【正文】 下，較大尺寸的粉末 (顆粒直徑 100μm)流動(dòng)性較好，易于傳送，而顆粒直徑較小的粉末 (顆粒直徑 1μm)容易聚團(tuán)和粘滯，流動(dòng)性較差，通常傳送這樣尺寸的粉末是非常困難的 [17]，所以，在同步送粉器中，流動(dòng)性差是超細(xì)粉末輸送的難點(diǎn)，由于細(xì)粉末的聚團(tuán)和粘滯，而導(dǎo)致送粉不連續(xù)和送粉量不均勻，得到的熔覆層厚度不均勻、表面質(zhì)量差、嚴(yán)重精密熔覆和微成型的質(zhì)量。比如對(duì)于納米相粉這類超細(xì)粉末在輸送中容易發(fā)生團(tuán)聚，目前的送粉器還沒有得到很好的解決。所以，對(duì)于超細(xì)粉末的輸送 和實(shí)現(xiàn)微量輸送將是以后送粉器研究的重點(diǎn)。并且對(duì)于送粉器綜合化的研究，將更有利于實(shí)現(xiàn)激光熔覆加工成套設(shè)備的集成化和一體化。 本設(shè)計(jì)擬解決的關(guān)鍵問題和研究方法 本課題研究重點(diǎn)和難點(diǎn)即在研究并解決影響粉末傳輸過(guò)程中影響其均勻性和穩(wěn)定性的主要因素以及超細(xì)粉末的輸送難題。通過(guò)研究分析提出可以使粉末均勻傳輸和定量傳輸?shù)目尚行苑桨浮? 1）關(guān)鍵問題 本課題是要解決在粉末傳送的過(guò)程當(dāng)中，保證粉末的穩(wěn)定性和均勻性和超細(xì)粉末輸送難的問題。 激光熔覆是利用高能激光束輻射基材表面合金層形成熔池，這一快速熔凝的過(guò)程。同時(shí)這一過(guò) 程又是一個(gè)能量、動(dòng)量、質(zhì)量運(yùn)送的過(guò)程，不僅存在傳熱現(xiàn)象，而且存在對(duì)流和質(zhì)量傳遞，這些過(guò)程直接影響激光工藝質(zhì)量以及對(duì)工藝參數(shù)的要求、深入了解激光熔池中發(fā)生的傳熱和對(duì)流機(jī)理對(duì)于正確運(yùn)用激光熔覆技術(shù)十分重要，通過(guò)建立數(shù)學(xué)方程來(lái)描述激光熔池中的動(dòng)力學(xué)數(shù)理方程，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)分析激光熔池內(nèi)的溫度場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。運(yùn)用粉粒的氣動(dòng)輸送理論來(lái)分析固氣兩相流的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，它們的速度分布，物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，動(dòng)力特。通過(guò)研究粉末的再傳送過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而確定對(duì)送粉系統(tǒng)的要求，根據(jù)要求，提出送粉方案設(shè)計(jì)同軸送粉頭的結(jié)構(gòu)和尺寸。 2） 研究方法 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè)，共 49 頁(yè) 1）文獻(xiàn)研究法 通過(guò)搜集查閱有關(guān)激光加工同軸送粉器的文獻(xiàn)，了解激光加工同軸送器的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。 2）觀察法 通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)室的 5kv 橫流二氧化炭氣體激光器及多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控激光系統(tǒng) ，了解同軸送粉器的主要結(jié)構(gòu)，功能和工作原理。 3）定量分析法 運(yùn)用粉末分散原理，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)粉末的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量分析。 