CN101668876A - 热表面处理工艺中低温冷却的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于防止基材热表面处理工艺期间一种或更多掩模材料降解的设备及方法，该方法具有下列步骤：在基材上安装至少一个包含一种或更多掩模材料的掩模；热表面处理该基材表面，其提高了该基材的温度；及利用来自被导引至该基材的至少一个冷却装置的低温流体来冷却该一种或更多掩模材料。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年4月26日提交的美国临时专利申请US60/926,351，名称为“在具有或没有掩模的热喷涂操作中低温冷却的设备及方法”，以及2008年4月21日提交的美国非临时专利申请US12/106,565，名称为“在热表面处理工艺中用于低温冷却的设备及方法”的权益，其在此以引用方式并入本文。
背景技术
零件的热喷雾为在该零件上施加厚且持久的金属或陶瓷涂层的众所周知方法，为的是提供热阻障层，改善表面硬度及耐磨耗性，增进耐腐蚀性或改变原始表面的其它性质。所述主要热喷涂工艺包括热等离子、高速氧燃料(HVOF)、电弧喷雾及火焰喷雾。
该喷雾广泛用于像是起落架、轴承座圈、阀及涡轮组件的重要磨耗零件。该工艺一般涉及经完全或部分熔融的金属、复合材料、聚合物或陶瓷液滴的沉积，其从枪或喷灯推进至该工件上。空气冷却经常被用于该喷雾工艺期间冷却该零件，但是经证实在高产量、生产操作的情形中是不足的，因此，需要在通行之间的冷却中断时间以周期性地将该枪移离该零件使该零件有效地冷却。此中断喷涂模式造成时间及涂布材料损失且可能造成基材材料及其它接触该基材的材料(例如安装、固持及表面掩模材料)的热降解。
就某些喷涂应用而言遮蔽该零件的某些区域(其是可能不需要涂层的)是重要的。这些区域的涂层可能是不希望的，可能会干扰该组件的机械作业，可能不需要，或可能不经济。在这些情形中，重要的是为这些区域的涂层提供有效的阻障物。金属板(影板(shadow plate))经常用于保护区域，比如遮蔽胶带。
所希望的遮蔽胶带形态为胶带的柔性、施加及除去的容易性、快速清洁及延长的使用寿命。当今有各式各样遮蔽胶带可利用从玻璃纤维与金属至聚合物与硅氧橡胶构成的材料得到。美国专利5,508,097；5,691,018；5,112,683；及5,322,727中揭示掩模材料的例子。无论如何，当今可取得的大部分遮蔽胶带无法提供所有想要的形态。所述金属带，举例来说，通常难以构成而且设置，而该玻璃纤维及聚合物胶带易于设置，但是难以除去而且需要大规模的热处理后的清洁。该掩模中的温度的不适当的空气冷却及增进为胶带降解的主要原因，例如热分解、硬化或脆化，如图1所示。
发明内容
本发明提供一种防止基材热表面处理工艺期间一种或更多掩模材料降解的方法，该方法包含下列步骤：在基材上安装至少一个包含一种或更多掩模材料的掩模；热表面处理该基材表面，其提高了该基材的温度；及利用来自被导引至该基材的至少一个冷却装置的低温流体来冷却该一种或更多掩模材料。本发明另一种方法包括下列步骤：将该基材冷却至不超过该邻近该基材的一种或更多掩模材料的降解温度。该冷却步骤可为连续或间歇导引至该掩模。该冷却装置可为喷嘴或输出头(header)或其它类似用于导引冷却剂至零件的装置。该基材和/或该冷却装置和/或该热处理装置在该方法的期间可以单一单元的方式(举例来说安装在单一机械手臂上)个别和/或单独和/或同时移动或旋转和/或可移动或旋转。
也提供用于执行该热表面处理方法的设备，其包含热处理装置及至少一个冷却装置。
本发明的方法及设备是用于防止安装在基材上的一种或更多掩模材料的降解同时热表面处理该基材。先前已知的工艺并无法防止该掩模的降解。
附图说明
图1显示冷却不足的现有技术的热喷雾处理步骤。
