專利名稱：同軸激光器輔助的冷噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及熱噴涂，并且更具體地涉及一種同軸激光器輔助的冷噴嘴。
背景技術(shù)：
本節(jié)提供了涉及本公開但并不一定是現(xiàn)有技術(shù)的背景信息。熱噴涂是用于涂覆基材的技術(shù)，例如，為了防止基材腐蝕。冷噴涂是熱噴涂的一種類型，其中，由載氣使固體粒子流通過噴嘴并朝向基材加速到高速。粒子在與基材碰撞時具有足夠的動能從而發(fā)生塑性變形并且冶金地/機(jī)械地結(jié)合于基材以形成涂層。將粒子加速到使得能夠產(chǎn)生涂層的臨界速度。該臨界速度取決于粒子和基材的屬性(即，可變形能力、形狀、大小、溫度等)。為了使粒子更具塑形從而在沖擊時變形，還可以通過載氣將粒子加熱。從該氣體供應(yīng)的熱量取決于粒子和基材的屬性。過于堅硬的基材(例如，工具鋼)可能難以通過冷噴涂來涂覆。這是因為基材可能無法充分地變形以允許粒子結(jié)合并形成涂層。粒子的沖擊還可能造成基材的破裂。此外，過于柔軟的基材(例如，聚合物)也可能難以使用冷噴涂技術(shù)來涂覆。例如，這些基材可能被粒子的沖擊和/或用來加速粒子的氣體的高溫所破壞。此外，一些粒子可能不適于冷噴涂。例如，過于堅硬的粒子(例如，陶瓷)在沖擊基材時可能無法充分地變形以結(jié)合并涂覆基材。

發(fā)明內(nèi)容
本節(jié)提供本公開的總體發(fā)明內(nèi)容，而不是本公開的全部范圍或本公開的所有特征的全面公開。公開了一種用于將粒子涂層施加到基材上的冷噴嘴組件。噴嘴組件包括限定具有噴嘴出口的內(nèi)部通道的噴嘴。噴嘴組件還包括與內(nèi)部通道連通的粒子供給構(gòu)件。粒子供給構(gòu)件供給粒子以流動并加速通過內(nèi)部通道并且朝向基材經(jīng)由噴嘴出口離開噴嘴，以涂覆在基材上。此外，噴嘴組件包括發(fā)射出傳輸通過內(nèi)部通道的激光束的激光器。激光器加熱粒子和基材中的至少一個以促進(jìn)使用粒子對基材的涂覆。此外，公開了一種用于將粒子涂層施加到基材上的方法。所述方法包括供給粒子以流動并加速通過噴嘴的內(nèi)部通道并且朝向基材經(jīng)由噴嘴出口離開噴嘴。所述方法還包括傳輸激光束通過內(nèi)部通道以加熱粒子和基材中的至少一個，以促進(jìn)使用粒子對基材的涂覆。還公開了一種用于將粒子涂層施加到基材上的冷噴嘴組件。冷噴嘴組件包括限定內(nèi)部通道的噴嘴，內(nèi)部通道具有噴嘴入口、噴嘴出口以及延伸穿過噴嘴入口和噴嘴出口的大致直的縱向軸線。內(nèi)部通道在垂直于所述縱向軸線截取的橫截面上是矩形的，并且所述橫截面沿著整個噴嘴從噴嘴入口到噴嘴出口保持為矩形。內(nèi)部通道還包括鄰近噴嘴入口的會聚段和鄰近噴嘴出口的擴(kuò)散段。噴嘴還包括與擴(kuò)散段連通并且橫交于內(nèi)部通道的所述縱向軸線延伸的粒子供給入口。噴嘴組件還包括與粒子供給入口連通的粒子供給構(gòu)件。粒子供給構(gòu)件供給粒子以流動并加速通過內(nèi)部通道并且朝向基材經(jīng)由噴嘴出口離開噴嘴，以涂覆在基材上。此外，噴嘴組件包括氣體供給構(gòu)件，氣體供給構(gòu)件向內(nèi)部通道供給氣體以流通通過噴嘴的內(nèi)部通道，從而加速粒子。此外，噴嘴組件包括發(fā)射出激光束的激光器，激光束經(jīng)由噴嘴入口傳輸?shù)絿娮熘?、通過內(nèi)部通道并經(jīng)由噴嘴出口離開噴嘴。激光器加熱粒子和基材兩者以促進(jìn)使用粒子對基材的涂覆。此外，噴嘴組件包括使噴嘴和基材中的至少一個 相對于另一個移動的操作裝置。通過本文提供的描述，另外的適用領(lǐng)域?qū)⒆兊妹黠@。在該發(fā)明內(nèi)容中的描述和具體示例僅僅出于示例性目的而非旨在對本公開的范圍進(jìn)行限制。


