CN1041506A - 用于喷镀狭槽的等离子喷枪延伸部 - Google Patents

Abstract

一种用于喷镀凹入区域的等离子喷枪，包括一个阴极部件和一个管状阳极。一个细长管状延伸部包括其内含有从阳极向前延伸的轴向等离子管的管壁，一个横向等离子管使等离子流从管状延伸部横向射出。冷却剂通道位于管壁内并大致沿轴向等离子管的长度延伸。一个第一外部管在横向管前连接于管状延伸部，引导流体冷却剂到通道里。一个粉料注入器把粉料向后地注入到射出的等离子流里。一个来自粉料源的第二外部管连接于粉料注入器。

Description

本发明涉及等离子喷枪，尤其涉及等离子喷枪延伸部。

利用电弧以及与电弧接触的气流的等离子火焰发生器和等离子喷枪已为大家所熟知，且已成功地用于商业及实验目的。这些装置一般包括一个产生电弧的电极装置，一个喷嘴，以及用来通入气流与电弧接触并通过喷嘴的装置。

在非转移式的电子火焰发生器中，是在一对电极之间放电产生电弧，其一是呈喷嘴的形式，气流与电弧接触并通过喷嘴。美国专利No.2，922，869对这种等离子发生器的早期设计有一定的代表性。在一般用作气割，焊接等等的吹管的转移电弧式发生器中，电弧一般从一个电极，比如一个电棒，通过喷嘴扩展到工作上，与此同时一气流与电弧一起通过喷嘴。等离子火焰喷枪原则上仅包括等离子火焰发生器，其中具有用来通入加热可熔化的材料与等离子流接触的装置，在那里材料被熔化或至少能软化并被喷到待镀的表面上。

已设计了多种把材料喷镀到受限制的区域内的等离子喷枪结构，它们大都设计来喷镀小孔的内表面。但是它们在最小尺寸的小孔的喷镀方面都受到限制，这与电极及形成等离子的气体的通道的尺寸、冷却剂和粉料的馈给、以及所要求的最小喷射距离有关。

例如，美国专利No.4，661，682（Gruner    et    al）描述了一种在细长臂端部侧向安装的等离子喷枪。受限区域喷镀的尺寸，比如被镀小孔的最小直径，受到阴极和阳极结构所需的联合长度所限制。美国专利No.3，740，522（Muehlberger）揭示了一种细长的等离子喷枪，它具有与阴极一起使用的、把等离子流从纵向偏转到与枪体的主轴线方向成横向的斜角喷嘴阳极。这个装置也类似地由于部件的形状、冷却剂出入的通道以及粉料输送管道而在所能喷镀的最小尺寸方面有一定的限制。美国专利No.4，596，918（Ponghis）揭示了一种细长的阳极，在等离子吹管上带有冷却剂的同轴通道，但它没有说明使喷射流转向或输入粉料的装置。多种馈入粉料的结构描述于美国专利No.4，696，855（Pettit    et    al）和No.4，681，772（Rairden）中。

因此受限区域内等离子喷镀的实用性仍未解决。一个典型的具有广泛兴趣的受限区域的例子是燃气轮机中把叶片或翼装到轮毂上的狭槽区域。这样的区域在燃气轮机运行时由于振动及装置中的其他应力而受到大范围的微振磨损。开发了多种等离子喷镀层来使这样的磨损达到最小，并且可用来修理部件。这些镀层也曾用在装配的狭槽中，但此狭槽必须较大或设计成没有外伸部分的才行，这样，等离子喷流才可从槽外喷到内表面上。但人们希望利用燕尾槽以更好地装紧叶片或翼。目前较新式的燃气轮机有不少采用了小的燕尾槽。至今小型燕尾槽仍不能完全喷镀。另外，把镀料近乎垂直地喷到表面上也是很重要的。从狭槽外面喷镀到内侧壁就达不到这样的目的，结果产生低质量的镀层。

因此，本发明的目的是提供一种适用于喷镀凹入区域的内表面的改进的等离子喷枪，并提供一种新型等离子延伸部喷枪，以及提供一种特别适用于喷镀细长狭槽内表面的等离子延伸部喷枪。