图2显示本发明的热喷雾处理步骤的一个实施方式。
图3显示本发明的热表面处理设备及工艺的一个实施方式。
图4显示本发明的热表面处理设备及工艺的另一个实施方式。
图5显示本发明的热表面处理设备及工艺的另一个实施方式。
图6显示本发明的热表面处理设备及工艺的另一个实施方式。
图7显示本发明的热表面处理设备及工艺的另一个实施方式。
具体实施方式
图1显示用于配合不充分冷却的热喷雾工艺时掩模降解的顺序，但是将有用于了解本发明。在(a)所示的第一个处理步骤中一个或更多层温度敏感掩模材料，也就是说，具有厚度T的掩模160在接受热喷雾的制备中被安装在基材150的表面151上。在步骤(b)所示的第二个处理步骤中可能被表示为箭头H所示的喷枪的热表面处理装置使该枪以箭头B所示的方向横越时材料170沉积在该基材150的表面151及该掩模160的表面163上。该材料170在高温度及速度(高能量)下冲击该基材。被沉积的材料170的热及能量造成该掩模变得又热又脆，如图(b)中的涂黑区域190所示。在步骤(c)中，如A标示的箭头所示以空气冷却该基材150的表面151和/或该涂布或沉积材料170和/或该掩模160，其局部冷却该区域190。在步骤(d)中，该枪H再通过该基材及该掩模160的同一区域，沉积额外的涂布材料170在该基材150及该掩模160的表面上(在第一次通过所施涂的涂层上)。在步骤(d)中，所沉积的材料170的热及能量造成整个掩模160变得又热又脆，如包括步骤(b)及(c)所示的涂黑区域190的较大涂黑区域195所示。该掩模160的容量195包括被处理的掩模的整个厚度T。该掩模的脆化可能造成该掩模从该基材脱离，和/或在该涂布工艺的期间粉碎，和/或在热处理(喷雾)工艺之后无法从该基材除去。
就本发明的一些实施方式来看，通过运用新的低温冷却方法而解决该掩模降解的问题。使用该新的冷却工艺，该掩模可迅速和/或轻易地施涂及除去，而且有时候，可以再利用，由此省下与该掩模使用相关的时间及成本。
本发明涉及在该热表面处理或热喷涂工艺的期间该基材部分及其上面或在其之上的掩模的低温冷却。或者，在该喷雾工艺的期间仅低温冷却该掩模，而该基材部分通过一些其它装置来冷却，例如导引压缩空气、水、二氧化碳或任何其它非低温冷却剂或非低温冷却装置至该部分。或者，该掩模及基材可通过多于一个被导引至该基材及该基材上的各个掩模的冷冻喷雾装置分开地冷却。或者，基材上的一个或更多掩模可通过至少一个被导引至该一个或更多掩模的冷冻喷雾装置来冷却，而且该基材可任选地通过冷冻装置或其它冷却装置来冷却。该冷却装置可为静态或可由机械手臂移动或其它动力化且任选可程序编辑或可控制的移动装置。
用于本发明的掩模可为胶带、盖板或油灰状材料或任何本领域中已知的其它材料类型而且可包含玻璃纤维、金属、聚合物及硅氧橡胶或这些材料及已知用于制造用于热(喷涂)工艺中的掩模的任何材料层(包括美国专利5,508,097；5,691,018；5,112,683；及5,322,727，在此以引用方式并入本文)的混合物。
本文所用的不定冠词“一”(以及“一个”、“一种”等)应用于说明书及权利要求中本发明实施方式中的任何特征时意指一个或更多。“一”的使用并不将意义限于单一特征，除非此限制经明确陈述。在单数或复数名词或名词词组前的限定冠词“该”(以及“所述”)表示一个或更多特别指明的特征而且可根据其用于其中的内文具有单数或复数涵义。该形容词“任何”意指一、一些或全部而不分任何数量。置于第一实体与第二实体之间的″和/或″意指(1)该第一实体、(2)该第二实体及(3)该第一实体和第二实体中之一。
该术语″安装″用于描述该掩模放在该基材上、在该基材上方、到该基材上面。该措辞安装并没有限定而且包括黏着、固定、铺设、涂敷、接触、配接、栓合、夹持或任何其它机械或化学连接装置。
