收缩-扩展喷嘴及其制备方法、增材制造设备和方法

金属材料;冶金;铸造;磨削;抛光设备的制造及处理,应用技术1.本发明涉及冷喷涂增材制造技术领域，具体而言，涉及一种收缩-扩展喷嘴及其制备方法、增材制造设备和方法。背景技术：2.收缩-扩张喷嘴是冷喷涂技术的核心部件，其起到将金属粉末加速到超音速飞行状态的作用。喷嘴的形状直接影响粒子的加速性能，如发散段的长度、出口/喉部直径比等。仿真模拟显示，钟形喷嘴对粒子有最优的加速性能。喷嘴在使用过程中，其内壁直接与高温高速金属粉末碰撞、反应，易发生磨损、腐蚀失效，是典型的冷喷涂耗材。3.当前，复杂喷嘴的加工特别涉及到深孔加工一直是机械行业的难点，采用机加工的方法制备的深孔零件加工深度小，不能加工复杂零部件，如钟形截面喷嘴。而传统收缩-扩张喷嘴的制备如碳化物喷嘴，采用了热等静压、烧结成型，开铸造模具制备的方法，价格高昂，且在材料性能上面还是欠佳。采用3d打印增材制造的方法设计零部件可以很好的满足复杂内部结构的设计与制备，然而常见的增材制造方法如激光选区扫描仍存在热输入高，制备速度慢，易改变原材料的物化性质，材料种类受限(如无法制备陶瓷材料)等问题，且具有成本高、加工难度大等特点。因此，亟需一种通过简单工艺实现深孔零部件，特别是具有复杂内壁形状的收缩-扩展喷嘴的加工制造，并提高收缩-扩展喷嘴的材料性能。4.鉴于此，特提出本发明。技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种收缩-扩展喷嘴及其制备方法、增材制造设备和方法，以改善上述技术问题。6.本发明是这样实现的：7.第一方面，本发明提供了一种收缩-扩张喷嘴的制备方法，其包括：在旋转轴基体上采用冷喷涂的方法增材制造所需要的收缩-扩张喷嘴，其中，冷喷涂采用的压力为2mpa～5mpa；采用物理方法或化学方法去除所述旋转轴基体。8.第二方面，本发明提供了一种收缩-扩张喷嘴，其由上述收缩-扩张喷嘴的制备方法制备得到。9.第三方面，本发明提供了一种增材制造设备，其包括上述收缩-扩张喷嘴。10.第四方面，本发明提供了一种增材制造方法，其采用上述收缩-扩张喷嘴或上述增材制造设备进行增材制造。11.本发明具有以下有益效果：通过采用冷喷涂的方式在旋转轴基体的表面增材制造复杂内壁形状的收缩-扩展喷嘴，然后再去除旋转轴基体，整个工艺简单，并且通过在旋转轴基体表面增材制造，可以在较大的压力作用下，生成致密结构的收缩-扩展喷嘴，其材料性能较佳，强度、硬度以及耐腐蚀性等得到提升。附图说明12.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。13.图1为本发明实施方式所示的一种直线形收缩-扩张喷嘴对应的旋转轴基体；14.图2为本发明实施方式所示的一种钟形收缩-扩张喷嘴对应的旋转轴基体；15.图3为本发明实施例2喷涂完毕后的收缩扩张喷嘴的截面图；16.图4为本发明实施例2去除旋转轴基体后的喷嘴三维视图；17.图5为本发明实施例2所示为去除旋转轴基体后的喷嘴横截面图。具体实施方式18.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。19.下面对本发明提供的一种收缩-扩展喷嘴及其制备方法、增材制造设备和方法进行具体说明。20.本发明的一些实施方式提供了一种收缩-扩张喷嘴的制备方法，其包括：在旋转轴基体上采用冷喷涂的方法增材制造所需要的收缩-扩张喷嘴，其中，冷喷涂采用的压力为2mpa～5mpa；采用物理方法或化学方法去除所述旋转轴基体。21.冷喷涂属于一种快速成型技术，其主要原理为将固态粉末粒子加温(低于熔化温度)并加速到超音速与基体碰撞，经过强烈的塑性变形而发生沉积形成涂层的方法。