CN101297057A - 火焰喷涂过程和装置 - Google Patents

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Abstract

用于在表面上形成粘附难熔物的过程、装置和材料成分，其中一种或多种不可燃材料与一种或多种金属可燃粉末以及氧化剂混合，在燃烧室内点燃混合物，使得可燃金属颗粒以放热方式与氧化剂发生反应并释放足够的热量以在燃烧热量的作用下形成材料粘附物，并向所述表面喷出粘附物，使得粘附物牢固粘附在表面上。燃烧室可以利用反向涡旋进行操作以冷却燃烧室的壁。

Description

火焰喷涂过程和装置
相关申请的交叉参考
本申请要求以2004年9月23日提交并在此引入作为参考的美国专利申请No.10/948,420作为优先权。
有关联邦资助研究或开发的报告
N/A
背景技术
在现有文献中一直详细地记录和描述了“火焰喷涂”或“热喷涂”过程。如美国专利No.6,001,426中描述的那样：“热喷涂是一种在更加易于加工且更廉价的基底材料上施加高性能材料例如金属、合金、陶瓷和碳化物的涂层的过程。该涂层的目的是使制成部件的更廉价的松散材料具有增强的表面特性。”在同一专利中还提及：“热喷涂包括多种方法，但可以分成三种主要的涂敷过程：燃烧喷涂、丝材电弧喷涂和等离子喷涂。”这些热喷涂过程还可以进一步被划分为连续和爆炸过程。
所有这些已知的热喷涂过程都具有一个共同点：它们都采用外部能量源提供热量以使待喷涂的材料软化或熔化。另外，这些热喷涂过程的沉积速率相对较低并且需要具有更高的喷涂速率。
传统火焰喷涂过程采用气体燃料(氢气)和氧气混合物作为热源或者高能电弧。氢气-氧气热源需要大型容纳两种气体的高压罐，而电弧通常需要55千瓦的电能(Sulzermetco F4枪系列)。
目前热喷涂过程存在的一个问题是难以控制化学环境以及在粉末颗粒碰撞到基底上之前防止在它们的表面上发生氧化反应。
描述目前已有形式的火焰喷涂过程是有帮助的。这些描述可以在英国戈登公司(Gordon England Company)的网站www.gordonengland.co.uk上获得。
燃烧粉末热喷涂过程：
该过程还被称为低速氧气燃料过程(LVOF)，大体上是将熔融材料喷涂在表面上以提供涂层。粉末形式的材料在火焰(最普通的氧炔或氢气)中熔化以形成细微喷涂物。当喷涂物接触基底材料的制备表面时，细微的熔融微滴快速固化以形成涂层。
这种火焰喷涂过程与类似的燃烧丝材喷涂过程相比的主要优点是更宽范围的材料可以很容易地被加工成粉末形式，从而提供更多的涂层选择。火焰喷涂过程仅仅受到材料具有的熔化温度比火焰所能提供的温度更高这一情形或者材料在加热过程中分解这一情形的限制。
燃烧丝材热喷涂过程(金属喷涂)：
这一火焰喷涂过程大体上是将熔融金属喷涂在表面上以提供涂层。丝状材料在火焰(最普通的氧炔火焰)中熔化并利用压缩空气得到雾化以形成细微喷涂物。当喷涂物接触基底材料的制备表面时，细微的熔化微滴快速固化，从而形成涂层。
这种火焰喷涂过程在过去和现今广泛地被用于机器构件加工和抗腐蚀涂层。
等离子喷涂过程：
等离子喷涂过程大体上是将熔融或热软化材料喷涂在表面上以提供涂层。粉末形式的材料被喷射到高温等离子火焰内，在那里其得到快速加热并加速到高速。热材料碰撞在基底表面上并快速冷却，从而形成涂层。
等离子喷枪包括都是水冷的铜阳极和钨阴极。等离子气体(氩气、氮气、氢气、氦气)绕阴极流动并流过形为收缩喷嘴的阳极。通过引发局部电离化的高压放电和用于直流弧的导电通路引发等离子以形成在阴极与阳极之间。来自电弧的电阻加热促使气体达到极端温度，分离并电离以形成等离子体。等离子体作为自由或中性等离子火焰(不携带电流的等离子体)排出阳极喷嘴，这一点与电弧延伸到待涂敷表面的等离子转移弧涂敷过程极为不同。粉末通过安装在阳极喷嘴出口附近的外部粉末口被供给到最普通的等离子火焰内。
等离子喷涂与燃烧过程相比的有利之处在于等离子喷涂可以喷涂非常高熔点的材料例如类似钨的难熔金属和类似氧化锆的陶瓷。等离子喷涂的涂层通常比除HVOF和爆炸过程之外的其它热喷涂过程处理的涂层更致密、更坚固以及更干净。
等离子喷涂过程的缺陷是其相对成本较高、过程较复杂、沉积速率较低并需要较大量的电能。
丝材电弧喷涂过程：
在丝材电弧喷涂过程中，一对导电丝材通过电弧熔化。熔融材料通过压缩空气得到雾化并被驱使喷向基底表面。这是形成厚涂层最有效的方法之一。“在两丝材电弧过程中，两个绝缘的金属丝材电极被连续供给到电弧点，在那里采用连续流动的气流使电弧中的熔融电极材料进行雾化和喷涂。一些配置采用单个供给丝材和非自耗电极”(美国专利No.6,001,426)。
