CN1038597A - 高速粉末热喷枪及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于产生致密韧性镀层的方法和装置，采用包括有一喷嘴件和一气冒的热喷枪，所述气冒从喷嘴延伸且有一朝内的壁体以限定一开口端和喷嘴面形成的燃烧室，可燃混合气环流以至少高于大气压2巴的压力喷入燃烧室，压缩空气外环流从贴近圆柱壁的喷嘴喷射，挟带于载物气体中的热熔粉末从喷嘴轴向地进给入燃烧室，压缩空气内环流在可燃气和粉末载气之间从喷嘴喷入燃烧室。随着环状混合气的燃烧，一含有粉末的超音速射流穿过开口端喷出而产生镀层。

Description

本发明涉及热喷镀，特别涉及一种用于高速燃烧热喷镀粉末的方法及喷枪。

热喷镀亦即俗称的火焰喷镀包括将诸如金属或陶瓷的热熔料加热软化并将已软化的粒状镀料朝一待镀表面推进的过程，受热的镀料颗粒接触该表面急冷硬化而粘结在其上。热喷枪同时用于加热和推进该颗粒。对某一类型的喷枪而言，所述热熔料以粉末状形式供给到喷枪，这些粉末具体由介于美国标准筛分100目（149微米）和约2微米的小颗粒组成。掺合并输送粉末的运载气体可以是所述的燃烧气或是氮气之类的隋性气体，或简单地就用压缩空气。

所述的热熔料亦可以诸如美国专利No.314818（Charlop）中所描述的杆状或丝状的形式进给入加热区中。在这种类型的热喷枪中，所要喷镀的杆状或丝状材料进给入一由燃烧火焰形成的加热区中，在这里此热熔料被熔融或至少软化并通常用鼓风雾化。之后就以细散的形式推进到待镀覆表面上。

热镀料在以很高的速度喷镀下可以产生极高质量的镀层，等离子高速喷镀在许多方面已证明相当成功，但在某些情况下，特别是喷镀硬质合金喷镀效果并不比燃烧喷镀好，这显然是由于过热和/或将粉末横向进给入高速等离子流中必须起作用的颗粒夹带不良的缘故。

美国专利No.2714563（Poorman等人）中披露了一种爆燃枪，将吹送的粉末材料连续不断地引燃以产生诸如硬合金的镀层。因为爆燃脉冲振动对耳朵非常有害，此装置必须放置在一隔音室中遥控操纵，且程序也相当复杂。因此这种方法很昂贵而商业应用范围大受限制。而且它并不能完全控制喷镀规范而达到预定的效果。然而，爆燃喷镀法已证明高速喷镀的需要性，高密度和高韧性的镀层要靠粉末粒子的高撞击，在加热区中逗留时间短以尽量减小高喷镀温度下氧化作用来获得。

一种火箭型粉末喷枪可以获得很好的镀层，美国专利No.4416421（Browing）对此有所描述。此类喷枪有一内燃烧室，高压燃烧气直接穿过一环形开口进入一狭长喷嘴室的缩喉中，粉料在环形开口中被轴向进给入喷嘴室内进行加热并借助燃烧气推进。在实际使用过程中，这种喷镀枪必须用水冷却，而一种狭长喷嘴则对粉末堆积特别敏感。而且，在内燃烧室中点火引燃需要专门技术，例如采用氢气导燃火焰。附带的高压燃烧室亦带来安全方面的问题，狭长喷嘴的几何形状也不适于喷镀内径或诸如其它偏远的区域，并在射流大小的变化和选择方面受到限制。这种火箭喷枪在商业运用中已获得最佳的效果，但以氢气作为高速流动使用的燃烧气，故此方法耗费相当高。

短喷嘴喷镀装置对高速喷镀方面已在法国专利No.1041056及美国专利No.2317173（Bleakley）中有所披露，粉末是轴向进给到一燃烧气环流的熔融腔室中，一环形空气流在燃烧气流之外沿腔室的外壁同轴地输入，混有受热粉末的射流从燃烧室的开口端射出。但在该文中没有说详细说明获得稳定高速粉末射流的方法，且这些装置显然未获得商业上的运用，虽然这些内容已分别有45年和35年之久。

