擬單個熔化顆粒撞擊基材逐層堆積形成涂層及工件的方法及其相關(guān)裝置。本發(fā)明的目的由以下措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實現(xiàn)—種模擬顆粒沉積成型的試驗裝置，包括升降臺裝置、熔化裝置、脈沖氣體控制系統(tǒng)、攝像裝置，以及控溫預(yù)熱裝置，其中，升降臺裝置包括絲杠、光桿、滑塊、升降平臺、底部平臺，絲杠與光桿通過滑塊連接，垂直固定在底部平臺上，升降平臺連接在滑塊上；熔化裝置固定在升降平臺上，它包括鎢坩堝、銅坩堝、以及電弧加熱設(shè)備。電弧加熱設(shè)備的鎢極從銅坩堝頂部穿過，固定在靠近鎢坩堝內(nèi)壁處，鎢坩堝放置在銅坩堝內(nèi)部并與之焊接固定，銅坩堝側(cè)壁連接三通氣閥分為兩路，一路通過管路連接脈沖氣體控制系統(tǒng)，然后與氬氣氣瓶經(jīng)減壓閥減壓后分出的高流量的氣路連接，一路直接通過管路與氬氣氣瓶經(jīng)減壓閥減壓后的小流量的氣路連接；在鎢坩堝正下方的底部平臺上固定控溫預(yù)熱裝置，包括加熱設(shè)備、熱電偶以及溫控儀。在加熱設(shè)備的上方放置基體，熱電偶固定在基體上表面，然后與溫控儀連接，在加熱設(shè)備旁邊固定攝像裝置，拍攝高溫熔滴的下落過程。本發(fā)明的模擬顆粒沉積成型的試驗裝置，銅坩堝底部布置有環(huán)形水冷槽，頂部預(yù)置觀察窗口 ；鎢坩堝底部開孔，其直徑范圍在1. 5 3mm之間；脈沖氣體控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)氬氣的單次注入與連續(xù)注入，其脈沖頻率在1 IOOHz之間。本發(fā)明同時提供一種上述的模擬顆粒沉積成型的試驗裝置所采用的成型方法，它包括以下步驟1)在鎢坩堝中加入需熔煉的材料，并密封；2)調(diào)整升降臺到預(yù)定高度，打開氬氣瓶向鎢坩堝內(nèi)充入氬氣，氬氣流量為2 5L/ min ；3)待鎢坩堝內(nèi)空氣排盡后，接通冷卻水，啟動電弧加熱設(shè)備，在鎢極與鎢坩堝內(nèi)壁間起弧熔化坩堝內(nèi)材料，起弧電流為80 120A ；4)待材料完全熔化后，啟動脈沖氣體控制系統(tǒng)，向鎢坩堝內(nèi)通入氬氣，氬氣流量 15 20L/min，使鎢坩堝與外界達到較大壓差，從而使熔融金屬從鎢坩堝底部的孔噴射出， 通過脈沖氣體控制系統(tǒng)，調(diào)整氬氣的注入方式實現(xiàn)熔滴的逐滴噴射或連續(xù)噴射。5)根據(jù)攝像裝置所拍攝的熔滴圖像計算出熔滴的直徑，調(diào)整脈沖頻率和氬氣流量，從而獲得設(shè)定尺寸的均勻熔滴。本發(fā)明具有如下的有益效果1本發(fā)明采用電弧加熱的方式熔化材料，經(jīng)濟適用，尤其適用于難熔材料的熔化墜落，且可方便的實現(xiàn)熔滴的逐滴墜落與均勻連續(xù)墜落；2本發(fā)明工藝可控性強，可方便的通過調(diào)整脈沖氣體控制系統(tǒng)的脈沖頻率控制鎢坩堝與外界的壓差，減少產(chǎn)生的金屬熔滴與設(shè)定熔滴尺寸的誤差，從而獲得均勻尺寸的金屬顆粒；3本發(fā)明在鎢坩堝內(nèi)實現(xiàn)氬氣保護，能防止材料在熔化的過程中發(fā)生氧化；4本發(fā)明可直接制備在大小、形狀和熱力學(xué)條件等方面均一化的顆粒，并能保證顆粒準確的墜落在預(yù)設(shè)位置且墜落高度可調(diào)。


