CN101417273B - 改善轴向喷射在热喷枪中的混合的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及改善轴向喷射在热喷枪中的混合的设备和方法。一种改进的热喷涂设备和方法，促进在轴向上送入的载体流中的粒子与加热的排放气流混合，同时不把相当大的波动引到排放气流或载体流中。轴向喷射口包括多个在口的远端处的V形。V形在径向上围绕轴向喷射口的远端的圆周设置，以便增加在喷射口的出口处两种流体流之间的共用面积。

Description

改善轴向喷射在热喷枪中的混合的设备和方法

技术领域

本发明一般涉及改进的热喷涂涂布装置，尤其是涉及用于将原材料在轴向上喷射到下游热气流中的原料喷射器。

背景技术

热喷涂工艺一般可以说成是涂装方法，其中将粉体或其它原材料送到经加热、加速、或兼具二者的增能气流中。原材料被增能气流捕集，从中接收热能和/或动能。然后将增能原料冲击到表面上，在表面上增能原料粘附并固化，同时通过重复包覆连续的薄层形成较厚的热喷涂涂层。

从上面所述可以意识到，在某些热喷涂应用的情况下，将原料在轴向上喷射到增能气流中有某些优于其它原料喷射方法的优点。通常，原料是朝一般说成径向喷射的方向，换句话说朝或多或少垂直于气流行进方向的方向送到气流中。径向喷射通常用作它提供将粒子混合到排放流中并因此以短跨距将能量传递到粒子上的有效手段。在用等离子体的情况下正是这样，此处短喷涂距离和高热载荷要求用于合适涂布涂层的方法快速的混合和能量传递。轴向喷射可以提供优于径向喷射的优点，因为当轴向喷射时可以更好地控制原料粒子轨迹的线性和方向。另一些优点包括在排放流的中心区域中具有颗粒物，此处能量密度可能最高，并因此为能量加到颗粒物中提供最大可能。最后，轴向喷射往往会比目前实用的径向喷射技术较少中断排放流。

因此，在许多热喷涂工艺喷枪中，原料粒子的轴向喷射优选的是利用载气将粒子喷射到经过加热和/或加速的气体中，所述经过加热和/或加速的气体在本公开中简称之为排放气体。排放气体可以是等离子体、电加热气体、燃烧加热气体、冷喷涂气体、或它们的组合。能量从排放气体传递到载气流中的粒子。由于排放气流流动和两相流动的性质，所以这种混合和随后的能量传递限于轴向流中，并要求规定两种流即排放气流和含颗粒物载体流足够的时间和行进距离，以便能使两种流动之的边界层能中断并因此产生混合。在这个行进距离期间，能量通过热传递和摩擦作用耗散到周围，同时造成损失效率。利用轴向喷射的许多热喷涂工艺喷枪因而设计得比通常要求的更长，以便可供这种混合和随后的能量传递发生。

当含颗粒物的载体流是液体时，这些对混合含颗粒物载体流和排放气流的限制甚至变得更显著，且在许多情况下，它们防止使用液体送到轴向喷射热喷涂工艺喷枪中。对液体喷射技术来说，采用气体雾化作用产生细液滴流帮助液体变得更容易与排放气流混合，以便使液体喷射能几乎不工作，但这种方法仍要求某种相当大的距离，以便使气体和细液滴流及排放流混合并传递能量。在混合流动时，这种方法还产生一定量的湍动。

在促进混合如引入流动的不连续和碰撞时的试验也产生湍动。通常与热喷涂工艺如等离子体一起使用的以保证在短距离内混合的径向喷射也产生湍动，如成直角相交的两个流。实际上，促进快速混合的最容易达到的喷射方法目前使用下述方法，即有意引入湍动作为促进混合的手段。湍动用来破坏各流动之间边界层，且一旦完成这点就可能发生混合。

