CN114653971B - 一种氢动力金属固态沉积装置及方法 - Google Patents

一种氢动力金属固态沉积装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氢动力金属固态沉积装置及方法,属于金属固态沉积技术领域。该装置包括物料传输***、拉法尔喷嘴及氢气回收***;物料传输***包括送粉器和气体加热器,送粉器和气体加热器均与用于设置于密闭喷涂室内的拉法尔喷嘴的入口连接;氢气回收***分别与密闭喷涂室及气体加热器的入口连接以使氢气在密闭条件下循环。通过氢气回收***将密闭喷涂室内喷涂后的氢气进行回收并使其进入气体加热器中加热后,作为加速气体继续对待喷涂的微米级粉末颗粒进行加速,能够低成本、高效地实现微米级粉末颗粒加速效果及碰撞沉积性能的显著提升,降低增材金属沉积体的氧含量,大幅提升金属沉积体的力学、电学、磁学等性能。

Description

一种氢动力金属固态沉积装置及方法
技术领域
本发明涉及金属固态沉积技术领域,具体而言,涉及一种氢动力金属固态沉积装置及方法。
背景技术
金属固态增材制造作为一种新兴的表面处理工程新技术,是传统热喷涂技术的重要补充之一,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(氮气、氦气、空气或混合气体等)携带金属粉末颗粒进入高速气流,通过缩放管(Laval管)产生超音速气固两相流,粉末颗粒经超音速喷管加速后在固态状态下高速碰撞基体,通过强烈的塑性变形实现微米级粉末颗粒的沉积。
目前,工业可用的能够显著提升粒子碰撞速度的工艺,通常要以价格昂贵的氦气(约为空气和氮气的20-80倍)作为加速气体;通过提高加速气体的温度也可一定程度提高喷涂粒子的沉积速度,但效果有限。同时,加速气体温度过高,对于金属粉末有一定的加热作用,在沉积铝、铜、镍、不锈钢等材料时,易造成喷枪堵塞,严重影响冷喷涂的工艺性能。
鉴于此,特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种氢动力金属固态沉积装置,以解决上述技术问题。
本发明的目的之二在于提供一种采用上述氢动力金属固态沉积装置进行氢动力金属固态沉积的方法。
本申请可这样实现:
第一方面,本申请提供一种氢动力金属固态沉积装置,包括物料传输***、拉法尔喷嘴以及氢气回收***;
物料传输***包括送粉器和气体加热器,送粉器和气体加热器均与用于设置于密闭喷涂室内的拉法尔喷嘴的入口连接;
氢气回收***分别与密闭喷涂室以及气体加热器的入口连接以使作为加速气的氢气在密闭条件下循环使用。
在可选的实施方式中,氢动力金属固态沉积装置还包括粉末预热反应腔,送粉器的出口经第一送粉管与粉末预热反应腔的入口连接,气体加热器的出口经第一主气管与粉末预热反应腔的入口连接,粉末预热反应腔的出口与拉法尔喷嘴的入口连接。
在可选的实施方式中,氢动力金属固态沉积装置还包括热电偶和压力检测器,热电偶和压力检测器均设置于粉末预热反应腔。
在可选的实施方式中,物料传输***还包括送粉氢气源,送粉氢气源的出口经第二送粉管与送粉器的入口连接。
在可选的实施方式中,物料传输***还包括加速氢气源,加速氢气源的出口经第二主气管与气体加热器的入口连接,氢气回收***的出口与加速氢气源的入口连接。
在可选的实施方式中,第一主气管和第二主气管的外壁均设有保温层。
在可选的实施方式中,氢气回收***包括依次连接的抽气泵、过滤器、压缩机和储氢罐,抽气泵的入口和出口分别与密闭喷涂室和过滤器连接,储氢罐的入口和出口分别与压缩机和加速氢气源连接。
在可选的实施方式中,氢动力金属固态沉积装置还包括氢气探测器,密闭喷涂室、氢气回收***、送粉氢气源、加速氢气源、送粉器、气体加热器、第一主气管、第二主气管、第一送粉管和第二送粉管均设有氢气探测器。
在可选的实施方式中,氢动力金属固态沉积装置还包括总控***,总控***与氢气回收***、送粉氢气源、加速氢气源、送粉器、气体加热器、第一主气管、第二主气管、第一送粉管、第二送粉管、热电偶和压力检测器均电信号连接。