圖1本發(fā)明的模擬顆粒沉積成型的試驗裝置示意2本發(fā)明制備的高溫鉬熔滴沉積在不銹鋼基材上的表面形貌圖附圖中各代號含義1絲杠，2光桿，3滑塊，4升降平臺，5底部平臺，6鎢坩堝，7孔， 8銅坩堝，9觀察窗口，10鎢極，11環(huán)形水冷槽，12電弧加熱設(shè)備，13三通氣閥，14脈沖氣體控制系統(tǒng)，15減壓閥，16氬氣氣瓶，17，溫控儀18攝像裝置，19基體，20熱電偶，21加熱設(shè)備。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步詳述1參見圖1，本發(fā)明的模擬顆粒沉積成型的試驗裝置包括鎢坩堝6，銅坩堝7，鎢極10，電弧加熱設(shè)備12，脈沖氣體控制系統(tǒng)14，鎢坩堝6底部開孔7，固定在銅坩堝8內(nèi)部，銅坩堝底部布置環(huán)形水冷槽11，頂部預(yù)置觀察窗口 9，電弧加熱設(shè)備12的鎢極10，穿過預(yù)置窗口固定在鎢坩堝內(nèi)壁處，在銅坩堝的側(cè)壁連接三通氣閥13。2氬氣氣瓶16經(jīng)減壓閥15減壓后，分為兩路，一路先連接脈沖氣體控制系統(tǒng)14， 然后再連接到三通氣閥13，一路直接連接到三通氣閥13。3絲杠1、光桿2，通過滑塊3固定連接，然后整體固定在底部平臺5上，升降平臺4 固定在滑塊3上。4鎢坩堝正下方的底部平臺5上固定加熱設(shè)備21，在加熱設(shè)備21上放置基體19， 基體19表面預(yù)置熱電偶20，熱電偶20，加熱設(shè)備21通過連線與溫控儀17連接，在加熱設(shè)備21旁邊固定攝像裝置18。本實施例中，采用本發(fā)明的模擬顆粒沉積成型的裝置制備高溫熔滴的具體步驟如下(1)在底部開孔為2mm的鎢坩堝中加入需熔煉的金屬鉬30g，并密封；(2)調(diào)整升降臺，設(shè)定升降臺離基體高度為280mm，對鎢坩堝內(nèi)充入氬氣，流量為 2L/min，保證鎢坩堝內(nèi)充滿氬氣； (3)接通冷卻水，啟動電弧加熱設(shè)備，將鎢極接觸鎢坩堝內(nèi)壁起弧，熔化金屬鉬，起弧電流為100A ；(4)待鎢坩堝內(nèi)鉬材料完全熔化后，啟動脈沖氣體控制系統(tǒng)，向鎢坩堝內(nèi)注入氬氣，流量為20L/min，從而迫使熔滴從鎢坩堝底部噴射而出；(5)利用攝像裝置拍攝熔滴的下落過程，結(jié)合圖像計算熔滴的直徑，然后再微調(diào)脈沖頻率為50Hz，即可得到預(yù)定尺寸2. 5mm的熔滴，其結(jié)果見圖2，沉積在不銹鋼基體上的單個鉬顆粒呈典型的圓盤狀。
權(quán)利要求
1.一種模擬顆粒沉積成型的試驗裝置，包括升降臺裝置、熔化裝置、脈沖氣體控制系統(tǒng)以及控溫預(yù)熱裝置，其特征在于，所述的升降臺裝置包括絲杠(1)、光桿O)、滑塊(3)、升降平臺G)、底部平臺(5)，絲杠⑴與光桿⑵通過滑塊(3)連接，垂直固定在底部平臺(5) 上，升降平臺(4)連接在滑塊C3)上，所述的熔化裝置固定在升降平臺(4)上，它包括鎢坩堝(6)、銅坩堝(8)、以及電弧加熱設(shè)備(12)，電弧加熱設(shè)備(12)的鎢極(10)從銅坩堝(8) 