电弧喷涂涂层通常比与它们等效的燃烧喷涂涂层更致密且更坚固。运行成本低、喷涂速率和效率高使其成为喷涂大面积和实现高生产率的有效手段。
电弧喷涂过程的缺陷是只有导电丝材能够得到喷涂，并且如果基底需要预处理，就需要独立的加热源。
高速氧气燃料(HVOF)热喷涂过程：
HVOF热喷涂过程大体上与燃料粉末喷涂过程(LVOF)相同，只是该过程已经被发展成产生极高的喷涂速度。存在多种HVOF枪，它们采用不同的方法实现高速喷涂。一种方法大体上是高压水冷HVOF燃烧室和长喷嘴。燃料(煤油、乙炔、丙烯和氢气)和氧气被供给到室内，燃烧产生热高压火焰，迫使火焰沿喷嘴向下速度提高。粉末可以在高压下沿轴向被供给到HVOF燃烧室内或者穿过压力更低的拉瓦尔(laval)喷管得到供给。
通过HVOF形成的涂层与通过爆炸过程形成的涂层类似。HVOF涂层非常致密、坚固并表现出低残余拉伸应力或在一些情况下表现出低抗压应力，从而能够比在前其它过程涂敷厚得多的涂层。
爆炸热喷涂过程：
爆炸枪大体上由长的水冷枪管组成，其具有用于气体和粉末的进口阀。氧气和燃料(最普通的是乙炔)随着充装粉末被供给到枪管内。利用火花点燃气体混合物，所产生的爆炸加热粉末并使其沿枪管向下加速到超声速度。在每次爆炸之后利用氮气脉冲净化枪管。这一过程每秒重复多次。与基底碰撞的热粉末颗粒的高动能导致形成非常致密和坚固的涂层。
提供所参照的美国专利No.6,001,426中的表3的复印件，与现有的热喷涂技术相比较。
表3
                                                                   
热喷涂技术的比较
                                                                   
火焰粉末：吸入氧气/燃料-气体火焰内的粉末进料通过火焰得到熔化并被运送到工件上。颗粒速度相对较低，并且沉积物的结合强度低。孔隙率高且粘结强度低。喷涂速率通常在0.5-9kg/h(1-20lb/h)的范围。表面温度可以蔓延相当高。
火焰丝材：在火焰丝材喷涂过程中，火焰的唯一作用是熔化材料。气流随后使熔融材料分裂并将其推进到工件上。材料例如不锈钢的喷涂速率在0.5-9kg/h(1-20lb/h)的范围内。由于需要为火焰熔化提供过量的能量输入，因此基底温度从95℃到205℃(200°F到400°F)。
丝材电弧：两个可消耗的丝材电极被送入枪内，在那里它们相交并在雾化气流中形成电弧。流过电弧/丝材区域的气体剥离熔融金属，从而形成高速喷涂射流。该过程具有能量效率：所有的输入能量被用于熔化金属。喷涂速率大约为2.3kg/h/kW(5lb/h/kW)。由于每磅金属的能量输入仅为其它喷涂方法所需能量输入的大约八分之一，因此基底温度很低。
常规等离子：常规等离子喷涂在具有氩等离子体的5500℃(10,000℃)粉末加热区域和具有氮等离子体的4400℃(8000℃)粉末加热区域中提供自由等离子温度-位于任何已知材料的熔点之上。为了产生等离子体，通过使惰性气体穿过直流弧而使其过热。粉末进料通过等离子体流被导入并运送到工件。需要设置冷却或调节喷涂速率的机构以将基底温度保持在95℃-205℃(200°F-400°F)范围内。常规喷涂速率是0.1kg/h/kW(0.2lb/h/kW)。
爆炸枪：悬浮粉末随着氧气和燃料气体被供给到1m(3ft)长的管内。火花点燃混合物并产生可控的爆炸。所产生的高温和压力(1Mpa，150psi)将颗粒从管的末端吹向基底。
高速氧气燃料：在HVOF喷涂中，燃料气体和氧气被用于形成2500℃-3100℃(4500°F-5600°F)的燃烧火焰。在非常高的燃烧室压力(150psi)下发生燃烧，燃烧通过小直径枪管排出以产生超声波气流和非常高的颗粒速度。该过程形成极为致密、结合良好的涂层，从而使其更适于许多耐腐蚀应用。在常规2.3-14kg/h(5-30lb/h)的速率下可以喷涂粉末或丝材的进料。
高能等离子：由于在阳极喷嘴中具有更稳定和更长的弧以及更高的功率密度，因此高能等离子过程尤其在粉末加热区域提供明显更高的气体热焓和温度。增加的功率(常规等离子的两到三倍)和气体流动(高达两倍)提供更大、更高温度的粉末喷射区域并降低掺气。所有这些导致高粉末熔化、很少的未熔化以及很高的颗粒碰撞速度。