在可选的实施方式中,氢动力金属固态沉积装置还包括密闭喷涂室,密闭喷涂室内还设有基体,基体设置于拉法尔喷嘴的出口端。
第二方面,本申请提供一种氢动力金属固态沉积方法,采用前述实施方式任一项的氢动力金属固态沉积装置进行沉积。
在可选的实施方式中,送粉氢气源的压力为1.5-10MPa。
在可选的实施方式中,加速氢气源的压力为1-9.5MPa。
在可选的实施方式中,气体加热器的加热温度为100-1200℃。
在可选的实施方式中,待喷涂的微米级金属粉末颗粒由拉法尔喷嘴喷出后的速度为1000-5000m/s。
本申请的有益效果包括:
本申请提供的氢动力金属固态沉积装置及方法,通过将拉法尔喷嘴和基体设置于密闭喷涂室内,并使密闭喷涂室外接氢气回收***,实现了以氢气为工作气体进行金属固态沉积,该过程氢气被回收以安全闭环使用,避免了氢气与空气接触,克服了其在一定条件下与空气接触后易燃易爆的问题。该方法能够低成本、高效地实现微米级粉末颗粒加速效果(显著提高金属粉末粒子的碰撞速度)及碰撞沉积性能的显著提升(如提高冷喷涂沉积体界面结合,降低孔隙率),降低增材金属沉积体的氧含量,大幅提升金属沉积体的力学、电学、磁学等性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请提供的氢动力金属固态沉积装置的结构示意图。
图标:11-送粉氢气源;12-加速氢气源;13-送粉器;14-气体加热器;2-粉末预热反应腔;3-拉法尔喷嘴;4-基体;5-旋转台;61-抽气泵;62-过滤器;63-压缩机;64-储氢罐;7-氢气探测器;15-第一送粉管;16-第二送粉管;17-第一主气管;18-第二主气管;8-涂层;9-超音速氢气射流。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请提供的氢动力金属固态沉积装置及方法进行具体说明。
对于不同的气体,相对分子质量越小,可以使气流加速更加显著,虽然使用氦气比氮气、空气、氩气的加速效果要优秀很多,但其价格昂贵。因此,目前工业生产中还是已使用氮气、空气为主,其次是氦气及氦、氮混合气体。
发明人提出:使用氢气作为加速气体进行金属粉末的固态沉积可获得更优的加速效果,但氢气属于易燃易爆气体,其储存、搬运和使用受到很大限制。
基于此,请参照图1,本申请提供一种氢动力金属固态沉积装置,包括物料传输***、拉法尔喷嘴3以及氢气回收***;
物料传输***包括送粉器13(高压送粉器13)和气体加热器14,送粉器13和气体加热器14均与用于设置于密闭喷涂室内的拉法尔喷嘴3的入口连接;
氢气回收***分别与密闭喷涂室以及气体加热器14的入口连接以使作为加速气的氢气在密闭条件下循环使用。
也即,本申请通过设置氢气回收***,将密闭喷涂室内喷涂后的氢气进行回收并使其进入气体加热器14中,加热后作为加速气体继续对待喷涂的微米级粉末颗粒进行加速,使氢气在密闭条件下循环使用和工作,避免了氢气与空气接触,克服了其在一定条件下与空气接触后易燃易爆的问题。
此外,发明人还提出:金属粉末表面天然的存在百纳米级别的氧化膜,金属固态沉积碰撞过程产生的氧化膜碎片,不可避免留存于界面,阻碍粒子间的界面结合;而本申请使用氢气进行金属固态沉积,氢气环境中,对金属粉末加热可以实现部分金属氧化膜的反应还原,能够降低粉末表面氧化膜厚度和面积,进而减小相应金属沉积体的含氧量,优化相应沉积体的界面结合和性能。
可参考地,上述氢动力金属固态沉积装置还包括密闭喷涂室,密闭喷涂室内还设有基体4,基体4设置于拉法尔喷嘴3的出口端。且基体4与拉法尔喷嘴3的出口间隔设置。
密闭喷涂室内还设有旋转台5,待喷涂的基体4放置于旋转台5上,喷涂时,旋转台5旋转以使待喷涂的微米级金属粉末颗粒不断均匀沉积于基体4各个位置的表面。
进一步地,金属固态沉积装置还包括粉末预热反应腔2,送粉器13的出口经第一送粉管15与粉末预热反应腔2的入口连接,气体加热器14的出口经第一主气管17与粉末预热反应腔2的入口连接,粉末预热反应腔2的出口与拉法尔喷嘴3的入口连接。
上述粉末预热反应腔2也设置于密闭喷涂室内,以使经气体加热器14加热后的氢气在粉末预热反应腔2内对待喷涂的微米级金属粉末颗粒和送粉气(氢气)进行预热,随后再一并通入拉法尔喷嘴3内。