頂部穿過，固定在靠近鎢坩堝(8)內(nèi)壁處，鎢坩堝(6)底部開孔(7)，放置在銅坩堝(8)內(nèi)部并與之固定，銅坩堝(8)的底部布置環(huán)形水冷槽(11)，側(cè)壁連接三通氣閥(1 分為兩路，一路先經(jīng)過脈沖氣體控制系統(tǒng)(14)，然后經(jīng)過減壓閥(1 與氬氣氣瓶(16)連接，一路經(jīng)過減壓閥(15)直接與氬氣氣瓶(16)連接，在鎢坩堝(6)正下方的底部平臺(5)上固定控溫預(yù)熱裝置，包括加熱設(shè)備(21)、熱電偶00)以及溫控儀(17)，在加熱設(shè)備的上方放置基體(19)，熱電偶OO)固定在基體(19)上表面，然后與溫控儀(17)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬顆粒沉積成型的試驗裝置，其特征在于，所述銅坩堝⑶頂部預(yù)置觀察窗口(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬顆粒沉積成型的試驗裝置，其特征在于，所述鎢坩堝(6)底部的孔(7)直徑范圍在1. 5 3mm之間。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的一種模擬顆粒沉積成型的試驗裝置，其特征在于，所述脈沖氣體控制系統(tǒng)(14)脈沖頻率在1 IOOHz之間。
5.應(yīng)用權(quán)利要求1所述的一種模擬顆粒沉積成型的試驗裝置進行模擬顆粒成型的方法，包括以下工藝步驟1)在鎢坩堝中加入需熔煉的材料，并密封；2)調(diào)整升降臺到預(yù)定高度，打開氬氣瓶向鎢坩堝內(nèi)充入氬氣；3)待鎢坩堝內(nèi)空氣排盡后，接通冷卻水，啟動電弧加熱設(shè)備，在鎢極與鎢坩堝內(nèi)壁間起弧熔化坩堝內(nèi)材料；4)待材料完全熔化后，啟動脈沖氣體控制系統(tǒng)，向鎢坩堝內(nèi)通入氬氣，氬氣流量15 20L/min，使鎢坩堝與外界達到較大壓差，從而使熔融金屬從鎢坩堝底部的孔噴射出，通過脈沖氣體控制系統(tǒng)，調(diào)整氬氣的注入方式實現(xiàn)熔滴的逐滴噴射或連續(xù)噴射；5)根據(jù)攝像裝置所拍攝的熔滴圖像計算出熔滴的直徑，調(diào)整脈沖頻率和氬氣流量，從而獲得設(shè)定尺寸的均勻熔滴。
全文摘要
本發(fā)明屬于熱噴涂及快速成型領(lǐng)域，尤其涉及一種用于模擬顆粒沉積成型的試驗裝置及方法。本發(fā)明采用電弧加熱的方式在鎢坩堝內(nèi)熔化材料，通過脈沖氣體控制系統(tǒng)向鎢坩堝內(nèi)注入氬氣，使鎢坩堝與外界達到較大壓差，從而使熔融金屬從鎢坩堝底部的孔噴射出，通過調(diào)整脈沖頻率控制噴射熔滴的尺寸，調(diào)整氬氣的注入方式，實現(xiàn)熔滴的逐滴噴射或均勻連續(xù)的噴射；通過調(diào)整升降平臺位置可以控制熔滴的墜落高度；加熱設(shè)備結(jié)合熱電偶與溫控儀可以控制基體的溫度。本發(fā)明特別適合于難熔材料的熔化沉積，制備的高溫熔滴尺寸均一、墜落高度、速度可調(diào)，且墜落位置精確。
文檔編號C23C4/00GK102534453SQ201210009218
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者李輝, 栗卓新, 王本鵬, 班書英, 馬司鳴, 魏琪 申請人:北京工業(yè)大學(xué)