CN210876006U - 复合场作用下高速金属熔滴/基板碰撞装置 - Google Patents

Abstract

复合场作用下高速金属熔滴/基板碰撞装置，光源（9a）和高速摄像机（4a）与金属熔滴/基板碰撞区域对中；打开高频感应加热线圈（7a），将放入石英玻璃管（8a）内的金属颗粒熔化；打开基板加热组件（6）的电源，第一温度传感器（5c）实时监测样片温度变化；金属熔液在脉冲气体的冲击下，产生单一熔滴；产生高速气体，将金属熔滴加速与基体样片碰撞；打开高速摄像机和照明系统，用来观察和记录熔滴形态及其在样片上接触角的变化；超声波振动棒（14a）与基板安装块（5a）接触；调整基板样片（5b）与液滴入射方向的角度；打开超声波发生器电源，对基板样片（5b）产生超声振荡作用，分析处理输入图像，获得实验数据。

Description

复合场作用下高速金属熔滴/基板碰撞装置

技术领域

本实用新型涉及热喷涂领域的试验装置，尤其涉及热超声复合场作用下高速金属熔滴/基板碰撞试验技术。

背景技术

热喷涂是指将涂层材料加热熔化，用高速气流将其雾化成极细的颗粒，以很高的速度喷射到工件表面，形成涂层。它的结合强度、致密性影响工件耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、耐热等方面的性能。锡基、锌基、钴基合金粉等是常用的涂层材料。金属熔滴撞击基板样片后铺展、飞溅的临界条件，润湿角的变化和液/固界面上原子间的交互作用，是材料制备和加工过程中常见的物理化学现象，也是开展热喷涂理论和工程研究的重要输入条件。

目前未检索到有关反映高速流场、热场、超声场复合作用下金属熔滴/基板碰撞试验装置的公开文献。常用的液滴撞击基体装置中，液滴通过重力获得撞击速度，只能通过调节液滴下落高度来改变速度。专利CN105903599A公开了“喷射角度可调整的高速小液滴发生装置”，该装置采用润滑油，液滴通过加速管后速度远不能达到声速，基板样片不能施加热场、超声场。专利CN103940686A公开了“能利用射流产生高速液滴的液体撞击试验件及试验方法”，该装置能够产生500m/s的高速液滴，而液滴是射流液体通过夹缝或孔洞产生，形状和受力状况不易控制。专利CN107127345A公开了“一种气相辅助的金属微液滴制造装置及方法”，该装置采用脉冲气压驱动和高压气体剪切法产生通过加热器熔融的微熔滴，液滴难以获得高速。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种复合场作用下高速金属熔滴/基板碰撞装置。

本实用新型是复合场作用下高速金属熔滴/基板碰撞装置，由高压气瓶2、气体三联件11、减压阀组12构成的气源系统通过电磁阀组件13分别为微液滴发生装置8和高速气体组件10提供所需压力的气体，高速摄像组件4由高速摄像机4a和相机支架4b组成，基板安装组件5包括使用基板样片压板5d固定在基板安装块5a上的基板样片5b，第一温度传感器5c用来测量基板样片的实时温度；基板加热组件6由电加热板6a和第一可调温控器6b组成，与基板安装块5a相连接，用来加热基板样片5b，通过旋转基座5f及紧定螺钉5g能够调整基板样片5b与液滴入射方向的角度；金属熔滴加热组件7包括高频感应加热线圈7a和第二可调温控器7b，为微液滴发生装置8提供热源；微液滴发生装置8包括由玻璃管下密封法兰8f、第一导向轴8g、高频感应加热线圈安装板8h、第二导向轴8i、微熔滴发生器基座8j构成的安装框架，以及放置在玻璃管下密封法兰与玻璃管上密封法兰8b之间，通过氟密封O圈8k密封的石英玻璃管8a；石英玻璃管中放置有采用高频感应加热线圈7a熔化的金属熔液8l，通过设置在玻璃管上密封法兰的第二温度传感器8e测量金属熔液的温度；玻璃管上密封法兰上还设置有脉冲气流入口8c、脉冲气流出口8d，用以产生压力脉冲从而在石英玻璃管下端喷射出金属微液滴；背光源组件9包括光源9a和光源支架9b，为高速摄像机提供照明；高速气体组件10包括安装在管道夹具10c上的高速气体管道10b，管道前端连接有拉瓦尔喷嘴10a；管道夹具放置在由第一步进电机驱动器18控制的第一单轴电移动平台10e上的竖直导向轴10d上，能够沿竖直和水平方向移动；高速摄像组件4、基板安装组件5、基板加热组件6、金属熔滴加热组件7、微液滴发生装置8、背光源组件9、高速气体组件10均安装在暗箱22中以获取高分辨率的图像信号；减压阀组12包括脉冲气体减压阀12a和高速气体减压阀12b；电磁阀组件13由安装在电磁阀安装基座13a上的脉冲气体进气电磁阀13b、脉冲气体排气电磁阀13c、高速气体进气电磁阀13d组成；超声波组件14包括与固定在由第二步进电机驱动器19控制的第二单轴电移动平台14c上的夹具14b相连接的超声波振动棒14a以及超声波发生器14d。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：解决了热喷涂工艺中微液滴碰撞基体测试难的问题，本发明中设有超声波组件，高速气体组件和加热组件，能够通过施加超声场、温度场和高速流场，研究高速金属熔滴撞击不同倾斜角度的基板样片后铺展、飞溅的临界条件，润湿角的变化和液/固界面上原子间的交互作用。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的整体结构示意图，图2为本实用新型实施例提供的图1（不含暗箱）的主视图，图3为本实用新型实施例提供的图1（不含暗箱）的侧视图，图4为本实用新型实施例提供的图1（不含暗箱）的俯视图，图5为本实用新型实施例提供的的不含气源系统的结构全剖视图，图6为本实用新型实施例提供的图5中Ⅰ处的局部放大示意图，图7为本实用新型实施例提供的机柜布局示意图，图8为本实用新型实施例提供的图7的主视图，图9为本实用新型实施例提供的图7的俯视图，图10为本实用新型实施例提供的石英玻璃管全剖视图。

