CN103429354B - 利用等离子体转移金属丝电弧的改进的热喷涂方法和设备 - Google Patents
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Abstract
利用等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备来将金属热沉积到目标体表面上的一种方法，其中所述方法包括以下步骤：使得可消耗的金属丝的中心轴线相对于收缩孔口的轴向中心线偏移；以及在阴极和可消耗的金属丝的自由端之间建立和操作等离子体转移金属丝电弧；以及将持续供送的可消耗的金属丝自由端熔融和雾化成熔融金属颗粒以及将颗粒喷射到所述目标体表面上。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年12月22日提交的美国临时申请第61/426,028号的权益，其主题的全部内容结合到本申请中，作为参考。
技术领域
本发明涉及金属的电弧喷涂，更具体地，涉及转移到连续供给到等离子体电弧内的单个金属丝顶端的等离子体电弧。
背景技术
如由本文的共同发明人在早期的美国专利中所披露的那样，等离子体转移金属丝电弧是一种热喷涂过程，其通过利用收缩的等离子体电弧仅仅熔融金属丝或杆（作为阳极电极连接）的顶端来熔融连续前进的给料材料（通常为金属丝或杆的形式）；然后熔融颗粒被推进到目标体。等离子体是离子化气体的高速射流，通过使得该高速射流通过阴极电极下游的喷嘴孔来理想地使其围绕线性轴线收缩和集中；在阴极电极和阳极喷嘴之间撞击的高电流电弧被转移到还保持作为阳极的金属丝顶端，或者高电流电弧可直接被转移到金属丝顶端。电弧和等离子体射流提供用于连续熔融金属丝顶端的必要热能，以及等离子体提供动力来将熔融的金属丝顶端雾化成细碎颗粒，以及加速熔融颗粒为大致沿着等离子体轴线的流。通过利用高度压缩的辅助气体（被引导为围绕等离子体电弧轴线的会聚气流）来协助颗粒的加速，该气流在金属丝顶端与等离子体电弧相交处的紧下游位置处会聚，但避免与金属丝顶端直接撞击以防止等离子体电弧过度冷却。
现有的等离子体转移金属丝电弧（PTWA）焊炬和现有技术的用于产生等离子体转移金属丝电弧的相关设备对在导致熔融或未熔融金属的偶尔不良雾化颗粒（而不是喷射细微熔融颗粒）过程中的不稳定性敏感。当下述的一个或多个处于控制或设计范围之外时会发生过程不稳定性：辅助空气流或压力，等离子体气体压力，金属丝供送速度，金属丝电弧电流以及焊炬旋转和线性运动速率。不能完全预测到这种不稳定性的发生。
不良雾化颗粒是由多个问题导致的，所述多个问题包括熔融颗粒的积聚，这趋于凝聚且形成小球或液滴，小球或液滴在等离子体射流和辅助气体的流体动力学影响下沿着金属丝向回移动。这种小球或液滴会污染金属丝顶端和/或释放形成非均匀沉积的用于喷射的小球。使得颗粒凝聚的过程不稳定性随着时间的推移由于磨损、污物积聚、或由于不规则性（诸如由自动供送机构供送的金属丝的速率不规则性）或通过金属丝的电流水平的变化而使得其初始状态在电极形状或喷嘴形状上有所变化。
发明内容
本发明的目的是改善等离子体转移金属丝电弧工艺，这样其可更稳固地进行操作，以提供高质量的沉积和/或更快的沉积速率，而不会在沉积质量上有任何下降。
根据第一实施例，本发明涉及利用等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备来将金属热沉积到目标体表面上的一种方法，其中所述设备包括阴极；以间隔开的关系大致围绕所述阴极自由端的喷嘴，所述喷嘴具有与所述阴极自由端相对的收缩孔口；等离子体气源，其被引导到围绕所述阴极的所述喷嘴内以及从所述收缩的喷嘴孔口离开；以及金属丝供送装置，其将具有中心轴线的可消耗的金属丝自由端引导到用于建立和维持等离子体电弧以及熔融可消耗的金属丝自由端的位置，其中所述可消耗的金属丝具有与阴极相反的电势，其中所述方法包括以下步骤：使得可消耗的金属丝的中心轴线相对于收缩孔口的轴向中心线偏移；以及在阴极和可消耗的金属丝的自由端之间建立和操作等离子体转移金属丝电弧；以及将持续供送的可消耗的金属丝自由端熔融和雾化成熔融金属颗粒以及将颗粒喷射到所述目标体表面上。
根据本发明的另一实施例，提供利用等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备来将金属热沉积到目标体表面上的一种方法，其中所述设备包括阴极；以间隔开的关系大致围绕所述阴极自由端的喷嘴，所述喷嘴具有与所述阴极自由端相对的收缩孔口；等离子体气源，其被引导到围绕所述阴极的所述喷嘴内以及从所述收缩的喷嘴孔口离开；以及金属丝供送装置，其将具有中心轴线的可消耗的金属丝自由端引导到用于建立和维持等离子体电弧以及熔融可消耗的金属丝自由端的位置，其中所述可消耗的金属丝的中心轴线相对于收缩孔口的轴向中心线偏移；其中所述可消耗的金属丝具有与阴极相反的电势；以及其中所述方法包括下述步骤：在阴极和可消耗的金属丝的自由端之间建立和操作等离子体转移金属丝电弧，所述可消耗的金属丝的自由端相对于收缩孔口的轴向中心线偏移；以及将持续供送的可消耗的金属丝自由端熔融和雾化成熔融金属颗粒以及将颗粒喷射到所述目标体表面上。
