[发明专利]具有大面积保形沉积能力的冷喷涂设备

说明书

一种用于将颗粒的涂层施加到基底上的冷喷涂设备，该冷喷涂设备包括喷嘴组件，该喷嘴组件具有终止于共同出口处的多个内部通道。该喷嘴组件包括与内部通道连通的颗粒供应构件。该颗粒供应构件供应颗粒以穿过内部通道流动并加速，并且经由共同出口朝向待在其上进行涂覆的基底流出喷嘴组件。此外，每个内部通道包括激光器，该激光器发射传输通过内部通道的激光束。该激光器加热颗粒以及基底中的至少一者以促进利用颗粒的基底的涂覆。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年10月17日提交的美国申请No.15/295,050的优先权，该申请是于2010年12月3日提交的美国申请No.12/959,523的部分继续申请，其要求于2009年12月4日提交的美国临时申请No.61/266,639的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。

政府权力

本发明是在美国海军授予的授权号N00244-07-P-0553下通过政府支持完成的。政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

本公开涉及用于将涂层施加到基底的方法和设备，更具体地，涉及用于在大面积上施加保形涂层的激光辅助冷喷涂设备和方法。

背景技术和发明内容

本部分提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。本部分还提供了本公开的总体概述，并且不是其全部范围或其所有特征的全面公开。

冷喷涂是一种添加方法，其中，固体颗粒流通过载气加速至高速并通过喷嘴喷向基底。颗粒具有足够的动能，使得在与基底撞击时，它们塑性变形并冶金地/机械地粘合到基底上以形成涂层。尽管冶金结合是优选的，但所有颗粒可能不一定以冶金方式结合。

将颗粒加速至临界速度，使得可以产生涂层。该临界速度可以取决于颗粒的性质，并且在较小程度上取决于基底的材料(即可变形性、形状、尺寸、温度等)。

假设当颗粒的动能转换为足够水平的热能和应变(机械的)能量时，颗粒粘附到基底上，导致本领域已知的现象“绝热剪切不稳定性”。已经观察到的是，随着颗粒温度增加到一定程度——这通常通过提高载气温度来实现——给定材料的沉积效率增加。载气温度还通过通常用于冷喷涂处理中的会聚-扩散喷嘴来影响气体动力学。换句话说，所有物体保持恒定，更高的载气温度导致喷嘴的扩散部段中的更高的气体速度，进而可以导致更高的颗粒速度。

相关的美国申请No.12/959,523教导了一种通过布置与喷嘴同轴的激光束来增加喷嘴的扩散部段中的颗粒温度(独立于载气温度)的方法，其中，教示的矩形喷嘴的设计与扩散部段中的颗粒进料方法一起使得颗粒的分布以及喷嘴的扩散部段内与激光束的相互作用能够得到增强，以增加颗粒的温度。换句话说，所引用的相关技术的教导提供了用于独立控制对于给定喷嘴的颗粒温度和气体动力学(速度)的机构。此外，一部分激光束也被传输到基底以提高沉积质量。

为了使涂层沉积，冷喷涂喷嘴通常在基底上横移，同时保持合适的目标距离。这导致沿着基底上的小轨道(通常类似于喷嘴出口的宽度)的涂层。为了涂覆面积大于喷嘴出口宽度的基底，喷嘴在基底上多次扫过，通常借助于诸如机器人的运动系统以光栅图案扫过。喷嘴出口宽度受到对于给定会聚-扩散喷嘴的气体动力学要求的限制，以实现所需的颗粒速度以及分布。换句话说，对于具有给定入口温度和压力的给定气体，会聚部段、扩散部段以及连接两个部段的颈部的几何形状确定气体流动行为，进而影响颗粒速度和颗粒分布。仅仅增加喷嘴横截面积以涂覆较大的基底并不是直接的。对于实际应用，建议优化喷嘴的几何形状，使得可以通过标准工业设备(气体供应、加热器、粉末进料器等)经济地实现必要的流动动力学。