真空等离子：真空等离子采用腔内压力在10-15kPa(0.1-0.5atm)范围的常规等离子体电弧枪。在低压下，等离子直径更大、更长且具有更高的速度。缺少氧气以及能够与更高的基底温度配合可以产生更致密、更多的
粘附涂层，从而具有更低的氧化物成分。
                                                             
发明内容
用于在表面上形成粘附难熔物的过程、装置和材料成分，其中一种或多种不可燃的材料与一种或多种金属可燃粉末以及氧化剂混合，在燃烧室中点燃混合物，使得可燃金属颗粒以发热方式与氧化剂发生反应并释放足够的热量以在燃烧热量的作用下形成材料的粘附物，并向所述表面喷出该粘附物，使得粘附物可靠粘附在表面上。
燃烧室可以被构造成在燃烧室中具有反向气体涡旋，这样有效地使燃烧室壁与高温燃烧隔绝。
附图说明
在以下结合附图的详细描述中将会对本发明做出进一步的说明，图中：
图1是根据本发明一方面的装置的示意图；
图2是根据本发明第二方面的装置的示意图；
图3表示截头锥体形状的燃烧室的一种形式；
图4是反向涡旋发生器的一种实施方式的横截面图；
图5是根据本发明的圆柱形燃烧室的示意图；
图6是根据本发明的燃烧室的另一实施方式的示意图；
图7表示图6所示的燃烧室的变形；
图8表示另一实施方式的具有内管和外管的燃烧室；
图9是图8所示的燃烧室的横截面图；以及
图10是根据本发明的筛式输送装置的示意图。
具体实施方式
本专利申请非常类似于同一申请人提出的待审专利申请No.10/774,199。然而，该待审专利申请主要涉及在公路上“涂画”线，而本申请更经常适用于不采用外部能量源在任何表面上火焰喷涂高温陶瓷材料。
在本申请中采用的常规不可燃材料是粉状金属氧化物例如二氧化钛、氧化铝、二氧化硅、氧化铬、氧化镁、氧化铁、氧化锆、氧化锌或者其中的两种或多种的混合物。所有这些材料都具有在常规氧气燃料火焰温度以上的熔化温度并且它们中所有的材料都是非导电的。
热源是与待火焰喷涂的粉状不可燃材料混合的粉状金属燃料。不可燃材料、金属燃料和氧气在燃烧室中混合，被点燃并从燃烧室的末端被推进到碰撞在待涂敷的表面上。燃烧热量足以熔化或软化不可燃材料并促使它们粘附在待涂敷的表面上。
通常粉状金属燃料在进入燃烧室之前与粉状不可燃材料混合。然而，在一些情况下，仅在材料已经进入燃烧室之后才使粉状燃料与不可燃材料混合也是有利的。
从由铝、硅、锌、镁、锆、铁和铬或它们中两种或多种材料的混合物组成的组中选择常规金属燃料。这些燃料的火焰温度足够高，使得即使钨(熔点3695绝对温度)也可以利用本专利所示的技术得到火焰喷涂。
可以通过混合物和粉末燃料的类型以及燃料/氧气/空气比例来控制温度。例如，为了对铝、铬或钛的氧化物进行火焰喷涂，燃料可以是产生温度超过4,000℃(7200°F)的火焰的铝粉末，所述温度足以熔化以上列出的所有氧化物。
如果目的是对二氧化硅进行火焰喷涂，则燃料可以是纯硅粉末连同空气和/或空气和氧气的混合物。通过改变过量空气的量或二氧化硅对硅粉末的量可以控制实际温度。硅的火焰温度超过3100℃(5600°F)。
例如，相对容易的是直接在钢上喷涂氧化铝或二氧化钛以提供耐用、耐酸、耐腐蚀、耐盐水的涂层。该过程可以根据实际铁或钢制造过程来执行或者可以在现场进行涂敷。由于熔化陶瓷材料的能量源通常小于陶瓷材料重量的10％，因此在现场完成火焰喷涂过程具有很小的重量和尺寸损失。
该过程还可以被用于在屋顶火焰喷涂耐热性难熔材料以控制屋顶材料的热特性。例如，氧化铝和氧化钛几乎完全是白色的并反射和散射碰撞在表面上的光(和热)的99％以上。
在另一极端情况，一种形式的氧化铁是黑色的并且可以被火焰喷涂在屋顶表面上以提高表面的能量吸收率。
可以在需要的地方就地执行所述过程并且可以在制备屋面材料的工厂或在单独的工厂执行所述过程。
另一应用是保护在煤焦油汽油提炼行业中采用的钢管和铁管。在这种情况下被用于提取焦油的管受到酸的侵蚀并且不得不经常更换。通过利用二氧化硅涂敷管的表面，可以防止管受到酸的腐蚀。被用于涂敷管的陶瓷材料的成分可以被配制成与管的热膨胀特性配套。
另一应用是采用熔化的二氧化硅(玻璃)作为“胶水”将更高温度的难熔材料粘结在表面上。例如，硅粉末可以是燃料与作为氧气源的空气一起使用。硅可以燃烧以产生二氧化硅。可以通过添加过量空气控制火焰温度，使得火焰温度足以熔化额外的二氧化硅，但不会熔化在粉末成分中包含的一些其它陶瓷材料。二氧化硅可以作为“胶水”将其它陶瓷材料粘结在表面上。