在本发明的又一实施例中，提供用于将熔融金属从连续供送的可消耗的金属丝自由端热沉积到目标体表面上的等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备。在该实施例中，所述设备包括阴极；以间隔开的关系大致围绕所述阴极自由端的喷嘴，所述喷嘴具有与所述阴极自由端相对的收缩孔口；等离子体气源，其被引导到围绕所述阴极的所述喷嘴内以及朝向可消耗的金属丝的自由端从所述收缩的喷嘴孔口离开；金属丝供送装置，其将具有中心轴线的可消耗的金属丝自由端引导到用于建立和维持等离子体电弧以及熔融可消耗的金属丝自由端的位置，其中所述可消耗的金属丝的中心轴线相对于收缩孔口的轴向中心线偏移，其中所述可消耗的金属丝具有与阴极相反的电势；用于在阴极和可消耗的金属丝的自由端之间建立和操作等离子体转移金属丝电弧的装置；以及用于将持续供送的可消耗的金属丝自由端熔融和雾化成熔融金属颗粒以及将颗粒喷射到所述目标体表面上的装置。
另外还提供由上面所公开的方法以及利用上面所公开的设备来制造的产品。
附图说明
图1是产生延长的等离子体电弧的现有技术的PTWA焊炬构造的示意性视图。
图2是图1所示阳极喷嘴和金属丝自由端的放大视图，示出由于在该过程中的不稳定性而出现的矢量力。
图3A示意性地示出根据本发明一个实施例的金属丝中心的重新定位。
图3B是本发明一个实施例的详细的示意性视图。
图4是在平面视图和正视图示出的本发明各个实施例的组合特征的示意性视图。
图5是示出撞击到金属丝端部上的等离子体以及会对实际等离子体位置产生的影响的示意图。
具体实施方式
图1示出现有技术的PTWA焊炬组件10的示意性视图，其由包括等离子体气体端口12和辅助气体端口18的焊炬主体11构成；焊炬主体11由导电金属形成。等离子体气体通过端口12连通到阴极保持器13，等离子体气体通过阴极保持器流入到阴极组件14的内部并通过位于阴极保持器13内的切向端口15流出。等离子体气体在阴极组件14的外侧和前导等离子体喷嘴16的内表面之间形成涡流，然后通过收缩的孔口17流出。等离子体气体涡流给通过阴极作用而消散的热提供明显的冷却。
辅助气体通过气体入口端口18进入到焊炬组件，所述气体入口端口18将辅助气体引导到气体歧管19（在挡板20和焊炬主体11之间形成的空腔，以及由此通过钻孔20a进入到包括钻孔22的另一个歧管21内）。辅助气体流通过围绕收缩孔口17的外侧同心设置的等角度间隔开的钻孔22均匀地分布。通过等角度间隔开的钻孔22（在前导喷嘴16内）的辅助气体流提供对熔融颗粒的雾化、适于颗粒的运载气体以及对前导喷嘴16的冷却，以及提供对等离子体电弧的最小干扰，这限制了湍流。
金属丝给料23均匀而恒定地供送（通过金属丝推动和拉动供送辊42，所述辊由控速马达43来驱动）通过金属丝接触顶端24，其目的是使得当金属丝给料23滑动通过金属丝接触顶端24时与金属丝给料23牢固的电接触；在该实施例中，包括两片24a和24b，通过橡胶环26或其它合适的装置保持处于与金属丝给料23的弹簧或压力负载接触。金属丝接触顶端24由高导电材料制成。当金属丝离开金属丝接触顶端24时，金属丝进入到金属丝引导顶端25内，所述金属丝引导顶端25用于将金属丝给料23引导成与临界孔口17的轴向中心线41精确对准。金属丝引导顶端25支承在容纳于绝缘块28内的金属丝引导顶端块27内，所述绝缘块28提供保持在负电势下的主体11和金属丝引导顶端块27及金属丝接触顶端24之间的电绝缘，同时金属丝引导顶端块27和金属丝接触顶端24保持在正电势下。绝缘块28内的较小端口29允许少量的辅助气体转移通过金属丝引导顶端块27，以便将热量从块27移除。这也可经由喷嘴周围或通过喷嘴的排出气体来完成。金属丝引导顶端块27保持处于与前导喷嘴16的压力接触，以便提供前导喷嘴16和金属丝引导顶端块27之间的电连接。通过电源40的负极端子从阴极保持器13来进行到主体11从而到阴极组件14（具有阴极59）的电连接；电源可包含通过隔离接触器（未示出）操作的前导电源和主电源。从电源40的正极端子进行转移等离子体电弧焊炬的金属丝接触顶端24和块28的正性电连接。金属丝给料23朝向孔口17的中心线41供给，该中心线也是延长电弧46的轴线；同时，阴极组件14以负电荷通电，而金属丝23以及喷嘴16（尽管喷嘴可被隔离）以正电荷通电。金属丝引导件和金属丝可通过许多不同的方法来相对于喷嘴定位，所述方法包括喷嘴本身具有用于保持和定位金属丝引导件的结构。希望的是，焊炬可安装到动力旋转支座（未示出）上，该支座使得焊枪围绕金属丝轴线55旋转以便给钻孔的内部涂层。市售焊炬组件的附加特征在美国专利第5938944号中提出，其公开内容结合在本文中，作为参考。