Bleakley和法国的短喷嘴装置的喷嘴结构与前面提及的美国专利No.314818所披露的商业丝喷枪相似，然而丝喷枪功能与之差异很大，它是用燃烧焰将镀料丝头部熔融并用空气雾化已熔融的镀料然后推进小滴镀料。丝喷枪一般仅用适当的速度进行喷镀。

因此，本发明的目的是提供一种高速粉末热喷镀的方法和装置，提供一种以公道费用获得致密韧性的热镀层的方法和装置，提供一种减少喷嘴堆积趋势的高速热喷镀方法和装置，提供一种无特殊点火装置和程序的高速热喷镀方法和装置，提供一种无需水冷却喷枪的高速热喷镀装置，提供一种对偏远区域高速热喷镀装置，提供一种可选择喷射流尺寸和喷镀图案的高速热喷镀装置和方法。

本发明的上述及其它目的通过采用高速喷镀产生致密韧性镀层的新型热喷枪而得以实现。这种喷枪包括一带有喷嘴面的喷嘴和一气冒，该气冒从喷嘴件向前延伸并具有一内向的圆柱面，以限定一带有开口端和一由喷嘴面形成的另一端的圆柱状燃烧室;该喷枪还包括一可燃气装置用以喷射燃烧气和氧气以大于大气压2巴的压力同轴进入燃烧室而产生的可燃混合气环流;一外部气体装置用以将不可燃混合气外环流从贴近圆柱壁体径向朝外喷射可燃压缩气环流;一进给装置用以将载体气流中的热熔喷镀粉末从喷嘴轴向进给入燃烧室中以及一内部气体装置用以将压缩气内环流从喷嘴件同轴喷射入燃烧室中的可燃混合气和粉末载气之间。随着可燃混合气的燃烧，一含有细散状热熔材料的超音速射流从开口端喷出。

在本发明的较佳实施例中，喷嘴件包括有一限定外环小孔装置的外管部分以将燃烧气环流喷射入燃烧室中，内管部分中有一环状内部小气孔装置以将内环流喷入燃烧室，一内部粉末孔装置用以将粉末载气进给入燃烧室。所述内管部分最好从外管部分向前伸入燃烧室中。

在另一类施例中，热喷枪还包括有一选择装置用以选择开口端直径以获得一精选的射流尺寸。选择装置最好包括有一设在气头上的第一气冒以与第一开口端形成燃烧室，一第二气冒可替换第一气冒用于气头上，从而由其第二环形壁体与直径异于第一开口端的第二开口端共同限定一替换燃烧室。第二气冒可与第一气冒替换以便在第一开口端和第二开口端之间选择。

本发明的这些目的也可通过采用热喷枪产生致密度高韧性好的镀层的方法来实现，该热喷枪包括有一带一喷嘴面的喷嘴件和一从喷嘴件向前延伸的气冒，该气冒有一朝内的圆柱形壁体以限定一燃烧室，该室有第一开口端和喷嘴面形成的另一端。本发明的方法包括：将燃烧气和氧气的可燃混合气环流以至少大于大气压2巴的压力从喷嘴同轴喷射入燃烧室;将不可燃的压缩气外环流从贴近圆柱壁体径向朝外喷射可燃混合气环流;将载物气体中的热熔喷镀粉末从喷嘴轴向进给入燃烧室中;将压缩气内环流从喷嘴件、可燃混合气和粉末载气之间同轴喷射入燃烧室中;燃烧可燃混合气，借此含有细散状热熔材料的超高速射流穿过开口端喷射出;将喷镀射流对准基材表面以在其上获得镀层。

根据本发明的方法，可燃混合气最好以足够的压力射入燃烧室以在射流中产生至少8个可见的菱形激波（shock    diamonds）而无需进给粉末载气。作为另一实施例，喷镀方法还包括选择开口端直径以获得精选尺寸的射流。