拉法尔喷嘴3由粉末预热反应腔2至基体4方向,依次设有收缩段、喉部以及扩张段。
也即,待喷涂的微米级金属粉末颗粒由进入送粉器13的送粉气携带进入拉法尔喷嘴3前段(粉末预热反应腔2)。在粉末预热反应腔2,此处送粉氢气、加速氢气和粉末颗粒充分混合,金属粉末颗粒在加热条件下,实现表面氧化膜的反应还原;随后,高压氢气携带金属粉末先后通过拉法尔喷嘴3的收缩段、喉部和扩张段,完成对待沉积粉末颗粒的有效加速(1000-5000m/s),然后依次碰撞到基体4表面,经历强烈塑性变形,动能热能转换、界面扩散,形成沉积,得到涂层8。
较佳地,金属固态沉积装置还包括热电偶和压力检测器,热电偶和压力检测器均设置于粉末预热反应腔2,其中,热电偶用于检测粉末预热反应腔2内的温度,以便于控制粉末预热反应腔2内的温度从而避免粉末颗粒在此处熔化;压力检测器用于检测粉末预热反应腔2内的压力,以便于控制粉末预热反应腔2内的压力从而避免压力过大发生***。
进一步地,物料传输***还包括送粉氢气源11,送粉氢气源11的出口经第二送粉管16与送粉器13的入口连接,以经送粉器13输入至粉末预热反应腔2内。
进一步地,物料传输***还包括加速氢气源12,加速氢气源12的出口经第二主气管18与气体加热器14的入口连接,氢气回收***的出口与加速氢气源12的入口连接。
在优选的实施方式中,第一主气管17和第二主气管18的外壁均设有保温层,以维持第一主气管17和第二主气管18内高温氢气的温度。
上述送粉氢气源11、加速氢气源12、送粉器13和气体加热器14均位于密闭喷涂室外,第一主气管17和第一送粉管15的部分管段均穿过密闭喷涂室以与位于密闭喷涂室内的粉末预热反应腔2的入口连接。
本申请中,氢气回收***包括依次连接的抽气泵61、过滤器62、压缩机63和储氢罐64,抽气泵61的入口和出口分别与密闭喷涂室和过滤器62连接,储氢罐64的入口和出口分别与压缩机63和加速氢气源12连接。
也即,在密闭喷涂室内的氢气由抽气泵61抽出,经过滤器62去除氢气中夹杂的固态杂质后,送入压缩机63内,再通过压缩机63将氢气送入储氢罐64(高压储氢罐64)中,从而完成氢气的密闭回收。储氢罐64与加速氢气源12连接,长期工作时可实现作为加速气的氢气的闭环连续使用。
需说明的是,储氢罐64仅与加速氢气源12连接而不与送粉氢气源11(相应的用气量较小)连接,可提高喷涂的稳定性。若其同时与加速氢气源12和送粉氢气源11连接,不但技术上难以控制,而且喷涂的稳定性会大大下降。
进一步地,氢动力金属固态沉积装置还包括氢气探测器7,密闭喷涂室、氢气回收***、送粉氢气源11、加速氢气源12、送粉器13、气体加热器14、第一主气管17、第二主气管18、第一送粉管15和第二送粉管16均设有氢气探测器7。
其中,氢气回收***内的抽气泵61、过滤器62、压缩机63及储氢罐64均设有氢气探测器7。
通过设置氢气探测器7,可在氢气出现泄漏后及时进行***急停,避免出现安全事故。
进一步地,本申请提供的氢动力金属固态沉积装置还包括总控***(图未示),参照现有技术中的控制***即可,在此不做过多赘述。
该总控***可与氢气回收***、送粉氢气源11、加速氢气源12、送粉器13、气体加热器14、第一主气管17、第二主气管18、第一送粉管15、第二送粉管16、热电偶和压力检测器均进行电信号连接。
更具体的,第一主气管17、第二主气管18、第一送粉管15和第二送粉管16的管道上分别设有第一阀门(图未示)、第二阀门(图未示)、第三阀门(图未示)和第四阀门(图未示),总控***与第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门均电信号连接。
通过总控***,不仅可实现自动化控制整个喷涂过程,而且还可及时控制各个设备的工作状态和工艺参数。
需说明的是,本申请未公开的其它内容可参照现有技术,在此不做过多赘述。
相应地,本申请提供了氢动力金属固态沉积方法,采用上述氢动力金属固态沉积装置进行沉积。