为了开始PTWA焊炬的操作，使得入口气体压力处于50到140psig之间的等离子体气体流动通过端口12，从而产生等离子体气体围绕前导喷嘴内表面的涡流，然后经过通常为两秒钟的初始时间段之后，将高电压直流（dc）电源或高频电源连接到电极，导致瞬间激活前导电弧和前导等离子体。然后通过将到电极的等离子体电弧电流增加到通常介于60和85安培之间，如在美国专利第5938944号中提出，来将额外能量增加到前导电弧和等离子体，以便延长等离子体电弧，从而提供用于将等离子体电弧从喷嘴转移到金属丝顶端或自由端57（如图2中所示）的电路径45。甚至当金属丝自由端57通过转移电弧46及围绕转移电弧46的相关联的等离子体47的强热被熔融掉时金属丝通过金属丝供送辊42被供送到保持金属丝的延长的转移等离子体电弧内。熔融金属颗粒48形成于金属丝23的顶端上，且通过建立在高速的超音速的等离子体射流和初始静止的熔融液滴之间的粘性剪切力而雾化成细碎颗粒50。熔融颗粒48凭借通过钻孔22的更大质量流的辅助气体来进一步雾化和加速，所述熔融颗粒48在超过金属丝顶端47熔融的位置或区域49处会聚，现在所述位置或区域49含有细碎颗粒50，上述细碎颗粒50被推动到基材表面51上以便形成沉积物52。
在如图2中所示的现有技术的PTWA热喷涂工艺的最稳定状态下，下面提及的一些内容在图2中没有被描绘出，金属丝23将熔融，颗粒50将形成且通过沿与超音速等离子体气体47相同方向上的矢量流动力53而沿着中心线41被立即运载和加速；将获得均匀散布的细颗粒50，而没有异常的小球。矢量力53是等离子体电弧能量和较高程度会聚辅助气体流的轴向力分量。然而，在某些情况下会发生不稳定性，在这些情况下，来自熔融金属丝顶端的颗粒48在PTWA焊炬围绕金属丝给料中心轴线旋转时不能均匀地熔融，由此金属丝顶端的某些部分远离金属丝顶端以较大液滴被加速，这些较大液滴未被雾化成细微颗粒。这些较大的颗粒或液滴作为较大的凝聚块被朝向基材51推动，且随着涂层的形成而包括在涂层内，导致质量较差的涂层。
如前所述，高速度和高流量的辅助气体从等角度间隔开的钻孔22释放以便喷射围绕等离子体电弧的气流幕。诸如空气的辅助气体源58在每个钻孔22处以约20-120psig的压力下以高流量被引入到腔室19内。腔室19用作压力通风系统以将辅助气体分配到压力通风系统21，该压力通风系统21将辅助气体分配到一系列以等角度间隔开的钻孔22，上述钻孔22将气体引导为同心会聚流，该同心会聚流帮助颗粒50雾化和加速。每个钻孔具有约0.060-0.090英寸的内径，且以约20-60scfm的流量，从组合的所有钻孔22喷射高流速的空气流。多个钻孔22（通常为十个）围绕前导喷嘴孔口17同心地定位，且在径向上相等地间隔开36度。为了避免等离子体电弧的过度冷却，这些气流在径向上定位成不直接撞击到金属丝自由端57上（参照图2）。钻孔22以一定的角度间隔开，使得当沿着中心线41观察时，金属丝自由端57的中心位于两个相邻钻孔的中间。因此，如图2中所示，因为截面通过金属丝，因此将不会显示钻孔22；图1仅为了说明目的而示出了钻孔22，但应该理解的是它们显示为不在正确位置（通常对于具有十个径向钻孔22的喷嘴而言为18度），且对于该视图来说不在截面平面内。气流的会聚角通常相对于中心线41为约30度，从而允许气流与金属丝等离子体相交区域49下游的颗粒相接触。
作为由本发明人进行的试验结果，发现在使得PTWA焊炬围绕给料金属丝55的中心轴线旋转的情况下在金属丝55的轴线与等离子体的中心轴线41相交的区域内会观察到不稳定性。当对在该区域内发生的情况进行仔细研究之后，得出有几个原因导致这些不稳定性。这些不稳定性的结果是形成较大的颗粒或液滴结构，导致较差雾化的颗粒，从而使得在所得到的涂层中形成较大的不希望的夹杂物。此外，在现有技术的等离子体转移金属丝电弧（PTWA）焊炬的操作过程中发现有必要显著降低金属丝供送速率，以便最小化不稳定性，从而会降低工艺生产率。
在等离子体电弧45附接到金属丝给料23的同时使得等离子体围绕金属丝轴线55旋转的位置处仔细分析现有技术的PTWA焊炬的操作状态并进行仔细目视检查，人们发现等离子体电弧到金属丝的附接位置自身随机地重新定位。这种随机状态看起来对金属丝给料的顶端的熔融状态中的不稳定性有明显的影响。基于作为这些观察的后续试验发现金属丝轴线相对于等离子体收缩孔口的中心轴线进行相对较小的重新定位，这种重新定位在朝着等离子体围绕金属丝轴线的旋转方向上，并在与等离子体收缩孔口的中心轴线成直角的平面内，该重新定位显著降低和/或消除旋转形成的不稳定性。具体如图3A中所示，已经发现，希望金属丝轴线55相对于等离子体的中心轴线41重新定位0.002英寸到0020英寸范围内的量，其中具体的量取决于几个因素，诸如金属丝直径、金属丝供给速度、电流、等离子体孔口直径、等离子体操作参数和转速。