在此描述的附圖僅用于對所選擇的實施方式而非所有可能的實現(xiàn)方式的示例性目的，并且其不是旨在對本公開的范圍進(jìn)行限制。圖I是根據(jù)本公開的多個示例性實施方式的冷噴嘴組件的立體圖；圖2是圖I的冷噴嘴組件的縱向剖視圖；圖3是示出在圖I的冷噴嘴組件的激光器工作期間，冷噴嘴組件的縱向剖視圖；圖4是圖I的冷噴嘴組件的噴嘴的縱向剖視圖；圖5是已使用圖I的冷噴嘴組件進(jìn)行涂覆的平面基材的視圖；以及圖6是已使用圖I的冷噴嘴組件進(jìn)行涂覆的管狀基材的視圖。在附圖的一些視圖中，相應(yīng)的參考數(shù)字表示相應(yīng)的部件。
具體實施例方式現(xiàn)在將參照附圖更全面地描述示例性實施方式。首先參照圖I至圖4，圖示了根據(jù)本公開的多個示例性實施方式的冷噴嘴組件10。冷噴嘴組件10可以用于將粒子12的涂層11施加到基材14上(圖1、5和6)，下面將更詳細(xì)地進(jìn)行描述。組件10可以包括具有大致直的縱向軸線X的噴嘴16。如圖2至圖4所示，噴嘴16可以限定平行于軸線X延伸的內(nèi)部通道18。內(nèi)部通道18還可以包括在內(nèi)部通道18的相反端處的噴嘴入口 20和噴嘴出口 22(圖2至4)。如在圖4中最佳所示的，內(nèi)部通道18可以包括鄰近噴嘴入口 20的會聚段24和鄰近噴嘴出口 22的擴(kuò)散段26。更具體地，會聚段和擴(kuò)散段24、26都可以是漸縮的。會聚段24背離入口 20變窄，并且擴(kuò)散段26朝向出口22變寬。會聚段24連接到擴(kuò)散段26以限定肩部27(圖4)。如所討論的，粒子12流動通過內(nèi)部通道18，并且會聚段24和擴(kuò)散段26確保通道18內(nèi)的適合流場，使得粒子12以足夠的速度運(yùn)動從而涂覆基材14。如圖I所示，出口 22可以是大致矩形的。更具體地，內(nèi)部通道18可以具有在鄰近出口 22處垂直于軸線X截取的大致矩形截面。整個內(nèi)部通道18可以具有沿著通道18的整個軸線X的類似的大致矩形橫截面；然而，明顯的是，由于會聚段24和擴(kuò)散段26的漸縮，這種橫截面的面積將沿著軸線X發(fā)生改變。還可以理解，可替代地，內(nèi)部通道18和出口 22能夠具有任何適合的(非矩形)形狀。此外，如圖4所示，噴嘴16可以包括一個或多個粒子供給入口 28a、28b。噴嘴16可以包括任何數(shù)量的入口 28a、28b，并且28a、28b可以設(shè)置在任何適合的位置。在示出的實施方式中，存在對稱設(shè)置在軸線X的相反側(cè)的兩個入口 28a、28b。粒子供給入口 28a、28b 可以各自與軸線X橫交地延伸。例如，粒子供給入口 28a、28b可以各自相對于軸線X成正的銳角并且大體朝向出口 22設(shè)置。如圖I所示，組件10可以包括以30示意性示出的粒子供給構(gòu)件。粒子供給工件30可以經(jīng)由入口 28a、28b與噴嘴16的內(nèi)部通道18 (流體)連通。例如，粒子供給構(gòu)件30可以包括一個或多個管29a、29b (圖I至圖3)，管29a、29b分別接收在入口 28a、28b內(nèi)并且與入口 28a、28b可操作地聯(lián)接。由此，如所討論的，可以從供給構(gòu)件30的管29a、29b供給粒子12以流過入口 28a、28b、流過內(nèi)部通道18并且朝向基材14流出噴嘴出口 22，從而用粒子12涂覆基材14?？梢岳斫?，粒子12可以是任何適合的類型。例如，粒子12可以是金屬的、聚合物的和/或陶瓷的粉末化的粒子12。此外，粒子12可以是金屬的、聚合物的和/或陶瓷的粒子12的復(fù)合混合物。參照圖I至圖3，組件10可以進(jìn)一步包括壓力管32。壓力管32可以包括第一支路34、第二支路36和第三支路38，這三個支路中的每一個均是中空的并且彼此流體連通。第一支路34、第二支路36和第三支路38還可以與噴嘴入口 20流體連通。第一支路34可以直接固定到噴嘴16，從而與軸線X同軸。第二支路36和第三支路38可以相對于軸線X以銳角設(shè)置并且可以大體指向噴嘴入口 20。第三支路38可以設(shè)置在第二支路36與噴嘴入口 20之間。此外，如圖I所示，組件10可以包括氣體供給構(gòu)件31。氣體供給構(gòu)件31可以與壓力管32的第二支路36流體連通。氣體供給構(gòu)件31可以供給任何適合的氣體以對噴嘴16的內(nèi)部通道18進(jìn)行加壓。