用于本发明的低温冷却媒介或低温流体可为任何低温流体或低温流体的混合物，例如，氮、氦、二氧化碳或氩，但是在优选的实施方式中使用氮。该低温流体可为气体(蒸气)、液体或气-液混合物，而且任选地，可含有微细固体粒子。所述粒子可由在1大气压及室温的周围条件中熔融和/或蒸发的冰构成。所述粒子也可由在周围条件中为固体的材料构成，例如盐晶体或陶瓷氧化物。该低温流体从冷冻喷嘴喷向该基材及掩模材料，而且如果，除了气相之外，此喷射流含有液滴或固体粒子，则有时候将其称为冷冻喷雾。低温流体为在低于摄氏负150度的温度下的流体，即低到足以迅速冷却暴露于其下的表面。较高的冷却剂流体温度可以使用；然而，当该冷却剂流体的温度提高时，其当作冷却剂的效力即降低。
该热表面处理工艺为用于修饰基材表面的任何热处理工艺。该热表面处理工艺可为包括热等离子、高速氧燃料(HVOF)喷雾、电弧喷雾及火焰喷雾的热喷雾工艺。所述工艺也可能涉及化学和/或物理气相沉积方法以及基材表面的闪光灯(flash-lamp)处理或紫外灯、辐射固化。所述热表面处理工艺为通常在基材的至少一个小部分中加热该基材。该基材的加热可能或可能并非该热表面处理工艺的预期效应。有关该热处理(喷涂)工艺，也可被称为零件的基材，可包含例如铁、镍、铝、钛及铜的金属及其合金，及具有陶瓷和有机(聚合物)材料、氧化物、氮化物、碳化物及合成陶瓷物的复合材料，以及其与金属及聚合物、碳与环氧的复合物、聚合物材料、玻璃、硅及硅化合物、微孔性、多孔性及发泡材料的复合材料、无机和有机的熔接和黄铜或固化结构等。有关热喷涂工艺，典型的涂布材料包括下列材料：金属、陶瓷、金属基质及陶瓷基质复合材料、聚合物及聚合物基质复合材料。其中最受欢迎的材料为例如WC-Co或Cr3C2的碳化物硬面涂层(hardfacing coating)、基于Al2O3及ZrO2的热阻障涂层、Ni、Ni-Al及Ni-Cr键涂层、NiAl、FeAl及MoSi2中间金属涂层、MCrAlY防止氧化超合金涂层、抗酸腐蚀及用于玻璃衬底修护的Ta-涂层、抗水性腐蚀的泛用Al及Zn涂层、用于密封涡轮和泵/压缩机叶片的Al-聚合物研磨涂层、用于导电及装饰用途的Cu涂层以及用于无溶剂沉积的各种尼龙和共聚物涂层。
该措辞“导引”意指施加、强力、喷雾、喷射、瞄准及吹送等。
图2中显示本发明的一个实施方式。图2所示及图1所示的相同组件通过相同的编号及文字来标示。在(a)所示的第一个处理步骤中在接受热表面处理的制备中将掩模160安装在该基材150的表面151上。在步骤(b)所示的第二个处理步骤中如箭头H所示的热表面处理装置(例如喷枪)在该枪以箭头B所示的方向横越时使材料170在高温度及速度(高能量)下沉积在该基材150的表面151及该掩模160的表面163上。被沉积的材料170的热及能量造成该掩模变热而且在许多情形中变脆，如图(b)中的涂黑区域190所示。在步骤(c)中，通过如C标示的箭头所示通过喷洒或者施于该掩模上的低温流体来冷却该基材150和/或该涂布材料170和/或该掩模160，其冷却该掩模160至少受热和/或脆化的区域190。在步骤(d)中，该枪H再通过该基材150及该掩模160的同一区域，沉积额外的涂布材料170在该基材150及该掩模160上。因为该掩模160在图1所示的工艺中被冷却至较低温，由于图2所示的工艺中的低温流体应用，使图2步骤(d)中所施加的沉积材料170的热及能量造成该掩模160仅容量199中变热和/或变脆。容量199可与步骤(b)中热喷雾第一次通过的受热和/或脆化容量190大约相同。该容量199的深度D小于该掩模的整个厚度T。该受热和/或脆化容量199，在该热喷枪的后继通过中，在本发明的工艺中如果有的话(尽管未显示)，可具有与步骤(b)中热喷雾第一次通过的脆化容量190大约相同的深度；无论如何，该脆化容量的最后深度D将小于该掩模的整个厚度T。