CN101016610B - 混合式等离子-冷喷涂方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种形成具有类似于冷喷涂工艺产生的涂层的所需应力状态的致密涂层但是具有较高工艺效率和较低气体消耗的方法和设备。本发明的工艺将气体加热的等离子工艺方法和加速气体的冷喷涂工艺的特征相结合，以便将这些元素结合到单个混合工艺中。

Description

混合式等离子-冷喷涂方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于使用超声波气流产生涂层的方法和设备。更特别是，本发明涉及一种使用等离子和冷喷涂技术的混合方法施加涂层的方法和设备。
背景技术
等离子热喷涂工艺已经长时间用于涂层工业中。等离子热喷涂工艺基本上涉及将熔融或热软化材料喷涂在基材上以便形成涂层。通常是粉末形式的原材料喷射到高温等离子火焰中，其中它快速加热并且加速到高速。等离子枪容易产生超过6000度C的气体/等离子温度。电能转换成热能相当有效，其中由于气体的温度和潜伏期(latency)，作为废热出现的几乎所有的损失从喷嘴和电极区段去除。
虽然冷喷涂的概念首先在20世纪初获得专利，与等离子技术相比，冷喷涂技术的商业应用只是近几年才用于工业。冷喷涂具有以最小热输出来产生冷涂层的优点，可以造成涂层材料接近原始材料本身锻压性能。冷喷涂的关键特性是存在于涂层内的所得压缩应力。由于原材料的熔化或局部熔化而形成涂层的典型热喷涂工艺在涂层冷却和收缩时造成拉伸应力。这些拉伸应力通常造成涂层裂纹，特别是在形成厚层或将具有不类似材料的不同层相组合时。
等离子枪的最近进展使得可以实现混合工艺。例如，级联(cascaded)的等离子枪使得等离子弧以及总体孔口长度实际延长，从而增加了枪操作电压以及热量传递到气体的效率。这还可以将等离子的产生与气体动力学分离。同样，在等离子枪的喷嘴区段内结合有台阶或不连续部分以便在喷嘴底部形成电弧，使得气体动力学与电弧本身分离。那么可以采用作为与喷嘴分离的热源的形成来作为气体加速的方法。另一进展是延长喷嘴的结构，使得汇聚/发散区段结合到喷嘴中，从而在气体通过等离子电弧加热之后，将热气体/等离子加热到超声波的速度。
等离子枪内的超声波速度在多种现有技术结构中得以实现。但是在标准操作环境中，这些结构中的速度局限于大约马赫1。使用需要高成本工艺变型的结构实现了更大的速度，例如在真空或使用大量气体(例如氦)以实现更大速度的操作中。在这些现有技术情况下，气体/颗粒温度过高，并且通常超过材料熔化温度。另外，采用等离子工艺以及甚至高速氧燃料(HVOF)和冷喷涂工艺，操作效率和所需硬件寿命随着气体速度增加而快速降低。这是由于使用传统等离子枪与气体加热相结合来加速气体的结构性质。同样，在传统等离子枪中，在气体流动和压力增加时，电弧稳定性降低，并且电弧变得更加受到限制。
因此，考虑到所述因素，在本领域中还需要一种涂层沉积工艺，该工艺实现了冷喷涂涂层的有利压缩应力，同时与传统冷喷涂或等离子技术相比，提供更宽操作范围的颗粒速度和温度。
发明内容
本发明提供一种形成致密涂层的方法和设备，该涂层具有类似于冷喷涂工艺产生的涂层的所需应力状态，但是其工艺效率更高，并且气体消耗更低。本发明的工艺将加热气体的等离子工艺以及加速气体的冷喷涂工艺的特征相结合。该沉积方法不熔化流出流体中的原材料颗粒，而是使用汇聚/发散喷嘴来将加热气体加速到超声波速度。通过喷嘴的发散区段到超声波气流中来实现材料供应喷射。因此，本发明提供一种更加有效的机构，从而形成具有冷喷涂涂层的所需特性的涂层，但是可以具有传统等离子或冷喷涂沉积技术所得不到的更宽的操作范围的颗粒速度和温度。