本发明通过限定“热喷涂”在已经处于氧化形式的材料例如二氧化钛和二氧化硅上的化学制品来解决常规热喷涂过程所遭受的问题，在常规热喷涂过程中在粉末颗粒碰撞在涂敷表面上之前在其表面上发生氧化反应。
在与本发明具有同一申请人的上述待审专利申请中描述的过程、装备和化学制品采用化学燃烧过程将难熔材料火焰喷涂在可以承受有关温度的路面或其它表面上。这种火焰喷涂过程与通常每小时仅沉积12Kg的传统火焰喷涂过程相比可以在表面上每小时沉积10Kg-500Kg。
在图1中示意性示出了根据本发明一方面的装置。金属可燃粉末2包含在料斗或其它容器1内。不可燃的氧化粉末2A包含在料斗或其它容器1A内。这些材料例如通过螺杆输送机18和18A(或其它适当的输送机构)输送到吸入装置3和3A，在那里通过源头4和4A供给的气体载体(通常为空气、氧气或二者的混合物)通过供给线路5和5A将粉末运送到混合室23，该混合室23还容纳来自氧化剂源头16的氧化剂。可以通过控制阀13和13A调节气体载体。混合成分被输送到燃烧室24，该燃烧室24具有与其相联合的点火器12以将提供给燃烧室的混合物点燃。燃烧室具有出口25，从其中发出被推进到涂敷表面上的火焰喷涂物。氧化剂通常是空气、纯氧或二者的混合物。在图1所示的实施方式中，可燃粉末和不可燃粉末通过相应的供给线路被供给到混合器。
图2是备选实施方式，其中可燃和不可燃粉末可以从单个容器1中供给并通过单个供给线路5供给到混合器。通过源头4供给的氧化剂可以同时作为载体和氧化剂并且沿与可燃和不可燃粉末相同的供给线路得到供给。
在图1和2中，输送机通过变速电动机19或19A驱动以向燃烧室或混合器提供所需体积的材料。
燃烧室可以具有用于将难熔物喷射在涂敷表面上的喷嘴出口。燃烧室对于特定应用可以具有尺寸和形状被设计成适应特定涂敷工作表面的出口。
由于在火焰喷涂操作中涉及的温度非常高，通常3000℃或更高，因此使燃烧室的壁与燃烧室内部的燃烧过程隔离是非常重要的。实现这一点一个非常有效的方法是在燃烧室内部形成“反向涡旋”气流。
图3表示反向涡旋燃烧室的一种形式。该燃烧室形如圆锥体窄端切断的截头锥体。截头锥体的窄端部分27是燃烧室的入口或封闭端并且更宽部分28是燃烧室的出口或开口端。出口孔通常设置在排出火焰喷涂物的开口端。粉末燃料/陶瓷混合物如图所示在点26处并沿燃烧室的轴线29A注入燃烧室的封闭端。点火器29可以定位在燃烧室的一侧或者沿与燃烧注入点相同的轴线29A定位。粉状混合物的气体载体(通常为空气)促使其从燃烧室的封闭端轴向流动到开口端。作为备选，粉状燃料/陶瓷混合物的一部分可以连同用于反向涡旋而注入的空气例如在点30处被导入燃烧室内。
在燃烧室开口端附近的一个或多个点30处切向注入空气。这样产生与截头锥体的壁成切向的气体流动31。空气从燃烧室的开口端相对较慢地流动到封闭端。由于切向气流从燃烧室的开口端前进到封闭端，因此其被称为“反向”涡旋。已经显示反向涡旋成为防止沿燃烧室轴线的高温燃烧熔化燃烧室壁的极为有效的绝热体，(参见“Dr.A.Gutsol的Thermal Insulationof Plasma in Reverse Vortex Flow(反向涡旋流动中的等离子热绝缘)，Institute of Chemistry and Technology，Kola Science Centre of the RussianAcademy of Sciences)(还参见已公开的申请WO2005/004556所披露的内容)。可选择地，第二切向气流可以在燃烧室封闭端的一个或多个点32处被导入。切向气流定向为使得绕燃烧室轴线的旋转与通过在点(多个点)30处注入的空气产生的旋转处于同样方向33。这种第二切向气体注入器促使反向涡旋变得更快并促使燃料/空气混合物更好的混合。
图4表示多喷嘴布置的横截面图，其中气体穿过连接在风室36上的四个喷嘴35在点34处切向进入燃烧室，由此形成与燃烧室出口壁成切向的气流。这样产生从燃烧室开口端逐渐移动到封闭端的具有强大圆周速度分量的涡旋气流。
图5表示另一形式的圆柱形的燃烧室。如前所述，粉状燃料/空气混合物26在封闭端31沿圆柱轴线注入燃烧室内。空气在点(多个点)30和/或32处切向注入以形成从燃烧室的开口端28到封闭端31的反向涡旋流动。燃烧室的出口可以具有限定孔或特殊形状的喷嘴。
图3中所示的截头锥体可以被构造成改进燃烧室的操作。例如，粉状燃料/陶瓷粉末混合物可以直接喷注在燃烧室的点30处的反向涡流口内，由此提高空气与粉末的混合。另外，粉状燃料混合物将吸收来自燃烧室中心的辐射热，由此对粉状混合物进行预热，同时使燃烧室壁与燃烧热量隔绝。