与传统的热喷涂相比，该技术不需要将喷涂的金属粉末粒子熔化，因此整个过程中没有涉及到物理化学反应，是一种固态增材制备技术。冷喷涂同时可以喷涂多种材料，包括金属和非金属，制备速率高，涂层厚度不受限制。该技术已经广泛应用于航空修复，可制备抗腐蚀、耐摩擦、强化、绝缘、导电和导磁涂层。本发明的实施方式通过采用冷喷涂的方式来进行增材制造再去除旋转基体，制备工艺简单，成本较低。同时，由于选择在旋转轴基体上进行冷喷涂成型，其旋转轴基体为实心，且能够承受较大的压力，因为可以通过在较大压力的情况下进行冷喷涂技术沉积形成收缩-扩张喷嘴，该收缩-扩张喷嘴的材料致密度较高，强度和硬度以及耐磨性能也得到了明显提升，提高了收缩-扩张喷嘴的耐用性。22.具体地，本发明的一些实施方式提供了一种收缩-扩张喷嘴的制备方法，其包括：23.s1、在旋转轴基体上通过冷喷涂增材制造所需要的收缩-扩张喷嘴，其中，冷喷涂采用的压力为2mpa～5mpa。24.具体地，旋转轴基体的形状为收缩扩张外轮廓形状，其形状主要是和所需要的收缩-扩张喷嘴内壁的形状匹配，进而当去除旋转轴基体后能够形成具有特殊复杂结构的内腔，因此，本发明的实施方式中，通常旋转轴基体包括收缩段和扩张段，收缩段的外轮廓为直线形，扩张段的外轮廓形状为直线形(如图1所示)、弧形或钟形(如图2所示)。当然，其他实施方式中，也可以根据收缩-扩张喷嘴的具体要求调整旋转轴基体的外部形状。25.进一步地，为了使得冷喷涂形成的收缩-扩张喷嘴具有更加致密度，强度和耐磨性达到更佳，一些实施方式中，冷喷涂采用的压力为4mpa～5mpa，例如采用的压力可为4mpa、4.3mpa、4.5mpa、4.8mpa或5mpa等。26.相应地，为了使得冷喷涂能够达到较佳的预期效果，一些实施方式中，冷喷涂的采用的喷涂气体的温度为300℃～1000℃，例如喷涂气体的温度为350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃或1000℃等，送粉量为1g/min～200g/min，例如送粉量为1g/min、5g/min、10g/min、15g/min、20g/min、25g/min、30g/min、35g/min、40g/min、45g/min、50g/min、55g/min、60g/min、65g/min、70g/min、75g/min、80g/min、85g/min、90g/min、95g/min、100g/min、110g/min、120g/min、130g/min、140g/min、150g/min、160g/min、170g/min、180g/min、190g/min或200g/min等，较佳地，送粉量为50g/min～150g/min，喷嘴的扫描速度为50mm/s～500mm/s，例如，扫描速度为50mm/s、80mm/s、100mm/s、150mm/s、160mm/s、170mm/s、180mm/s、190mm/s、200mm/s、210mm/s、220mm/s、230mm/s、240mm/s、250mm/s、260mm/s、265mm/s、270mm/s、280mm/s、285mm/s、290mm/s、295mm/s、300mm/s、305mm/s、310mm/s、315mm/s、320mm/s、350mm/s、400mm/s、450mm/s或500mm/s等，较佳地，扫描速度为200mm/s～400mm/s，喷嘴到待喷涂表面的距离为10～100mm，例如，距离为10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm或50mm等。27.