CN105027684A - 优化的热喷嘴及使用其的方法 - Google Patents

Abstract

用于热喷涂枪的喷嘴、热喷涂枪和优化热喷涂枪的喷嘴的方法。该喷嘴包括中心孔，其包括锥形孔和圆柱形孔。锥形孔由在锥形孔部段中的锥形壁表面界定，圆柱形孔由圆柱形孔部段中的圆柱形壁表面界定，并且锥形孔部段和圆柱形孔部段构造成使得热量从锥形壁去比从圆柱形壁移除的更快。

Description

优化的热喷嘴及使用其的方法

相关申请的交叉引用

本申请是要求2013年1月31日提交的美国临时申请号61/759,071的优先权的国际申请，通过整体引用的方式将该临时申请的公开内容明确地并入本文。

关于联邦资助研究或开发的声明

不适用。

对光盘附件的引用

不适用。

背景技术

用于热喷涂应用中的常规等离子体枪喷嘴（阳极）寿命有限。只要等离子体电压维持在用于适当操作的预定范围内，喷嘴即可运转。然而，由于暴露于等离子体电弧使喷嘴壁退化，等离子体电压会下降，喷嘴的寿命也会缩短。通常地，喷嘴寿命在40小时以下。另外，在枪操作过程中喷嘴壁经受导致电压衰减和电弧不稳定的许多其他状况，例如用于某些喷嘴设计中的钨内衬的破裂。

需要的是使导致电压衰减和电弧不稳定的状况的影响最小化的喷嘴和生产这样的喷嘴的方法。

通常，存在用于控制等离子电弧到喷嘴壁的附着的两个关键特性。例如在美国专利号7,030,336和4,841,114中描述的电荷集中（charge concentration）可用于驱动等离子体电弧到特定位置的附着，所述两个专利的公开内容通过整体引用的方式明确地并入本文。然而，以该方式控制等离子体的附着需要改变枪的几何形状，这会影响用于喷涂多种既有应用的既有等离子体枪的操作条件。

用于控制等离子体电弧附着点的第二特性是喷嘴壁的热状态。经发现，较热的表面和边界状况更能吸引等离子体电弧，而较凉的表面和边界状况对于等离子体电弧吸引较小，例如参见国际公开号PCT/US2012/022897，通过整体引用的方式将该国际公开的公开内容明确地并入本文。如此，以该方式，能够通过应用热管理技术以提供对于等离子体电弧附着的优选壁状况来在电压稳定性和控制电压衰减方面改善枪性能。

迄今为止，对等离子体枪喷嘴的设计主要通过经验数据、特别是关于冷却的经验数据而实现。这些设计已集中于在沿着整个等离子体喷嘴孔的等离子体电弧附着的区域中均匀地提供最大的冷却效果。

发明内容

本发明的实施方式涉及用于热喷涂枪的喷嘴。该喷嘴包括中心孔，其包括锥形孔和圆柱形孔。锥形孔由锥形孔部段中的锥形壁表面界定，圆柱形孔由圆柱形孔部段中的圆柱形壁表面界定，并且锥形孔部段和圆柱形孔部段构造成使得热量从锥形壁移除得比从圆柱形壁更快。

根据实施方式，锥形孔部段和圆柱形孔部段可包括铜。

根据发明的实施方式，圆柱形壁表面和锥形壁表面的至少部分由钨、钼、银或铱中的一种制成。

根据其他实施方式，锥形孔部段的径向厚度可以大于圆柱形孔部段的径向厚度。

另外，喷嘴还可包括多个径向延伸的鳍片（fin），所述鳍片围绕圆柱形孔部段和锥形孔部段的至少部分。鳍片可布置成形成冷却水通道。此外，冷却水通道的基部可以是圆柱形孔部段的外壁表面的径向外侧。替代地或此外地，冷却水通道的基部可以是锥形孔部段的外壁表面的径向外侧。另外，锥形孔部段的外壁表面的至少一部分和圆柱形孔部段的外壁表面的至少一部分可以彼此平行。在实施方式中，围绕至少锥形孔部段的每个鳍片的至少共同部段可以被移除，并且喷嘴还可包括连续的水套，其布置在移除的共同部段中以在至少锥形孔部段上方形成封闭的水通道。连续的水套可包括铜、黄铜、钢或陶瓷中的至少一者。