如果选定的燃料是硅粉末，则还有另外的有益效果。硅粉末和煤粉一样为黑色并作为“黑体”吸收剂。这样将会显著提高燃料/空气混合物的预热并冷却燃烧室的壁。
如果粉状燃料混合物注入反向涡流口内，则点火器可以在封闭端在燃烧室的轴线上居中定位。同样，可以对图5所示的圆柱形燃烧室采取相同的方法。在这种情况下，粉状燃料混合物连同气流在点30处被注入反向涡流口内以支持燃烧并冷却燃烧室壁。在这种情况下点火器29可以布置在燃烧室封闭端的中心。
图6表示本发明的另一重要方面，示出了具有弯曲端部64以及可选择的向内延伸的圆锥部分66的圆柱形燃烧室62。反向涡旋气流被示为60并且通过所述的点30处注入的空气或氧气形成。该气流以初始旋转角速度沿燃烧室62的内壁流动。当气流到达燃烧室的封闭端64时，燃烧室的直径根据封闭端的特定形状而减小。反向涡旋气流的速度大体上保持恒定，因此气流的角速度随着燃烧室直径的减小而增大。
封闭端的形状还促使涡旋气流反向，前进到燃烧室的开口端并处于燃烧室的轴向中心。由燃烧室封闭端的形状引起的更高的角速度提高了燃料/空气/粉末的混合，由此提高了燃烧和向不可燃粉末的传热。另外，气流的角旋转增大了燃烧室的有效长度并因而增大了燃烧室滞留时间的时延。燃烧室封闭端的形状可以被设计成在反向涡旋螺旋从燃烧室的封闭端前进到燃烧室的开口端时使其“集中(focus)”。如上所述，燃料/粉末混合物可以在点30处和/或在其它口被导入燃烧室内。
在图7中示出了根据本发明的燃烧室的另一实施方式。燃烧室70为圆柱形，其具有圆锥部分72的一端和弯曲过渡部分74，该弯曲过渡部分74连接可选择的向内延伸的圆锥部分76。一对同心管78和80定位在该部分76的环形区域的封闭端。内管80是等离子点火器的一部分。外管78起到了将空气和燃料/陶瓷粉末混合物注入燃烧室内的作用。少量燃料/陶瓷粉末可以与大量空气一起在点30处被导入燃烧室内，与以上实施方式相同。燃烧室的出口端具有与用于向工作表面提供等离子喷涂物的喷嘴84连通的孔82。喷嘴不是所有应用中所必需的。对于不需要喷嘴的应用，等离子喷涂物从燃烧室的孔82中喷出。
在图8中示出了燃烧室的另一实施方式。该燃烧室具有圆柱形陶瓷内衬90，其具有以与图7所示类似的可选择向内延伸的圆锥部分终止的弯曲构造的封闭端。该封闭端形状被设计成改变反向涡旋的方向。备选地，燃烧室的封闭端是平的。燃烧室90封装在通常由钢或钛制成的外壳92内。在内陶瓷燃烧室与外壳之间的空间94通过穿过燃烧室的开口或出口端附近的燃烧室壁设置的孔或开口96与燃烧室内部流体连通。开口优选与燃烧室的内表面定向成切向并指向燃烧室的封闭端。开口定向成大致20°的切向角。
在图8所示的燃烧室的一种方案中，两个同心管78和80定位在双壁燃烧室的封闭端。如参照图7所述，内管80通常被构造成高温等离子点火器，并且更大的管78作为粉状燃料/陶瓷粉末和空气/氧气混合物的进口。如下文所述，点火器和进口也可以别的方式定位。
在燃烧室的一种形式中，粉状燃料/空气混合物在一个或多个点98处被注入内壳与外壳之间的空间94内。空气与外壳92的内壁成切向地注入并形成空气/燃料的正向涡旋，其在空间94内向燃烧室的开口端盘旋。正向涡旋冷却内陶瓷壳体的表面并使外壳与内壳绝热，在空气/燃料混合物于开口96处注入燃烧室内之前对空气/燃料混合物进行预热。由于空间94得到密封，因此在该空间内形成压力并迫使空气/燃料混合物穿过开口96并进入燃烧室内。开口的定向导致在燃烧室内部形成以螺旋方式从燃烧室的开口端流向封闭端的反向涡旋。
等离子点火器100穿过外壳和内容器的壁延伸到燃烧室的出口部分内，如图所示。点火器引导其点燃的等离子与燃烧室壁成切向并略微指向燃烧室的封闭端。点火器促使燃料/空气混合物大致在点110进行点火并使火焰以反向涡旋方式向燃烧室的封闭端蔓延。如上所述，燃烧室的封闭端优选形状被设计成使燃烧的反向涡旋反向并使所产生的向燃烧室开口端向前蔓延的涡旋的切向速度增大。
燃料/空气混合物在燃烧室内反向涡旋前进的过程中的燃烧以及混合物在涡旋向前蔓延过程中的燃烧的结果是增加了在燃烧室内发生燃烧的时间。这种滞留时间是促使燃料完全燃烧并向与可燃金属粉末混合的不可燃陶瓷粉末传递最大量热能的重要因素。燃烧室的出口孔112可以明显小于燃烧室的内径。这种扼流燃烧室起到了提高燃烧混合物在燃烧室内的滞留时间、提高燃烧室内的压力以及提高从燃烧室中排出的速度的作用。熔化的陶瓷颗粒的排出速度对于在待涂敷表面上获得所需的颗粒粘附力非常重要。可选择地，排出喷嘴114可以连接在燃烧室的输出端。