在本发明的一个方面中，提供一种涂层方法，其中该涂层方法使用混合工艺，该工艺将与等离子热喷涂工艺相关的热能与冷喷涂工艺的动能相结合。在该方法的一个步骤中，工艺气体在对于施加涂层来说足以离子化和加速的流量下引入等离子热喷射枪。接着，一个或多个电弧用来离子化工艺气体，因此将气体加热到超过2000度C的温度，其中在一个或多个阴极和一个或多个阳极之间出现电弧，其具有一个不连续部以便依附电弧。在另一步骤中，通过电弧依附下游的喷嘴，加热气体加速到超声波速度，喷嘴具有汇聚/发散区段，喉部位于两者之间。该方法的最终步骤包括将原材料喷射到加速喷嘴下游的所得高速热气体流中。原材料可喷射到喷嘴孔口内或喷嘴出口处。
在本发明的另一方面中，提供一种施加涂层的设备，该设备包括产生电弧的一个或多个阴极，其中每个阴极具有其本身的调节电流源。阴极位于周围腔室的中央，适用于离子化的气体引入腔室中，使得气体穿过阴极和所得电弧。该设备包括电中性但可以在点火过程中支持电弧部分通过以便可以产生较长电弧并且增加阴极和阳极之间的电压电位的孔口区段。该设备还包括阳极区段，该阳极区段可以作为喷嘴一部分或者作为分离区段，分离区段包括用来座置电弧的另一端并且稳定电弧长度而与气体动力学无关的台阶或边缘。喷嘴也包括在该设备内。喷嘴具有其中带有喉部的汇聚/发散区段。汇聚/发散区段的几何形状可以产生至少马赫1.2的加热气体速度。最后，该设备包括位于汇聚/发散区段的下游的喷嘴孔口内的一个或多个原材料喷射器，可以在喷嘴出口处，或者穿过喷嘴出口。
本发明的另外的方面和优点将在下面的描述中提出，并且从说明中部分得以明白，或者通过本发明的实施来了解。本发明的方面和优点可通过此后特别提出的手段和组合来实现和获得。
附图说明
用来提供本发明进一步理解并且结合于此并构成此说明书一部分的附图说明本发明的实施例，并且和说明书一起解释本发明的原理。
附图中：
图1是按照本发明调整的传统等离子喷射枪的示意图；
图2是按照本发明的三重电弧级联等离子枪的截面示意图；
图3是按照本发明的实施例使用混合工艺施加涂层的方法的流程图；
图4是等离子羽流中冲击钻和没有来自于喷射颗粒的辉光的碳化钨注释法的材料喷射的视图；
图5是表示高程度碳化物的涂层结构的微观视图，说明输入该过程中的热量很低。
具体实施方式
现在详细参考本发明的优选实施例，其实例结合附图进行描述。
图1表示按照本发明的混合枪的一个实施例。虽然图1的混合枪针对现有技术的等离子枪的改造进行描述，所描述的特征还可用于原始工厂设备。在附图中，电极19通常保持等离子枪以及位于枪后部的气体喷射入口20。喷嘴30拉长以便包括台阶40和汇聚/发散区段50。汇聚/发散超声波喷嘴区段50还可与喷嘴30的阳极区段80电隔离，以有助于防止电弧进入超声波喷嘴区段50。对于硬件寿命来说，需要喷嘴孔口壁的适当的材料构造经得起热量和摩擦。例如，例如镧化和钍化钨的材料适用于这种应用。另外，本发明的枪操作功率将低于其气体温度通常低于9000度K的典型等离子枪的操作功率。粉末喷射可以在孔口内部，如粉末喷射孔口60内所示，或者穿过喷嘴出口，如粉末喷射孔口70内所示。
在某些实施例中，在对应于喷嘴喉部区域处，除了气流根据需要增加以便形成超声波气流之外，混合枪可以等离子枪的典型方式操作。由于等离子的高温(相对于冷喷涂工艺)，所需实际气体量与典型冷喷射枪相比是其一小部分，而颗粒速度显著高于传统等离子枪所能实现的速度。对于压缩流体使用典型等熵流动，在气体速度直接与气体温度的平方根成正比时，与通过关键孔口的实际压力和流量相比，可以看出高气体温度更加有助于速度。
将热能传递到颗粒受到限制，这是由于以下原因：(a)在冲击基材之前热气体/等离子中的非常短的时间周期(潜伏期)，(b)在原材料喷射之前热气体在喷嘴发散部分中膨胀时出现的温度降，以及(c)使用大于15μm的颗粒尺寸。在某些实施例中，应该使用大于大约15μm颗粒尺寸，并且在其它实施例中使用大约30μm-75μm颗粒范围。