此外，发现金属丝轴线55重新定位的方向取决于围绕金属丝轴线55的旋转方向（顺时针方向或逆时针方向），其中当等离子体围绕金属丝轴线55逆时针方向旋转时，优选的方向是使得金属丝轴线55移动到等离子体中心轴线41右侧。金属丝轴线55沿下述方向移动，该方向处于垂直于等离子体收缩孔口中心轴线的平面内且与PTWA焊炬的旋转轴线一致。应当理解的是，金属丝引导顶端25的位置可以其与等离子体中心轴线41的关系固定，或使得所述位置可相对于等离子体的中心轴线41可调。这些试验结果与预期的不同。参照图5，在等离子体围绕金属丝旋转时，认为金属丝相对于等离子体中心轴线的优选重新定位的位置是使得金属丝的中心轴线应该移动到旋转中心线的左侧。该预期基于下述前提，即当等离子体旋转时，通常以约400转每分钟（rpm）的转速旋转时，由于旋转导致的矢量力要求该金属丝位置。然而发现当作出调整时，熔融中的不稳定性变得更糟。在试验上，当金属丝中心线移动到旋转中心线的右侧时发现金属丝熔融中的不稳定性被消除，从而显著增强了整体的工艺稳定性。对该情况的进一步评价显现，由于作用于等离子体上的风力和动力导致等离子体如图5c中所看到的弯曲，从而导致等离子体在相对于旋转方向的稍微滞后的方向上弯曲。因此应对金属丝位置进行调整以便补偿等离子体的该预计的弯曲。通过进一步的试验发现在与等离子体旋转方向相同的方向上调整金属丝给料中心轴线的位置能提供非常实际的有益结果。
在表1中示出根据本发明的将金属丝轴线55相对于等离子体中心轴线41重新定位的PTWA焊炬操作参数的典型实例。
在表1中所示参数下操作的现有技术的PTWA焊炬的典型金属丝供送速率为每分钟245英寸，根据优选变型以及根据本发明，在使得金属丝轴线相对于PTWA焊炬重新定位0.004英寸之后，如表1中所示，获得每分钟345英寸的金属丝供送速率。这表明与现有技术的PTWA操作相比，基于本发明生产率增加几乎45%。此外，在每分钟345英寸的增加的金属丝供送速率下操作没有观察到不稳定性且没有较差雾化颗粒产生，上述表明相较于现有技术的PTWA操作具有显著的改善，以及在较低供送速率下运行时其也有助于增加稳定性。
发现根源于金属丝给料的等离子体电弧中不稳定性的另一个来源是由金属丝顶端48相对于等离子体电弧中心轴线41从其预定位置随机偏离导致的。这种随机运动是甚至在对金属丝进行适当拉直后在金属丝内的残留弯曲所导致的。为了稳定金属丝位置，发现尽可能接近等离子体中心轴线41提供对金属丝充分支撑而不干扰从径向钻孔22离开的气流模式能进一步增加PTWA工艺的稳定性。这是通过在所述金属丝引导顶端25内充分引导金属丝电极、直到金属丝引导顶端的端部位于从径向钻孔22离开的辅助气体射流的外侧边缘上的位置来完成的。这导致进一步最小化金属丝给料的非均匀熔融，从而进一步消除颗粒的过多大颗粒形成，也导致对于给定组的操作参数的更大生产效率，用于更高金属丝供送速率，以及在较低供送速率下运行时其也有助于增加稳定性。
在图4中示出本发明的该另外实施例，其是结合了本发明两个优选实施例的改进的PTWA焊炬的典型喷嘴/金属丝区域的视图。如图4中所示，严格地引导金属丝给料23以便使得金属丝顶端48相对于等离子体轴线41正确地定位。由于在退火和金属丝拉直后保留于金属丝给料23中的残余应力，在金属丝中保留一定程度的曲率，这可能会导致金属丝顶端48在其位置上有所变化，从而造成不稳定性。已经发现相对于等离子体中心轴线41尽可能接近适当位置地支承和引导金属丝很关键，从而最小化与其设定位置的任何变化。在现有技术的PTWA焊炬中，支撑和引导金属丝直到距离等离子体中心轴线41的0.25英寸内。发现可以将金属丝的支撑和引导延伸到0.10英寸内，而不会干扰来自辅助钻孔22的气流。可观察到操作稳定性的改进在从0.10至0.25英寸的范围内。此外，将金属丝引导件60的钻孔相对于金属丝给料直径的更严格控制显著提高操作稳定性，以及提供在更高的金属丝供送速率下操作的能力。这是当金属丝引导件60的钻孔直径保持在不大于0.0025英寸的直径差异内时会观察到的。发现金属丝定位中的该进一步改进，以允许PTWA工艺以稳定状态运行，同时利用更宽质量范围的金属丝给料。
重要的是，这种改进允许PTWA焊炬更稳固地操作，对于工艺参数和操作状态中的不稳定性不太敏感。PTWA焊炬也可在比现有技术的PTWA焊炬高45%以上的更高金属丝供送/沉积速率下操作，同时沉积质量不会下降且没有喷溅。例如，与在其它类似的操作状态和/或参数下现有技术的PTWA焊炬的每分钟约240英寸的沉积（金属丝供送）速率不同，现在可获得超过每分钟350英寸的沉积（金属丝供送）速率用于持续稳定的操作。