此外，組件10可以包括激光器40。激光器40可以是任何適合的類型，例如是已知類型的二極管激光器。激光器40可以包括光纖電纜42和至少一個或多個(例如，三個)透鏡44a、44b、44c (圖2)。激光器40可以可操作地連接于壓力管32的第一支路34，從而與軸線X大致同軸。如所討論的，激光器40可以發(fā)射出激光束46(圖I和圖3)，該激光束46傳輸通過噴嘴16的內(nèi)部通道18的入口 20并且經(jīng)由出口 22離開噴嘴16朝向基材14傳輸。盡管可能發(fā)生光束46離開軸線X的一定程度的傳播，激光束46可與軸線X大致平行且同軸地指向基材14。如圖I所示，組件10可進(jìn)一步包括平臺49，壓力管32和激光器40安裝在平臺49上。組件10還可以包括使平臺49和/或基材14相對于彼此移動的操作裝置50。在示出的實施方式中，操作裝置50可操作地聯(lián)接于平臺49，使得可以在基材14保持靜止的同時移動平臺49 ;然而，可以理解，操作裝置50可以在平臺49保持靜止的同時移動基材14，或者操作裝置50可以配置為使平臺49和基材14都相對于彼此移動。操作裝置50可以是任何適合的類型，例如是機(jī)器人操作裝置50。當(dāng)操作裝置50移動平臺49時，激光器40、壓力管32和噴嘴16相對于基材14作為一個整體移動。此外，組件10可以包括控制器52。控制器52可以是任何適合的類型，例如是可編程計算機(jī)?？刂破?2可以與激光器40、操作裝置50、氣體供給構(gòu)件31和粒子供給構(gòu)件30連通以用于操作其中的每一個?？刂破?2還可以與第三支路38連通以用于接收關(guān)于噴嘴16和壓力管32內(nèi)部的壓力的反饋。例如，壓力傳感器(未示出)可以可操作地聯(lián)接于第三支路38以檢測噴嘴16和壓力管32內(nèi)部的壓力，并且壓力傳感器還可以向用于控制組件10的控制器52提供相關(guān)的電子反饋信號。
在工作期間，控制器52可以使用操作裝置50將組件10移動到相對于基材14的所需位置。當(dāng)處在適當(dāng)?shù)奈恢脮r，控制器52可以操作激光器40發(fā)射出通過壓力管32、通過噴嘴16并朝向基材14的激光束46。激光束46的能量可以將基材14加熱以使得基材14更易于塑性變形并使基材14準(zhǔn)備好進(jìn)行涂覆?？梢岳斫?，根據(jù)基材14的材料類型?？梢栽谝恍嵤┓绞街惺÷曰?4的這種“預(yù)處理”。另外，在一些實施方式中，控制器52可使氣體供給構(gòu)件31在激光器40的工作之前以及工作期間將氣體供給到內(nèi)部通道18中以及供給到基材14。這樣，氣體可以降低基材14被氧化的可能性。在激光器40已開始工作之后，控制器52可以使粒子供給構(gòu)件30供給粒子12。可以通過氣體將粒子12在內(nèi)部通道18內(nèi)加速達(dá)到或超過臨界速度并且指向基材14。激光束46的能量可以在朝向基材14飛行期間加熱粒子12。由于粒子12被加熱，所以粒子12在沖擊基材14時可以更容易地塑性變形。此外，隨著粒子12朝向基材14噴射，激光束46的能量可以繼續(xù)加熱基材14。由此，基材14可以更容易地塑性變形。操作裝置50可以連續(xù)地移動組件10以使用粒子12在預(yù)定區(qū)域上均勻地涂覆基材14。在圖5中示出了平面基材14上的涂層11的示例，并且在圖6中示出了管狀基材14上的涂層11的示例。因此，組件10可以用來使用粒子12來涂覆基材14。與一般用在冷噴涂工藝中的基材相比，可以使用更多種類的基材14(例如，更硬的或更軟的基材14)。具體地，由于通過激光器40而不是像現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中那樣僅僅通過高壓氣體來導(dǎo)致粒子12的加熱，所以可以以相對低的壓力來供給粒子12。同樣地，出于同樣的原因可以降低粒子12的臨界速度。由于這些原因，粒子12的沖擊不大可能破壞基材14。因此，基材14可以比一般通過冷噴涂工藝進(jìn)行涂覆的基材更軟或更硬。