将颗粒温度控制在材料本身熔点之下可受到所使用喷射距离、喷嘴的发散部分的长度和膨胀角度、材料喷射的位置以及喷射类型的影响。而颗粒温度十分关键，使用液体悬浮物(其中热能的一部分在将液体沸腾时消耗)可以用来通过进一步限制所得颗粒温度，从而增进该过程。液体基原材料可以是带有悬浮颗粒的液体、液体前体、含有分解盐的液体溶液和类似形式。
虽然传统等离子枪的变型将形成可接受的结果，通过按照本发明的实施例的混合工艺来优化等离子枪可以获得更好的结果。原因在于限制典型等离子枪使其不能对于高速来说实现理想操作的局限性，即低温(相对于等离子喷射来说)。这种局限性来自于在等离子枪的孔口内形成并保持稳定电弧使得电流密度在高压下足够低并且电弧长度恒定的需要。
图2表示按照本发明适合使用的三重电弧级联等离子枪的一个实施例的截面图。后部枪腔室91包括三个阴极和气体喷射环(出于清楚原因没有示出)。第一中性极部段92具有适当的弧形几何形状，以便形成短的初始电弧长度，而其它的中性极部段93用来在气体流动增加时提供较长的电弧路径。阳极部段99用作喷嘴，并且具有坐置电弧的台阶94以及加速气体的超声波汇聚/发散喷嘴区段95。穿过喷嘴区段95的出口孔口的是粉末喷射器97。所示的喷嘴区段95用于低马赫数，并且根据总气体流量和枪功率，可以形成400-1000米/秒的气体速度。具有较高马赫数以及较高气体速度的喷嘴也可以适用于此结构。
级联等离子枪内电弧的延伸长度以及使用三个不同的电弧对于整个气体加热来说造成更高的操作电压以及更加均匀的能量密度。较高的电压允许较低的电流密度，延长硬件寿命，弥补高压状态中出现的电弧收缩。在喷嘴喉部之前以轴向喷射的形式喷射粉末形式的原材料也是可以的。但是，此配置提供高颗粒温度和局部熔化，这将造成与来自于高速氧燃料(HVOF)工艺的涂层更类似的涂层，而不是与冷喷涂类似。轴向喷射还可穿过喉部完成，其结果是所希望的。
本发明的另外的实施例和/或特征可包括：(a)使用与这里特别披露的数量不同的数量的电弧；(b)结合有电弧依附台阶的阳极区段与喷嘴区段隔离，或者甚至结合有三个阳极周向部段，一个部段对应于每个电弧；(c)将热气体/等离子进一步成形为细长羽流，类似于矩形或带细槽的冷喷涂喷嘴；(d)喷嘴几何形状、喷嘴长度和气流的变型，以便增加或减小气体的马赫数和所得颗粒速度；和/或(e)将后部气体腔室的直径增加到电弧依附到喷嘴的点，并且改变阴极的放置，从而减小电弧区域内的气体速度，改变热能与气体的传递。
本发明的其它特征可包括(f)在从大气压到大于50mBar的环境压力状态下进行本发明的涂层工艺；(g)在惰性气体环件下进行本发明的涂层工艺；(h)使用包含气体/颗粒流的防护气体以便成形等离子羽流以及到喷嘴的延伸部；(i)使用任何适当的工艺气体进行离子化，包括一种或多种空气、氩、氮、氦、氢、氧；(l)使得一个或多个电弧具有足够长度，以便产生超过40伏DC的电压电位，并且在某些实施例中超过80伏的电压；(m)使用具有大约5μm-100μm以上的颗粒尺寸的粉末形式的原材料，优选范围为30-75μm；和/或(n)使用带有悬浮颗粒的液体的原材料，颗粒具有大约1μm-100μm以上的颗粒尺寸，优选范围为5-75μm。
对具有图2所示的几何形状的三重电弧级联等离子枪进行计算机流体动态(CFD)建模。模型在高达220psi的背压下操作，其中固定的气体加热源提供3000度K的等离子电弧，并且氩作为工艺气体。指明气体速度超过2400米/秒(通常对于冷喷涂工艺来说)，而出口温度接近293度K的环境情况。等熵等式确认该结果。将气体/等离子温度进一步增加到6000度K，将背压增加到300psi，并且使用超过5000米/秒的氩和氦产生气体的组合。根据大约30％的从气体传递到颗粒的速度百分比，可以实现超过1500米/秒的颗粒速度。典型的高能等离子枪产生超过9000度K的等离子温度，并且使用高马赫超声波喷嘴的转换将实现并可能超过2000米/秒的颗粒速度。另外，由于更多的能量输入到该过程中，出口温度进一步降低到周围环境之下，对于在低温下容易延展的例如铜或锌的材料来说，形成真正的冷喷涂状态。