在另外的实施方式中，锥形孔部段可构造和布置成使得冷却水以比冷却水通过圆柱形孔部段的速率大的速率通过锥形孔部段。

根据发明的其他实施方式，圆柱形孔部段可构造和布置成使得通过圆柱形孔部段的冷却水相对于通过锥形孔部段的冷却水是停滞的。

发明的实施方式涉及热喷涂枪。热喷涂枪包括具有锥形孔和圆柱形孔的喷嘴。喷嘴构造成使得锥形孔的平均表面温度比圆柱形孔的平均表面温度更凉至少约100℃。

根据本发明的实施方式，热喷涂枪可包括冷却水系统以在喷嘴的后部处供应冷却水并在喷嘴的前部处移除冷却水。另外，锥形孔可布置在喷嘴的后部而圆柱形孔布置在喷嘴的前部。替代地或此外地，通道可以在喷嘴的后部中形成以引导冷却水以比在喷嘴的前部处更大的速率穿过喷嘴的后部。另外，喷嘴的前部可以形成为使得围绕圆柱形孔的冷却水充当绝热体。

发明的实施方式涉及冷却在具有锥形孔和圆柱形孔的热喷涂枪喷嘴中的喷嘴的方法。该方法包括将冷却水从喷嘴的后部供应至喷嘴的前部以冷却锥形孔和圆柱形孔的壁表面温度。喷嘴的前部和后部构造成使得热量从锥形孔的壁表面比从圆柱形孔的壁表面移除的更快。

根据实施方式，锥形孔的平均壁表面温度可比圆柱形孔的平均壁表面温度凉至少约100℃。

根据本发明的其他的实施方式，冷却水可以以比冷却水沿围绕圆柱形部段的至少一个表面供应的速率更大的速率沿围绕锥形部段的至少一个表面供应。

发明的实施方式涉及用于等离子体枪的喷嘴。等离子体枪可以例如用于热喷涂应用或者可以例如等离子体火箭、等离子体焰炬或等离子体生成器中。

本发明的其他示例性实施方式和优点可以通过考察本公开和附图而探知。

附图说明

参照指明的多个附图，以本发明的示例性实施方式的非限制性示例的方式，在随后的详细描述中进一步描述本发明，其中在附图的若干个视图中，相同的附图标记代表相似的部件，并且在附图中：

图1示出了用于等离子体喷涂枪的常规设计的喷嘴；

图2示出了用于与等离子体喷涂枪一起使用的喷嘴的实施方式；

图3图形地示出了用于图1描绘的常规的喷嘴的枪电压；

图4示出了用于图2描绘的喷嘴的枪电压；

图5示出了用于与等离子体喷涂枪一起使用的喷嘴的另一实施方式；以及

图6示出了用于与等离子体喷涂枪一起使用的喷嘴的另一实施方式。

具体实施方式

本文示出的详细说明借助于示例的方式并且仅用于示意性讨论本发明的实施方式的目的，并且是为了提供据认为是对本发明的原理和概念性方面最有帮助和最容易理解的描述而呈现的。在这一点上，没有试图展示比对于本发明的根本性理解所必需的细节更加详细的本发明的结构细节，结合附图作出的描述使得本领域技术人员得知在实践中可以如何实施本发明的若干形式。

图1示意了常规的等离子体喷涂枪的前枪体1，其包括常规的等离子体喷嘴2、阴极3和水冷却系统4。常规的等离子体喷涂枪可以是，例如，由苏尔寿美科公司（Sulzer Metco）制造的F4MB-XL或9MB等离子体枪，由先进技术公司（Progressive Technologies）制造的SG100等离子体枪或任何的典型常规的等离子体枪，其例如具有单个阴极和非级联阳极和/或等离子体电弧通道的等离子体枪。等离子体喷嘴2可由具有高热传递特性的材料制成，例如可仅有铜制成或者铜喷嘴可以包括衬套（例如，钨衬套、钼衬套，和高钨合金衬套、银衬套或铱衬套）用以改善性能。通过使电流穿过气体（典型地，例如Ar、N₂、He或H₂以及其混合物）、产生等离子体电弧7而在等离子体喷嘴2中形成等离子体。为了产生电流，将阴极3连接到直流电源的负极侧，并且将充当阳极的喷嘴2连接到正极侧。等离子体喷嘴2包括锥形孔5和圆柱形孔6，阴极3容纳在所述锥形孔5中，离子体电弧7优选地附着在所述圆柱形孔6中。