附图标记及对应名称为：1—支架组件，2—高压气瓶，3—电气柜，4—高速摄像组件，5—基板安装组件，6—基板加热组件，7—金属熔滴加热组件，8—微液滴发生装置，9—背光源组件，10—高速气体组件，11—气体三联件，12—减压阀组，13—电磁阀组件，14—超声波组件，15—数据采集模块，16—PLC，17—24V开关电源，18—第一步进电机驱动器，19—第二步进电机驱动器，20—空气开关，21—线槽，22—暗箱，1a—气体元件安装板，1b—支架，1c—可调支座，4a—高速摄相机，4b—相机支架，5a—基板安装块，5b—基板样片，5c—第一温度传感器，5d—基板样片压板，5e—金属微熔滴，5f—旋转基座，5g—紧定螺钉，6a—电加热板，6b—第一可调温控器，7a—高频感应加热线圈，7b—第二可调温控器，8a—石英玻璃管，8b—玻璃管上密封法兰，8c—脉冲气流入口，8d—脉冲气流出口，8e—第二温度传感器，8f—玻璃管下密封法兰，8g—第一导向轴，8h—高频感应加热线圈安装板，8i—第二导向轴，8j—微熔滴发生器基座，8k—氟密封O圈，8l—金属熔液，9a—光源，9b—光源支架，10a—拉瓦尔喷嘴，10b—高速气体管道，10c—管道夹具，10 d—竖直导向轴，10e—第一单轴电移动平台，12a—脉冲气体减压阀，12b—高速气体减压阀，13a—电磁阀安装基座，13b—脉冲气体进气电磁阀，13c—脉冲气体排气电磁阀，13d—高速气体进气电磁阀，14a—超声波振动棒，14b—夹具，14c—第二单轴电移动平台，14d—超声波发生器。