随着流场一直变化，外加的湍动经常造成排放气流和含颗粒的载体流之间不可预知的能量传递，同时在影响能量传递的流场内产生变化。湍动代表不规则的过程，并引起形成不同长度量的涡流。湍动运动的大部分动能都包含在大规模结构中。能量通过惯性和基本上无粘性的机构从大规模结构“级联”到较小规模结构。这个过程持续形成产生涡流层次的越来越小的结构。最后这个过程形成下述结构，所述结构足够小，以致分子扩散变得重要和最后发生能量的粘性消散。发生这种情况的规模是Kolmogorov长度量。因此湍动导致一部分动能转变成热能。结果是下述过程，即产生更多的热能而不是动能来传递到粒子，同时限制了这些装置的性能。由于由一个以上湍流而使过程复杂化，且结果如上所述不可预期。

湍动还增加能量耗散到周围，因为湍动造成排放流场中至少一部分边界层损失，并因此促进能量传递到周围及当流体是包含在壁内时流体内的摩擦作用。对于在管子内流动来说，层流的压降与流动速度成正比，而湍流压降与速度的平方成正比。这提供能量耗散到周围的规模和内部摩擦的良好指示。

因此，在该技术中仍然需要改进的方法和设备，以便促进将轴向喷射物快速混合到热喷涂工艺喷枪中，并且作为结果还限制产生湍动。

发明内容

如上所述，本发明提供一种改进的设备和方法，用于促进载体流中轴向进给的粒子与经过加热和/或加速的排放流的混合，同时不把有效的湍动引入到排放流或载体流二者中。本发明的实施例利用一种热喷涂设备，所述热喷涂设备具有一带V形喷嘴的轴向喷射口。对本申请来说，术语“V形喷嘴”可以包括任何在圆周上非均匀类型的喷嘴。

本发明的一个实施例提供一种用于实施热喷涂工艺(这里，对本发明来说，术语“热喷涂工艺”也可以包括冷喷涂工艺)的方法。方法包括以下步骤：加热和/或加速排放气体以便形成高速排放气流；经由轴向喷射口将含颗粒物流送入上述排放气流中以便形成混合流，其中上述轴向喷射口具有多个V形，所述V形位于上述轴向喷射口的远端处；和将混合流冲击在基材上以便形成涂层。

在另一实施例中，本发明提供一种热喷涂设备，所述热喷涂设备包括：用于加热和/或加速排放气体的装置；喷射口，所述喷射口成形为在轴向上将含颗粒物流送到上述排放气流中，上述轴向喷射口具有多个V形，所述V形口位于轴向喷射口的远端处；和喷嘴，所述喷嘴与上述加速装置和喷射口成流体连接。

在本发明的还有另一实施例中，提供一种热喷涂设备。设备包括：排放气体加速部件，所述加速部件成形为产生排放气流；轴向喷射口，所述轴向喷射口具有多个V形，上述轴向喷射口成形为在轴向上将液流送到上述排放气流中。和喷嘴，所述喷嘴与上述排放气体加速部件和喷射口成流体连接。

在还有另一个实施例中，提供一种用于热喷涂枪的轴向喷射口。喷射口包括圆筒形管子，所述圆筒形管子具有入口和出口，上述入口成形为经由上述圆筒形管子接收流体流，而上述出口包括多个在径向上围绕上述出口圆周的V形口。