在初始操作中，离子体电弧7在附着到喷嘴壁之前可沿圆柱形孔6向下行进一定距离，这产生最高的等离子体电压。借助于非限制性的示例，离子体电弧7的初始附着点可以在锥形孔5下游圆柱形孔6的前三分之一和二分之一之间，并且在给定的操作参数下在壁处的等离子体电压优选大于70V。其他参数将取决于气体、硬件几何形状、电流等而导致不同电压。随着喷嘴壁2的表面磨损和退化，离子体电弧7变得进一步向上游吸引直到离子体电弧7最终附着到锥形孔5的壁，此时电压下降得足够多，需要更换等离子体喷嘴2。锥形孔5内的壁是等离子体电弧附着的不期望区域，在给定的操作参数下在所述壁处等离子体电压小于70V。再次地，其他参数将取决于气体、硬件几何形状、电流等而导致不同电压。

为了冷却喷嘴，多个鳍片12从喷嘴2的外周向表面径向延伸。鳍片12还沿喷嘴2的纵向方向延伸以围绕锥形孔5和圆柱形孔6交汇的点，以及锥形孔5的部分（例如，围绕锥形孔5的长度的约二分之一）和圆柱形部分6（例如，围绕电弧附着区域）。当设置有钨衬套时，鳍片12可布置成例如从在锥形孔5中形成壁的一部分的衬套的开端延伸到围绕圆柱形孔6的预定的电弧附着区域的末端。

由于操作等离子体枪导致极高的温度，例如在喷嘴孔中峰值平均壁温度为700-800°K，因此水冷却系统4布置成利用循环水来冷却喷嘴2。水冷却系统4包括水冷却路径8，其从枪体的后部进入，在离开之前绕着喷嘴2的外周向并穿过冷却鳍片12而引导。特别地，水冷却系统8具有至少一个水入口9以将冷却水从供给供应到喷嘴2的外周向并具有至少一个水出口10，穿过水出口10冷却喷嘴2的外周向的水离开并返回到供给。水入口9供应冷却水以接触围绕锥形孔5的一部分的喷嘴2的外周向表面11。然后，冷却水被引导穿过鳍片12以接触并冷却周向，鳍片12位于所述周向中，并且冷却水然后进入一区域以接触并冷却围绕圆柱形孔6的一部分的周向表面13。冷却水通常以在10℃和22℃之间、并且优选在16℃和18°之间的温度供应，以便实现25-35°K的温度上升。

随着图1描绘的等离子体枪的正常操作，由于喷嘴壁经由电荷集中在阳极附着的条件下变得磨损和带有凹痕，等离子体电压将衰减。随着时间推移，这些吸引力将不利地驱动电弧进入锥形部段，导致指示了喷嘴使用寿命终结的电压衰减。

发明的实施方式寻求通过经由热动态影响控制等离子体电弧附着区域来延长喷嘴的寿命。实施方式利用上述行为通过控制喷嘴的壁温度来操控等离子体电弧。特别地，实施方式部分地基于这样的发现，即较热的表面提供用于等离子体电弧附着的传导位置，而较冷的表面倾向于对等离子体电弧吸引较小。

基于从运行等离子体枪的计算流体动力学（CFD）模型获得的知识，发明人已经发现对于大多数等离子体枪来说，等离子体电弧附着的区域（即，锥形孔的前半部和圆柱形孔的后半部）中的平均壁温度是相对均匀的，例如约50℃的差异或者更小。由于常规的等离子体喷嘴主要由铜构造，铜具有良好的导热性，所以这个发现并不令人吃惊。然而，发明人发现，根据发明的实施方式，可以通过沿着孔（即，从锥形孔的后部部段中的孔壁到圆柱形孔的前部段的孔壁）产生平均温度的热差异的方式冷却喷嘴来获得优点，其中热差异例如大于50℃、大于约75℃、至少约100℃、以及甚至大于约200℃和/或在 75℃和225℃之间的范围内，以及优选在100℃和200℃之间。