具体实施方式

本实用新型是复合场作用下高速金属熔滴/基板碰撞装置，如图1~图10所示，由高压气瓶2、气体三联件11、减压阀组12构成的气源系统通过电磁阀组件13分别为微液滴发生装置8和高速气体组件10提供所需压力的气体，高速摄像组件4由高速摄像机4a和相机支架4b组成，基板安装组件5包括使用基板样片压板5d固定在基板安装块5a上的基板样片5b，第一温度传感器5c用来测量基板样片的实时温度；基板加热组件6由电加热板6a和第一可调温控器6b组成，与基板安装块5a相连接，用来加热基板样片5b，通过旋转基座5f及紧定螺钉5g能够调整基板样片5b与液滴入射方向的角度；金属熔滴加热组件7包括高频感应加热线圈7a和第二可调温控器7b，为微液滴发生装置8提供热源；微液滴发生装置8包括由玻璃管下密封法兰8f、第一导向轴8g、高频感应加热线圈安装板8h、第二导向轴8i、微熔滴发生器基座8j构成的安装框架，以及放置在玻璃管下密封法兰与玻璃管上密封法兰8b之间，通过氟密封O圈8k密封的石英玻璃管8a；石英玻璃管中放置有采用高频感应加热线圈7a熔化的金属熔液8l，通过设置在玻璃管上密封法兰的第二温度传感器8e测量金属熔液的温度；玻璃管上密封法兰上还设置有脉冲气流入口8c、脉冲气流出口8d，用以产生压力脉冲从而在石英玻璃管下端喷射出金属微液滴；背光源组件9包括光源9a和光源支架9b，为高速摄像机提供照明；高速气体组件10包括安装在管道夹具10c上的高速气体管道10b，管道前端连接有拉瓦尔喷嘴10a；管道夹具放置在由第一步进电机驱动器18控制的第一单轴电移动平台10e上的竖直导向轴10d上，能够沿竖直和水平方向移动；高速摄像组件4、基板安装组件5、基板加热组件6、金属熔滴加热组件7、微液滴发生装置8、背光源组件9、高速气体组件10均安装在暗箱22中以获取高分辨率的图像信号；减压阀组12包括脉冲气体减压阀12a和高速气体减压阀12b；电磁阀组件13由安装在电磁阀安装基座13a上的脉冲气体进气电磁阀13b、脉冲气体排气电磁阀13c、高速气体进气电磁阀13d组成；超声波组件14包括与固定在由第二步进电机驱动器19控制的第二单轴电移动平台14c上的夹具14b相连接的超声波振动棒14a以及超声波发生器14d。

本实用新型的复合场作用下高速金属熔滴/基板碰撞装置的使用方法，其步骤为：

（1）调整光源9a和高速摄像机4a在水平方向与金属熔滴/基板碰撞区域对中；

（2）打开高频感应加热线圈7a，将放入石英玻璃管8a内的金属颗粒熔化；

（3）打开基板加热组件6的电源，第一温度传感器5c实时监测样片温度变化；

（4）打开高压气瓶2，通过气动三联件11和脉冲气体减压阀12a控制由与脉冲气体进气电磁阀13b连接的脉冲气流入口8c的气体流量；

（5）通过控制脉冲气体进气电磁阀13b、脉冲气体排气电磁阀13c的通断时序，调节石英玻璃管内的气体压力，获得脉冲气体；石英玻璃管内的金属熔液在脉冲气体的冲击下，产生单一熔滴；

（6）打开与高速气体减压阀12b相连接的高速气体进气电磁阀13d，气体通过拉瓦尔喷嘴10a后，产生高速气体，将金属熔滴加速与基体样片碰撞；

（7）打开高速摄像机和照明系统，用来观察和记录熔滴形态及其在样片上接触角的变化；（8）调节第二单轴电移动平台14c，带动超声波振动棒14a与基板安装块5a接触；

（9）通过旋转基座5f及紧定螺5g调整基板样片5b与液滴入射方向的角度；

（10）打开超声波发生器电源，对基板样片5b产生超声振荡作用，分析处理输入图像，获得实验数据。

下面结合附图进一步展开本实用新型。如图1~10所示，复合场作用下高速金属熔滴/基板碰撞试验装置，包括支架组件1，高压气瓶2，电气柜3，高速摄像组件4，基板安装组件5，基板加热组件6，金属熔滴加热组件7，微液滴发生装置8，背光源组件9，高速气体组件10，气体三联件11，减压阀组12，电磁阀组件13，超声波组件14，数据采集模块15，PLC16，24V开关电源17，第一步进电机驱动器18，第二步进电机驱动器19，空气开关20，线槽21，暗箱22。所述高压气瓶2、气体三联件11、减压阀组12构成的气源系统通过电磁阀组件13分别为微液滴发生装置8和高速气体组件10提供所需压力的气体。所述的高速摄像组件4由高速摄像机4a和相机支架4b组成。所述的基板安装组件5包括使用基板样片压板5d固定在基板安装块5a上的基板样片5b，第一温度传感器5c用来测量基板样片的实时温度。所述的基板加热组件6由电加热板6a和第一可调温控器6b组成，用来加热基板样片5b。所述的金属熔滴加热组件7包括高频感应加热线圈7a和第二可调温控器7b，为微液滴发生装置8提供热源。所述的微液滴发生装置8包括由玻璃管下密封法兰8f、第一导向轴8g、高频感应加热线圈安装板8h、第二导向轴8i、微熔滴发生器基座8j构成的安装框架，以及放置在玻璃管下密封法兰与玻璃管上密封法兰8b之间，通过氟密封O圈8k密封的石英玻璃管8a。所述的石英玻璃管中放置有采用高频感应加热线圈7a熔化的金属熔液8l，通过设置在玻璃管上密封法兰的第二温度传感器8e测量金属熔液的温度。所述的玻璃管上密封法兰上还设置有脉冲气流入口8c、脉冲气流出口8d。所述的背光源组件9包括光源9a和光源支架9b，为高速摄像机提供照明。所述的高速气体组件10包括安装在管道夹具10c上的高速气体管道10b，管道前端连接有拉瓦尔喷嘴10a。所述的管道夹具放置在由第一步进电机驱动器18控制的第一单轴电移动平台10e上的竖直导向轴10d上，可以沿竖直和水平方向移动。所述的高速摄像组件4，基板安装组件5，基板加热组件6，金属熔滴加热组件7，微液滴发生装置8，背光源组件9，高速气体组件10均放置在暗箱22中以获取高分辨率的图像信号。所述的减压阀组12包括脉冲气体减压阀12a和高速气体减压阀12b。所述的电磁阀组件13由安装在电磁阀安装基座13a上的脉冲气体进气电磁阀13b、脉冲气体排气电磁阀13c、高速气体进气电磁阀13d组成。所述的超声波组件14包括与固定在由第二步进电机驱动器19控制的第二单轴电移动平台14c上的夹具14b相连接的超声波振动棒14a，以及超声波发生器14d。