本发明的另一些优点将在下面说明中陈述，且部分优点从说明中显而易见，或者可以通过实践本发明知道。本发明的优点可以通过后面特别指出的器材及组合实现和得到。

附图说明

附图包括提供进一步理解本发明并包括在本说明中和构成该说明的一部分，所述附图示出本发明的一些实施例，并与说明一起用来阐明本发明的原理。其中：

图1提供适合于在本发明的实施例中使用的热喷枪的示意图；

图2提供按照本发明的实施例所述的热喷枪的燃烧室和出口喷嘴区的示意剖面图；

图3提供常规轴向喷出口的远端的示意图；

图4提供其包括按照本发明的实施例所述的V形的轴向喷出口的远端的示意详图；

图5提供其包括按照本发明的另一个实施例所述的V形的轴向喷出口的远端的示意详图；

图6提供从按照本发明的实施例所述的喷嘴排放的两种流体之间在行进距离上的边界区变化；

图7提供在不用V形的情况下轴向喷射速度粒子流的示意图；

图8提供在使用按照本发明的实施例所述的非倾斜式V形的情况下轴向喷射速度粒子流的示意图；和

图9提供在使用按照本发明的实施例所述的向外倾斜20°的V形的情况下轴向喷射速度粒子流的示意图。

具体实施方式

现在详细涉及本发明的一些优选实施例，其中一些例子在附图中示出。

图1提供一种可以按照本发明使用的典型热喷枪100的示意图。喷枪包括外壳102，所述外壳102包括可燃气体供给管线104和氧气(或其它气体)供给管线106。可燃气体供给管线104和氧供给管线106流注到混合室108中，在混合室108处燃料和氧气混合并经由多个口112送到燃烧室110中，所述多个口112通常是在径向上围绕原料和载液轴向喷射口114设置。喷枪外壳102还包括用于原料和载液的进给管线116。原料和载液供应管线流注到燃烧室110中，同时轴向喷射口114一般在轴向上与热喷枪100的出口喷嘴118对准。

在操作时，氧气燃料混合物经由各口112进入燃烧室，而原料和载液同时从轴向喷射口114排出。氧/燃料混合物在燃烧室中点火，并将原料朝出口喷嘴118方向加速。两种流体流—如下所示的来自径向口112的经过点火的气体流出物和如F₂所示的来自轴向喷射口114的载气/原料流—影响热喷涂工艺的效率。原料和热气流的混合及随后的能量传递可以通过使用轴向喷射口114上的有缺口的V形喷嘴优化。

在图1的实施例中，可燃气体供给管线104、氧气供给管线106、混合室108、燃烧室110和多个口112一般可以称之为加速排出的气流所必需的部件或装置。另一些热喷涂工艺可以使用不同的排出的加速部件和气体，它们同等地可适用于本发明。本发明的实施例可适用于使用或者潜在可以使用轴向喷射的各种各样热喷涂工艺。可以与本发明的实施例一起使用的一些方法的例子包括，但不限于，冷喷涂工艺、火焰喷涂工艺、高速氧气燃料(HVOF)喷涂工艺、高速液体燃料(HVLF)喷涂工艺、高速空气燃料(HVAF)喷涂工艺、电弧喷涂工艺、等离子体喷涂工艺、爆炸喷枪喷涂工艺、和利用混合法的喷涂工艺，所述混合法将一种或多种热喷涂工艺组合使用。载流体通常是在热喷枪中使用的载气，其中包括但不限于氩气和氮气，上述载流体含有通常的热喷涂颗粒物，所述颗粒物按照不同方法具有从约1μm到大于100μm范围内的不同尺寸。本发明可以从改进的混合得到的一个好处是处理更高颗粒物质量流速的能力，因为混合促进更好的能量传递，而同时浪费较少的能量。基于含颗粒物的载流体的液体，或者溶于溶液中的原料，或者作为初级粒子，也从增强混合尤其是取刚在轴向喷射口排出之前产生的气体雾化流的形式中得到好处。

图2提供收敛室110和冷喷枪的发散出口喷嘴118区域的示意图。轴向喷射口114示出在限定出口的口的远端处具有多个V形120。每个V形一般都是三角形构造。V形120是在径向上—而在某些实施例中是等间距地—围绕轴向喷射口114的远端的圆周设置。引入V形到轴向喷射口114增加了两个流流F₁和F₂当它们相遇时它们之间的混合。在使用这些V形的情况下，通过室110并在喷嘴118中加速的排放气流的能量更容易将排放气流的热和动力学特性传递到载体流和颗粒物。

图3提供常规轴向喷射口的远端的示意图。相反，图4提供包括4个按照本发明的实施例所述的V形120的轴向喷射口114的远端的示意图。在某些实施例中，每个V形120都包括一般是三角形的轴向喷射口114的延伸部分。在图4的实施例中，每个V形120一般平行于轴向喷射口114的壁，V形接合到所述壁上。图5所示的另一个实施例包括V形130，所述V形130可以是张开的、弯曲的、弯头、或者相对于限定轴向喷射口的远端的平面径向上向内。V形向内或向外高达90°的倾斜角提供增强的混合，而优选的倾斜角可以是在0和约20°之间。高于约20°的倾斜角尽管提供增强的混合，但也可能易于产生不希望有的涡流，且湍动的可能性取决于相对流速和密度。