上述的和其他的目的是通过这样一种等离子枪完成的，这种等离子枪包括一个阴极部件以及一个与阴极部件协同工作的管状阳极，还包括一个形成等离子体的气体源和一个电弧电源以产生从管状阳极流出的等离子流。一细长管状延伸部包括其内具有轴向等离子管的管状壁，该延伸部从阳极向前延伸。此等离子管终止于阳极远端的端壁。管状延伸部还有一个横向的等离子管，一部分由端壁组成以使等离子流从管状延伸部横向流出。用于流体冷却剂的、位于管状壁内的通道大致上沿轴向等离子管的长度延伸。一个第一外部管在与横向管靠近的一点处的前面与管状延伸部连接，这个第一管和通道联通并接收来自冷却剂源的液体冷却剂。有处理装置用来处理来自管状延伸部后端的液体冷却剂。一个粉料注入器向前置于横向管的附近，把喷镀粉料向后注入到喷出的等离子流中。一个与粉料注入器相连接以联通粉料流的第二外部管，用来接收从粉料源来的喷镀粉料。

图1    是本发明等离子枪的横剖图。

图2    是图1中2-2处的剖视图。

图3    是图1中的喷枪用于凹入区域喷镀时的透视图。

一个实施本发明的等离子喷枪10示于图1。喷枪的等离子发生端12是常规形式的。在本实施例中，主枪体14上依次向后有一个主绝缘体16和一个阴极块18。此主绝缘体具有把枪体与阴极块绝缘隔开的一个外面部分20以及一个向前地延伸进枪体14的大致上呈圆柱形的突起部22。（在这里和权利要求中，“前”和“向前”指相应于喷枪内等离子流的方向;而“后”和“向后”指相反的方向。）

一个阴极装置24同轴地固定在主绝缘体16和电极块18上。此装置包括一个导电的圆柱形阴极支持件26。此装置安装在圆柱形绝缘环28内，而此绝缘环又固定在主绝缘体16向前突起部22的轴向孔30内。阴极支持件26是后方固定环部分32的一部分。这些同心的部件用旋入电极块18的环32固定在主枪体14上。环中的孔34便于环和装置24用扳头扳下和扳上。一些O形环36适当地安装于枪的O形环槽中，以保持冷却剂。

装置24的一棒状阴极部件38有一个用含钍钨或其他合适的电弧阴极材料制成的电极头40。电极头铜焊在具有一个用银焊料同心固定在阴极支持件26上的向后的管状部分44的、由铜之类制成的阳极座42上。塞件46装入阴极支持件26的后部，并有一从那里向前突出并伸入阴极座42的管状部分44内的管子48，在其间形成了一个环形管道50。塞件46用螺栓49固持在后方的固定环32上。

一个喷嘴阳极装置52装在主枪体14的前端，包括一个用铜之类制成的、延伸于阴极电极头40前面的管状阳极54。一个有法兰的阳极支持件56通过用螺母60固定在枪体上的一个喷嘴法兰58把阳极固定在枪体14上。

一个气体分配环62同心地位于阴极部件38的外部。一个或多个气体入口64（最好是6个，图中示出了两个）沿径向向内，最好有一个沿切向的部件使等离子气体产生涡流。这些入口从置于气环62外部的内环室66、一些气管68、一个外部环室70和一个枪体14内与等离子形成气（体）源74相联的气管72接收气流。（气管72最好在发生器12内朝后，但在图1中为了清楚起见画成向着横向）。

来自常规电弧电源79的一对电源电缆连接件76、78分别旋入阴极块18和主枪体14。这些部件以及一些其他这里没有另行指出的部件都是用横铜之类制成以便使制造容易且能导电。电弧电流从主枪体14通过阳极支持件56到阳极54，在那里形成一个到阴极部件38的电弧，从而在等离子形成气体中产生了等离子流。电流从电极头继续传送到阴极座42、固定环32和阴极块18。

流体冷却剂，一般用水，从增压源80通过电源电缆78提供到主枪体14内的主管道81。来自主管道的第一个分支82与第一组同心布置的环形的径向的通道84，经过主绝缘体16、绝缘环28和阴极支持件26到达环形管50以冷却阴极部件38。然后阴极冷却剂通过管子48和第二组同心布置的环形径向通道86流出到主枪体14中的一个流体处理通道88，再流出另一个电源电缆76到排水道90或到热交换器以回收利用。

来自主管道81的第二分支通道92引导冷却剂到达阳极支持件56和主枪体14之间的环道94，此后通过四个径向的通道96（一个示于图中）到阳极54周围的环形冷却管98。然后阳极冷却剂通过一个第二通道100流出，再进入形成于阳极支持件56和主枪体14之间的环形腔102，最后进入处理通道88。