为进一步理解本发明，以下结合附图对实施例进行说明，其中：

图1是本发明所用热喷枪的正视图;

图2是图1沿2-2线的剖图;

图3是图2剖图的前端部分放大图;

图4是图1沿4-4线的剖图，即一相关的粉末进给装置示意图;

图5是图1所示喷枪根据本发明产生超音速射流的示意图;

图6是图5连带有基材的视图;

图7是图3的前端部分剖图，示意气冒的另一实施例。

根据本发明的热喷枪如图1所示，图2则为图1的水平剖图。热喷枪10有一安装有一气冒14的气头12，一将燃料、氧气和空气输送到气头12的阀门部分16以及一手柄17。阀门部分16有一燃气接头18，一氧气接头19及一空气接头20，三个接头分别用软管与一燃料源21、氧气源22和一空气源24相连。圆柱状阀门26的小孔25控制从各自接头流入喷枪中的气流量。所述阀门及相关构件可以是美国专利3530892中所述的类型，其包括一对阀杆27及由柱塞28、弹簧29和“O”形环30组成的用于各气流段的密封装置。

一圆柱状虹吸管塞31插在气冒12的对应腔中，其上的若干“O”形环32保持一气密封。虹吸管塞设有一带中央通道34的软管33，其中还有一环槽35和一带若干内连通道38（示出其二）的环槽36。当圆柱阀门26如图2所示处于开启状态时，氧气借助软管40穿过其接头19和阀门26进入通道42，之后流入凹槽35并穿过通道38。同样，燃烧气亦从气源21流过软管46、穿过接头18、阀门26和通道48进入凹槽36与氧气混合，然后作为可燃混合气穿过与通道38对齐的通道50进入一环槽52，环槽52将混合气进给入喷嘴件54后部的若干通道53中。

为进一步明了，请参见图3，喷嘴件54方便地由一内管部分55和一外管部分56构成。（这里及权项中所称的“内”表示朝向纵轴线，而“外”表示离开纵轴线，且“朝前”或“朝前地”表示朝着喷枪的开口端;“后”、“向后”、“在后部”则表示相反。）外管部分56限定一外部环状小孔装置以将可燃混合气环流引入燃烧室。小孔装置最好有朝前的环状开孔57，带径向内侧为内管部分的外壁58所形成，从通道53引导到环状开孔的小孔装置可以是若干拱形相隔的小孔，但最好是环状小孔59。

因此自对齐的凹槽52流出的可燃混合气流过小孔（或若干小孔）59以产生环形流体而在环状开孔57中点燃。喷嘴母60将喷嘴54和虹吸管塞28固定在气头12上。另外二个O形环61被密封在喷嘴54和虹吸管塞31间作为气密封。燃烧器喷嘴54延伸入气冒14中，后者用夹紧环64固定并从喷嘴向前延伸。

喷嘴件54还设有一供载物气体中的粉末通过的轴向空腔，其从软管通道33向前延伸。另外粉末还通过贴近喷枪轴线的一小圈小孔（未示出）吹入。参见图4所示，一斜通道64向软管33向后延伸至粉末连接管65。一载体软管66及中央轴向空腔62接受从粉末进给器67掺入载物气体的粉末，这一过程压缩气源（如压缩空气）68借助进给软管66进行。粉末进给器67为一般所需类型必须能够将载物气体以高压传送入喷枪10的空腔82内。

现在再回头看图2和3，空气或其它不可燃气体从气源24和软管69流过其连接管20，圆柱阀26及一通道70，通到夹紧环64内部的空间71中。喷嘴螺母60中的横孔72将此空间71与气冒14的一圆柱状燃烧室82连通，从而空气可作为一外壳层从空间71流过这些横孔72，然后流过在喷嘴54外表面之间的一环状槽缝84，一面向内侧的圆柱形壁体86限定燃烧室82，二者之间构成槽缝84。流体继续作为一混合有内分流的环形外流穿过腔室82，最后流出气冒14的开口端88。腔室82的另一端即后端以喷嘴54的面89为界。

