一种电子束沉积喷头的制作方法

本实用新型属于电子束沉积技术领域，具体涉及一种电子束沉积喷头，用于复合电子束装置进行高效作业。

背景技术：

电子束沉积技术，是将电子束同步引入涂层沉积过程，利用电子束对喷涂颗粒、基材或两者同时加热并使之软化，沉积于基体材料表面，形成包含冶金结合与机械结合的涂层，或者用于3d打印技术，直接对三维模型进行实体打印。

目前，在实现电子束沉积技术的过程中，一般采用电子束与喷枪进行外部耦合达到电子束沉积的效果，一种为电子束装置垂直于基板，喷枪在侧向送粉，一种为喷枪垂直与基板，电子束在侧向输入高密度能量，两种不同的方式归根结底都是两种设备的外部结构上的结合，参与的设备多，装置不够紧凑，同时电子束与粉末接触空间较小。

在现有的进行外部耦合的作业中，涂层质量难以保证，会出现气孔、夹杂、裂纹等缺陷，孔隙率高，热影响区宽，稀释率大，与母材的结合不牢固，结合界面会出现大量垂直于涂层生长方向的裂纹，粉末利用率以及沉积效率低等问题。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种电子束沉积喷头，本实用新型能够电子束与粉束在一个结构里实现耦合，保证涂层质量。

一种电子束沉积喷头，包括喷嘴和高压气体加热器，高压气体加热器为圆筒形，高压气体加热器内部设有加热腔，高压气体加热器上设有与加热腔连通的高压气体接口，高压气体加热器的上端设有能够与电子束装置连接的电子束装置连接口；喷嘴为圆锥形喷嘴，喷嘴为中空结构，喷嘴的小端设有供电子束通过的电子束孔，喷嘴的大端与高压气体加热器的下端连接，喷嘴内部沿其周向均匀对称布设有若干拉阀管，拉阀管从喷嘴的大端面延伸至喷嘴的小端面，拉阀管从喷嘴的大端面至小端面方向包括依次连通的收缩段、喉口和扩张段，拉阀管收缩段的入口与高压气体加热器的加热腔连通，喷嘴上在喉口的部位设有与喉口连通的送粉管道。

优选的，所有拉阀管的扩张段出口的轴线相交于一点。

优选的，拉阀管收缩段轴线与送粉管道轴线之间的夹角为锐角。

优选的，收缩段和扩张段均为圆台形内孔，收缩段的小端直径在1-10-mm，所述收缩段的长度在3-50mm，所述收缩段的内壁与拉阀管中心轴的夹角在5°-15°；喉口为圆形或椭圆形等圆弧形，喉口的直径在1-10mm；扩张段的出口直径在1-10mm，所述扩张段的内壁与拉阀管中心轴的夹角在5°-15°。

优选的，喷嘴的小端面为内凹的圆锥面。

优选的，高压气体加热器的内腔设有加热元件，高压气体加热器的加热腔壁面设有保温层。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型的电子束沉积喷头中，喷嘴中布设有若干拉阀管，拉阀管从喷嘴的大端面至小端面方向包括依次连通的收缩段、喉口和扩张段，喷嘴上在喉口的部位设有与喉口连通的送粉管道，利用拉阀管和送粉管道能够使粉末被高压气体加速，高压气体加热器中设有加热腔，因此对高压气流有加热作用，使高压气体发生膨胀，提供压力持续而稳定，为粉末提供高速保障，同时还能够通过被加热的高压高速气体加热粉末，使得被加热的粉末在与电子束接触时能够形成质量好的涂层，减少内部的残余应力，增强与基体材料的结合强度。本实用新型的高压气体加热器为圆筒形，喷嘴为中空结构，喷嘴的小端设有供电子束通过的电子束孔，该结构的高压气体加热器和喷嘴能够为电子束提供通道，拉阀管从喷嘴的大端面延伸至喷嘴的小端面，因此粉末从拉阀管扩张段出来后可直接与电子束接触并朝大致一致的方向运动，能够增加电子束与粉束的接触距离以及与基体材料的接触角度(趋近于直角)，有利于粉末的软化沉积，能够较大程度上避免出现气孔、夹杂、裂纹等缺陷，提高涂层质量，由上述可以看出，本实用新型的电子书沉积喷头实现了电子束与粉束在一个结构里进行耦合，能够保证涂层质量。本实用新型的结构设计有创新性，为电子束沉积提供了结构设计的支持，减小了实现电子束沉积所需的设备数量以及设备空间，整体结构符合严谨的技术原理，而且设计紧密，提高了加工制造过程中的作业效率。

