【正文】 下，較大尺寸的粉末 (顆粒直徑 100μm)流動性較好，易于傳送，而顆粒直徑較小的粉末 (顆粒直徑 1μm)容易聚團和粘滯，流動性較差，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，流動性差是超細粉末輸送的難點，由于細粉末的聚團和粘滯，而導致送粉不連續(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、嚴重精密熔覆和微成型的質(zhì)量。比如對于納米相粉這類超細粉末在輸送中容易發(fā)生團聚，目前的送粉器還沒有得到很好的解決。所以，對于超細粉末的輸送 和實現(xiàn)微量輸送將是以后送粉器研究的重點。并且對于送粉器綜合化的研究，將更有利于實現(xiàn)激光熔覆加工成套設(shè)備的集成化和一體化。 本設(shè)計擬解決的關(guān)鍵問題和研究方法 本課題研究重點和難點即在研究并解決影響粉末傳輸過程中影響其均勻性和穩(wěn)定性的主要因素以及超細粉末的輸送難題。通過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程當中，保證粉末的穩(wěn)定性和均勻性和超細粉末輸送難的問題。 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，這一快速熔凝的過程。同時這一過 程又是一個能量、動量、質(zhì)量運送的過程，不僅存在傳熱現(xiàn)象，而且存在對流和質(zhì)量傳遞，這些過程直接影響激光工藝質(zhì)量以及對工藝參數(shù)的要求、深入了解激光熔池中發(fā)生的傳熱和對流機理對于正確運用激光熔覆技術(shù)十分重要，通過建立數(shù)學方程來描述激光熔池中的動力學數(shù)理方程，通過建立數(shù)學模型來分析激光熔池內(nèi)的溫度場，運動場。運用粉粒的氣動輸送理論來分析固氣兩相流的復雜運動，它們的速度分布，物料的運動狀態(tài)，動力特。通過研究粉末的再傳送過程中的運動規(guī)律，從而確定對送粉系統(tǒng)的要求，根據(jù)要求，提出送粉方案設(shè)計同軸送粉頭的結(jié)構(gòu)和尺寸。 2） 研究方法 工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁，共 49 頁 1）文獻研究法 通過搜集查閱有關(guān)激光加工同軸送粉器的文獻，了解激光加工同軸送器的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。 2）觀察法 通過觀察實驗室的 5kv 橫流二氧化炭氣體激光器及多軸聯(lián)動數(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 運用粉末分散原理，建立數(shù)學模型，對粉末的運動進行定量分析。 工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 6 頁，共 49 頁 2 送粉器的方案設(shè)計 激光熔覆技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用和科學研究中具有重要的應(yīng)用前景，送粉器的設(shè)計和開發(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，以及對熔覆層的加工精度 和質(zhì)量要求的提高，國內(nèi)外相繼研發(fā)了基于不同原理的送粉器。 和 設(shè)計的轉(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)計的螺旋式送粉器 [5]，是把螺桿置于料斗的底部，通過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)計的毛細管式送粉器，是通過毛細管的振動來輸送粉末，但是送粉率不可控制。 Amit Suri 和 Masayuki Horio 所試驗的送粉器，一路氣體對 粉末進行沸騰使之落入下部管道，另一路氣體運輸降下的顆粒，通過兩路氣流能夠更好地控制送粉量。 在國內(nèi)，陳德善等研制了一種 GL 型輥輪式送粉器，它是一種機械定量式送粉器，可以使粉末按著 “先定量堆積而后輸出 ”的基本程序進行輸送，送粉量穩(wěn)定，送粉粒度為 320 目以下，送粉進度可達 177。%；閆江松等研制了一種容積式送粉器，在 200 目 FNi07B 材料輸送的實驗中，送粉量為 0~40g/min，送粉誤差為%；田鳳杰等設(shè)計的同軸送粉系統(tǒng)，能夠輸送功能梯度材料，在粉末充分混合后運用刮吸式送粉機構(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，可實現(xiàn)單料斗運粉或雙料斗同時送粉，且可實現(xiàn) 2 種粉末的混合輸送， 150 目的 Ni25與 320 目的 WC 混合粉末輸送試驗中，送粉量為 5~20g/min；李艷麗等設(shè)計的螺旋送粉器可實現(xiàn) 7~60g/min 的送粉量。 國內(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，并確保加工過程中，粉末能連續(xù)、均勻、穩(wěn)定地輸送。針對不同類型的粉末要求，目前國內(nèi)工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁，共 49 頁 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、毛細管式送粉器、鼓輪式送粉器、電磁振動送粉器和沸騰式送粉器。其工作原理包括：重力場、氣體動力學和機械力學等。各種送粉器的具體工作過程如 下： ㈠ 螺旋式送粉器 螺旋式送粉器主要是基于機械力學原理，如圖 所示，它主要由粉末存儲倉斗、螺旋桿、振動器和混合器等組成。工作時，電機帶動螺桿旋轉(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，粉末存儲倉斗底部加有振動器，能提高送粉量的精度。送粉量的大小可以由電機的轉(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力學原理，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，整個裝置處于密閉環(huán)境中，粉末由粉斗通過自身重力落入轉(zhuǎn)盤凹槽，并且電機帶動粉盤轉(zhuǎn)動，將粉末運至吸粉嘴，密閉裝置中由進氣管充入保護性氣體，通過氣體壓力將粉末從吸粉嘴處送出，然后在經(jīng)過出粉管到達激光加工區(qū)域。 工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁，共 49 頁 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、儲粉末的粉斗、刮板、接粉斗等組成。工作時粉末從粉斗經(jīng)過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)盤上方固定一個與轉(zhuǎn)盤表面緊密接觸的刮板，當轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，不斷將粉末刮下至接粉斗，在載流氣體作用下，通過送粉管送至激光加工區(qū)域。