按照此方式该掩模将不会从该基材脱离，和/或在该涂布工艺的期间不利地粉碎，和/或在热喷雾工艺之后无法从该基材除去。本发明的冷却工艺及设备的使用在该掩模上及该掩模160下方提供被沉积材料170的瞬间或近乎瞬间冷却，避免热累积而且防止刚沉积、固化的涂布材料的热迁移至该掩模的底表面164。结果，使该掩模160的底表面164保持不被降解。该掩模未被降解的容量200位于邻近基材150而且离该掩模160的顶表面163最远之处，该掩模160上面接受被沉积材料170。该容量200包括接触该基材150表面151的掩模160底表面164。未被降解的掩模能在该热处理(喷雾操作)之后迅速除去该掩模，举例来说，利用油灰刀，和/或在除去之后该掩模将留下干净无残留的基材和/或该未被降解的掩模可在其使用寿命结束之前再被使用几次。
图3、4、5、6及7中显示本发明的设备及工艺的不同实施方式。在图3所示的实施方式中，显示低温流体喷射喷嘴330邻近相对于图3可见到的那一侧312的热处理装置310侧，该低温流体喷射喷嘴为第一冷却装置。热处理装置为喷枪310。该冷冻喷嘴330及热喷枪310可分开地安装在固定不动的支撑物(未显示)上或在个别的机械手臂(未显示)上，或二者可同时安装在单一机械手臂(如图4所示)上或该冷冻喷嘴可被安装在该喷枪310上，该喷枪310安装在机械手臂上，或任一或二者可被安装在动力化的移动装置上，该移动装置可为可程序编辑或可控制的。该基材350，其是为了接受排出该热喷枪310的涂布材料375，按照箭头354所示的方向旋转同时被安装或者连至一车床或其它马达驱动的旋转装置(未显示)。图3显示涂布材料375的应用，例如含有碳化钨/钴(WC/Co)的HVOF喷雾，当其随着被安装在该枪310上的喷嘴所排出或冒出的低温流体蒸气喷射流330被施于该基材350的表面351时将会被冷却。该低温流体可接触该基材350的表面351或在该基材350上方，或可能的话存在于掩模上方(图3所示的实施方式中不存在)，的沉积材料(未显示)。喷在该基材上的低温流体335将挟带被喷在该基材350上的涂布材料375。(该措辞“导引(或喷雾或施加到该基材上”意指到下列任一者的表面上，除非另行指明：到尚未经热处理，例如该基材未被涂布的表面上；到已经在基材上的涂层上；到基材上方的掩模上；或到基材上的掩模上的涂层上)。该措辞“热处理该基材”意指热处理下列任一者的表面，除非另行指明：在干净基材上；在已经在基材上的涂层上；在基材上方的掩模上；或在基材上的掩模上的涂层上)。在此优选实施方式中，背景或额外的冷却涉及任一低温流体或标准空气冷却或可运用其它冷却剂使该冷却效应最大化。如图3所示，该额外的冷却装置为低温流体或低温蒸气(cryovapor)冷却喷嘴340，其导引低温流体喷射流341至该基材350。或者可使用空气输出头(air header)作为额外的冷却装置。
图4显示图3所示的类似实施方式，除了其显示机械手臂480以外，该热处理装置，也就是说，热喷枪310及该冷却装置，也就是说，冷冻喷嘴330安装于该机械手臂480。该热处理装置及该冷却装置同时移动。其亦显示箭头484，该箭头484指示该机械手臂480移动方向同时该基材被热处理。再者，图4显示在该基材350表面351一部分上方的沉积涂层470。该工艺显示有关通过横越的枪310及喷嘴330在该基材上方第一次通过所行经的路途。该热处理工艺从该基材的末端401开始而且朝该基材的相反端403行进。当该枪310达到末端403时，该工艺可为已经完成或为了多次通过工艺可重复一个或更多次该枪310及喷嘴330横越该基材表面上方通过。如图4所示，该掩模460已经涂布沉积涂层470而且已经通过该枪310及喷嘴330第一次通过该掩模460上方而排出该喷嘴330的低温流体应用予以冷却。该低温流体，如所示，喷在且接触该基材350表面的某个位置331以便接着该沉积材料470的热喷雾冲击区371。在图4中，提供额外的冷却装置440。如所示该额外的冷却装置为空气输出头440，其导引冷却空气441至该基材。该术语输出头指示有或没有个别调整选择的喷嘴数组、具有系列孔口的歧管、一个或更多线性(刀)喷嘴、直线输出管或具有一系列洞孔的回路管，而且所有其它可用于将冷却流体对流排向该基材及掩模表面的装置。