承上，一些实施方式中，进行冷喷涂时采用的喷涂气体即载气是不与旋转轴基体材质以及喷涂材料发生反应的气体，例如，氩气、氮气等，优选地，喷涂气体为氮气。28.需要说明的是，在冷喷涂增材制造收缩-扩张喷嘴之前，可以根据后续去除旋转轴基体的手段，选择性在旋转轴基体的表面制备一层厚度均匀的中间层。制备中间层的目的在于：后续去除旋转轴基体的材料时，避免破坏冷喷涂制备出的收缩-扩张喷嘴，特别是后续采用物理方法(例如机加工方式)去除旋转轴基体时。进一步地，中间层的厚度可选择为20～500μm，并且为了使得冷喷涂的材料能够很好地在中间层的表面成型，一些实施方式中，中间层的表面粗糙度满足ra小于3.2。29.s2、采用物理方法或化学方法去除所述旋转轴基体。30.具体地，一些实施方式中，采用物理方法去除所述旋转轴基体，物理方法包括机加工或利用熔点不同加热熔化去除旋转轴基体。31.一些实施方式中，采用机加工去除旋转轴基体，且在冷喷涂制造收缩-扩张喷嘴之前，还包括在旋转轴基体上制备一层厚度均匀的中间层，中间层的材质与收缩-扩张喷嘴的材质不同，存在反应溶液与中间层的材质反应而不与收缩-扩张喷嘴的材质反应。通过机加工的方式去除中间的旋转轴基体时，容易对喷嘴内壁产生破坏，因此，设置的中间层能够避免这种情况的发生，而在加工去除旋转轴基体后，利用中间层和喷嘴的材质不同，通过化学腐蚀的方式反应去除中间层，即可得到所需的收缩-扩张喷嘴。需要说明的是，机加工的方式为现有机械加工技术(例如转孔、打磨等)，在此不进一步赘述。而中间层厚度以及表面粗糙度的要求参加上述步骤s1中的表述。32.进一步地，一些实施方式中，中间层的材质与酸或碱溶液反应，收缩-扩张喷嘴的材质不与酸或碱溶液反应，优选地，采用酸或碱液浸泡的方式去除中间层。相应地，中间层的材质包括但不限于铜、镍、铝、不锈钢和陶瓷中的任意一种或多种的复合，显然，这种情况下，收缩-扩张喷嘴采用的材质为不与酸或碱液发生反应的材质，例如，铜、镍、碳化钨等。33.相应地，一些实施方式中，中间层的制备方法包括但不限于电镀、化学镀、超音速等离子、真空镀膜和冷喷涂中的任意一种或多种的组合。34.此外，一些实施方式中，采用加热熔化去除所述旋转轴基体，此时，旋转轴基体的材质需要不同于收缩-扩张喷嘴的材质，且旋转轴基体的材质的熔点低于收缩-扩张喷嘴的材质，以使得当整个工件处于两种材质熔点之间的温度时，旋转轴基体可熔化去除，收缩-扩张喷嘴不会熔化而被保留。一些实施方式中，旋转轴基体的材质的熔点温度低于收缩-扩张喷嘴的材质的熔点温度300℃。35.相应地，旋转轴基体的材质选自铝、锡和巴氏合金中的任意一种，收缩-扩张喷嘴的材质选自碳化钨-钴混合材料、铜、碳化氮、碳化钨、不锈钢和镍中的任意一种。通过以上材质的对应组合均能够满足二者之间存在熔点差，而能够去除旋转轴基体。需要说明的是，两种的材质包括但不限于以上选择，只要能够满足熔化去除旋转轴基体以及所需要的收缩-喷嘴的材料指标应认为在本发明的保护范围内。36.具体地，加热熔化去除旋转轴基体的具体操作包括：将冷喷涂形成收缩-扩张喷嘴后的工件放置于大于旋转轴基体的材质的熔点且小于所述收缩-扩张喷嘴的材质的熔点的温度下，保温熔化旋转轴基体。37.另外地，一些实施方式中，还可以采用化学方法去除旋转轴基体，旋转轴基体的材质不同于收缩-扩张喷嘴的材质，且存在反应溶液与旋转轴基体的材质反应而不与收缩-扩张喷嘴的材质反应。即可以通过反应溶液对旋转轴基体反应腐蚀去除，而不与收缩-扩张喷嘴反应。38.进一步地，采用酸或碱液去除旋转轴基体，旋转轴基体的材质与酸或碱液反应，收缩-扩张喷嘴的材质不与碱液反应；相应地，旋转轴基体的材质为铝，收缩-扩张喷嘴的材质选自碳化钨-钴混合材料、铜、碳化氮、碳化钨、不锈钢和镍中的任意一种。