另外，與一般用在冷噴涂工藝中的粒子相比，可以使用更多種類的粒子12(例如，更硬的或更軟的復(fù)合粒子12)。這是由于在粒子12沖擊基材14之前激光器40加熱粒子12并且允許粒子12更容易地塑性變形。此外，基材14并不一定需要被保護(hù)免受氧化(例如，在受保護(hù)的環(huán)境室中)。這是由于基材14的被激光束46影響的區(qū)域保持在由氣體供給構(gòu)件31供給的氣流內(nèi)。此外，由于內(nèi)部通道18的矩形截面以及由于噴嘴出口 22的矩形形狀，與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)相比，粒子12可以以相當(dāng)均勻的厚度沉積在基材14上(見圖5和圖6)。因此，完成的部分可以更有美感，可以更好地與其它部分配合，并且由于在原地的退火可以具有更好的耐腐蝕性。出于示例和描述的目的提供了實施方式的前述描述。其并非意在窮舉性的或?qū)Ρ竟_進(jìn)行限制。
具體實施方式
中的單獨(dú)要素或特征通常不局限于該具體實施方式
。而是在適用的情況下，可以進(jìn)行互換并且可以用在選定的實施方式中，即使沒有特別地示出或描述。實施方式也可以以多種方式變化。這種變化不視為脫離了本公開，并且所有這種修改 旨在包括在本公開的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種用于將粒子涂層施加到基材上的冷噴嘴組件，包括 噴嘴，所述噴嘴限定具有噴嘴出口的內(nèi)部通道； 粒子供給構(gòu)件，所述粒子供給構(gòu)件與所述內(nèi)部通道連通，所述粒子供給構(gòu)件供給粒子以流動并加速通過所述內(nèi)部通道并且朝向所述基材經(jīng)由所述噴嘴出ロ離開所述噴嘴，以涂覆在所述基材上；以及 激光器，所述激光器發(fā)射出激光束，所述激光束傳輸通過所述內(nèi)部通道，所述激光器對粒子和所述基材中的至少其中之ー進(jìn)行加熱以促進(jìn)使用粒子對所述基材的涂覆。
2.如權(quán)利要求I所述的冷噴嘴組件，其中，所述內(nèi)部通道具有大致直的縱向軸線，并且其中所述激光束大致平行于所述縱向軸線、離開所述噴嘴出口并且朝向所述基材指向。
3.如權(quán)利要求2所述的冷噴嘴組件，其中，所述激光束與所述縱向軸線大致平行且同軸地指向。
4.如權(quán)利要求3所述的冷噴嘴組件，其中，所述內(nèi)部通道包括噴嘴入ロ，所述縱向軸線延伸穿過所述噴嘴入口和所述噴嘴出口，并且其中所述激光器可操作地聯(lián)接于所述噴嘴，使得所述激光束經(jīng)由所述噴嘴入口傳輸?shù)剿鰢娮熘小?br> 5.如權(quán)利要求I所述的冷噴嘴組件，其中，所述噴嘴的所述內(nèi)部通道在垂直于所述內(nèi)部通道的縱向軸線截取的截面上是大致矩形。
6.如權(quán)利要求I所述的冷噴嘴組件，其中，所述噴嘴包括粒子供給入口，所述粒子供給入口具有與所述內(nèi)部通道的縱向軸線橫交的軸線，其中所述粒子供給構(gòu)件經(jīng)由所述粒子供給入口與所述內(nèi)部通道連通。
7.如權(quán)利要求6所述的冷噴嘴組件，其中，所述內(nèi)部通道包括會聚段和位于所述會聚段下游的擴(kuò)散段，其中所述粒子供給入口與所述擴(kuò)散段直接連通。
8.如權(quán)利要求I所述的冷噴嘴組件，其中，所述激光器是ニ極管激光器。
9.如權(quán)利要求I所述的冷噴嘴組件，其中，所述粒子供給構(gòu)件與位于所述激光器下游的所述內(nèi)部通道連通，使得粒子被所述激光束加熱。
10.如權(quán)利要求I所述的冷噴嘴組件，還包括操作裝置，所述操作裝置使所述噴嘴和所述基材中的至少ー個相對于另ー個移動。
11.如權(quán)利要求I所述的冷噴嘴組件，還包括設(shè)置在所述激光器與所述噴嘴之間的壓力管，所述壓カ管與所述內(nèi)部通道流體連通，并且所述冷噴嘴組件還包括氣體供給構(gòu)件，所述氣體供給構(gòu)件向所述壓カ管供給氣體以流動通過所述噴嘴的所述內(nèi)部通道并且流出所述噴嘴出口。