如图4所示，提供低温流体(低温流体喷嘴330)的第一冷却装置提供冷却给该基材和/或掩模从该热喷枪310所喷洒的材料375尾侧，任选地同时从额外的冷却装置提供背景(额外的)冷却，该额外的冷却装置可为一个或更多被导引至该基材的喷嘴或输出头，喷洒或喷射空气(如图4所示)或低温流体(如图3所示)任一者或任何其它冷却流体。该冷却空气可通过，举例来说，由空压机(未显示)馈入的车间空气输出头来提供。该冷冻喷嘴提供低温流体的导引流。如第3及4图所示，就圆柱或其它形状基材而言，优选为该冷冻喷雾(喷射)并未导引至与该热喷雾喷嘴相同的点而是偏离而且在该热喷雾喷嘴喷在该基材的位置之后。在此方法中，在该基材接受该热喷雾涂层之后该冷冻喷雾冷却该基材的表面。该热喷雾喷嘴及该冷冻喷雾二者分别地实质上被垂直导引至接受且已经接受热喷雾的基材表面使冷却效率最大化。再者，该额外的冷却装置，举例来说，来自任选的额外来源(举例来说，一排瞄向该零件的喷嘴)的低温流体或冷却空气，应该实质上被垂直导引至离该额外的冷却装置最近的基材表面。此外，现在可以相信，就第3及4图所示的实施方式中的圆柱或类似形状基材而言，将该热表面处理装置(例如喷枪310)及额外的冷却装置(例如喷嘴或输出头340)设在环绕该圆柱或类似形状基材周围相互分开小于330度，或小于140度，或小于110度，或小于100度或小于90度的角度α(参见图3)，使接受该热表面处理(例如喷涂)的圆柱或类似形状基材在接受该热表面处理及第一冷却装置(例如该冷冻喷射流喷嘴)的冷却之后短暂地接受额外的冷却是所希望的。另外，现在相信理想的是将额外的冷却装置(举例来说，该排喷嘴)及该热表面处理装置(举例来说，喷枪)隔开不比30度更近的角度α。在替代实施方式中，现在相信该额外的冷却装置及该热表面处理装置应该环绕该圆柱状基材周围相互分开不比30度更近而且不大于100度或110度或140度。
在本发明的设备的一个实施方式中，像是图4所示者，空气在100至125psig(0.69MPa至0.86MPa)的压力下流过设在离该零件表面2至4英寸(0.05米至0.10米)的的空气输出头。该低温流体(举例来说，氮)喷嘴出口为离该基材表面3至4英寸(0.076米至0.10米)而且该喷枪喷嘴出口为离该基材表面将近9.5英寸(0.24米)。在该零件上的冷冻氮喷雾总质量流速可为2至25磅/分钟(0.9公斤/分钟至11.3公斤/分钟)。
图5显示类似于第3及4图所示的实施方式的本发明的设备及工艺实施方式。图5所示的实施方式不同之处为其显示被多个(两个)掩模，各自标示为460，所覆盖的基材350。类似于图4所示，热处理装置310及第一冷却装置二者皆由机械手臂480载运。图5显示连接于马达(未显示)的安装托架507，该马达按照箭头354所示的方向旋转该安装托架及该基材。图5附带地显示安装在机械手臂546上的额外的冷却装置545。该额外的冷却装置可导引空气、低温流体或其它冷却剂541至该零件上。该机械手臂546及机械手臂480经编程而且通过控制装置(未显示)，举例来说，计算机，来控制以同时移动，在相同速度下横越该基材，或以经控制的方式按照相同方向配合类似的时间控制或近乎类似的时间控制沿着该基材的长度L从该基材的一个末端595至该基材的另一末端598移动。所述机械手臂480及546分别以箭头484及584所标示的方向移动。以该热表面处理装置的相同方向且优选以相同速率移动的额外的冷却装置将提供额外的冷却剂给该基材沿着其长度L最热的地方。在此实施方式中，该额外的冷却装置可为该基材长度的一部分，举例来说该额外的冷却装置可为小于该基材长度的一半。