进一步的，收缩段和扩张段均为圆台形内孔，收缩段的小端直径在1-10-mm，收缩段的长度在3-50mm，收缩段的内壁与拉阀管中心轴的夹角在5°-15°；喉口为圆形或椭圆形，喉口的直径在1-10mm；扩张段的出口直径在1-10mm，扩张段的内壁与拉阀管中心轴的夹角在5°-15°，拉阀管的上述参数为优化后的参数，可以保证粉末的高速运行，如果不在这个范围内，粉末的速度不能保证，出粉的均匀性不能保证。

进一步的，喷嘴的小端面为内凹的圆锥面，这样更有利于电子束与粉末尽快尽早接触，并且还有聚拢能量的作用，减少降温，提高沉积质量。

附图说明

图1为本实用新型电子束沉积喷头的纵剖面结构图；

图2为本实用新型去顶盖的电子束沉积喷头的上视图；

图3为本实用新型电子束沉积喷头的仰视图；

图4为本实用新型的拉阀管细节图。

图中：1-电子束装置连接口、2-保温层、3-高压气接口、4-加热元件、5-拉阀管、6-送粉管道、7-喷头内孔、8-感温管、9精密感温管、10接线口、11喉口、12加热元件接口，13-喷嘴，14-高压气体加热器，15-电子束孔。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1、图3和图4，本实用新型的电子束沉积喷头，包括喷嘴13和高压气体加热器14，高压气体加热器14为圆筒形，高压气体加热器14内部设有加热腔，高压气体加热器14上设有与加热腔连通的高压气体接口3，高压气体加热器14的上端设有能够与电子束装置连接的电子束装置连接口1；喷嘴13为圆锥形喷嘴，喷嘴13为中空结构，喷嘴13的小端设有供电子束通过的电子束孔15，喷嘴13的大端与高压气体加热器14的下端连接，喷嘴13内部沿其周向均匀对称布设有若干拉阀管5，拉阀管5从喷嘴13的大端面延伸至喷嘴13的小端面，拉阀管5从喷嘴13的大端面至小端面方向包括依次连通的收缩段、喉口11和扩张段，收缩段、喉口11和扩张段同轴，拉阀管5收缩段的入口与高压气体加热器14的加热腔连通，喷嘴13上在喉口11的部位设有与喉口11连通的送粉管道6。

作为本实用新型优选的实施方案，所有拉阀管5的扩张段出口的轴线相交于一点。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图4，拉阀管5收缩段轴线与送粉管道6轴线之间的夹角为锐角。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图4，收缩段和扩张段均为圆台形内孔，收缩段的小端直径在1-10mm，所述收缩段的长度在3-50mm，所述收缩段的内壁与拉阀管5中心轴的夹角在5°-15°；喉口11为圆形或椭圆形等圆弧形，喉口11的直径在1-10mm；扩张段的出口直径在1-10mm，所述扩张段的内壁与拉阀管5中心轴的夹角在5°-15°。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图1和图4，喷嘴13的小端面为内凹的圆锥面。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图1，高压气体加热器14的内腔设有加热元件4，高压气体加热器14的加热腔壁面设有保温层2。

利用本实用新型电子束沉积喷头进行电子束沉积的方法，包括如下过程：

将本实用新型上述的电子束沉积喷头与电子束装置连接；

启动电子束，电子束穿过高压气体加热器14的内腔以及喷嘴13的内腔，从喷嘴13上的电子束孔15穿出后达基体材料的表面的指定区域；

从高压气体加热器14上的高压气体接口3向高压气体加热器14内部的加热腔通入高压气，高压气从加热腔进入拉阀管5，经拉阀管5加速后从喷嘴13小端端面流出，待高压气压力稳定后，开始对高压气加热，当高压气加热至预设温度后，通过送粉管道6向拉阀管5的喉口11输送粉末，粉末在喉口11处于与高压气接触，高压气携带着被加热和加速的粉末从拉阀管5的扩张段喷出，从电子束孔15穿出的电子束将从拉阀管5扩张段喷出的粉末沉积于基体材料的表面的指定区域。

在沉积时采用本实用新型的电子束沉积喷头可直接作业，避免现有技术中电子束与喷枪进行外部耦合来进行沉积，同时粉末软化程度好，易于与基体材料结合形成涂层，以及粉末、电子束与基体材料表面的接触角度好，使得能够与电子束作用的粉末量大大增多，提高了粉末的利用率。