使用如上所述的结构特征(例如，级联等离子枪羽喷嘴区段内的台阶或不连续部分和延长喷嘴相结合)，来操作近年来开发的三重电弧级联等离子枪。由于等离子枪的操作压力和电流增加，注意到在喷嘴出口处枪前部出现的实际等离子羽流开始收缩。对于等离子枪来说，这似乎与正常物理原理相冲突，其中在气体流量和能量输入(电流)增加时，等离子羽流变大，与能量输入的增加相一致。在这些高能量参数下施加涂层形成具有压缩应力的涂层，以较冷涂层来表示。另外，所得基材温度显著低于通过等离子喷射涂层所需的温度。调查分析指出等离子枪实际上在用于例如HVOF以及可能是冷喷涂的工艺的操作环境下操作。
那么存在的可能性是增加等离子枪的操作，使得操作窗口延伸到混合式等离子枪实际上用来产生“冷”涂层的点，与传统概念不同。因此，混合式等离子枪使用远远少于传统冷喷射装置的气体，并且基材前部的弓形激波效应显著减小，造成较少的热量传递到基材上，以及颗粒较少的偏转。
这里限定的本发明的实施例使用与等离子热喷射枪产生类似的等离子电弧来加热工艺气体的供应源。工艺气体可以是任何惰性或非反应气体，该气体容易通过电弧离子化。等离子电弧出现在枪的后部分，使得气体在到达喷嘴之前通过电弧加热。喷嘴在汇聚/发散区段之后结合有用于依附电弧的不连续部分，将热气体/等离子加速到超声波速度。原材料喷射到下游的等离子/热气体流中或者穿过发散喷嘴区段，并且随后通过气体加速到超声波速度。
在本发明的一个实施例中，典型的等离子热喷射枪可以变型，以便结合如下特征：
(1)使得枪增强以便应付高背压，这种高背压足以支持通过枪内的可以高达100psi的超声波喷嘴的高气体速度；
(2)喷嘴可以变化以便结合有台阶，从而在喷嘴的汇聚区段的开始处坐置等离子电弧；以及
(3)喷嘴长度延长，并且在喷嘴端部处结合汇聚/发散区段。
作为选择，设备可制造成特别包括如同原始工厂设备那样的所述特征。
图3提供使用按照本发明的实施例的混合工艺施加涂层的方法300的流程图，该工艺将与等离子热喷射工艺相关的热能与冷喷射工艺的动能相结合。在步骤S310中，工艺气体(或多种气体)在对于施加涂层来说足以离子化和加速的流量下引入热喷射枪。在步骤S320中，使用一个或多个电弧使得工艺气体离子化，以便将气体加热到超过2000度C的温度，其中在一个或多个阴极和一个或多个阳极之间出现电弧。在步骤S330中，离子化等离子气体通过电弧依附下游的喷嘴加速到超声波速度，喷嘴具有汇聚/发散区段，喉部位于两者之间。在步骤S340中，原材料喷射到加速喷嘴喉部下游的所得高速热气体/等离子流中，可以在喷嘴孔口内部，或者在喷嘴出口处。最后，在步骤S350中，原材料通过高速热气体/等离子流加速，以便实现从600-2000米/秒的速度。
试验结果
三重电弧级联等离子枪进行变型，以便包括带有位于喷嘴中的台阶的细长喷嘴以及类似于图2的汇聚分离区段。喷嘴的喉部的直径为5毫米，而发散直径是9毫米。等离子枪事先进行变型，以便应付枪内的较高背压，其中包括气体喷射方法的变化，以及多余的枪密封件。枪设置在等离子控制器上，该控制器进行变型，以允许高压典型等离子枪的附加气体流量和压力，以及来自于电源的较高电弧电压。使用径向布置的三个喷射器穿过喷嘴的出口点进行原材料喷射。
枪开始以纯氩操作，并且流体流量接着调节到100NLPM的氩、200NLPM的氦以及10NLPM的氮。电流设置在450安并且电压为192VDC。枪处测量的背压是大约80psi。短等离子羽流的观察指出存在至少4个冲击钻400(如图4所示)。具有5μm-31μm尺寸分布的碳化钨材料的原材料在75g/min速度下喷射到热气体/等离子流中。测量的颗粒速度超过700米/秒，并且颗粒温度低于设备读取值，用来测量低至1000度C的颗粒温度。视觉观察表示到颗粒的非常少的辉光，相对于典型热喷涂并且特别是典型等离子喷射工艺来说，表明非常低的温度。使用该参数喷射一组涂层样品，并获得如下结果：