图9表示图8所示实施方式的横截面图。箭头120表示空气/燃料混合物在空间94内向燃烧室开口端旋转和螺旋流动。由于空间94唯一的出口穿过燃烧室壁上的开口96，因此燃料/空气混合物被迫以切向方式穿过这些开口到达燃烧室的内表面上。在燃烧室内形成的反向涡旋如上所述通过等离子点火器点燃并形成如箭头122所示的燃烧的反向涡旋火焰蔓延模式。
在另一形式的燃烧室中，仅有一部分粉状燃料/空气混合物在一个或多个点98处注入内壳与外壳之间的空间94内。粉状燃料/空气混合物被构造成是不足以保持燃烧的贫混合物。该空气/燃料混合物与外壳92的内壁成切向地注入并形成空气/燃料的正向涡旋，其在空间94内向燃烧室开口端盘旋。正向涡旋冷却内陶瓷壳体的表面并使外壳与内壳绝热，在混合物在开口96处被注入燃烧室内之前对空气/燃料进行预热。由于空间94得到密封，因此在该空间中形成压力并迫使空气/燃料混合物穿过开口96进入燃烧室内。开口的定向导致以螺旋方式从燃烧室的开口端流动到封闭端的反向涡旋形成在燃烧室的内部。
在这种情况下，点火器通常布置在燃烧室的轴线上并处于由管80所示的封闭端上。大部分粉状燃料/陶瓷粉末空气/氧气混合物通过位于燃烧室封闭端的管78注入燃烧室内。当与反向涡旋的贫混合物混合时，所得到的燃料/空气混合物此时维持燃烧。
通常，燃烧室被形成为模制或机械加工的陶瓷容器，其可以是单个可更换的单元。常规陶瓷材料是具有3762°F的熔点的氧化铝。由于常规可燃金属燃料是硅并且常规不可燃材料是二氧化硅，因此燃烧室被设计成在二氧化硅熔化温度大约2750°F的温度下操作。
外壳通常由钢或钛制成并且该壳体通过被促使在内壳与外壳之间流动的空气和粉状燃料的正向涡旋与陶瓷燃烧室内部的极端温度隔绝。
在本文所述的燃烧室的实施方式中，将会认识到空气或氧气可以在一个或多个不同的位置被导入燃烧室，并且燃料和/或粉末也可以在一个或多个位置与空气/氧气分离或一起被导入燃烧室。为了点燃燃烧室内的混合物，点火器还可以可变地定位。
图10表示粉末进料器。该进料器包括具有槽131的螺杆输送机130和螺杆进料器132，该螺杆进料器132通过进料管134将容纳在料斗133或其它容器内的可燃和不可燃粉末输送到作为燃烧室供给线路的管或软管136内。管或软管136根据特定的安装可以是柔性或刚性的。空气或氧气注入管138内用于与通过螺杆输送机提供的燃料/陶瓷粉末混合。管138可以通过管145与料斗133流体连通。在这种情况下料斗133将通过盖得到密封以与标准大气压隔绝。管145起到了平衡螺杆进料器132两端压力并防止粉末穿过进料管134向回被驱动到料斗133的作业。空气/氧气与燃料/陶瓷粉末的比例可以独立地得到控制以提供所需数量的空气/氧气和燃料/粉末的精确混合。电动机140通过皮带轮和皮带组件142以及减速器144驱动螺杆输送机。在备选实施方式中可以采用其它动力装置。
本发明并不受已经具体示出和描述的内容的限制并且要包含附加权利要求的全部精神和范围。

Claims (46)

1.一种用于在表面上形成粘附难熔物的装置，该装置包括：
适于布置在所述表面上的燃烧室；
用于容纳一种或多种金属可燃粉末以及一种或多种不可燃粉末的容器；
用于向燃烧室输送所述一种或多种金属可燃粉末、一种或多种不可燃粉末以及氧化剂的第一供给线路；
用于向燃烧室供给至少一种气体载体以供给氧气、有助于从燃烧室中喷出难熔物并用于冷却燃烧室的第二供给线路；以及
用于点燃燃烧室内的所述一种或多种可燃粉末、一种或多种不可燃粉末以及氧化剂以促使所述一种或多种金属可燃粉末与氧气发生反应并放热从而形成粘附在表面上的难熔物的点火器。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述难熔物在表面上的沉积速率由该表面与燃烧室出口之间移动的速度来控制。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述燃烧室包含多个开口，气体被注入所述开口以防止燃烧产物接触燃烧室的内表面。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二供给线路导致在燃烧室内形成反向涡旋。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述燃烧室大体上是截头锥体。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述燃烧室大体上是圆柱体。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述燃烧室具有封闭端和开口端，并且所述第一供给线路基本上沿所述截头锥体的轴线将所述一种或多种金属可燃粉末、一种或多种不可燃粉末以及氧化剂注入燃烧室的封闭端内。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述燃烧室具有封闭端和开口端，并且所述第一供给线路基本上沿所述圆柱体的轴线将所述一种或多种金属可燃粉末、一种或多种非可燃粉末以及氧化剂注入圆柱体的封闭端内。