具体的,喷涂时,送粉氢气源11引出的送粉氢气经第二送粉管16进入高压送粉器13内,携带送粉器13内的待喷涂的微米级粉末颗粒经第一送粉管15进入粉末预热反应腔2中;加速氢气源12引出的高压氢气经第二主气管18进入气体加热器14(管状气体加热器14)内,加热后经第一主气管17通入至粉末预热反应腔2内;此时,粉末预热反应腔2内的送粉氢气、加速氢气和粉末颗粒充分混合,金属粉末颗粒在加速氢气的加热条件下,实现表面氧化膜的反应还原;随后,高压氢气携带金属粉末先后通过拉法尔碰嘴的收缩段、喉部和扩张段,完成对待沉积粉末颗粒的有效加速(1000-5000m/s),金属粉末在超音速氢气射流9的作用下碰撞到基体4表面,经历强烈塑性变形,动能热能转换、界面扩散,形成沉积,得到涂层8。
在上述喷涂过程中,抽气泵61将密闭喷涂室中的氢气抽出,经过滤器62过滤后,送入压缩机63,再通过压缩机63将氢气送入高压储氢罐64,从而完成氢气的密闭回收。高压储氢罐64与加速氢气源12连接,可实现作为加速气体的氢气的闭环使用。
并且,在上述喷涂过程中,热电偶和压力检测器始终对粉末预热反应腔2内的温度和压力进行监测,氢气探测器7对每个结构的氢气泄漏情况进行监测,总控***对每个结构进行总体控制和调节。
可参考地,送粉氢气源11的压力示例性地可以为1.5-10MPa,如1.5MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa或10MPa等,也可以为1.5-10MPa范围内的其它任意值。
加速氢气源12的压力示例性地可以为1-9.5MPa,如1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa或9.5MPa等,也可以为1-9.5MPa范围内的其它任意值。
气体加热器14的加热温度示例性地可以为100-1200℃,如100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃或1200℃等,也可以为100-1200℃范围内的其它任意值。
待喷涂的微米级金属粉末颗粒由拉法尔喷嘴3喷出后的速度示例性地可以为1000-5000m/s,如1000m/s、1500m/s、2000m/s、2500m/s、3000m/s、3500m/s、4000m/s、4500m/s或5000m/s等,也可以为1000-5000m/s范围内的其它任意值。
承上,本申请提供的氢动力金属固态沉积装置及方法,实现了以氢气为工作气体进行金属固态沉积,该过程氢气被回收以安全闭环使用,能够低成本、高效地实现微米级粉末颗粒加速效果(显著提高金属粉末粒子的碰撞速度)及碰撞沉积性能的显著提升(如提高冷喷涂沉积体界面结合,降低孔隙率),降低增材金属沉积体的氧含量,大幅提升金属沉积体的力学、电学、磁学等性能。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种氢动力金属固态沉积装置,包括送粉氢气源11、加速氢气源12、送粉器13、气体加热器14、第一送粉管15、第二送粉管16、第一主气管17、第二主气管18、粉末预热反应腔2、热电偶、压力检测器、拉法尔喷嘴3、基体4、旋转台5、抽气泵61、过滤器62、压缩机63、储氢罐64、氢气探测器7、总控***以及多根管道。
送粉氢气源11的出口经第二送粉管16与送粉器13的入口连接,送粉器13的出口经第一送粉管15与粉末预热反应腔2的入口连接。加速氢气源12的出口经第二主气管18与气体加热器14的入口连接,气体加热器14的出口经第一主气管17与粉末预热反应腔2的入口连接。粉末预热反应腔2的出口与拉法尔喷嘴3的入口连接,拉法尔喷嘴3的出口朝向基体4间隔设置。
上述粉末预热反应腔2、拉法尔喷嘴3、基体4、旋转台5、第二送粉管16的用于与粉末预热反应腔2连接的一端以及第二主气管18的用于与粉末预热反应腔2连接的一端均设置于密闭喷涂室内。
热电偶和压力检测器均设置于粉末预热反应腔2,第一主气管17和第二主气管18的外壁均设有保温层。
抽气泵61的入口和出口经管道分别与密闭喷涂室和过滤器62的入口连接,过滤器62的出口经管道与压缩机63的入口连接,压缩机63的出口经管道与储氢罐64的入口连接,储氢罐64的出口经管道与加速氢气源12连接。