根据发明人的热管理的实施方式构造的喷嘴2’的实施方式描绘于图2中。尽管喷嘴2’在结构上与喷嘴2不同，但是使用喷嘴2’替代在常规的等离子体枪中的喷嘴2不改变等离子体枪的工作特性，除了在某种程度上相比于喷嘴2喷嘴2’使喷嘴寿命增加。在示出的实施方式中，喷嘴2’以将锥形孔5相对于圆柱形孔6保持更凉的方式而构造。根据此示例性的实施方式，如在常规的喷嘴设计中的，等离子体电弧7优选附着在圆柱形孔6的后端，例如该孔的后三分之一到二分之一，并且保持在该处尽可能长的时间。

喷嘴2’构造成围绕锥形孔5堆积（build up）铜材料，以使得铜的增加的高热质量围绕锥形孔5以将热量从锥形孔5的壁抽去或传导出去。另外，由于围绕锥形孔5的铜量增加，围绕锥形孔5的外周向表面11’可构造成与圆柱形孔6同轴，以使得绕着锥形孔5的水路径或通道的横截面积相应地减小。该路径或通道的减小导致流经围绕锥形孔5的路径或通道的水的速率增大，从而实现对锥形孔5的壁的最优的冷却。

在锥形孔5与圆柱形孔6交汇的膝部或点的区域中，喷嘴2’构造成使得冷却布置发生进一步的改变。相比于常规的喷嘴2，具有鳍片12’的区域14仅在纵向方向上从围绕锥形孔5的部分的增大的铜部分（或者从钨衬套的开端）延伸到一点，取决于喷嘴2’和等离子体电弧的热动态，该点在锥形孔5与圆柱形孔6交汇的点处、正好在锥形孔5与圆柱形孔6交汇的点之前或者正好超过锥形孔5与圆柱形孔6交汇的点。然而，不是如在喷嘴2中从圆柱形孔6的外周向表面径向地延伸，铜材料也在区域14中堆积以形成至少与周向表面11’的径向堆积交汇并且优选地超过周向表面11’的径向堆积的周向表面15。如在图2中还示出的，鳍片12’可以布置成从铜堆积的周向表面15径向延伸，以使得引导到围绕锥形孔5的减小的通道中的水在鳍片12’之间引导，并优选地向上引导到周向表面15，然后在鳍片12’之间引导。另外，尽管鳍片12’可以径向地延伸到等离子体枪中孔的表面以接纳喷嘴2’，然而将鳍片12’构造成在径向上比喷嘴2中的鳍片12更短可能是有利的，这样，随着穿过水入口8进入的冷却水在围绕锥形孔5的通道中增加其速率，冷却水可以在鳍片12’之间并在鳍片12’上流动并进入围绕圆柱形孔6的剩余区域中的宽的水出口凹槽16中。

由于冷却水的速率随着冷却水进入较大几何形状的宽的水出口凹槽16而变慢，该区域可成为些许停滞水区。另外，由于水实际上是良好的绝热体，因此喷嘴壁中和/或绕着钨衬套的铜量应当足够允许热量穿过铜并远离“即时的”等离子体电弧7的附着点横向地行进，以便防止铜和/或钨的熔化。然而，由于水的绝热效果并且由于在圆柱形孔6上方冷却水变得些许停滞，因此，如果需要，通过进一步减少包括圆柱形孔6的喷嘴部分的壁厚度——即通过减少围绕圆柱形孔6的铜量，可以进一步降低归因于冷却水的在等离子体电弧附着的区域处的壁表面上的热量减少。以这种方式，可以增加锥形孔壁和圆柱形孔壁之间的温度差。以非限制性的示例来说，结合的铜壁和钨衬套的减少的壁厚度可以约2-3mm，然而铜单独的壁的壁厚度至少是3m。唯一的限制因素是当水接触水出口凹槽16中喷嘴的铜壁表面时取决于诸如水压和温度的因素，水沸腾的可能性。