根据本发明，一个细长的管状延伸部104从阳极54向前延伸。此延伸部由一个环形壁结构组成，包括一外壁106和一内壁108，形成了一个从阳极54向前延伸的轴向等离子管110。外壁银焊在喷嘴法兰58上。内壁108最好就是从管状阳极直接延伸的，也就是说，其内表面112和阳极的类似内表面相连续，这样电弧可以在光滑的内表面上尽量远地向前自然结束，以使从电弧传输到等离子流的能量最大。

等离子管110的前端终止于阳极54远端的端壁114处。在此远端位置，管状延伸部中有一个部分由端壁114组成的横向等离子管116，用来使等离子流从管状延伸部104转成横向并流出。虽然此横向管有足够的侧向分力使等离子流117横向流出，但它（以及流出的等离子体）必须保持一向前的分力，使端壁上的热气体腐蚀和热量损失达到最小，以及其他如下所述的原因。

在内外壁108和106之间用于流体冷却剂的通道118大致上沿轴向等离子管110的长度沿伸，已足以保证水之类的流动冷却剂冷却等离子管。此通道也可以做成在实心管壁结构中的多个平行孔洞的形式，但最好还是这里描述的环状空间的形式。

一个端部附件120位于延伸部104的前端、横向管116的前面。一个外部管122软焊在端部附件上，并且在本实施例中，从延伸部104横向离开。管122通过靠近端壁114的冷却剂区124和通道118中的流体联通并与通道相连。外部管122以一刚管或一个软管126连续延伸到与来自喷枪10主枪体14内的冷却剂源主通道81的第三分支通道130联通的主体附件128上。从那里，冷却剂流经外部管122到靠近横向管116的区域124，再沿通道118向后并通过一个第三径向通道132，到腔室102，最后到处理通道88。

一包括一个短管136的粉料注入器134配置在靠近横向管116的前面，以把喷粉138向后注入流出的等离子流117中。一个第二外部管140与粉料注入器134相连以与那里的粉料联通。此第二管通过导管142到达一个粉料附件143和一个主枪体14内的粉料管144。（管144在发生器12中最好向后，但为清楚起见，图1中画成横向）。粉料管用来接收来自如美国专利No.4，561，808（Spaulding    et    al）中所描述的那种形式的常规粉料源146（比如象康涅狄格州洛沃克市的珀金·埃尔默公司出售的Metco型4M送料器）的一般载在运载气体内的喷粉。粉料通常被熔化或至少受热软化然后喷向待喷表面上。

在图1所示的一个较佳实施例中，向后注入的、载在其运载气体中的粉料进入靠近管116出口的等离子流中，而等离子流117与纵向管轴的法线方向有一向前的小角度A，比如10°到30°，如20°。注入的携带粉料的气流138还使等离子喷流向垂直方向偏转。建议尺寸最好是横向管116直径为4毫米，粉料管136内径为1.6毫米。

为清楚起见，图1所示的外部管122和144与横向管116的轴线148位于同一平面内。然而，为了喷镀到表面上，横向管必须沿轴线148相对于上述外部管转动。这样，参照图2可见，用于冷却剂的第一外部管122通过附件120从第一方向150连接到管状延伸部104上，用于粉料的第二外部管140通过附件120从最好与第一方向相同（平行）的第二方向连接到粉料注入器136上，横向管116必须绕着延伸部主轴与第一和第二方向成角度B隔开布置的第三方向154引出。此角度要按照喷镀的凹入区域的需要而建立，在图2的例子中为60°。

本发明的等离子枪特别适用于喷镀如图3所示的至少从槽的一端可以进入工件160的燕尾槽158的凹入区域的内表面。可喷镀的此类燕尾槽的例子是燃气轮机中叶片的根和连接毂区域。

在操作中，喷枪要安置在一个使喷枪在狭槽内前后来回摇动并且使枪在每一个循环（或半个循环）中定量地旋转的机械装置上。或者，可使待喷镀的区域移动。图示的实施例中的总旋转量受到狭槽开口164和从那里穿过的外部冷却剂及粉料管122、124的尺寸的限制，但已足以喷镀本来无法进入的表面。槽的另一侧可以用一个类似的相对于外部管有相反极性横向管的喷枪，或者用同样的喷枪插入狭槽的另一侧。至于狭槽的底表面则可用常规方法喷镀。