9.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置包括至少一种气体载体的流动，所述气体载体基本上沿燃烧室的内表面周向流动并从燃烧室的开口端前进到封闭端。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置包括相对于燃烧室的内壁基本上切向地定向的一个或多个入口喷嘴。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述点火器相对于燃烧室的轴线定位。
12.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述燃烧室具有封闭端，其形状被设计成使得当所述至少一种气体载体从反向涡旋向正向涡旋改变方向时提高所述至少一种气体载体的速度。
13.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述燃烧室具有封闭端，其形状被设计成使得当所述至少一种气体载体从反向涡旋向正向涡旋改变方向时提高所述至少一种气体载体的速度。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容器是螺杆输送机。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一种或多种金属可燃粉末和一种或多种不可燃粉末的供给速度由所述螺杆输送机的速度来控制。
16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述螺杆输送机的输出端与所述容器流体连通。
17.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述容器被密封以与大气隔绝。
18.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述燃烧室基本上为圆柱形，由至少两个同心壳体形成，在所述至少两个同心壳体之间具有与燃烧室流体连通的空间。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述燃烧室的第一端封闭以阻止燃烧产物，而第二端开放以允许燃烧产物通过。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述第二供给线路将所述一种或多种金属可燃粉末、一种或多种不可燃粉末以及氧化剂注入所述至少两个同心壳体之间的空间内，从而导致在至少两个同心壳体之间的空间内形成正向涡旋，其中正向涡旋在从第一端到第二端的方向上前进。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述正向涡旋与燃烧室的中心部分流体连通并促使反向涡旋基本上沿燃烧室中心部分的内表面周向流动并在从第二端到第一端的方向上前进。
22.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述第二供给线路将所述至少一种气体载体注入燃烧室的所述至少两个同心壳体之间的空间内，从而导致在燃烧室的至少两个同心壳体之间的空间内形成正向涡旋，其中该正向涡旋在从第一端到第二端的方向上前进。
23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述正向涡旋与燃烧室的中心部分流体连通并促使反向涡旋基本上沿燃烧室中心部分的内表面周向流动并在从第二端到第一端的方向上前进。
24.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述第一供给线路将所述一种或多种金属可燃粉末、一种或多种不可燃粉末以及氧化剂注入第一端。
25.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述点火器位于燃烧室轴线和第一端轴线中的一个上。