根据实施方式，在工作中，在锥形孔5的壁表面和圆柱形孔6的壁表面之间的平均温度差可以大于50℃、大于约75℃、至少约100℃、以及甚至大于约200℃，并且所述平均温度差可以在 75℃和225℃之间的范围内，并且优选地在100℃和200℃之间。在图2的示例性实施方式中，在操作中，喷嘴2’可以在锥形孔5的壁表面和圆柱形孔6的壁表面之间取得至少约100℃的平均温度差。因此，通过在锥形孔5上的铜堆积而增加的热量耗散和通过围绕锥形孔5的冷却通道的减小的几何形状而增加的冷却水的速率的结合导致锥形孔5的区域中冷却增强。由于冷却水接着被引导进入宽的水出口凹槽中以充当绕着圆柱形孔6的绝热体，热量耗散有意地不与锥形孔5的区域中的冷却相称，从而在锥形孔5和圆柱形孔6之间产生需要的温度差。另外，如果减小围绕圆柱形孔6的铜壁厚度，则穿过铜壁的热量耗散被减少以增大圆柱形孔6中的温度并增大所述温度差。

在操作具有喷嘴2’的等离子体枪时，相比于使用常规的喷嘴2的所述等离子体枪，就电压衰减方面来说可以产生硬件寿命平均增加50%。还发现的是，电压不稳定性（峰-峰）基本不变。该结果图形地示出在图3和4中，图3和4分别示出了在操作两小时后常规的喷嘴2随着时间推移的等离子体电压和喷嘴2’随着时间推移的等离子体电压。图3示出+/-0.22的标准差而图3示出+/-0.23的标准差。考察若干示例的这些图形结果揭示：相比于喷嘴2，喷嘴2’的标准差保持恒定的时间段更长。

因此，明显的是常规的等离子体枪中的喷嘴2’不影响等离子体枪的整体操作行为，但是确实延长了等离子体电弧将驻留在圆柱形孔内的时间量，从而增大了喷嘴的使用寿命。

在另一实施方式中，如图5中示出的喷嘴2’’构造成使锥形孔5和圆柱形孔6之间的热状态差异最大化。尽管喷嘴2’’在结构上与喷嘴2不同，使用喷嘴2’’替代在常规的等离子体枪中的喷嘴2不改变等离子体枪的工作特性，除了某种程度上与喷嘴2相比喷嘴2’’使喷嘴寿命增加。喷嘴2’’包括铜材料20的堆积，以使得铜的增加的高热质量围绕锥形孔5以将热量从锥形孔5的壁抽去或传导出去。特别地，将铜堆积设置成径向地围绕锥形孔5到这样的程度，即外（并且优选圆柱形的）周向表面22和23大体对应于枪孔的几何形状，所述喷嘴2’’待接纳到所述枪孔中。另外，在围绕锥形孔5的堆积的铜量中形成冷却通道24以与一个或多个径向的冷却通道25连通。冷却通道24斜对地定向以从水入口8延伸到刚好在锥形孔5与圆柱形孔6交汇的点处的钨衬套径向上方的位置。

喷嘴2’’另外包括圆形壁26，其从圆柱形孔6的外周向表面13延伸到圆柱形部段27，该圆柱形部段27构造成在圆柱形部段27的径向外表面和等离子体枪的枪孔之间限定冷却通道28。另外，圆形壁26部分地限定一个或多个径向的冷却通道25，该冷却通道25布置成与刚好位于锥形孔5与圆柱形孔6交汇的点处的钨衬套径向上方的冷却通道24的末端连通并从该末端径向向外地延伸。

冷却通道24的尺寸可确定成增加在水出口处（在图5中未示出）冷却水的速率，其常规地在小于1-2米/秒的范围内到约10-15米/秒的范围内。另外，径向通道25的尺寸可确定成稍微大于冷却通道24，以在水被引导穿过冷却通道28并在圆柱体表面27上方时开始减小冷却水速率。在圆柱体27上引导的冷却水收集在宽的水出口凹槽16中，所述宽的水出口凹槽16可理解成围绕圆柱形孔6的周向壁13的停滞水区。另外，由于用于实现高冷却水速率的较高压降，在堆积的铜的周向表面23处插入至少一个密封元件（例如，O型环）是有利的，以便防止冷却水绕过冷却通道24。