另一个实施例（图中未示出）可用来喷镀与狭槽不同的一般的孔洞，此孔洞两端开口。在此实施例中，外部管或端部附件必须可以容易地从管延伸部取下。这样，喷枪在外部管取下后，可穿过孔洞，然后再接上外部管。在这种情况下，必须提供一个比孔洞深度长的端部附件，或者使外部管从端部附件沿纵向延伸，使喷枪能沿孔洞的长度方向移动。在两种情形下，外部管经过适合于所镀工件的外形的任一路线回到喷枪主体上。

在本发明中直接把冷却剂源和粉料源提供到延伸部上而不必通过喷枪主体送料的做法也是可行的。靠近延伸部的管路必须耐热且是刚性的，以防止与热表面接触，但离开热源的橡胶之类的软管也可用来使喷枪运动。

延伸部必须足够长以喷镀预期的凹入长度，但也没有必要太长使等离子流过度冷却。熔化温度较高的粉料要用较短、热量损失较少的延伸部。用另一种结构（图中未示出）可以使长度进一步增加，其中的主体前面向后移动这样可以从靠近阴极电极头的地方横向地延伸，延伸部的后部制成阳极。

根据本发明，从阴极电极头到端壁（轴线上）的等离子管长度为12.5厘米，直径为4毫米，延伸部外径为7.9毫米的喷枪适于喷镀重量组成比为59∶36∶5、大小为-44+16微米的铜-镍-铟粉料。用来喷镀燃气轮机叶片的燕尾槽，槽长3.8厘米，横截面直径1.7厘米，槽口1.2厘米，镀层厚度可达0.25毫米。横向管与外部管的弧形分离角B（图2）是60°。等离子气是708升/小时（25scfh）的氩气和708升/小时（25scfh）的氖气的混合物;喷枪开始时使用1416升/小时（50scfh）的纯氩气。电弧电流是70伏特400安培。用于冷却剂的功率为输入功率的72%，所以输出功率为7.8千瓦。喷射距离为0.64厘米，载在氩运载气体中的粉料进给速率是1.5千克/小时。获得了燕尾槽的合适的喷镀层，而且喷枪能至少连续操作10小时而端壁不会产生过分侵蚀。

本发明之所以可以喷镀这些狭槽区域，是由于把等离子发生阴-阳极装置从等离子管移开，加上用于冷却剂和粉料的外部管，从而使等离子流的延伸部的直径比以前达到的小得多。喷镀较大的面积区域时，灵活性也有改进。此外，从延伸部端部输入冷却剂提供了最佳的端壁的冷却，本来在那里撞击的等离子流会产生过度的侵蚀的。再者，粉料注入等离子体中的方式也是最佳化的，粉料是从与等离子流成一个斜角的方向注入等离子流中的，对等离子流产生一个注入分力，起到了良好的引导作用把等离子喷射流推向较接近于垂直喷射角的方向。

本发明在上面结合实施例作了详细描述。对熟悉本技术领域的人来说，可以根据本发明作种种改变和变化，但这些改变和变化仍落在本发明的精神实质和后附权利要求的范围以内，因此本发明绝不限于所述的实施例，本发明的范围应以后附权利要求书中所述为准。

Claims (3)

1、一种用于喷镀凹入区域内表面的等离子体喷枪；其特征在于，它由下列部分组成：

一阴极部件；

一个与阴极部件及等离子形成气源协同工作的管状阳极，和一个产生从管状阳极流出的等离子流的电弧电源；

一个细长管状延伸部包括一个其间有一从管状阳极向前延伸的轴向等离子管的管状壁，等离子管终止于管状阳极远端的端壁，管状延伸部还含有一个部分由端壁组成的横向等离子管，使等离子流从管状延伸部横向射击，流体冷却剂通道在管壁内且大致沿轴向等离子管长度延伸；

一个第一外部管在靠近横向管处的前方连接于管状延伸部，此第一管与通道内的流体相联通并从冷却剂源接收冷却剂；

处理装置用来处理来自管状延伸部后端的流体冷却剂；

一个粉料注入器配置于靠近横向管的前方，以把喷粉向后喷入射出的等离子流；以及一个与粉料注入器相连的第二外部管，与那里的粉料流联通并从粉料源接收粉料。

2、根据权利要求1所说的等离子喷枪，其特征在于轴向等离子管有一中心轴，第一外部管从相对于此轴的第一方向连接到管状延伸部，第二外部管从近似与第一方向相同的第二方向连接到粉料注入器，横向管的取向适于使等离子流沿一个围绕轴线与第一和第二方向成一角度隔开布置的第三方向射出。

3、根据权利要求1所说的等离子喷枪，其特征在于第一外部管在横向管前连接于管状延伸部。

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