密闭喷涂室、送粉氢气源11、加速氢气源12、送粉器13、气体加热器14、第一主气管17、第二主气管18、第一送粉管15、第二送粉管16、抽气泵61、过滤器62、压缩机63及储氢罐64均设有氢气探测器7。
第一主气管17、第二主气管18、第一送粉管15和第二送粉管16的管道上分别设有第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门,总控***与抽气泵61、过滤器62、压缩机63、储氢罐64、送粉氢气源11、加速氢气源12、送粉器13、气体加热器14、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、热电偶和压力检测器均进行电信号连接。
实施例2
本实施例提供一种氢动力金属固态沉积方法,采用实施例1中的氢动力金属固态沉积装置进行。
具体的:喷涂时,送粉氢气源11引出的送粉氢气经第二送粉管16进入高压送粉器13内,携带送粉器13内的待喷涂的微米级粉末颗粒经第一送粉管15进入粉末预热反应腔2中;加速氢气源12引出的高压氢气经第二主气管18进入气体加热器14(管状气体加热器14)内,加热后经第一主气管17通入至粉末预热反应腔2内;此时,粉末预热反应腔2内的送粉氢气、加速氢气和粉末颗粒充分混合,金属粉末颗粒在加速氢气的加热条件下,实现表面氧化膜的反应还原;随后,高压氢气携带金属粉末先后通过拉法尔碰嘴的收缩段、喉部和扩张段,完成对待沉积粉末颗粒的有效加速(1000-5000m/s),金属粉末在超音速氢气射流9的作用下碰撞到基体4表面,经历强烈塑性变形,动能热能转换、界面扩散,形成沉积,得到涂层8。
在上述喷涂过程中,抽气泵61将密闭喷涂室中的氢气抽出,经过滤器62过滤后,送入压缩机63,再通过压缩机63将氢气送入高压储氢罐64,从而完成氢气的密闭回收。高压储氢罐64与加速氢气源12连接,可实现作为加速气体的氢气的闭环使用。
并且,在上述喷涂过程中,热电偶和压力检测器始终对粉末预热反应腔2内的温度和压力进行监测,氢气探测器7对每个结构的氢气泄漏情况进行监测,总控***对每个结构进行总体控制和调节。
其中,待喷涂的微米级粉末颗粒为平均粒径为22微米、氧含量550ppm的In718球形粉末。送粉氢气压力为3.2MPa、送粉器13转速为8/min,送粉量为220g/min,加速氢气压力为3MPa,加热器将加速氢气的温度加热到1100℃。In718球形粉末经拉法尔喷嘴3加速至1600m/s后,沉积到In718基体4上。
获得的In718沉积体,界面结合强度>400MPa,孔隙率<0.5%,含氧量<400ppm,强度>1000MPa。
综上,本申请提供的氢动力金属固态沉积装置及方法,实现了以氢气为工作气体进行金属固态沉积,该过程氢气被回收以安全闭环使用,能够低成本、高效地实现微米级粉末颗粒加速效果(显著提高金属粉末粒子的碰撞速度)及碰撞沉积性能的显著提升(如提高冷喷涂沉积体界面结合,降低孔隙率),降低增材金属沉积体的氧含量,大幅提升金属沉积体的力学、电学、磁学等性能。
以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种氢动力金属固态沉积方法,其特征在于,采用氢动力金属固态沉积装置进行沉积;
所述氢动力金属固态沉积装置包括物料传输***、拉法尔喷嘴以及氢气回收***;
所述物料传输***包括送粉器和气体加热器,所述送粉器和所述气体加热器均与用于设置于密闭喷涂室内的所述拉法尔喷嘴的入口连接;
所述氢气回收***分别与所述密闭喷涂室以及所述气体加热器的入口连接以使作为加速气的氢气在密闭条件下循环使用;
所述氢动力金属固态沉积装置还包括粉末预热反应腔,所述送粉器的出口经第一送粉管与所述粉末预热反应腔的入口连接,所述气体加热器的出口经第一主气管与所述粉末预热反应腔的入口连接,所述粉末预热反应腔的出口与所述拉法尔喷嘴的入口连接;
所述物料传输***还包括送粉氢气源,所述送粉氢气源的出口经第二送粉管与所述送粉器的入口连接;
所述物料传输***还包括加速氢气源,所述加速氢气源的出口经第二主气管与所述气体加热器的入口连接,所述氢气回收***的出口与所述加速氢气源的入口连接