正如从上面可以看出的那样，本发明提供的实施例涉及利用等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备来将金属热沉积到目标体表面上的一种方法，其中所述设备包括阴极；以间隔开的关系大致围绕所述阴极自由端的喷嘴，所述喷嘴具有与所述阴极自由端相对的收缩孔口；等离子体气源，其被引导到围绕所述阴极的所述喷嘴内以及从所述收缩的喷嘴孔口流出；以及金属丝供送装置，其将具有中心轴线的可消耗的金属丝自由端引导到用于产生和保持等离子体电弧以及熔融可消耗的金属丝自由端的位置，其中所述可消耗的金属丝具有与阴极相反的电势，其中所述方法包括以下步骤：使得可消耗的金属丝的中心轴线相对于收缩孔口的轴向中心线偏移；以及在阴极和可消耗的金属丝的自由端之间产生和操作等离子体转移金属丝电弧；以及将持续供送的可消耗的金属丝自由端熔融和雾化成熔融金属颗粒以及将颗粒喷射到所述目标体表面上。
在特定的实施例中，所述方法可包括用金属给目标体表面涂层的步骤，其中涂层至少基本上不含较大夹杂物和部分未熔融金属丝的至少一种。该方法还可包括使得可消耗的金属丝垂直于收缩孔口轴向中心线地偏移一偏移量的步骤。该方法还可包括下述步骤：在阴极和可消耗的金属丝电极的大致自由端之间建立和操作等离子体转移金属丝电弧，这种等离子体和电弧的能量不仅足以将金属丝自由端熔融并雾化成熔融的金属颗粒，而且在每分钟100-500英寸的金属丝供送速率下将颗粒喷射为柱喷射到所述目标体表面上超过50小时的连续时间段；用高速气流基本上围绕等离子体和电弧，其中所述高速气流在超过金属丝自由端与等离子体电弧相交的区域处会聚，但基本上避免与金属丝直接撞击，并有助于将颗粒雾化和喷射到目标体表面上；以及相对于等离子体和等离子体电弧的中心轴线以在约0.002英寸到约0.020英寸之间的间距来定位可消耗的金属丝电极的中心轴线，这种偏移在与等离子体的中心轴线大致成直角的平面内。在一个特定的实施例中，通过利用50和140psig之间、流量为2至5scfm的等离子气体以及流入到所述阴极和所述金属丝电极的电流（30至200安培之间）来产生所述等离子体和电弧的能量。此外，高速气流可具有约20-60scfm的流速。该方法还可包括使得等离子体围绕金属丝电极旋转的步骤。在一个特定的实施例中，所述等离子体围绕所述金属丝电极的旋转方向在与所述金属丝电极相对于旋转中心轴线的所述偏移方向相同的方向上。一种优选的方法还可提供将金属以增加的速率和基本上没有较大的夹杂物地热沉积到目标体表面上，且包括下述步骤：在阴极和可消耗的金属丝电极的大致自由端之间建立和操作等离子体转移金属丝电弧，这种等离子体和电弧的能量不仅足以将金属丝自由端熔融并雾化成熔融的金属颗粒，而且将颗粒喷射到所述目标体表面上；使用高速气流基本上围绕等离子体和电弧，其中所述高速气流在超过金属丝自由端与等离子体电弧相交的区域处会聚，并有助于将颗粒雾化和喷射到目标体表面上；以及相对于等离子体和等离子体电弧的中心轴线以一偏移量来定位可消耗的金属丝电极的中心轴线，该偏移量在与等离子体的中心轴线大致成直角的平面内。
由上可知，还可以看出利用等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备来将金属热沉积到目标体表面上的另一种方法，其中所述设备包括阴极；以间隔开的关系大致围绕所述阴极自由端的喷嘴，所述喷嘴具有与所述阴极自由端相对的收缩孔口；等离子体气源，其被引导到围绕所述阴极的所述喷嘴内以及从所述收缩的喷嘴孔口离开；以及金属丝供送装置，其将具有中心轴线的可消耗的金属丝自由端引导到用于建立和维持等离子体电弧以及熔融可消耗的金属丝自由端的位置，其中所述可消耗的金属丝的中心轴线相对于收缩孔口的轴向中心线偏移；其中所述可消耗的金属丝具有与阴极相反的电势；所述方法包括下述步骤：在阴极和可消耗的金属丝的自由端之间建立和操作等离子体转移金属丝电弧，所述可消耗的金属丝的自由端相对于收缩孔口的轴向中心线偏移；以及将持续供送的可消耗的金属丝自由端熔融和雾化成熔融金属颗粒以及将颗粒喷射到所述目标体表面上。
如本文所公开的那样，还提供用于将熔融金属从连续供送的可消耗的金属丝自由端热沉积到目标体表面上的等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备。在优选的实施例中，所述设备包括阴极；以间隔开的关系大致围绕所述阴极自由端的喷嘴，所述喷嘴具有与所述阴极自由端相对的收缩孔口；等离子体气源，其被引导到围绕所述阴极的所述喷嘴内以及朝向可消耗的金属丝的自由端从所述收缩的喷嘴孔口离开；金属丝供送装置，其将具有中心轴线的可消耗的金属丝自由端引导到用于建立和维持等离子体电弧以及熔融可消耗的金属丝自由端的位置，其中所述可消耗的金属丝的中心轴线相对于收缩孔口的轴向中心线偏移，其中所述可消耗的金属丝具有与阴极相反的电势；用于在阴极和可消耗的金属丝的自由端之间建立和操作等离子体转移金属丝电弧的装置；以及用于将持续供送的可消耗的金属丝自由端熔融和雾化成熔融金属颗粒以及将颗粒喷射到所述目标体表面上的装置。