燃烧室82最好从喷嘴处以与轴线成角度的形式向前会聚，角度最好在2°-10°之间例如5°。槽缝84也以和轴线呈一定角度向前会聚，角度最好为12°-16°，例如14.5°，槽缝84还应有足够的长度以便环形空气流发展，例如与腔室长度102不相上下，但至少要大于长度102的一半。此外，腔室应以比槽缝较小的角度会聚，最好是8°-12°，例如10°左右。这种结构形式使室产生会聚的空气流从而最大限度地减少粉末在腔室壁上的堆积量。

空气流量应在槽缝84的上流诸如一向后的小孔9或借助一流量调节器加以控制。例如槽缝长8mm，宽0.38mm，周长15cm且流到喷枪（连接器20）的气压为70帕（psi）以获得-900标准立方英尺/小时（scfh）的空气流量，腔室82中压力为60psi。而且，当阀门26处于与进气管对齐的点火位时（如前面提及的美国专利No.3530892所述），阀门26中的空气孔90允许空气流点火，而上述的角度与尺寸要保证点火引燃时无回火。（阀门26中的氧气和燃气输送管与空气孔90相同，故图中未示出）

喷嘴件54的内管部分55内有若干平行的内部小孔91（例如8个直径为0.89mm的小孔）设在一螺栓分布圆上（例如直径2.57mm），产生一环状内层气流（最好是空气），围绕中央粉末进给管从喷嘴内腔62流出。这一空气内层有效地减少了粉末材料堆积在壁体86上的可能性，这一空气层可方便地从通道70接通，经由一导管93（见图2）到一包绕虹吸管塞31后部的环槽94并至少有一个小孔96流入紧邻软管33的环形空间98中。最好有三个以上的小孔96等间隔地分布以提供足够的空气并最大限度地减少涡流，此涡流会不利于将粉末向外旋送到腔室82的壁体86。内层空气流量应为外层空气流量的1%-10%，最好为2%-5%，如3%。为更好地控制起见，内层空气还可独立于外层空气单独进行调整。

根据本发明的另一实施例，已经发现通过喷嘴件的内管部分伸入腔室82，外管部分56前伸，如图2和3所示，则可更进一步地减小粉末堆积的几率。腔室长度102可限定为从喷嘴面89至开口端88，也即从喷嘴最前点处至开口端的最短距离。最佳情况是，内管部分的最前处从外管部分56向前凸出一距离，该距离为腔室长102的10%-40%，例如30%。

内管部分的最佳构形已在图2和3中有所描绘。参见喷嘴内管部分55的外壁58，其限定环形开孔57，此壁体58应从环形开口以向内朝轴线一定的曲率向前延伸。曲率最好是恒定一致。如图中所示，该曲率在内管部分58上限定了一半球面89。可以想见燃烧的火焰会由此向内引导而使流体与腔室壁86保持隔开。

作为根据本发明热喷枪的进一步详细说明，虹吸管塞31设有8个直径为1.51mm的氧气通道38以获得足够的氧气流，还有直径为1.51mm的混合气通道。气头中央空腔62的内径为3.6mm，气冒的开口端88从喷嘴面（长度102）处为0.95cm。因此挟带粉末的燃烧室82是相对较短，一般为开口端88直径的一至二倍。

各种气体都以足够高的压力，例如至少以大于大气压30psi的压力输送至圆柱形燃烧室中，之后以传统方法如用火花装置进行点火，这样燃烧废气及空气之混合物将作为挟带粉末的超音速流体从开口端流出。燃烧产生的热量至少将粉末料软化从而在基材表面上形成涂镀层。菱形激波（shock    diamands）应该是可以检测的。因为是环形流体形相，要获得超音速气流膨胀型喷嘴出口并非必要。