1.刚好在喷射之后，样品的温度远远低于典型等离子或甚至HVOF涂层的温度，其中记录温度是150度C。
2.在喷射过程中视觉检测固定在固体背衬上的薄基材，表示凸出方向上的弯曲迹象，表明涂层中的压缩应力。
3.进行检测的样品具有小于1％的孔隙率，其具有理想的结构和高硬度。
图5表示具有高程度碳化物的涂层结构的微型视图，表示输入到过程中的非常的的热输入。涂层是使用所述试验过程形成的实际碳化钨涂层。
在较高操作流量和压力下，通过包括钛的多种材料可以实现超过900米/秒的颗粒速度。所使用的最大气体流量在400NLPM之下，远远小于冷喷涂方法中使用的典型气体流量，从而实现了类似的颗粒速度。通过进一步增加气体流量和功率大小，但是需要对于控制设备(电源和气体控制)进行进一步改进以满足更高需要，并且延长级联区段以增加枪电压，可以获得更高的颗粒速度。观察等离子羽流氦表明由于更多的气体压力和电弧功率输入到该过程中，羽流可变得更小，并且明显更冷，如计算机模型所示那样。
类似地，在具有台阶和椭圆形发散出口而不是圆形发散出口的相同枪上制造和试验加长喷嘴。这种喷嘴与前面喷嘴类似操作之处在于观察至少四个冲击钻。将与所述相同的粉末喷射到火焰中产生类似于圆形喷嘴获得的性能。
本发明的方面和其它优点将通过这里书写的说明和所附附录中特别指出的结构来实现和获得。应该理解到以上总体描述和以下更加详细的描述(附录中所含的)是示例性和说明性的，并且用来提供随后要求保护的本发明的进一步说明。因此，可以进行多种变型而不偏离本发明总体概念的精神或范围。

Claims (25)

1.一种将涂层施加到基材上的方法，所述方法包括如下步骤：
在对于施加涂层来说足以离子化和加速的流量下，将工艺气体引入热喷射枪；
使用电弧将气体加热到超过2000℃的温度，使得工艺气体离子化；
通过喷嘴将离子化的等离子气体加速到超声波速度，该喷嘴具有汇聚和发散区段，其中喉部位于两者之间；
将原材料喷射到加速喷嘴喉部下游的所得高速热气体或等离子流中；
其特征在于，使用多于一个电弧使所述工艺气体离子化，以通过在多于一个阴极和一个或多个阳极之间出现的电弧加热所述气体，并且所述等离子依附在电弧依附台阶处，用于将所述离子化的等离子气体加速到超声波速度的所述喷嘴放置在所述电弧依附台阶的下游，并且所述原材料在所述喷嘴孔口内部或者在喷嘴出口处喷射进入高速热气体或等离子流中，并且通过所述高速热气体或等离子流加速原材料，以便实现从600-2000米/秒的颗粒速度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用三个不同的电弧用于离子化和加热工艺气体。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法在从大气压到50mBar的环境压力情况下进行。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法在空气或惰性气体环境中进行。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，工艺气体是空气、氩、氮、氦、氢、氧及其任何组合中的一种。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电弧具有足够的长度以便产生超过40伏DC的高电压电位。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电弧具有足够的长度以便产生超过80伏DC的高电压电位。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该原材料是具有5μm或更大的颗粒尺寸范围的粉末。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该原材料具有30μm-75μm的颗粒尺寸范围。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该原材料是液基原材料。