送粉氢气源的压力为1.5-10MPa;
加速氢气源的压力为1-9.5MPa;
气体加热器的加热温度为100-1200℃;
待喷涂的微米级金属粉末颗粒由拉法尔喷嘴喷出后的速度为1000-5000m/s。
2.根据权利要求1所述的氢动力金属固态沉积方法,其特征在于,所述氢动力金属固态沉积装置还包括热电偶和压力检测器,所述热电偶和所述压力检测器均设置于所述粉末预热反应腔。
3.根据权利要求1所述的氢动力金属固态沉积方法,其特征在于,所述第一主气管和所述第二主气管的外壁均设有保温层。
4.根据权利要求2所述的氢动力金属固态沉积方法,其特征在于,所述氢气回收***包括依次连接的抽气泵、过滤器、压缩机和储氢罐,所述抽气泵的入口和出口分别与所述密闭喷涂室和所述过滤器连接,所述储氢罐的入口和出口分别与所述压缩机和所述加速氢气源连接。
5.根据权利要求4所述的氢动力金属固态沉积方法,其特征在于,所述氢动力金属固态沉积装置还包括氢气探测器,所述密闭喷涂室、所述氢气回收***、所述送粉氢气源、所述加速氢气源、所述送粉器、所述气体加热器、所述第一主气管、所述第二主气管、所述第一送粉管和所述第二送粉管均设有所述氢气探测器。
6.根据权利要求5所述的氢动力金属固态沉积方法,其特征在于,所述氢动力金属固态沉积装置还包括总控***,所述总控***与所述氢气回收***、所述送粉氢气源、所述加速氢气源、所述送粉器、所述气体加热器、所述第一主气管、所述第二主气管、所述第一送粉管、所述第二送粉管、所述热电偶和所述压力检测器均电信号连接。
7.根据权利要求1所述的氢动力金属固态沉积方法,其特征在于,所述氢动力金属固态沉积装置还包括密闭喷涂室,所述密闭喷涂室内还设有基体,所述基体设置于所述拉法尔喷嘴的出口端。
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Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1782127A (zh) * 2004-12-03 2006-06-07 联合工艺公司 真空冷喷涂工艺
CN101422769A (zh) * 2008-11-02 2009-05-06 中国船舶重工集团公司第七二五研究所 便携式冷气体动力喷涂装置
CN101767080A (zh) * 2008-12-26 2010-07-07 中国科学院金属研究所 一种金属与塑料粉末混合制备涂层的方法及装置
CN102168267A (zh) * 2011-03-16 2011-08-31 上海交通大学 节约氦气的优化冷喷涂方法
CN102527544A (zh) * 2012-02-24 2012-07-04 中国科学院金属研究所 一种制备金属复合梯度准晶涂层的冷喷涂装置及方法
CN103422088A (zh) * 2012-05-22 2013-12-04 中国科学院金属研究所 一种制备316l不锈钢涂层的冷喷涂装置及方法
CN103602976A (zh) * 2013-11-28 2014-02-26 中国科学院金属研究所 冷喷涂制备可见光响应TiO2光催化涂层的方法及设备
CN107043931A (zh) * 2017-05-08 2017-08-15 中国科学院金属研究所 一种基于固态沉积的材料高通量制备方法和装置
CN108188401A (zh) * 2018-03-22 2018-06-22 顺德职业技术学院 高频感应加热辅助冷喷涂沉积金属3d打印方法与设备
CN108940649A (zh) * 2018-08-08 2018-12-07 西安交通大学 一种用于水下维修的喷涂***与方法
CN109295428A (zh) * 2018-11-02 2019-02-01 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种利用冷喷涂工艺制备铜铟镓旋转靶材的方法及其产品
CN109554673A (zh) * 2018-11-02 2019-04-02 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种铝旋转靶材的冷喷涂制备工艺及其产品