具体地，碱液包括但不限于氢氧化钠溶液，优选地，氢氧化钠溶液的浓度为0.5～1mol/l。具体地，酸液包括但不限于稀盐酸溶液，优选地，盐酸溶液的浓度为1～10wt.％。39.需要说明的是，中间层可以根据需要去除或保留，如果冷喷涂层和中间层材质不同时，则必须要将中间层予以去除。40.s3、对去除旋转轴基体后的收缩-扩张喷嘴进行后处理，后处理为热处理和/或热等静压处理。41.具体地，二者可以单独使用，也可以组合使用，以提高涂层的性能。42.进一步地，一些实施方式中，热处理的方式可以为真空热处理或普通热处理。43.本发明的一些实施方式还提供了一种收缩-扩张喷嘴，其由上述实施方式中的任意一种收缩-扩张喷嘴的制备方法制备得到。44.本发明的一些实施方式还提供了一种增材制造设备，其包括上述收缩-扩张喷嘴。45.本发明的一些实施方式还提供了一种增材制造方法，其采用上述收缩-扩张喷嘴或上述增材制造设备进行增材制造。46.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。47.实施例148.本实施例提供了一种收缩-扩张喷嘴的制备方法，具体包括：49.选取纯铁材质的旋转轴基体，旋转轴基体是通过浇铸的方法制备得到，旋转轴基体如图1所示。50.采用冷喷涂的方法制备中间层，中间层的材料选择纯铝，相应的工艺参数为：喷涂气体为氮气，喷涂压力为3.5mpa，喷涂温度为500℃，送粉量为50g/min，喷嘴扫描速度为300mm/s，喷嘴到待喷涂表面的距离为35mm。51.中间层制备完毕后，采用铜作为收缩-扩张喷嘴材料，进行冷喷涂制备出收缩-扩张喷嘴，此时的喷涂工艺参数为：喷涂气体氮气，喷涂压力为4.2mpa，喷涂温度为900℃，送粉量为100g/min，喷嘴扫描速度为400mm/s，喷嘴到待喷涂表面的距离为40mm。52.喷涂完毕后采用机械加工的方法将旋转轴基体去除，并采用5wt.％稀盐酸溶液浸泡，利用盐酸与铝和铁反应，不会与铜反应的原理，去除收缩-扩张喷嘴内表面的铝中间层，即得到相应的收缩-扩张喷嘴。53.对纯铜收缩-扩张喷嘴进行热处理促进材料致密化并提升喷嘴的内聚强度，热处理温度为300℃，保温时间4小时，空冷。54.实施例2：55.本实施例提供了一种收缩-扩张喷嘴的制备方法，具体包括：56.选取纯铝材质的旋转轴基体，旋转轴基体是通过浇铸的方法制备得到，旋转轴基体如图2所示的钟形，旋转轴基体采用纯铝制备。57.采用冷喷涂的方法制备中间层，中间层的材料选择纯铝，相应的工艺参数为：喷涂气体为氮气，喷涂压力为4.5mpa，喷涂温度为450℃，送粉量为60g/min，喷嘴扫描速度为350mm/s，喷嘴到待喷涂表面的距离为30mm。58.中间层制备完毕后，收缩-扩张喷嘴采用碳化钨-镍混合粉末材料(混合比例为50:50vol.％)，进行冷喷涂制备出收缩-扩张喷嘴，此时的喷涂工艺参数为：喷涂气体氮气，喷涂压力为5mpa，喷涂温度为850℃，送粉量为75g/min，喷嘴扫描速度为200mm/s，喷嘴到待喷涂表面的距离为20mm。冷喷涂完毕后的收缩-扩张喷嘴的截面图如图3所示。59.喷涂完毕后，采用0.5mol/l氢氧化钠溶液进行浸泡，以去除收缩-扩张喷嘴内部的铝中间层和基体，即得到碳化钨-镍复合材料的收缩-扩张喷嘴。去除旋转轴基体后的喷嘴三维视图如图4，去除旋转轴基体后的喷嘴横截面图如图5所示。60.不需要对工件进行包套，可将得到的收缩-扩张喷嘴直接采用热等静压的方式进行后处理，使得冷喷涂的沉积体内部致密，最终得到需要的收缩-扩张喷嘴。热等静压温度为1750℃，保温时间2小时，压力为150mpa。61.实施例362.