根据本发明，所述的燃烧气最好是丙烯，或甲基乙炔丙二烯气（“MPS”）。已经发现这些气体可以允许较高速率的喷射流并获得高质量镀层而无回火现象。例如当丙烯或MPS以表压约7Kg/cm²（大于大气压）送至喷枪，氧气压力为10Kg/cm²空气压力5.6Kg/cm²，至少有8个菱形激波即可在射流中看到而无粉末流。在射流110中的这些菱形激波108的外形在图5中示出。喷镀层114的基材表面112的位置最好如图6所示位于第五个整菱形处，例如喷镀距离约为9cm。

更主要的是镀层质量很高，可以达到特别致密韧性好的金属镀层及金属粘结的硬质金属。例如-30微米的12%钴、钨硬质金属粉末（Metco    71    F，73    F及-30微米72    F粉末，由美国纽约的Perkin-Elmer公司销售）及25%镍铬/铬硬质金属（Metco    81    VF粉末）的喷镀质量（在密度、韧性、硬质金属基体的低分解、耐磨性方面）均比相同的粉末用前述美国专利No.4416421所述的火箭喷枪使用MPS燃烧气的火箭喷枪获得的效果为好。用本发明的喷枪和气体喷镀获得的镀层质量与火箭喷枪用氢气喷镀的质量相仿，但所用氢气的用量很大（685升/小时），因而相应地成本就大大提高了。

另外发现喷射流的直径大小以及基材表面上的熔敷金属直径可以通过选择开口端而调整，因此根据本发明的另一实施例，不同尺寸的气冒可以与第一气冒替换用以控制喷镀熔敷直径。参见图7，第二气冒有一圆柱状壁体116（用虚线表示）及一相应的开口端118，按需要确定气冒大小，有一与第一气冒开口端直径D₁不同的开口端直径D₂。第二圆柱状壁体116限定一替换燃烧室120。

例如，第一气冒有一8mm直径的开口端，喷射距离为9cm时的镀层熔敷直径为1.6cm。替换气冒有-0.65cm的开口端直径D₂，故镀层熔敷直径为0.95cm。

根据本发明所获得的镀层特别适用于要求诸如钴结合钨硬质合金及镍铬结合铬硬质合金之类高质量镀层的燃气轮机件上。其它诸如铁结合钛硬质金属以及含有铁、镍、钴、铬、铜合金的金属的组合，根据本发明亦可获得同样优质的镀层。镀层氧化物含量低、粘结强度高、密度小和韧性好，质量高于等离子镀层，与爆燃枪镀层的质量不相上下，而成本则低得多。这些效果通过无需水冷却和最大限度地减少堆积量而获得。另外其优点还在于采用常用的气体情况下点火方便而无回火。

尽量本发明已结合专门的实施例进行详细的描述，但落在本发明精神实质及所附权利要求书的范围内的多种变化和改进对那些本技术领域的熟练人员而言是显而易见的。因此，本发明仅由所附权利要求或其等价内容进行限定。

Claims (19)

1、一种以高速喷镀获得致密韧性镀层的热喷枪，包括：一带喷嘴面的喷嘴件；一从喷嘴件向前延伸的气冒，有一朝内的圆柱形壁体而限定一带轴线、开口端和一由喷嘴面形成的另一端的燃烧室；一可燃气装置，用以将燃烧气和氧气的可燃混合气环流以至少大于大气压2边的压力从喷嘴件轴向喷射入燃烧室中；一外部气体装置，用以将不可燃压缩气外环流从贴近所述圆柱形壁体径向朝外喷射可燃混合气环流；一进给装置，用以将载物气体中的热熔喷镀粉末同轴地从喷嘴件进给入贴近轴线的燃烧室；一内部气体装置，用以将压缩气内环流从喷嘴件在可燃混合气和粉末载气之间同轴地喷射入燃烧室；这样，随着可燃混合气的燃烧，含有细散状热熔材料的超音速射流穿过开口端喷射出。

2、如权利要求1所述的热喷枪，其特征是：所述喷嘴件包括有一外管部分，限定一用以将可燃混合气环流喷射入燃烧室的环状外孔装置;一内管部分，具有一环状内部气孔装置用的将内环流喷射入燃烧室以及一内部粉末孔装置用以将粉末载气进给入燃烧室，其中内管部分从外管部分向前伸入燃烧室。