送粉量大小是通過轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速來決定的，通過對轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)便可以控制送粉量的大小，同時調(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毛細管式送粉器 這種方法主要是使用一個振 動的毛細管來送粉，振動是為了粉末微粒的分離，該送粉器由 1 個超聲波振蕩器、 1 個帶貯粉斗的毛細管和 1 個盛水的容器組成（見圖 ）。電源驅(qū)動超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲波，用水來傳送超聲波。粉末工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁，共 49 頁 存儲在毛細管上面的漏斗里，毛細管在水面下面 ,下端漏在容器外面，通過產(chǎn)生的振動將粉末打散開，由重力場傳送。送粉顆粒最小直徑約 。 圖 毛細管式送粉器 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，利用大氣壓強和粉糟內(nèi)的氣壓維持粉末堆積量在一定范圍內(nèi) 的動態(tài)平衡。鼓輪勻速轉(zhuǎn)動，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。通過調(diào)節(jié)鼓輪的轉(zhuǎn)速和更換不同大小的粉勺來實現(xiàn)送粉率的控制。 圖 工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10 頁，共 49 頁 ⑹沸騰式送粉器 沸騰式送粉器用氣流將粉末流化或達到臨界流化，由氣體將這些流化或臨界流化的粉末吹送運輸?shù)囊环N送粉裝置（見圖 ）。底部和上部的兩個進氣道使粉末流化或達到臨界流化。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 械式送粉器，粉末輸送過程中與送粉器內(nèi)部發(fā)生機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電磁振動送粉器 電磁振動送粉器的原理圖如圖 所示，在電磁振動器的推動下，阻分器振動，儲藏在貯粉倉內(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。電磁振動器實質(zhì)上是一塊電磁鐵，通過調(diào)節(jié)電磁鐵線圈電壓的頻率和大小就可實現(xiàn)送粉率的控制。 圖 工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁，共 49 頁 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：是基于氣體動力學原理，通入的氣體作為載流氣體進行粉末輸送，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。但是對其他形狀的粉末輸送效果不好，工作時送粉率不可控，并且對粉末的干燥程度要求 高，稍微潮濕的粉末，會使送粉的連續(xù)性和均勻性降低。 （ 3）刮板式送粉器：對于顆粒較大的粉末流動性好，易于傳輸。但在輸送顆粒較小的粉末時，容易團聚，流動性較差，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 。粉末輸送率可以達到 ≤1g/min。能夠在一定程度上實現(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，送粉的重復性和穩(wěn)定性差，對于不規(guī)則的粉末輸送，輸送時在毛細管中容易堵，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，對于顆粒比較大的粉末，因其流動性好能夠連續(xù)送粉，并且機構(gòu)簡單。由于它是通過送粉輪上的粉勺輸送粉末，對粉末的干燥度要求高，微濕的粉末和超細粉末容易堵塞粉勺，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)計的。工作時，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。沸騰式送粉器對于粉末的流化和吹送都是通過氣體來完成的，所以避免了前面螺旋式，刮板式等粉末與送粉器元件的機械摩擦，對粉末的粒度和形狀有較寬 的適用范圍。 （ 7） 電磁振動送粉器：是基于機械力學和氣體動力學原理工作的，反應(yīng)靈工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 12 頁，共 49 頁 敏，由于是用氣體做為載流體將粉末輸出，所以對粉末的干燥程度要求高，微濕粉末會造成送粉的重復性差。并且對于超細粉末的輸送不穩(wěn)定，在出粉管處超細粉末容易團聚，發(fā)生堵塞。 同軸送粉器的發(fā)展特點及未來趨勢 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，國內(nèi)外對送粉器的研制目標是將送粉器工作時的連續(xù)性、均勻性、穩(wěn)定性和可控性提高到一個更科學，更先 進的水平。對國內(nèi)外文獻資料的整理和分析可以看出送粉器發(fā)展的特點： （ 1）多功能化?，F(xiàn)有的送粉器基本都能夠?qū)我坏姆勰┻M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?，F(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，在這種加工過程中，需要對激光熔覆加工區(qū)域進行微量輸送，這對 送粉器的性能要求很高。當進行零件的激光熔覆精密修復時，大送粉量的送粉器根本無法滿足工作的要求。 （ 3）超細化?，F(xiàn)在的送粉器能夠?qū)^大尺寸粉末，進行連續(xù)穩(wěn)定的送粉，因為其流動性好，易于傳輸。然而，對于尺寸在毫米級以下的微細熔覆粉末，現(xiàn)有送粉器的輸送粉末顆粒比較大，特別是對于有些工件表面的缺陷特別微?。ㄈ缧〉哪p坑、裂痕、小孔洞和腐蝕坑等）無法滿足加工的要求。 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)，使其具有強烈的相互吸引而達到穩(wěn)定的趨勢，很容易與其它的分子產(chǎn)生很強的相互作用力，如范德華力，異性電荷之間的靜電力、磁性力等，工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁，共 49 頁 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聚成團。另外，當粉末存在容器中時，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，這是因為存在多個分子綜合作用的緣故顆粒間分子間的有效距離可達 50nm，因此是長程力，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使顆粒鏈發(fā)生斷裂而形成團聚。 團聚使納米相粉的摩擦性增強，粉末流動性變得很差，分散性能降低，團聚使顆粒大小不一，嚴重影響著粉末的