图6显示本发明的设备及工艺的另一个实施方式。图6类似于图5，除了其显示连接于该基材350的单一掩模460及两个额外的冷却装置440及630之外。一个额外的冷却装置为导引空气441至该基材350的固定不动的空气输出头440；第二个额外的冷却装置为导引低温流体631至该掩模460的固定不动的低温流体喷嘴630。该固定不动的喷嘴630据显示通过安装托架635安装于工作场所605。就该掩模受到该热表面处理装置更强或更频繁加热的本发明实施方式而言，通过该热处理工艺期间被连续或近乎连续导向该掩模的冷却装置来连续冷却该掩模可能是有益的。在图6所示的实施方式中，该基材的长度较短(与图5所示的实施方式相比)而且如果该基材分多次通过被热处理，该掩模将配合较短的冷却时间(再与图5所示的实施方式相比)被加热多次；因此，尽管该掩模将受到比图5所示的实施方式更频繁(在较高的加热速率下)的加热，但是在该热处理工艺期间通过从该固定不动的低温流体喷嘴施加低温流体连续地冷却该掩模将能防止该掩模的降解。
图7就固定的基材显示本发明的另一个实施方式。该基材750仅具有一小部分751，由顶表面752及753构成，该小部分751由该热表面处理装置710来处理。该热表面处理装置安装在回旋且旋转该热处理装置的机械手臂(未显示)上以便处理该部分751的表面，包括顶表面752及侧表面753，举例来说，通过热喷涂工艺来涂布。该基材750的较大部分755并非为了接受任何热处理，因此由掩模760来保护。该掩模安装在该基材750上。在该热表面处理工艺的期间，该掩模760可通过一个或更多冷却装置来冷却。图7所示的冷却装置包括两个低温流体喷嘴731及733，其各自喷洒低温流体735至该掩模760。该冷却装置731及733将冷却该掩模760以防止该掩模降解。所述低温流体喷嘴731及733中的一个或更多可为可移动，其安装在机械手臂或其它可移动的装置上，或其可皆为固定不动的。该低温流体735可从一个或二个喷嘴连续地、近乎连续地或间歇地供应。图7也显示任选的冷却喷嘴737。该冷却喷嘴737安装在面向该基材的底表面754而且可将冷却剂，低温流体或空气，导引或施于该基材750的底表面754。该基材的底表面754为该基材754的一个表面，该表面将不会受到该热表面处理装置710的处理。被导引至该基材754的底表面的冷却剂738将间接冷却受到热表面处理工艺的基材部分751表面及接触到该掩模的基材表面(未显示)。
就其它固定不动的基材或非对称形基材、非圆柱形基材而言，该冷冻喷嘴可安装在该喷枪上以提供冷却作用给该基材和/或掩模，优选地在该喷雾的尾缘，如上所述，而且任选地同时通过瞄准该零件的喷嘴或输出头(整排喷嘴)，喷射空气或冷冻剂或其它冷却剂来提供额外的(背景)冷却。额外整排的冷冻喷嘴可瞄准本文中图3-7所示及先前以引用方式并入的美国专利案序号11/389,308中的基材顶和/或底表面。如图7所示冷却该基材部分的背面(未进行热表面处理，举例来说，喷涂，的基材表面)是可接受的。
就使用掩模的热表面处理方法而言，在该热表面处理工艺期间冷却可依照下列步骤/知识：首先，接触该掩模的基材表面温度应该维持在低于该掩模材料或者如果该掩模由多于一层材料构成的话至少接触该基材的掩模层的掩模材料的降解温度。举例来说，就由硅氧化合物掩模或包含具有非晶性氧化硅的聚有机硅氧烷及助剂的硅橡胶所构成的掩模材料(可自Aerospace International Materials(AIM)购得)而言，那些材料的降解直到该基材温度超过150℃(300°F)之前都不会发生。低温冷却能有效确保该基材温度维持在低于此限制，但是在此也可单独或与该低温冷却一起运用其它涉及举例来说空气、二氧化碳或水的基材冷却方法以维持使该基材温度低于邻近或接触该基材的掩模材料的降解温度。