本实施例提供了一种收缩-扩张喷嘴的制备方法，与实施例1不同之处在于以下参数：铜的冷喷涂压力为5mpa，喷涂温度为800℃，送粉量为40g/min，喷嘴扫描速度为200mm/s。63.实施例464.本实施例提供了一种收缩-扩张喷嘴的制备方法，具体包括：65.选取巴氏合金材质的旋转轴基体，旋转轴基体是通过浇铸的方法制备得到，旋转轴基体如图2所示。66.采用铬锆铜作为收缩-扩张喷嘴材料，进行冷喷涂制备出收缩-扩张喷嘴，此时的喷涂工艺参数为：喷涂气体氮气，喷涂压力为5mpa，喷涂温度为900℃，送粉量为75g/min，喷嘴扫描速度为250mm/s，喷嘴到待喷涂表面的距离为25mm。67.喷涂完毕后，将旋转轴悬空置于坩埚中，对收缩-扩张喷嘴进行热处理。热处理温度为300℃，保温时间4小时，使旋转轴与中间层的巴氏合金材料自然熔化去除，流入坩埚底部，同时促进喷嘴材料致密化并提升铬锆铜喷嘴的强度，得到相应结构的收缩-扩张喷嘴。68.对比例169.本对比例提供一种利用冷喷涂制备铬锆铜拉瓦尔推力管的制造方法，具体参照专利202111187429.2，与实施例4不同之处在于对比例1采用空心内衬管作为基体，无法承载较高的喷涂气体压力，同时冷喷涂之后未对喷嘴进行整体热处理等相关处理，喷嘴整体几乎无塑性。70.对比例271.本对比例和实施例1不同之处仅在于，冷喷涂的气体压力为1.5mpa。72.试验例173.测试实施例和对比例的综合性能，如拉伸强度、硬度、致密度，测试方法参照gb/t8642-2002、gb/t3489-2015、gb/t4340.1-2009，测试结果见表1，其中实施例2暂时没有测量拉伸强度和延伸率。可见，本发明实施例方法制备的收缩-扩张喷嘴在具有较高拉伸强度、硬度和致密度的同时，具备了一定的塑性，这对于喷嘴的服役过程避免脆性失效是有益的。74.表1收缩-扩张喷管的性能测试结果[0075][0076]综上所述，本发明的实施例通过采用冷喷涂的方式在旋转轴基体的表面增材制造复杂内壁形状的收缩-扩张喷嘴，然后再去除旋转轴基体，结合后续热处理，可以允许在更大的喷涂压力下，生成致密结构的收缩-扩展喷嘴，强度、硬度、致密度等均得到提升，综合力学性能达到较佳水平。[0077]以上所述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。









图片声明：本站部分配图来自人工智能系统AI生成,觅知网授权图片,PxHere摄影无版权图库。本站只作为美观性配图使用,无任何非法侵犯第三方意图,一切解释权归图片著作权方,本站不承担任何责任。如有恶意碰瓷者,必当奉陪到底严惩不贷!




内容声明：本文中引用的各种信息及资料（包括但不限于文字、数据、图表及超链接等）均来源于该信息及资料的相关主体（包括但不限于公司、媒体、协会等机构）的官方网站或公开发表的信息。部分内容参考包括:(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供参考使用,不准确地方联系删除处理！本站为非盈利性质站点,发布内容不收取任何费用也不接任何广告!




免责声明：我们致力于保护作者版权，注重分享，被刊用文章因无法核实真实出处，未能及时与作者取得联系，或有版权异议的，请联系管理员，我们会立即处理，本文部分文字与图片资源来自于网络，部分文章是来自自研大数据AI进行生成,内容摘自(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供学习参考,不准确地方联系删除处理!的,若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请立即通知我们，情况属实，我们会第一时间予以删除，并同时向您表示歉意,谢谢!