CN111560579A (zh) * 2019-03-28 2020-08-21 广东光泰激光科技有限公司 一种防开裂的低温喷涂工艺
CN111962059A (zh) * 2020-08-24 2020-11-20 西北工业大学 利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3d打印***及方法
CN112007777A (zh) * 2020-08-21 2020-12-01 浙江工业大学 一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置
CN113529065A (zh) * 2020-04-16 2021-10-22 中国科学院金属研究所 一种基于冷喷涂高速沉积增材制造技术制备金属铱涂层的方法及装置

Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1782127A (zh) * 2004-12-03 2006-06-07 联合工艺公司 真空冷喷涂工艺
CN101422769A (zh) * 2008-11-02 2009-05-06 中国船舶重工集团公司第七二五研究所 便携式冷气体动力喷涂装置
CN101767080A (zh) * 2008-12-26 2010-07-07 中国科学院金属研究所 一种金属与塑料粉末混合制备涂层的方法及装置
CN102168267A (zh) * 2011-03-16 2011-08-31 上海交通大学 节约氦气的优化冷喷涂方法
CN102527544A (zh) * 2012-02-24 2012-07-04 中国科学院金属研究所 一种制备金属复合梯度准晶涂层的冷喷涂装置及方法
CN103422088A (zh) * 2012-05-22 2013-12-04 中国科学院金属研究所 一种制备316l不锈钢涂层的冷喷涂装置及方法
CN103602976A (zh) * 2013-11-28 2014-02-26 中国科学院金属研究所 冷喷涂制备可见光响应TiO2光催化涂层的方法及设备
CN107043931A (zh) * 2017-05-08 2017-08-15 中国科学院金属研究所 一种基于固态沉积的材料高通量制备方法和装置
CN108188401A (zh) * 2018-03-22 2018-06-22 顺德职业技术学院 高频感应加热辅助冷喷涂沉积金属3d打印方法与设备
CN108940649A (zh) * 2018-08-08 2018-12-07 西安交通大学 一种用于水下维修的喷涂***与方法
CN109295428A (zh) * 2018-11-02 2019-02-01 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种利用冷喷涂工艺制备铜铟镓旋转靶材的方法及其产品
CN109554673A (zh) * 2018-11-02 2019-04-02 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种铝旋转靶材的冷喷涂制备工艺及其产品
CN111560579A (zh) * 2019-03-28 2020-08-21 广东光泰激光科技有限公司 一种防开裂的低温喷涂工艺
CN113529065A (zh) * 2020-04-16 2021-10-22 中国科学院金属研究所 一种基于冷喷涂高速沉积增材制造技术制备金属铱涂层的方法及装置
CN112007777A (zh) * 2020-08-21 2020-12-01 浙江工业大学 一种手持式激光辅助低压冷喷涂装置
CN111962059A (zh) * 2020-08-24 2020-11-20 西北工业大学 利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3d打印***及方法

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