其次，如果间歇地使用如图3、4、5和6所示的移动冷冻喷嘴使该掩模与该基材一起低温冷却将会有一定的最小掩模厚度，低于该厚度将无法避免降解。此最小的掩模厚度取决于(1)该基材温度、(2)该掩模材料传导度、(3)该热表面处理装置(例如喷涂枪)的加热强度、(4)该冷却装置(例如该低温冷却喷射流)的强度，及(5)该热表面处理装置(例如喷枪)的热喷雾与该冷却装置(例如该掩模经历的低温冷却喷射流)的冷喷雾之间的延迟。该最小厚度为该掩模材料顶(喷雾面对)层的厚度，除非对该掩模施加连续低温冷却否则该厚度将在该热表面处理装置单次通过(例如喷枪通过)的期间降解。第三，如果在该热表面处理工艺的期间以不停止(连续)模式低温冷却该掩模的话，无论该喷涂枪的实际位置，该掩模的最小厚度将小于冷却仅间歇地应用于该掩模的情形。
低温流体的应用增进冷却作用而且防止该设备及该掩模中的热累积，其防止该掩模从顶部进行降解，深入大部分的掩模材料(参见图2)。红外线温度反馈系统也可用于本发明的设备及工艺，其控制该低温流体流速，只允许足够的冷却使该零件及掩模维持在预定的窄小温度范围而且防止该零件不必要的过度冷却且浪费该低温流体。可用于此工艺的设备及工艺的例子包括Zurecki，2006年，3月27日申请的美国专利11/389,308所揭示而且以引用方式并入本文，及临时专利申请，Zurecki，2006年，10月12日申请的美国专利60/851,197所揭示而且以引用方式并入本文。
如下表所示提供该基材的低温冷却的本发明的设备及本发明的热表面处理工艺据显示能消除通行之间的冷却中断时间而且提高该涂布材料沉积效率。在此该沉积效率系定义为以涂层形式覆盖在该基材表面上的喷雾材料比例。
我们的遮蔽及沉积效率试验涉及使用HVOF枪以WC-Co涂布材料来喷涂钢管。该试验系统系建构成图4所示的形式。尽管试验的期间所有试验参数都保持相同，但是使用三种不同的冷却方法：[1]利用固定不动的空气输出头440所排放的压缩空气来冷却(传统方法)，[2]利用固定不动的空气输出头440所排放的压缩空气来冷却结合挟带HVOF枪310的喷嘴330所发出的冷冻氮335的喷射流来冷却，以及[3]周围空气冷却，即不使用压缩空气或冷冻剂的自然冷却。第一种冷却方法必需在该HVOF枪通过该工件350上方的期间运用冷却中断时间，而且为了使该工件温度保持在低于300°F(150℃)，冷却中断时间的时间长度等于冷却通行的时间长度。第二种冷却方法不需要任何冷却中断时间而且使该基材温度全程维持在低于300°F(150℃)。因此，涂布作业在一半时间内完成。第三种冷却方法无法使该基材温度保持在低于300°F(150℃)，即使是该冷却中间时间为该喷雾通行10倍长也是一样，最后，利用超过575°F(302℃)的基材温度来沉积该涂层。将可挠的自黏性硅橡胶掩模460细长条施加于各试验管，只有第二个试验残存在而且随后再用于其它遮蔽作业。用于第一及第三个试验中的细长条没有残存，而且必须磨掉其在基材表面上的残余物，这是非常不想要的清洁工艺。
截断此试验涂布管而且进行金相学检验。利用三种冷却方法所制造的WC-Co涂层密度都在可接受的范围内，而该低温冷却的涂层密度最高而且周围空气冷却的涂层最低。另外发现该硬度及碳滞留在低温冷却涂层的情形中最高而且在受空气冷却的涂层的情形中最低。经过该接受空气冷却试验之后的基材钢已被软化，即比在低温冷却及压缩空气冷却试验的情形中更纤弱。在受检的金相学断面数个位置测量该涂布的沉积物厚度而且发现比起传统压缩空气冷却，该低温冷却改善该涂布材料沉积效率20％。再者，该周围空气冷却的沉积效率比起传统压缩空气冷却低12％。因此，比起该周围冷却，该低温冷却结合压缩空气的应用据显示将提高沉积效率32％。与该低温冷却方法相关的较高沉积效率也造成更多热传到该表面，因为更多热涂布材料将其热分散至该基材及该掩模材料。因此，发现即使该掩模暴露于比其它两个试验情形中更大量的热底下，该低温冷却仍能保持该柔性掩模。