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè)，共 49 頁(yè) 2 送粉器的方案設(shè)計(jì) 激光熔覆技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究中具有重要的應(yīng)用前景，送粉器的設(shè)計(jì)和開發(fā)是激光熔覆設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著激光熔覆技術(shù)的快速發(fā)展，以及對(duì)熔覆層的加工精度 和質(zhì)量要求的提高，國(guó)內(nèi)外相繼研發(fā)了基于不同原理的送粉器。 和 設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)盤式送粉器，是用刮板將轉(zhuǎn)盤上的粉末推到凹槽內(nèi)，再用載流氣體將粉末輸送走。 L. Li 和 W. M. Steen 設(shè)計(jì)的螺旋式送粉器 [5]，是把螺桿置于料斗的底部，通過(guò)螺紋把粉末送到混合器，再用氣體將粉末輸送出去。 Atsusaka 和 Motohiro Urakaw 設(shè)計(jì)的毛細(xì)管式送粉器，是通過(guò)毛細(xì)管的振動(dòng)來(lái)輸送粉末，但是送粉率不可控制。 Amit Suri 和 Masayuki Horio 所試驗(yàn)的送粉器，一路氣體對(duì) 粉末進(jìn)行沸騰使之落入下部管道，另一路氣體運(yùn)輸降下的顆粒，通過(guò)兩路氣流能夠更好地控制送粉量。 在國(guó)內(nèi)，陳德善等研制了一種 GL 型輥輪式送粉器，它是一種機(jī)械定量式送粉器，可以使粉末按著 “先定量堆積而后輸出 ”的基本程序進(jìn)行輸送，送粉量穩(wěn)定，送粉粒度為 320 目以下，送粉進(jìn)度可達(dá) 177。%；閆江松等研制了一種容積式送粉器，在 200 目 FNi07B 材料輸送的實(shí)驗(yàn)中，送粉量為 0~40g/min，送粉誤差為%；田鳳杰等設(shè)計(jì)的同軸送粉系統(tǒng)，能夠輸送功能梯度材料，在粉末充分混合后運(yùn)用刮吸式送粉機(jī)構(gòu)將粉末輸送，顆粒度為 100~350 目的粉末，其送粉量為 2~25g/min，送粉誤差 3%以下；馮立偉等研究的雙料斗載氣式送粉器，可實(shí)現(xiàn)單料斗運(yùn)粉或雙料斗同時(shí)送粉，且可實(shí)現(xiàn) 2 種粉末的混合輸送， 150 目的 Ni25與 320 目的 WC 混合粉末輸送試驗(yàn)中，送粉量為 5~20g/min；李艷麗等設(shè)計(jì)的螺旋送粉器可實(shí)現(xiàn) 7~60g/min 的送粉量。 國(guó)內(nèi)外送粉器的原理及特性 送粉器的功能是將粉末按照加工工藝要求精確的送入激光熔池，并確保加工過(guò)程中，粉末能連續(xù)、均勻、穩(wěn)定地輸送。針對(duì)不同類型的粉末要求，目前國(guó)內(nèi)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè)，共 49 頁(yè) 外已經(jīng)研制的送粉器主要可以分為：螺旋式 送粉器、轉(zhuǎn)盤式送粉器、刮板式送粉器、毛細(xì)管式送粉器、鼓輪式送粉器、電磁振動(dòng)送粉器和沸騰式送粉器。其工作原理包括：重力場(chǎng)、氣體動(dòng)力學(xué)和機(jī)械力學(xué)等。各種送粉器的具體工作過(guò)程如 下： ㈠ 螺旋式送粉器 螺旋式送粉器主要是基于機(jī)械力學(xué)原理，如圖 所示，它主要由粉末存儲(chǔ)倉(cāng)斗、螺旋桿、振動(dòng)器和混合器等組成。工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，使粉末沿著桶壁輸送至混合器，然后混合器中的載流氣體將粉末以流體的方式輸送至加工區(qū)域。