实施例1

参照图1-图4，本实施例的电子束沉积喷头包括电子束装置连接口1，用于与电子束装置连接，电子束可以从中间预留出来的内孔通过，与下方粉束耦合，进行电子束沉积。

保温圈2设置在加热腔的内壁，用于将加热元件4产生的热量进行保温，由于高压气接口3通入的气体为高压气，气流速度较快，散热较为严重，需要在加热元件部位进行保温，减少热损，此时受热的高压气体压力将增大，进入在底部设置的拉阀管5；加热元件4是使粉末实现被加速的关键，气体在高温环境下会发生膨胀现象，气压瞬时增加并通过拉阀管5的结构加速，粉末在拉阀管5的出口(即扩张段的出口)位置会达到被加速的效果。加热元件4采用电加热金属管式螺旋结构，加热腔内的气体通过和金属管发生强烈湍流换热被加热；金属筒是承压金属板焊接而成的，载气通过高压气接口进入金属筒，经过管式加热元件上部，再从底部进入喷头的送气通道，最后在喷头的通道中与粉末汇聚，这种结构可以使气体从加热元件的上部到加热元件的末端，使热量利用率最大，同时外部的高压气体又可以保证管内的温度不会提升很多，不需要特殊的外部高温保护措施；加热元件的螺旋式管道和金属壳筒之间通过保温砖和陶瓷纤维保温层填。本实用新型螺旋式管道解热元件为耐高温金属管结构，选用耐高温合金、康铜或锰钢；螺旋式管道金属的电阻率需要在0.8ω·m，加热温度600℃以上的时候采用耐高温合金，加热元件的螺旋式金属管要一次性成型不能二次成型，长度为2到9米；管壁厚度要均匀一致，保证在在1.2到2.0毫米之间；需要把加热元件的金属管加工成螺旋管，螺旋状管道的半径小于8cm，可自由角度，管道的对应距离控制在3mm到30mm之间，加工螺旋管时，管道不能有机械损伤；保温圈放置在加热元件的周围，保温圈可使用玻璃棉制品、维耐隔热毯、绝热泡沫玻璃、聚氨酯，选用的保温圈热传导系数要低；金属材料的耐压性能需要较好，一般选择不锈钢；加热元件的电源连接线一般为普通不锈钢或者与加热元件材料相同；加热元件的电源使用逆变电源，由于需要瞬时加热，要求功率不小于5kw；要求加热系统内的压力损失在加热元件部位小于0.2mpa。

接线口10位于高压气体加热器14外筒的圆弧圈上，为了保证高压气体加热器14内部(即加热腔)的密闭性，接线口需要设置在高压气体加热器14外壁的圆弧圈上，也是防止高压气体加热器14外壁过热，对线路有所损伤，加热元件接口12在高压气体加热器14外筒内壁的上，要求加热元件4的可更换性，加热元件4需要插在加热元件接口12上进行工作，精密感温管9在加热腔内部，可以精准的感知加热腔内的瞬时温度，并将温度以信号的形式发送出去，方便操作人员进行调节加热腔内部的温度，感温管8在加热腔内部，感温管8只感知一个温度点，当温度达到设置的极限报警温度时，感温管8会将报警信号发出，同时加热元件4感知到感温管8发出的信号，加热元件接口12会立刻停止供电，加热元件4会随即停止加热，高压气接口3部位的高压气作为常通气，会将加热腔内的热量带走，加热腔内部的温度会随即下降，实现对高压气流的加热。螺旋式管道加热元件上相隔均匀距离的位置上可以焊接多对热电偶，用于监控管壁的温度，防止金属壳筒过热发生管裂事故，为了安全起见，设置有双重保障，所述加热系统下部接线口位置有一根感温管，当温度高于极限温度时，感温管会向控制器发出报警命令。

拉阀管5在喷头喷嘴内部，拉阀管5的结构主要包括三个部分，第一个部分为拉阀管5的前半段，称为收缩段，气体会在收缩段出现高于高压气的压力，第二个部分为喉口11，是粉末被加速的关键部位，同时，喉口11也是送粉的最佳部位，喉口11的下端为扩张段，是第三个部分，气体会在喉口11下端的扩张段加速，喉口11此时会产生负压区，位于送粉管道6的末端，只要送粉管道处有粉末，就会被吸入拉阀管5的扩张段内，受热气体与粉末在喉口11相遇，粉末受热软化，与加速的高压气一同进入扩张段加速，达到被加速的目的，三个粉束一起从出口部位喷出，与电子束相互作用，形成电子束沉积。拉阀管5收缩段的最小在直径1-10mm之间，所述收缩段的最小长度在3-50mm之间，收缩段的环形内壁与拉阀管5中心轴的最小夹角在5-15°之间；喉口11的直径在1-10mm之间，喉口11为圆形或椭圆形等圆弧形；扩张段的出口最小直径在1-10mm之间，扩张段的内壁与拉阀管5中心轴的最小夹角在5-15°之间。