实验结果：
| 冷却方法及喷涂循环期间所达到的最大表面温度 | 涂层厚度，以微米为单位 | 涂层厚度，以英寸为单位 | 厚度增益，如果传统的话，强制空气冷却＝100％ |
| 传统：强制空气(＜300°F或150℃) | 396 | 0.0156 | 0％ |
| 本发明：LIN及强制空气(＜300°F或150℃) | 474 | 0.0187 | 20％ |
| 喷涂循环期间没有冷却(＞＞575°F或302℃) | 350 | 0.0138 | -12％ |
Claims (19)
1.一种防止基材热表面处理工艺期间一种或更多掩模材料降解的方法，该方法包含下列步骤：
在基材上安装至少一个包含一种或更多掩模材料的掩模；
热表面处理该基材表面，其提高了该基材的温度；及
用来自被导引至该基材的至少一个冷却装置的低温流体来冷却该一种或更多掩模材料。
2.权利要求1的方法，其进一步包含下列步骤：将该基材冷却至不超过邻近该基材的一种或更多掩模材料的降解温度。
3.权利要求1的方法，其进一步在该冷却步骤期间，该低温流体被连续导引至该至少一个掩模。
4.权利要求1的方法，其进一步在该冷却步骤期间，该低温流体被间歇导引至该至少一个掩模。
5.权利要求1的方法，其进一步包含下列步骤：将来自额外的冷却装置的额外冷却剂导引至该基材上。
6.权利要求5的方法，其进一步包含下列步骤：移动该额外的冷却装置。
7.权利要求5的方法，其中该额外的冷却装置间接冷却该基材的表面以接受该热表面处理。
8.权利要求5的方法，其中该额外的冷却装置为空气输出头、低温流体喷嘴或低温流体输出头。
9.权利要求1的方法，其进一步包含下列步骤：在该热处理表面步骤期间移动或旋转该基材。
10.权利要求1的方法，其中该热表面处理步骤由热表面处理装置来执行，且该方法进一步包含下列步骤：在该应用步骤期间移动或旋转该热表面处理装置。
11.权利要求1的方法，其进一步包含下列步骤：移动或旋转该冷却装置。
12.权利要求10的方法，其进一步包含下列步骤：同时移动或旋转该冷却装置及该热处理装置。
13.权利要求1的方法，其中在该热表面处理步骤期间，该步骤在该基材上建立热点，且在该冷却步骤期间该低温流体被导引至该基材热点的尾缘。
14.权利要求1的方法，其中该热表面处理步骤选自由热等离子喷雾、高速氧燃料(HVOF)喷雾、电弧喷雾、火焰喷雾、化学气相沉积、物理气相沉积、闪光灯处理、紫外灯处理及辐射固化所组成的组。
15.权利要求1的方法，其在所述安装步骤之前进一步包含下列步骤：测定安装在该基材上的至少一个掩模的厚度，该至少一个掩模的厚度大于该热处理单次通过该掩模上所引起的掩模降解深度。
16.权利要求1的方法，其在所述安装步骤之前进一步包含下列步骤：测定安装在该基材上的至少一个掩模的厚度，该至少一个掩模的厚度与在该至少一个掩模上执行该冷却步骤的时间成反比，该时间为在该基材上执行该应用步骤所耗费时间的一部分。
17.一种热表面处理基材的方法，该方法包含：
同时移动或旋转低温流体喷嘴及热处理装置；
以该热处理装置热表面处理该基材以建立热点；
利用由该喷嘴所导引的低温流体来冷却该热点的尾缘；及
通过额外的冷却装置来冷却该基材。
18.一种用于执行权利要求1的方法的设备，其包含热处理装置及至少一个冷却装置。
19.一种用于执行权利要求17的方法的设备，其包含热处理装置及至少一个冷却装置。
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