為了使粉末充滿螺紋間隙，粉末存儲(chǔ)倉(cāng)斗底部加有振動(dòng)器，能提高送粉量的精度。送粉量的大小可以由電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 。這種送粉器能傳送粒度大于15μm 的粉末，粉末的輸送速率為 10~150g/min。 圖 ㈡ 轉(zhuǎn)盤式送粉器 轉(zhuǎn)盤式送粉器是基于氣體動(dòng)力學(xué)原理，其結(jié)構(gòu)如 所示，主要由粉斗、粉盤和吸粉嘴組成。粉盤上帶有凹槽，整個(gè)裝置處于密閉環(huán)境中，粉末由粉斗通過(guò)自身重力落入轉(zhuǎn)盤凹槽，并且電機(jī)帶動(dòng)粉盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將粉末運(yùn)至吸粉嘴，密閉裝置中由進(jìn)氣管充入保護(hù)性氣體，通過(guò)氣體壓力將粉末從吸粉嘴處送出，然后在經(jīng)過(guò)出粉管到達(dá)激光加工區(qū)域。 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè)，共 49 頁(yè) 圖 ㈢刮板式送粉器 刮板式送粉器，如圖 所示，它主要 由存轉(zhuǎn)盤、儲(chǔ)粉末的粉斗、刮板、接粉斗等組成。工作時(shí)粉末從粉斗經(jīng)過(guò)漏粉孔靠自身的重力和載流氣體的壓力流至轉(zhuǎn)盤，在轉(zhuǎn)盤上方固定一個(gè)與轉(zhuǎn)盤表面緊密接觸的刮板，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不斷將粉末刮下至接粉斗，在載流氣體作用下，通過(guò)送粉管送至激光加工區(qū)域。送粉量大小是通過(guò)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速來(lái)決定的，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)便可以控制送粉量的大小，同時(shí)調(diào)節(jié)粉斗和轉(zhuǎn)盤的高度和漏粉孔的大小，可以使送粉量的調(diào)節(jié)達(dá)到更寬的范圍。刮板式送粉器適用于顆粒直徑大于 20μm 的粉末輸送 。 圖 ⑷毛細(xì)管式送粉器 這種方法主要是使用一個(gè)振 動(dòng)的毛細(xì)管來(lái)送粉，振動(dòng)是為了粉末微粒的分離，該送粉器由 1 個(gè)超聲波振蕩器、 1 個(gè)帶貯粉斗的毛細(xì)管和 1 個(gè)盛水的容器組成（見圖 ）。電源驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲波，用水來(lái)傳送超聲波。粉末工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè)，共 49 頁(yè) 存儲(chǔ)在毛細(xì)管上面的漏斗里，毛細(xì)管在水面下面 ,下端漏在容器外面，通過(guò)產(chǎn)生的振動(dòng)將粉末打散開，由重力場(chǎng)傳送。送粉顆粒最小直徑約 。 圖 毛細(xì)管式送粉器 ⑸鼓輪式送粉器 鼓輪式送粉器的主要結(jié)構(gòu)如圖 所示，主要有貯粉斗，粉槽和送粉輪組成。粉末從貯粉斗落入下面的粉槽，利用大氣壓強(qiáng)和粉糟內(nèi)的氣壓維持粉末堆積量在一定范圍內(nèi) 的動(dòng)態(tài)平衡。鼓輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，其上均勻分布的粉勺不斷從粉槽舀取粉末，又從右側(cè)倒出粉末，粉末由于重力從出粉口送出。通過(guò)調(diào)節(jié)鼓輪的轉(zhuǎn)速和更換不同大小的粉勺來(lái)實(shí)現(xiàn)送粉率的控制。 圖 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè)，共 49 頁(yè) ⑹沸騰式送粉器 沸騰式送粉器用氣流將粉末流化或達(dá)到臨界流化，由氣體將這些流化或臨界流化的粉末吹送運(yùn)輸?shù)囊环N送粉裝置（見圖 ）。