在特定的实施例中，等离子体转移金属丝电弧设备可围绕旋转的中心轴线旋转。在另一个具体实施例中，可消耗的金属丝电极的中心轴线从收缩孔口的中心轴线偏移，并保持在与等离子体的中心轴线成直角的平面内。优选地，所述旋转方向在与金属丝电极的中心轴线相对于等离子体中心轴线的偏移方向相同的方向上。所述设备还可以包括下述装置：用于将等离子体气体引导到喷嘴内、增加阴极和喷嘴之间的电势差以便延长的等离子体电弧喷射出喷嘴孔口的装置；用于将延长的电弧和所得到的等离子体射流转移到金属丝自由端（导致金属丝自由端熔融和雾化成细碎颗粒）的装置；以及通过等离子体射流的喷射能量以及辅助气流环绕幕的影响而将雾化的金属颗粒喷射到目标体表面上的装置；以及保持金属丝给料的中心轴线相对于所述喷嘴孔口和等离子体射流的中心轴线的偏移位置的装置。该设备还可包括多个气体端口，所述气体端口位于喷嘴内且围绕喷嘴孔口布置，以便喷射辅助气流环绕幕，所述辅助气流相对于等离子体电弧的轴线会聚，以便在超过金属丝自由端的位置处相交。等离子体也可围绕等离子体转移金属丝电弧焊炬的中心轴线旋转。在一个优选的实施例中，金属丝电极的中心轴线从等离子体的中心轴线偏移0.002英寸到0.020英寸范围内的量。甚至更优选的是，偏移量为约0.004英寸。也可在所述金属丝引导顶端内充分地引导金属丝电极，直到到达金属丝引导顶端的端部位于或至少大致位于辅助气体射流的外侧边缘上的位置。
此外如从前述可以看出的那样，可由如本文所述的方法和/或利用本文所述的设备来制造产品。
虽然已经详细地描述了用于实施本发明的最佳模式和可行的替代方案，但是本领域技术人员将认识到用于实践本发明的各种替代设计和变型，其中本发明由以下权利要求限定。
Claims (22)
1.一种利用等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备来将金属热沉积到目标体表面上的方法，所述等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备绕旋转中心轴线旋转，其中所述等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备包括阴极；以间隔开的关系大致围绕所述阴极的自由端的喷嘴，所述喷嘴具有与所述阴极的自由端相对的收缩孔口；等离子体气源，其被引导到围绕所述阴极的所述喷嘴内并从喷嘴的收缩孔口离开；以及金属丝供送装置，其将具有中心轴线的可消耗的金属丝的自由端引导到用于建立和保持等离子体电弧以及熔融可消耗的金属丝的自由端的位置，其中所述可消耗的金属丝具有与阴极相反的电势，其中所述方法包括以下步骤：
通过下述步骤中的至少一个使得可消耗的金属丝的中心轴线相对于收缩孔口的轴向中心线偏移：
使得可消耗的金属丝的中心轴线相对于旋转中心轴线偏移；以及
使得收缩孔口的轴向中心线相对于旋转中心轴线偏移；以及
其中，当沿金属丝供送装置的方向观察所述等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备时，当等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备绕金属丝的中心轴线逆时针旋转时，金属丝的中心轴线向旋转中心轴线的右侧偏移，当沿金属丝供送装置的方向观察所述等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备时，当等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备绕金属丝的中心轴线顺时针旋转时，金属丝的中心轴线向旋转中心轴线的左侧偏移；以及
在阴极和可消耗的金属丝的自由端之间建立和操作等离子体转移金属丝电弧；以及
将持续供送的可消耗的金属丝的自由端熔融和雾化成熔融金属颗粒，并将熔融金属颗粒喷射到所述目标体表面上。
2.根据权利要求1所述的方法，包括用金属涂覆目标体表面的步骤，其中涂覆的目标体表面至少基本上不含大的夹杂物和部分未熔融金属丝中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，使得可消耗的金属丝的中心轴线相对于收缩孔口的轴向中心线偏移的步骤包括使得可消耗的金属丝以垂直于收缩孔口的轴向中心线的一偏移量偏移的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，包括下述步骤：
在阴极和可消耗的金属丝电极的大致自由端之间建立和操作等离子体转移金属丝电弧，这种等离子体和电弧的能量不仅足以将金属丝的自由端熔融并雾化成熔融的金属颗粒，而且在超过50小时的连续时间内以每分钟100-500英寸的金属丝供送速率将金属颗粒喷射为柱至所述目标体表面上；