喷嘴13和高压气体加热器14的外壳均采用导热性良好的轻合金材料。

实施例2

选择45号钢作为基体材料，选择酒精或者丙酮清洗基体材料表面，当基体材料较小时，选择酒精作为清洗剂，将基体材料放置在烧杯中进行超声清洗，清洗完成后，选择平均粒径是35μm的al2o3作为喷涂材料，预先使用喷砂工艺除去45号钢表面的污垢和氧化皮，q285粉末作为涂层的原材料，启动电子束，电子束通过喷头内孔7到达基体材料的表面的指定区域，高压气接口3开始接入高压气，调整到指定的气压，接线口10开始接通电源，加热元件接口12通电后，加热元件4开始加热气体，精密感温管9开始检测温度，当温度到达指定范围后，确保感温管8处于未报警状态，送粉管道6开始接入粉末，粉末到达喉口11部位，与经过加热的高压气接触，高压气携带着被加热和加速的粉末从拉阀管5的扩张段喷出，三个拉阀管5喷出的粉末与电子束作用在基体材料的指定区域上，此时移动控制系统控制喷头开始按规定指令移动。其中，电子束沉积喷头的移动速度为100mm/s，高压气接口3接入的气压为1mpa，精密感温管9检测温度为400℃，电子束沉积喷头距离基体材料表面为20mm，电子束沉积喷头形成的喷涂区域直径为4mm，涂层厚度为0.5mm。

实施例3：

选择t7钢作为基体材料，选择酒精或者丙酮清洗基体材料表面，当基体材料较小时，选择酒精作为清洗剂，将基体材料放置在烧杯中进行超声清洗，清洗完成后，选择平均粒径是35μm的q258合金作为喷涂材料，预先使用喷砂工艺除去t7钢表面的污垢和氧化皮，45号钢粉末作为涂层的原材料，启动电子束，电子束通过喷头内孔7到达基体材料的表面的指定区域，高压气接口3开始接入高压气，调整到指定的气压，接线口10开始接通电源，加热元件接口12通电后，加热元件4开始加热气体，精密感温管9开始检测温度，当温度到达指定范围后，确保感温管8处于未报警状态，送粉管道6开始接入粉末，粉末到达喉口11部位，与经过加热的高压气接触，高压气携带着被加热和加速的粉末从拉阀管5的扩张段喷出，三个拉阀管5喷出的粉末与电子束作用在基体材料的指定区域上，此时移动控制系统控制喷头开始按规定指令移动。其中，电子束沉积喷头的移动速度为50mm/s，高压气接口3接入的气压为5mpa，精密感温管9检测温度为600℃，电子束沉积喷头距离基体材料表面为30mm，电子束沉积喷头形成的喷涂区域直径为8mm，涂层厚度为1mm。

实施例4

通过三维模型软件设计液压缸活塞杆，使用三维切分软件对液压缸活塞杆进行切分，每层厚度为0.1mm，一共需要喷涂150层，最终厚度为10.5mm，选择1cr13钢作为基体材料，选择酒精或者丙酮清洗基体材料表面，选择平均粒径是35μm的q285bz合金作为喷涂材料，预先使用喷砂工艺除去1cr13钢表面的污垢和氧化皮，q235粉末作为涂层的原材料，启动电子束，电子束通过喷头内孔7到达基体材料的表面的指定区域，高压气接口3开始接入高压气，调整到指定的气压，接线口10开始接通电源，加热元件接口12通电后，加热元件4开始加热气体，精密感温管9开始检测温度，当温度到达指定范围后，确保感温管8处于未报警状态，送粉管道6开始接入粉末，粉末到达喉口11部位，与经过加热的高压气接触，高压气携带着被加热和加速的粉末从拉阀管5的扩张段喷出，三个拉阀管5喷出的粉末与电子束作用在基体材料的指定区域上，此时移动控制系统控制喷头开始按规定指令移动。其中，电子束沉积喷头的移动速度为10mm/s，高压气接口3接入的气压为0.5mpa，精密感温管9检测温度为200℃，电子束沉积喷头距离基体材料表面为10mm，电子束沉积喷头形成的喷涂区域直径为6mm，涂层厚度为0.1mm。

显然，本领域的技术人员可以对实用新型进行各种修改和变形而不脱离本实用新型的精神和范围。如果本实用新型的这些改动和变形属于本实用新型权利要求及等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包括这些改动和变形在内。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除