底部和上部的兩個(gè)進(jìn)氣道使粉末流化或達(dá)到臨界流化。中部的載流氣體將流化的粉末送出。沸騰式送粉器能使氣體與粉末混合均勻，不易發(fā)生堵塞；送粉量大小由氣體調(diào)節(jié)，可靠方便；并且不像刮吸式與螺旋式等機(jī) 械式送粉器，粉末輸送過(guò)程中與送粉器內(nèi)部發(fā)生機(jī)械擠壓和摩擦容易發(fā)生粉末堵塞現(xiàn)象，造成送粉量的不穩(wěn)定。 圖 沸騰式送粉器 ⑺電磁振動(dòng)送粉器 電磁振動(dòng)送粉器的原理圖如圖 所示，在電磁振動(dòng)器的推動(dòng)下，阻分器振動(dòng)，儲(chǔ)藏在貯粉倉(cāng)內(nèi)的粉末沿著螺旋槽逐漸上升到出粉口，由氣流送出。阻分器還有阻止粉末分離的作用。電磁振動(dòng)器實(shí)質(zhì)上是一塊電磁鐵，通過(guò)調(diào)節(jié)電磁鐵線圈電壓的頻率和大小就可實(shí)現(xiàn)送粉率的控制。 圖 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè)，共 49 頁(yè) 送粉器的性能比較分析 （ 1）螺旋式送粉器：這種送粉器比較適合小顆粒粉末輸送 ,工作中 輸送均勻，連續(xù)性和穩(wěn)定性高，并且這種送粉方式，對(duì)粉末的干濕度沒有要求，可以輸送稍微潮濕的粉末。但是不適用于大顆粒粉末的輸送，容易堵塞。由于是靠螺紋的間隙送粉，送粉量不能太小，所以很難實(shí)現(xiàn)精密激光熔覆加工中所要求的微量送粉，并且不適合輸送不同材料的粉末。 （ 2）轉(zhuǎn)盤式送粉器：是基于氣體動(dòng)力學(xué)原理，通入的氣體作為載流氣體進(jìn)行粉末輸送，這種送粉器適合球形粉末的輸送，并且不同材料的粉末可以混合輸送，最小粉末輸送率可 1g/min。但是對(duì)其他形狀的粉末輸送效果不好，工作時(shí)送粉率不可控，并且對(duì)粉末的干燥程度要求 高，稍微潮濕的粉末，會(huì)使送粉的連續(xù)性和均勻性降低。 （ 3）刮板式送粉器：對(duì)于顆粒較大的粉末流動(dòng)性好，易于傳輸。但在輸送顆粒較小的粉末時(shí)，容易團(tuán)聚，流動(dòng)性較差，送粉的連續(xù)性和均勻性差，容易造成出粉管口堵塞。 （ 4）毛細(xì)管送粉器：這種送粉器能輸送的粉末直徑大于 。粉末輸送率可以達(dá)到 ≤1g/min。能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)精密熔覆中要求的微量送粉，但是它是靠自身的重力輸送粉末，必須是干燥的粉末，否則容易堵塞，送粉的重復(fù)性和穩(wěn)定性差，對(duì)于不規(guī)則的粉末輸送，輸送時(shí)在毛細(xì)管中容易堵，所以只適合于球形粉末 的輸送。 （ 5）鼓輪式送粉器：其工作原理是基于重力場(chǎng)，對(duì)于顆粒比較大的粉末，因其流動(dòng)性好能夠連續(xù)送粉，并且機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于它是通過(guò)送粉輪上的粉勺輸送粉末，對(duì)粉末的干燥度要求高，微濕的粉末和超細(xì)粉末容易堵塞粉勺，使送粉不穩(wěn)定，精度降低。 （ 6）沸騰式送粉器：是基于氣固兩相流原理設(shè)計(jì)的。工作時(shí)，載流氣體在氣體流化區(qū)域直接將粉末吹出送至激光熔池。但同樣要求所送粉末干燥。沸騰式送粉器對(duì)于粉末的流化和吹送都是通過(guò)氣體來(lái)完成的，所以避免了前面螺旋式，刮板式等粉末與送粉器元件的機(jī)械摩擦，對(duì)粉末的粒度和形狀有較寬 的適用范圍。 （ 7） 電磁振動(dòng)送粉器：是基于機(jī)械力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)原理工作的，反應(yīng)靈工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè)，共 49 頁(yè) 敏，由于是用氣體做為載流體將粉末輸出，所以對(duì)粉末的干燥程度要求高，微濕粉末會(huì)造成送粉的重復(fù)性差。