尽管图5示出V形130同等地张开，但另一些设想的实施例可以具有不对称张开的V形，所述不对称张开的V形可以与不对称的喷枪几何形状相对应，补偿在热喷枪中经常存在的旋流效应、或者其它所希望的不对称需要。在另一些实施例中，可以用不同的形状和/或安排代替图4和5中所示的V形形状。对于本申请来说，术语“V形喷嘴”可以包括任何在圆周上不均匀类型的喷嘴。可供选择的V形形状的非限制性例子包括径向上间隔开的矩形、弯曲末端的V形、半圆形、及诸如此类。对本申请来说，这些可供选择的形状都包括在概括性术语V形之下。在另一实施例中，每个V形的壁厚可以朝V形尖头喷嘴的方向逐渐缩减。

可以使用几乎任何数量的V形来帮助混合。在图4和5中分别示出4个V形120，130。在某些实施例中，4到多达6个V形对大多数应用来说可能是理想的。然而，在不脱离本发明的范围的情况下，另一些实施例可以使用或多或少的V形。对图2所示的热喷枪来说，在轴向喷射口114的远端上的V形的数量可以与径向喷射口112的数量一致，以便可用于流型对称，在燃烧室110中产生均匀而可预知的混合。

在某些实施例中，不同附图中所示的V形一般是轴向喷射口的均匀延伸部分。在另一些实施例中，V形可以通过例如机械附接改装到现有常规轴向喷射口上。改装应用可以包括使用夹具、带、焊接、铆钉、螺钉或该技术中已知的其它机械附接。尽管V形通常是用与轴向喷射口相同的材料制成，但不要求材料相同。V形可以用该技术中已知的适合于轴向进料口环境的流量、温度和压力的各种材料制成。

图6示出在本发明的一个实施例中用于热喷枪的模型化流动喷涂路线的计算机模型化的横断面的示意图。图的底部示出喷嘴118和轴向喷射口114的侧视图，而上部示出在不同点处排放路线和载流路线的横断面204a，204b，204c，204d。参见图6，随着含颗粒物的载体流F₂及加热和/或加速的排放气流F₁到达V形120，流体之间的物理差别如压力、密度等使流体之间的边界从起初的界面形状改变到花状或星状形状，同时增加了流体F₁和F₂之间共同的边界面积，上述起初界面用横断面202示出，通常是圆筒形，如轴向喷射口114的形状所表示的，而上述花状或星状形状用横断面204a示出。流体F₁和F₂之间存在的压差将引起更高的压力流—无论是排放气流F₁还是载体流F₂—以便随着压差(潜在流动)而快速加速，因为流体F₁和F₂沿着V形120的长度向下前进，直至压力平衡。这种加速作用也改变成围绕V形驱动流体，以便也使V形下的压力平衡。如随后的形状横断面204b，204c，和204d所示，这种星一样的形状持续随着流体F₁和F₂一起前进而扩展，同时增加了流体F₁和F₂之间共用的边界面积。因为液流的混合是边界面积的作用，所以边界面积增加也增加了混合速率，如图6中示例性示出的。使用向内或向外倾斜的V形通过增加流体之间的压差来增加混合作用，因此引起边界面积形状更快速形成和扩大。倾斜可以根据两个液流的相对性能和所希望的作用向内或向外定向。

在图3、4和5中所示出的喷涂路线现有喷嘴形状用类似于图2所示的冷喷枪形成模型。图7提供在不用如图3所示的V形的情况下，用于如图2中模型化的冷喷涂工艺的轴向喷射粒子速度流的计算机流体动力学(CFD)模型运行的结果。图8提供在使用按照本发明的实施例所述如图4中示出的V形的情况下，用于如图2中模型化的冷喷涂工艺的轴向喷射粒子速度流的CFD模型运行的结果。将CFD模型化应用于轴向喷射冷喷枪已证明在含颗粒物的载体流F₂与热的和/或加速的排放流F₁的混合方面和能量从排放的气体直接传递到原料粒子方面的适当改善。在图7中，由于通过添加V形所产生的改善混合的结果，最后粒子速度和喷涂宽度小于图8所示的粒子速度和喷涂宽度。另外，图9提供在使用按照本发明所述的实施例所述如图5中示出的向外倾斜的V形的情况下，用于如图2中模型化的冷喷涂工艺的轴向喷射粒子速度流的CFD模型运行的结果。如图9所示，粒子速度增加比直的V形(图8)的情况下甚至更高，同时表示能量从排放气体传递到使用向外倾斜的V形时产生的粒子至更好。因此，引入V形，和甚至更倾斜的V形，增加了粒子的总体速度，并将粒子场完全膨胀到排放气流中。