穿过冷却通道24和25的冷却水的增加的速率结合铜的堆积增加了锥形孔5中的冷却效果，而在宽的水出口凹槽16的停滞水区中收集的水的绝热效果不实现相同的冷却效果，这样，实现了在锥形孔5和圆柱形孔6之间期望的温度差的有益效果。

在图6示出的另外的实施方式中，喷嘴2’’’大致类似于常规的喷嘴，除了加入了连续的水套以增大在围绕锥形孔5的区域中的冷却水速率。另外，尽管喷嘴2’’’在结构上与喷嘴2不同，但是使用喷嘴2’’’替代在常规的等离子体枪中的喷嘴2不改变等离子体枪的工作特性，除了某种程度上与喷嘴2相比喷嘴2’’’使喷嘴寿命增加。

如同喷嘴2，喷嘴2’’’也具有多个径向延伸的鳍片12’’。鳍片12’’也在喷嘴2的纵向方向上延伸以围绕锥形孔5与圆柱形孔6交汇的点以及锥形孔5和圆柱形孔6的部分，以便由鳍片12’’围绕电弧附着区域。当设置有钨衬套时，鳍片12可布置成从形成在锥形孔5中的壁的一部分的衬套的开端延伸到围绕圆柱形孔6的预定的电弧附着区域的末端。然而，相对于喷嘴2的鳍片12，从鳍片12’’中移除了纵向后部且径向外部段，例如矩形的部段。可以在鳍片12’’的经移除的部段中布置铜、黄铜、钢、其他适当的金属或陶瓷的连续水套，以至少围绕锥形孔5与圆柱形孔6交汇的点以及锥形孔5的至少一部分。当设置有钨衬套时，水套30可布置成从形成在锥形孔5中的壁的一部分的衬套的开端延伸到纵向超过锥形孔5与圆柱形孔6交汇的点的点。

根据该结构，在鳍片12’’之间大体V形的通道在径向方向上缩减，以在水套30下方形成几何形状减小的大体V形的水冷却通道31。作为结果，冷却通道31的尺寸可确定成增加在水出口8处的冷却水的速率，其常规地在小于1-2米/秒的范围内到约5米/秒的范围内。另外，由于冷却通道31在冷却水通过水套30后径向地向上打开，因此减小了冷却水速率，并且然后当冷却水被到引导到围绕圆柱形孔6的等离子体电弧附着区域下游的部分的宽的水出口凹槽16’中时，冷却水速率进一步减小。另外，在水套30的外周向表面处插入至少一个密封元件（例如，O型环）是有利的，以便防止冷却水绕过冷却通道31。

这样，根据此实施方式，喷嘴2’’’将水流集中在喷嘴的后部部段以相对于围绕圆柱形孔6的前部部段增加围绕锥形孔5的区域中的冷却。

另外，在操作具有喷嘴2’’’的通常的等离子体枪时，相比于使用喷嘴2’的所述等离子体枪，就电压衰减来说产生了硬件寿命增加的几乎相同的结果。

在公开的实施方式中，钨衬套的成分可包括任何掺杂的钨材料，其包括但不限于敷钍钨、 镧钨、铈钨等。其他衬套材料成分可包括高钨合金（例如CMW 3970）、钼、银和铱。已经在某种程度上成功利用了钼和CMW 3970，而当前成本些许过高的银和铱也可考虑为用于发明的实施方式的适当材料。