用高速气流基本上围绕等离子体和电弧，其中所述高速气流在超过金属丝自由端与等离子体电弧相交的位置处会聚，但基本上避免与金属丝直接撞击，并有助于将颗粒雾化和喷射到目标体表面上；以及
将可消耗的金属丝电极的中心轴线相对于等离子体和等离子体电弧的中心轴线以约0.002英寸到约0.020英寸之间的间距定位，这种偏移在大致与等离子体的中心轴线成直角的平面内。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过利用50至140psig之间和流量为2至5scfm的等离子体气体以及到所述阴极和所述金属丝电极的30至200安培之间的电流来产生所述等离子体和电弧的能量。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，高速气流具有约20-60scfm的流速。
7.根据权利要求4所述的方法，其包括使得等离子体围绕金属丝电极旋转的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述等离子体围绕所述金属丝电极的旋转方向在与所述金属丝电极相对于旋转中心轴线的所述偏移方向相同的方向上。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法以增加的速率来提供金属的热沉积，且基本上没有大的夹杂物沉积到目标体表面上，所述方法包括下述步骤：
在阴极和可消耗的金属丝电极的大致自由端之间建立和操作等离子体转移金属丝电弧，这种等离子体和电弧的能量不仅足以将金属丝自由端熔融并雾化成熔融的金属颗粒，而且将熔融的金属颗粒喷射到所述目标体表面上；
利用高速气流基本上围绕等离子体和电弧，其中所述高速气流在超过金属丝自由端与等离子体电弧相交的位置处会聚，并有助于将金属颗粒雾化和喷射到目标体表面上；以及
将可消耗的金属丝电极的中心轴线相对于等离子体和等离子体电弧的中心轴线以一偏移量来定位，该偏移量在大致与等离子体的中心轴线成直角的平面内。
10.一种利用等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备来将金属热沉积到目标体表面上的方法，所述等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备绕旋转中心轴线旋转，其中所述等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备包括阴极；以间隔开的关系大致围绕所述阴极的自由端的喷嘴，所述喷嘴具有与所述阴极的自由端相对的收缩孔口；等离子体气源，其被引导到围绕所述阴极的所述喷嘴内并从所述喷嘴的收缩孔口离开；以及金属丝供送装置，其将具有中心轴线的可消耗的金属丝的自由端引导到用于建立和维持等离子体电弧以及熔融可消耗的金属丝的自由端的位置，其中所述可消耗的金属丝的中心轴线相对于收缩孔口的轴向中心线偏移；其中所述可消耗的金属丝具有与阴极相反的电势；所述方法包括下述步骤：
在阴极和可消耗的金属丝的自由端之间建立和操作等离子体转移金属丝电弧，通过下列步骤中的至少一个使所述可消耗的金属丝的自由端相对于收缩孔口的轴向中心线偏移：
使得可消耗的金属丝的中心轴线相对于旋转中心轴线偏移；以及
使得收缩孔口的轴向中心线相对于旋转中心轴线偏移；以及
其中，当沿金属丝供送装置的方向观察所述等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备时，当等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备绕金属丝的中心轴线逆时针旋转时，金属丝的中心轴线向旋转中心轴线的右侧偏移，当沿金属丝供送装置的方向观察所述等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备时，当等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备绕金属丝的中心轴线顺时针旋转时，金属丝的中心轴线向旋转中心轴线的左侧偏移；以及
将持续供送的可消耗的金属丝的自由端熔融和雾化成熔融的金属颗粒以及将金属颗粒喷射到所述目标体表面上。
11.用于将熔融金属从连续供送的可消耗的金属丝的自由端热沉积到目标体表面上的等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备，所述等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备绕旋转中心轴线旋转，所述等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备包括：
阴极；
以间隔开的关系大致围绕所述阴极的自由端的喷嘴，所述喷嘴具有与所述阴极的自由端相对的收缩孔口；