12.—種將粒子涂層施加到基材上的方法，包括 供給粒子以流動并加速通過噴嘴的內(nèi)部通道并且朝向所述基材經(jīng)由噴嘴出口離開所述噴嘴；以及 傳輸激光束通過所述內(nèi)部通道以加熱粒子和所述基材中的至少ー個，以促進(jìn)使用粒子對所述基材的涂覆。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，傳輸激光束包括使用所述激光束加熱所述基材，其中使用所述激光束加熱所述基材發(fā)生在供給粒子以流動通過所述內(nèi)部通道之前。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，傳輸激光束包括使用所述激光束加熱所述基材，其中使用所述激光束加熱所述基材發(fā)生在供給粒子以流動并加速通過所述噴嘴的所述內(nèi)部通道的同時。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，傳輸激光束包括傳輸所述激光束離開所述噴嘴出口。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，傳輸激光束包括與所述內(nèi)部通道的縱向軸線大致平行且同軸地傳輸所述激光束。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括將氣體供給到所述內(nèi)部通道中以對所述內(nèi)部通道進(jìn)行加壓，所述氣體使粒子加速以朝向所述基材通過所述內(nèi)部通道。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，傳輸激光包括使用所述激光束加熱粒子和所述基材兩者。
19.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括使所述噴嘴和所述基材中的至少一個相對于另一個移動。
20.一種用于將粒子涂層施加到基材上的冷噴嘴組件，包括 限定內(nèi)部通道的噴嘴，所述內(nèi)部通道具有噴嘴入口、噴嘴出口以及延伸穿過所述噴嘴入口和所述噴嘴出口的大致直的縱向軸線，所述內(nèi)部通道在垂直于所述縱向軸線截取的橫截面上是矩形的，所述橫截面沿著整個噴嘴從所述噴嘴入口到所述噴嘴出口保持為矩形，所述內(nèi)部通道還包括鄰近所述噴嘴入口的會聚段和鄰近所述噴嘴出口的擴(kuò)散段，所述噴嘴還包括粒子供給入口，所述粒子供給入口與所述擴(kuò)散段連通并且與所述內(nèi)部通道的所述縱向軸線橫交地延伸； 粒子供給構(gòu)件，所述粒子供給構(gòu)件與所述粒子供給入口連通，所述粒子供給構(gòu)件供給粒子以流動并加速通過所述內(nèi)部通道并且朝向所述基材經(jīng)由所述噴嘴出口離開所述噴嘴，以涂覆在所述基材上； 氣體供給構(gòu)件，所述氣體供給構(gòu)件向所述內(nèi)部通道供給氣體以流動通過所述噴嘴的所述內(nèi)部通道，從而使粒子加速； 激光器，所述激光器發(fā)射出激光束，所述激光束經(jīng)由所述噴嘴入口傳輸?shù)剿鰢娮熘?、通過所述內(nèi)部通道并且經(jīng)由所述噴嘴出口離開所述噴嘴，所述激光器對粒子和所述基材兩者進(jìn)行加熱以促進(jìn)使用粒子對所述基材的涂覆；以及 操作裝置，所述操作裝置使所述噴嘴和所述基材中的至少一個相對于另一個移動。
全文摘要
一種用于將粒子涂層施加到基材上的冷噴嘴組件，包括限定具有噴嘴出口的內(nèi)部通道的噴嘴。所述噴嘴組件還包括與內(nèi)部通道連通的粒子供給構(gòu)件。粒子供給構(gòu)件供給粒子以流動并加速通過內(nèi)部通道并且朝向基材經(jīng)由噴嘴出口離開噴嘴，以涂覆在基材上。此外，所述噴嘴組件包括發(fā)射出激光束的激光器，激光束傳輸通過內(nèi)部通道。激光器加熱粒子和基材中的至少一個以促進(jìn)使用粒子對基材的涂覆。
文檔編號B05B7/16GK102712007SQ201080061809
公開日2012年10月3日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月4日
發(fā)明者普拉萬舒·S·莫漢蒂 申請人:密執(zhí)安州立大學(xué)董事會