其中，如图1、图3、图10所示，石英玻璃管为圆锥型结构，减少熔液的流动阻力。玻璃管锥端有直径1mm的直导管，使熔液在表面张力的作用下不滴落。石英玻璃管下半部分被高频感应加热线圈7a包围，用于加热固体金属颗粒，温度调节范围是0-1000℃。

如图1、图6、图7、图9所示，金属微熔滴5e由压力脉冲驱动石英玻璃管内的金属熔液喷射产生。压力脉冲由通过脉冲气体进气电磁阀13b、脉冲气体排气电磁阀13c的通断时序控制脉冲气流入口8c、脉冲气流出口8d的气体流量，调节石英玻璃管内的气体压力变化获得。

如图1、图6、图8基板安装块5a材料采用黄铜合金，便于热传导，基板加热组件6的温度调节范围是0~500℃。超声波振动棒14a在第二单轴电移动平台14c的带动下，与基板安装块5a接触，对基板样片5b产生超声振荡作用。

如图1、图2所示，拉瓦尔喷嘴10a由两个锥形管构成，其中一个为收缩管，另一个为扩张管。压力为0.1-0.7MPa的惰性气体流入喷嘴的前半部，穿过窄部后由后半部逸出，气流速度最高达到400m/s，可以为金属微熔滴提供高速流场。

如图4所示，基板样片5b与液滴入射方向的角度可以通过旋转基座5f及紧定螺5g调整，可调范围是60°~120°。

如图6所示，金属微熔滴5e与基板样片5b碰撞区域分别设置高速摄像机和照明系统，用来观察熔滴形态及其在样片上接触角的变化。

复合场作用下高速金属熔滴/基板碰撞试验装置的使用方法，其步骤为：如图1~图10所示，调整He-Ne激光光源9a和高速摄像机4a在水平方向与金属熔滴/基板碰撞区域对中。打开高频感应加热线圈7a，将放入石英玻璃管8a内的金属颗粒熔化。打开基板加热组件6电源，其温度调节范围是0-500℃，用于加热基体样片，温度传感器Ⅰ实时监测样片温度变化。打开高压气瓶2，通过气动三联件11和脉冲气体减压阀12a控制由与脉冲气体进气电磁阀13b连接的脉冲气流入口8c的气体流量。通过控制脉冲气体进气电磁阀13b、脉冲气体排气电磁阀13c的通断时序，调节石英玻璃管内的气体压力，获得脉冲气体。石英玻璃管内的金属熔液在脉冲气体的冲击下，产生单一熔滴。打开与高速气体减压阀12b相连接的高速气体进气电磁阀13d，气体通过拉瓦尔喷嘴10a后，产生高速气体，将金属熔滴加速与基体样片碰撞。通过调节拉瓦尔喷嘴与液滴的距离，可以获得0-400m/s的风速。打开高速摄像机和照明系统，用来观察和记录熔滴形态及其在样片上接触角的变化。调节单轴电移动平台Ⅱ14c，带动超声波振动棒14a与基板安装块5a接触。通过旋转基座5f及紧定螺5g调整基板样片5b与液滴入射方向的角度。打开超声波发生器电源，对基板样片5b产生超声振荡作用，分析处理输入图像，获得实验数据。