26.一种用于在表面上形成粘附难熔物的装置，该装置包括：
适于布置在表面上的燃烧室；
用于容纳一种或多种金属可燃粉末以及一种或多种不可燃粉末的容器；
用于将所述一种或多种金属可燃粉末、一种或多种不可燃粉末以及氧化剂输送到燃烧室的供给线路；以及
用于点燃燃烧室内的所述一种或多种金属可燃粉末、一种或多种不可燃粉末以及氧化剂以促使所述一种或多种金属可燃粉末与氧化剂发生反应并放热以形成粘附在表面上的难熔物的点火器。
27.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述燃烧室的第一端封闭以阻止燃烧产物，而第二端开口以排出燃烧产物。
28.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述一种或多种金属可燃粉末和一种或多种不可燃粉末的供给速度由螺杆输送机来控制。
29.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述供给线路导致在燃烧室内形成反向涡旋。
30.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述燃烧室基本上为圆柱体。
31.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述供给线路基本上沿燃烧室的轴线将所述一种或多种金属可燃粉末、一种或多种不可燃粉末以及氧化剂注入燃烧室的封闭端内。
32.如权利要求29所述的装置，其特征在于，所述装置包括至少一种气体载体的流动，所述气体载体基本上沿燃烧室内表面周向流动并从燃烧室的开口端前进到封闭端。
33.如权利要求29所述的装置，其特征在于，所述装置包括相对于燃烧室的内壁基本上切向地定向的一个或多个喷嘴。
34.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述点火器相对于燃烧室的轴线定位。
35.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述供给线路在燃烧室开口端的一点处注入所述一种或多种金属可燃粉末、一种或多种不可燃粉末以及氧化剂并导致在燃烧室内形成反向涡旋。
36.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述燃烧室的封闭端的形状被设计成使得在所述至少一种气体载体从反向涡旋向正向涡旋改变方向时可以提高所述至少一种气体载体的速度。
37.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述容器是螺杆输送机。
38.如权利要求37所述的装置，其特征在于，所述一种或多种金属可燃粉末和一种或多种不可燃粉末的供给速度由所述螺杆输送机的速度来控制。
39.如权利要求37所述的装置，其特征在于，所述螺杆输送机的输出端与容器流体连通。
40.如权利要求37所述的装置，其特征在于，所述容器被密封以与大气隔绝。
41.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述燃烧室基本上为圆柱形，由至少两个同心壳体形成，在所述至少两个同心壳体之间具有与燃烧室流体连通的空间。
42.如权利要求41所述的装置，其特征在于，所述燃烧室的第一端封闭以阻止燃烧产物，而第二端开口以允许燃烧产物通过。
43.如权利要求42所述的装置，其特征在于，所述供给线路将所述一种或多种金属可燃粉末、一种或多种不可燃粉末以及氧化剂注入所述至少两个同心壳体之间的空间内，从而导致在至少两个同心壳体之间的空间内形成正向涡旋，其中该正向涡旋在从第一端到第二端的方向上前进。
44.如权利要求43所述的装置，其特征在于，所述正向涡旋与燃烧室的中心部分流体连通并促使反向涡旋基本上沿燃烧室中心部分的内表面周向流动以及在从第二端到第一端的方向上前进。
45.如权利要求42所述的装置，其特征在于，所述供给线路将所述一种或多种金属可燃粉末、一种或多种不可燃粉末以及氧化剂中的第一部分注入燃烧室的第一端并将所述一种或多种金属可燃粉末、一种或多种不可燃粉末以及氧化剂中的第二部分注入所述至少两个同心壳体之间的空间内。
46.如权利要求45所述的装置，其特征在于，所述第二部分促使正向涡流基本上沿圆周从第一端向第二端流动。
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