在轴向喷射口上包括V形可以有利于任何采用轴向喷射的热喷涂工艺。因此，本发明的实施例十分适合于轴向上进给的含颗粒物液体流及含颗粒物气流。在另一个实施例中，可以将两个含颗粒物流体混合。在还有另一个实施例中，可以将两种或多种气流通过按顺序分级的轴向喷射口与外加的级一起进行混合，以便混合成含颗粒物的载体流。在还有另一个实施例中，可以通过在口的前缘处加一个或多个V形将V形加到一以倾斜角进入排放流的口上，如进入排放气流室那样。

在另一个实施例中，按照本发明所述的液流混合可以在环境空气中，在低温环境中，在真空中，或者在受控制的大气环境中进行。另外，按照本发明所述的液流混合可以在任何适合于常规热喷涂工艺的温度中进行。

该领域的技术人员可以想像进一步提高设备及使用三角形V形之外的形状。该设备在任何使用轴向喷射的热喷枪上工作，以便引入含颗粒物的载气及液体、另外的排放气流、和反应性气体。

对该领域的技术人员来说，另一些优点和修改很容易发生。因此，本发明在更广意义上不限于本文所示和说明的具体细节和代表性的实施例。因此，在不脱离如所附权利要求要求及其等效物所述的一般发明思想的精神或范围的情况下，可以进行各种修改。

Claims (12)

1.一种方法，用于实施热喷涂工艺，包括：

加热和/或加速气体以便形成排放的气流；

经由轴向喷射口将含颗粒物的载体流送到上述排放的气流中，以便在喷嘴中形成混合流，其中所述轴向喷射口包括多个V形，所述V形位于上述轴向喷射口的远端处，其中上述多个V形向外倾斜0和20°之间，到比上述喷射口的远端更大的直径；和

将混合流冲击底材以便形成涂层。

2.如权利要求1所述的方法，其中上述多个V形促进上述排放的气流与上述含颗粒物的载体流的混合。

3.如权利要求1所述的方法，其中上述方法在真空中进行。

4.如权利要求1所述的方法，其中上述方法在环境条件下进行。

5.按照权利要求1所述的方法，其中上述方法在受控大气条件下进行。

6.如权利要求1所述的方法，其中上述含颗粒物的载体流是气体。

7.如权利要求1所述的方法，其中上述含颗粒物载体流是液体。

8.如权利要求1所述的方法，其中上述含颗粒物载体流是气体雾化的液体。

9.如权利要求1所述的方法，其中上述多个V形具有不同的尺寸。

10.如权利要求1所述的方法，其中上述V形在径向上围绕上述远端的圆周设置。

11.一种热喷涂设备，包括：

排放气体加热和/或加速部件，所述部件成形为产生排放气流；

轴向喷射口，所述轴向喷射口包括多个位于所述轴向喷射口的远端处的V形，上述喷射口成型为在轴向上将流体流送到上述排放气流中，其中上述多个V形向外倾斜0和20°之间，到比上述喷射口的远端更大的直径；和

喷嘴，所述喷嘴与上述排放气体加热和/或加速部件和喷射口成流体连接。

12.一种用于热喷枪的轴向喷射口，包括一圆筒形管子，所述管子具有入口和出口，上述入口成形为接收流体流，其流经上述圆筒形管子，而上述出口包括多个在径向上围绕上述出口的圆周设置的V形，其中上述多个V形向外倾斜0和20°之间，到比上述喷射口的远端更大的直径。