11.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，原材料是带有1μm-75μm范围的悬浮颗粒的液体。
12.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过高速离子化等离子推动的原材料冲击所述基材以形成带有压缩应力的涂层。
13.一种用于施加热喷涂涂层的没备，包括：
喷嘴，包括汇聚和发散区段(50)，喉部位于两者之间，其中汇聚和发散区段(50)的几何形状可以产生超过1的马赫数；阳极区段(80，99)，以及一个或多个原材料喷射器(60，70，97)；
其特征在于，多于一个阴极(10)用作发射器以便产生电弧，所述阴极定位成使得适用于离子化的气体(20)通过阴极(10)；阳极区段(80，99)包括用于坐置电弧的另一端并且稳定电弧长度目的的台阶或边缘；所述设备还包括孔口(92，93)的一个区段，该区段电中性，但是能够支持电流在点火期间部分通过，以便延长电弧并且增加电压。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述设备包括三个阴极(10)用作发射器以便产生三个不同的电弧。
15.如权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述电弧具有足够的长度以便产生超过40伏DC的高电压电位。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述电弧具有足够的长度以便产生超过80伏DC的高电压电位。
17.如权利要求13或14所述的设备，其特征在于，该原材料喷射器(60，70，97)适合于提供具有5μm或更大的颗粒尺寸范围的粉末。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，该原材料喷射器(60，70，97)适合于提供具有30μm-75μm的颗粒尺寸范围的粉末。
19.如权利要求13或14所述的设备，其特征在于，该原材料喷射器(60，70，97)适用于提供液基原材料。
20.如权利要求13或14所述的设备，其特征在于，该原材料喷射器(60，70，97)适用于提供带有1μm-75μm范围的悬浮颗粒的液体。
21.如权利要求13或14所述的设备，其特征在于，每个阴极(10)具有本身的电流源。
22.如权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述阳极区段(99)是喷嘴的一部分。
23.如权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述阳极区段(99)是与喷嘴分开的区段。
24.如权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述原材料喷射器(60)位于喉部下游的喷嘴的孔口内。
25.如权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述原材料喷射器(70，97)位于喷嘴的出口处。
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