并且對(duì)于超細(xì)粉末的輸送不穩(wěn)定，在出粉管處超細(xì)粉末容易團(tuán)聚，發(fā)生堵塞。 同軸送粉器的發(fā)展特點(diǎn)及未來(lái)趨勢(shì) 隨著激光熔覆技術(shù)的快速發(fā)展，送粉器作為熔覆設(shè)備的核心元件之一，也得到了廣泛的研究。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)送粉器的研制目標(biāo)是將送粉器工作時(shí)的連續(xù)性、均勻性、穩(wěn)定性和可控性提高到一個(gè)更科學(xué)，更先 進(jìn)的水平。對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料的整理和分析可以看出送粉器發(fā)展的特點(diǎn)： （ 1）多功能化?，F(xiàn)有的送粉器基本都能夠?qū)我坏姆勰┻M(jìn)行連續(xù)送粉，以后送粉器的發(fā)展向著混合送粉、多方式送粉和高精度方向發(fā)展，目前已先后研制出多料倉(cāng)混合的送粉器，熔覆材料組成及配比連續(xù)可調(diào)的送粉器以及高度集成帶有信息反饋附件的送粉器等。 （ 2）微量化。現(xiàn)有的送粉器都是連續(xù)送粉，送粉量都比較大，僅適合大面積熔覆應(yīng)用和三維快速制造。目前的激光熔覆技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于精密熔覆和微成形，在這種加工過(guò)程中，需要對(duì)激光熔覆加工區(qū)域進(jìn)行微量輸送，這對(duì) 送粉器的性能要求很高。當(dāng)進(jìn)行零件的激光熔覆精密修復(fù)時(shí)，大送粉量的送粉器根本無(wú)法滿足工作的要求。 （ 3）超細(xì)化?，F(xiàn)在的送粉器能夠?qū)^大尺寸粉末，進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的送粉，因?yàn)槠淞鲃?dòng)性好，易于傳輸。然而，對(duì)于尺寸在毫米級(jí)以下的微細(xì)熔覆粉末，現(xiàn)有送粉器的輸送粉末顆粒比較大，特別是對(duì)于有些工件表面的缺陷特別微小（如小的磨損坑、裂痕、小孔洞和腐蝕坑等）無(wú)法滿足加工的要求。 送粉器主要問題分析 本課題研究的超細(xì)粉末送粉器輸送的粉體顆粒直徑在十幾 um~幾百納米之間，其質(zhì)量很小，具有常規(guī)粉末所不具備的特殊性能。 尺寸極小，表面積很大，位于表面的原子數(shù)占總原子數(shù)相當(dāng)大的比例，表面離子缺少鄰近配位的表面原子，使離子的活性極高，具有巨大的表面能，離子處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，使其具有強(qiáng)烈的相互吸引而達(dá)到穩(wěn)定的趨勢(shì)，很容易與其它的分子產(chǎn)生很強(qiáng)的相互作用力，如范德華力，異性電荷之間的靜電力、磁性力等，工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè)，共 49 頁(yè) 其中范德華力其主要作用。范德華力是吸力，與分子間的距離的七次方成正比，作用距離極短，是典型的短程力，這些力的合成使小的分子很容易團(tuán)聚成團(tuán)。另外，當(dāng)粉末存在容器中時(shí)，很容易產(chǎn)生粉末吸附于容器壁上或容器內(nèi)形成架橋現(xiàn)象。面對(duì)有極大分子集合 構(gòu)成的體系，隨著顆粒間距離的增大，其分子間作用力的衰減程度明顯變緩，這是因?yàn)榇嬖诙鄠€(gè)分子綜合作用的緣故顆粒間分子間的有效距離可達(dá) 50nm，因此是長(zhǎng)程力，在這些力的作用下，顆粒間形成了顆粒鏈，如果某些外力作用在顆粒鏈上會(huì)使顆粒鏈發(fā)生斷裂而形成團(tuán)聚。 團(tuán)聚使納米相粉的摩擦性增強(qiáng)，粉末流動(dòng)性變得很差，分散性能降低，團(tuán)聚使顆粒大小不一，嚴(yán)重影響著粉末的