等离子体气源，其被引导到围绕所述阴极的所述喷嘴内以及朝向可消耗的金属丝的自由端从所述喷嘴的收缩孔口离开；
金属丝供送装置，其将具有中心轴线的可消耗的金属丝的自由端引导到用于建立和维持等离子体电弧以及熔融可消耗的金属丝的自由端的位置，其中所述可消耗的金属丝的中心轴线和收缩孔口的轴向中心线中的至少一个相对于旋转中心轴线偏移，其中，当沿金属丝供送装置的方向观察所述等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备时，当等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备绕金属丝的中心轴线逆时针旋转时，金属丝的中心轴线向旋转中心轴线的右侧偏移，当沿金属丝供送装置的方向观察所述等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备时，当等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备绕金属丝的中心轴线顺时针旋转时，金属丝的中心轴线向旋转中心轴线的左侧偏移；以及
其中所述可消耗的金属丝具有与阴极相反的电势；
用于在阴极和可消耗的金属丝的自由端之间建立和操作等离子体转移金属丝电弧的装置；以及
用于将持续供送的可消耗的金属丝的自由端熔融和雾化成熔融的金属颗粒以及将金属颗粒喷射到所述目标体表面上的装置。
12.根据权利要求11所述的等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备，其中，所述等离子体转移金属丝电弧设备围绕旋转中心轴线旋转。
13.根据权利要求11所述的等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备，其中，可消耗的金属丝电极的中心轴线从收缩孔口的中心轴线偏移，并保持在与等离子体的中心轴线成直角的平面内。
14.根据权利要求11所述的等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备，其中，旋转方向在与金属丝电极的中心轴线相对于等离子体的中心轴线的偏移方向相同的方向上。
15.根据权利要求11所述的等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备，其中，所述设备还包括下述装置：
用于将等离子体气体引导到喷嘴内、增加阴极和喷嘴之间的电势差以便将延长的等离子体电弧喷射出喷嘴孔口的装置；
用于将延长的电弧和所得到的等离子体射流转移到金属丝的自由端、从而导致金属丝的自由端熔融和雾化成细碎颗粒的装置；以及
通过等离子体射流的喷射能量以及辅助气流的环绕幕的影响而将雾化的金属颗粒喷射到目标体表面上的装置；以及
保持金属丝给料的中心轴线相对于所述喷嘴孔口和等离子体射流的中心轴线的偏移位置的装置。
16.根据权利要求11所述的等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备，包括多个气体端口，所述气体端口位于喷嘴内且围绕喷嘴孔口布置，以便喷射辅助气流的环绕幕，所述辅助气流相对于等离子体电弧的轴线会聚，以便在超过金属丝自由端的位置处相交。
17.根据权利要求11所述的等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备，其中，等离子体围绕等离子体转移金属丝电弧焊炬的中心轴线旋转。
18.根据权利要求11所述的等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备，其中，金属丝电极的中心轴线从等离子体的中心轴线偏移并保持在与等离子体的中心轴线成直角的平面内。
19.根据权利要求11所述的等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备，其中，旋转方向在与金属丝电极的中心轴线相对于等离子体的中心轴线的偏移方向相同的方向上。
20.根据权利要求11所述的等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备，其中，金属丝电极的中心轴线从等离子体的中心轴线偏移0.002英寸到0.020英寸范围内的量。
21.根据权利要求20所述的等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备，其中，偏移量为约0.004英寸。
22.根据权利要求11所述的等离子体转移金属丝电弧热喷涂设备，其中，在金属丝引导顶端内充分地引导金属丝电极，直到到达金属丝引导顶端的端部位于辅助气体射流的外侧边缘上的位置。
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