以上述依据实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更及修改，本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.复合场作用下高速金属熔滴/基板碰撞装置，由高压气瓶（2）、气体三联件（11）、减压阀组（12）构成的气源系统通过电磁阀组件（13）分别为微液滴发生装置（8）和高速气体组件（10）提供所需压力的气体，高速摄像组件（4）由高速摄像机（4a）和相机支架（4b）组成，其特征在于基板安装组件（5）包括使用基板样片压板（5d）固定在基板安装块（5a）上的基板样片（5b），第一温度传感器（5c）用来测量基板样片的实时温度；基板加热组件（6）由电加热板（6a）和第一可调温控器（6b）组成，与基板安装块（5a）相连接，用来加热基板样片（5b），通过旋转基座（5f）及紧定螺钉（5g）能够调整基板样片（5b）与液滴入射方向的角度；金属熔滴加热组件（7）包括高频感应加热线圈（7a）和第二可调温控器（7b），为微液滴发生装置（8）提供热源；微液滴发生装置（8）包括由玻璃管下密封法兰（8f）、第一导向轴（8g）、高频感应加热线圈安装板（8h）、第二导向轴（8i）、微熔滴发生器基座（8j）构成的安装框架，以及放置在玻璃管下密封法兰与玻璃管上密封法兰（8b）之间，通过氟密封O圈（8k）密封的石英玻璃管（8a）；石英玻璃管中放置有采用高频感应加热线圈（7a）熔化的金属熔液（8l），通过设置在玻璃管上密封法兰的第二温度传感器（8e）测量金属熔液的温度；玻璃管上密封法兰上还设置有脉冲气流入口（8c）、脉冲气流出口（8d），用以产生压力脉冲从而在石英玻璃管下端喷射出金属微液滴；背光源组件（9）包括光源（9a）和光源支架（9b），为高速摄像机提供照明；高速气体组件（10）包括安装在管道夹具（10c）上的高速气体管道（10b），管道前端连接有拉瓦尔喷嘴（10a）；管道夹具放置在由第一步进电机驱动器（18）控制的第一单轴电移动平台（10e）上的竖直导向轴（10d）上，能够沿竖直和水平方向移动；高速摄像组件（4）、基板安装组件（5）、基板加热组件（6）、金属熔滴加热组件（7）、微液滴发生装置（8）、背光源组件（9）、高速气体组件（10）均安装在暗箱（22）中以获取高分辨率的图像信号；减压阀组（12）包括脉冲气体减压阀（12a）和高速气体减压阀（12b）；电磁阀组件（13）由安装在电磁阀安装基座（13a）上的脉冲气体进气电磁阀（13b）、脉冲气体排气电磁阀（13c）、高速气体进气电磁阀（13d）组成；超声波组件（14）包括与固定在由第二步进电机驱动器（19）控制的第二单轴电移动平台（14c）上的夹具（14b）相连接的超声波振动棒（14a）以及超声波发生器（14d）。

2.根据权利要求1所述的复合场作用下高速金属熔滴/基板碰撞装置，其特征在于：所述的压力脉冲由通过脉冲气体进气电磁阀（13b）、脉冲气体排气电磁阀（13c）的通断时序控制脉冲气流入口（8c）、脉冲气流出口（8d）的气体流量，调节石英玻璃管内的气体压力变化获得。

3.根据权利要求1所述的复合场作用下高速金属熔滴/基板碰撞装置，其特征在于：所述的石英玻璃管下半部分被高频感应加热线圈（7a）包围，用于加热固体金属颗粒，温度调节范围是0~1000℃。

4.根据权利要求1所述的复合场作用下高速金属熔滴/基板碰撞装置，其特征在于：基板安装块（5a）材料采用黄铜合金与电加热板（6a）相连接，便于热传导，基板加热组件（6）的温度调节范围是0~500℃。

5.根据权利要求1所述的复合场作用下高速金属熔滴/基板碰撞装置，其特征在于：拉瓦尔喷嘴（10a）由两个锥形管构成，其中一个为收缩管，另一个为扩张管；压力为0.1-0.7MPa的惰性气体流入喷嘴的前半部，穿过窄部后由后半部逸出，气流速度最高达到400m/s。

6.根据权利要求1所述的复合场作用下高速金属熔滴/基板碰撞装置，其特征在于：超声波振动棒（14a）在第二单轴电移动平台（14c）的带动下，与基板安装块（5a）接触，对基板样片（5b）产生超声振荡作用。

Images