[发明专利]带有可调节粒子射束的冷气喷射设备

说明书

本发明涉及一种用于产生可调粒子射束(50)的冷气喷射设备(100)和一种用于控制这种冷气喷射设备(100)的方法。为了在持续运行期间针对性地控制冷气喷射设备(100)的粒子射束(50)，特别是为了在短期内使其关闭而建议，冷气喷射设备(100)具有使粒子射束(50)流出的喷嘴(110)，用于将粒子流(40)输入喷嘴(110)的进料装置(130)和一个或多个执行器(21，22，23)，所述执行器设计为使得粒子流(40)和/或粒子射束(50)在持续运行期间可以暂时减少，特别是暂时中断。

本发明涉及一种用于产生可调粒子射束的冷气喷射设备以及一种控制这种冷气喷射设备的方法。

冷气喷射(英文：“Cold Spray”)(或称为冷喷涂)是一种将粉末形式的材料以非常高的速度施加到载体材料(基材)上的过程。为此，加热到几百度的过程气体(例如氮气)例如通过在拉瓦尔喷嘴中的膨胀加速到非常高的速度，即超音速，然后将粉末粒子注入气体射束中。注入的粉末粒子被加速到如此高的速度，使得其与其他热喷射工艺相比，即使没有事先部分熔化或完全熔化也可以在与基材撞击时形成致密且牢固粘附的层。

由于冷气喷射设备的热惯性，加速粒子的气体射束的流动参数不能突然改变。此外，突然关闭并再次打开一个或多个粉末输送机是不合适的，因为由于线路的长度，它们需要一段时间才能使输送再次平稳运行。粉末输送机在下文中也称为进料装置，用于供应粒子流(粉末流)。然而，构建的材料的品质在很大程度上取决于均匀的输送。换句话说，设备应该产生(喷射)尽可能均匀的粒子射束。

当通过冷气喷射在部件上涂层或在部件上增材制造时，粒子射束不足的可控性或粒子射束参数的不足的动力性会导致问题，例如在某些地方沉积了过多的材料，此外在那由于运动学限制，喷嘴必须比适合于当前粉末输送速率更慢地移动。

本发明所要解决的技术问题在于，在持续运行期间有针对性地控制冷气喷射设备的粒子射束，特别是在短时间内将其停用。

所述技术问题通过冷气喷射设备实现，如权利要求1中所述。用于产生可调节粒子射束的冷气喷射设备为此具有喷嘴，在冷气喷射设备的运行期间，粒子射束从喷嘴流出。粒子射束包括要沉积在要涂覆的基材上的粒子和推进气体。冷气喷射设备还具有进料装置，用于将粒子流送入喷嘴。在此,粒子流是粉末粒子组成的流，可用于喷嘴并在喷嘴中加速至超音速。因此，粒子流的速度远低于声速。粒子流形成为粒子-气体混合物，并且在此是输送气体与位于其中的固态粒子组成的两相流。

冷气喷射设备还具有一个或多个执行器，其中执行器如此设计，即粒子流和/或粒子射束可以在持续运行期间暂时减少。特别地，粒子流和/或射束也可以在短时间内中断。换句话说，执行器可以以这样的方式进行控制，即有时没有或至少只有很少的粒子从喷嘴流出。这可以有利地被用于，通过冷气喷射工艺创建复杂的结构。此外，这具有很大的优点，即不用于构建结构的粉末在空转时不会消耗，而是粒子流仅中断，因此可以节省粉末。暂时的中断或减小在此最多持续几秒钟，例如直到喷嘴经过了三维结构的空隙位置。优选地，中断的最大时间为1秒，特别是最大为0.5秒。

根据本发明，至少一个执行器被设计为阀。阀位于进料装置和喷嘴之间。借助阀，从进料装置到喷嘴的粒子流可以在短时间内中断或减少。所述阀在此设计成这样一种方式，输送气体流、即粒子流和其输送气体被导回到进料装置中。特别有利的是，冷气喷射设备具有一个系统，在该系统中进料装置与输送气体流处于相同的压力下。控制输送气体流的控制装置可以以这种方式保持，因为由于相同的反压力控制装置稍晚才会意识到，所述阀被关闭并且进而只会在稍晚才会被对应调节或者说闭环控制或对应调控或者说开环控制。在这种情况下，应定期打开阀，以便进料装置(例如粉末输送机)中的压力不会变得太大。

在进一步的实施方式中，至少一个执行器连接在进料装置的下游。这可以如此实现，即执行器布置成使得通过进料装置不再将离子流输入喷嘴。执行器优选具有明显高于进料装置的动力性，其主要任务是提供尽可能恒定的粒子流。通过利用执行器的更高动力性，可以更细粒度地调节粒子流。