3、如权利要求2所述的热喷枪，其特征是：燃烧室长度由从喷嘴面到开口端的最短距离限定，而内管部分的伸出长度约为燃烧室长度的10%-40%。

4、如权利要求2所述的热喷枪，其特征是：所述环状外孔装置包括一通入燃烧室的环状开孔，带有一由内管部分的外壁形成的径向朝内侧面，该外壁从环状开孔以一定的曲率朝轴线方向延伸。

5、如权利要求4所述的热喷枪，其特征是：所述曲率大小在内管部分限定一大致半球喷嘴面。

6、如权利要求2所述的热喷枪，其特征是：所述外部气体装置包括有一喷嘴件和所述圆柱状壁体的后部;该壁全限定一向前会聚的、与燃烧室连通的槽缝。

7、如权利要求6所述的热喷枪，其特征是：燃烧室与轴线呈一角度向前会聚，该角度比环状槽缝会聚的相应角度为小。

8、如权利要求7所述的热喷枪，其特征是：还包括流量装置用以控制外部气流之流量;燃烧室长度由喷嘴面到开口端的最短距离决定，会聚环状槽缝的长度至少约为燃烧室长度的一半，会聚环状槽缝设置在流量装置下游。

9、如权利要求2所述的热喷枪，其特征是：内部粉末孔装置有一带轴向空腔的喷嘴件。

10、如权利要求1所述的热喷枪，其特征是：所述可燃烧气装置的设置使可燃混合气从喷嘴面上的圆环位置喷射入燃烧室，该圆环位置的直径约等于开口端的直径。

11、如权利要求10所述的热喷枪，其特征是：所述开口端与喷嘴面的轴现最短间距约为圆环位置直径的一至二倍

12、如权利要求1所述的热喷枪，其特征是：还包括有一选择装置，用以选择开口端的直径从而获得射流的精选尺寸。

13、如权利要求12所述的热喷枪，其特征是：所述选择装置包括设在气头上的第一气冒以与第一开口端形成燃烧室;以及第二气冒，置于与气头上的第一气冒相替换，以形成由第二圆柱状壁体与直径不同于第一开口端的第二开口端限定的替换燃烧室，第二气冒可与第一气冒相替换用于在第一开口端和第二开口端之间选择。

14、一种用热喷枪产生致密韧性镀层的方法，所述热喷枪包括有一带喷嘴面的喷嘴件;一气冒从喷嘴件延伸并有一朝内的圆柱形壁体，限定一带有开口端和由喷嘴面形成的另一端的燃烧室，所述方法包括：将燃烧气和氧气的可燃混合气环流以至少大于大气压2巴的压力从喷嘴同轴地喷入燃烧室;将不可燃压缩气外环流从贴近圆柱壁体径向朝外喷射可燃混合气环流;将载物气体中的热熔喷镀粉末从喷嘴轴向进给入燃烧室中;将压缩气内环流从喷嘴件在可燃混合气和粉末载气之间同轴地喷射入燃烧室中;燃烧可燃混合气，借此含有细散状的热熔材料的超音速射流穿过开口端喷射出;将喷镀射流对准基材表面以在其上形成镀层。

15、如权利要求14所述的方法，其特征是：所述粉末是尺寸小于30微米的金属结合的硬质合金粉。

16、如权利要求14所述的方法，其特征是可燃混合气是通过一环形小孔注入燃烧室。

17、如权利要求14所述的方法，其特征是所述可燃混合气以足够的压力喷入燃烧室以在射流中产生至少8个可见的菱形激波，从而可不需进给粉末载体气。

18、如权利要求14所述的方法，其特征是还包括：选择开口端的直径以获得一精选尺寸的射流。

19、如权利要求14所述的方法，其特征是还包括选择一组由丙烯气和甲基乙炔-丙二烯气诸气体作为燃烧气。

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