由于在过去已知钨衬套材料会破裂或断裂（并且因此降低硬件寿命），其他材料可以在这一点上提供某些改善。这些材料应当优选具有如下性质。它们应当比钨更具延展性并且抗断裂，尤其是在高热负荷和高温度梯度下。它们还应当具有类似于或接近于钨的熔点的高熔点。并且，当熔点较低时，它们应当具有足够高的导热性以对具有比钨低的较低熔点进行补偿。潜在的材料包括纯金属，例如银、铱和钼，因为它们具有许多上面指出的期望的性质。尽管如上指出的，银和铱目前可论证地对于实际应用来说过于昂贵，但是钼是可以承受的。其他选择包括具有少量铁或镍的钨合金，因为它们具有可接受的性质。优选地，这些材料包括至少90%的原生金属，在钨合金的情况下原生金属即钨。为了选取材料，人们可以画出温度差相对于热导率的图并确定哪个有可能经受与等离子体电弧的直接接触。该温度差优选是熔点和平均等离子体温度（约9000K）之间的差以及至少融化温度的倒数。当这对于上面讨论的金属执行时，即钼、铱、钨、铜和银最接近具有许多需要的属性，尽管在延展性、易受热冲击影响和容易破裂方面存在显著差异。优选的材料包括钨和钼以及它们的合金，比如包含约2.1%镍和约0.9%铁的钨。其他钨合金包括具有较高量的镍和铜、但具有较低熔点和导热率的钨合金，以及具有较低量的镍和铜、但具有较高延展性的钨合金，具有较高的熔点和导热率但较低的延展性的钨合金。可以与钨形成合金的其他材料包括锇、铑、钴和铬。这些金属具有足够高的熔点和高的导热率，使得它们可以与钨形成合金并用于喷嘴衬套材料中。发明人已经测试并在喷嘴衬套中使用了商业等级的钼和具有2.1%镍和0.9%铁的钨合金，并且已经将它们与纯铜喷嘴进行了比较。

应当理解的是，尽管不同的常规的等离子体喷涂枪可利用具有与本未决公开中描述的喷嘴尺寸不同的喷嘴，然而，应当理解的是，在没有偏离用于本发明的在喷嘴的后部部段中的锥形孔和喷嘴的前部部段中的圆柱形孔之间形成或产生期望的表面温度差所描述的实施方式的精神和范围的情况下，可以从上述公开中确定的喷嘴尺寸对喷嘴的尺寸进行改变或修改。

另外，除了描述在喷嘴的后部部段中的锥形孔和喷嘴的前部部段中的圆柱形孔之间形成或产生表面温度差的特定喷嘴结构和布置的前述实施方式之外，可以设想在不偏离发明的实施方式的精神和范围的条件下可以以其他方式形成或产生该表面温度差。借助于非限制性的示例，喷嘴的实施方式可使用替代材料或层，其充当热障。就这点上，热障可以布置成控制导热率，以使得后部部段的导热率比前部部段更低。在其他实施方式中，减小后部部段中钨衬套的厚度并使得后部部段壁变薄以允许更多的热量传递到铜。

还应当理解的是，对于每个所描述的实施方式，通过减少喷嘴出口附近的喷嘴壁温度可以获得附加的改善，这将相应地限制电弧移动，特别是在高气体流量下，其中等离子体电弧倾向于在孔中进一步向下游行进并可能附着到喷嘴的前部。

应当注意的是，前述示例仅出于解释目的而提供而并不以任何方式解释为是对本发明的限制。尽管已经结合示例性实施方式对本发明进行了描述，然而应当理解的是在本文中使用的字词是描述性和示意性的字词，而非限制性的字词。在没有脱离本发明各个方面的范围和精神的条件下，如呈现的和修改的，在所附的权利要求书的范围内，可以做出改变。尽管本文已经结合特定的机构、材料和实施方式对本发明进行了描述，但是本发明并不意图限制于本文所公开的具体描述；而是，本发明延伸到例如在所附的权利要求书的范围内的所有功能上等效的结构、方法和使用。

Claims (20)

1.一种用于热喷涂枪的喷嘴，包括：

中心孔，其包括锥形孔和圆柱形孔；

所述锥形孔由在锥形孔部段中的锥形壁表面界定；

所述圆柱形孔由在圆柱形孔部段中的圆柱形壁表面界定；以及

所述锥形孔部段和所述圆柱形孔部段构造成使得热量从所述锥形壁比从所述圆柱形壁移除的更快。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述锥形孔部段和所述圆柱形孔部段包括铜。

3.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述圆柱形壁表面和所述锥形壁表面的至少一部分由钨、钼、银或铱中的一者制成。

4.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述锥形孔部段的径向厚度大于所述圆柱形孔部段的径向厚度。

5.根据权利要求1所述的喷嘴，还包括多个径向延伸的鳍片，所述鳍片围绕所述圆柱形孔部段和所述锥形孔部段的至少一部分，所述鳍片布置成形成冷却水通道。

6.根据权利要求5所述的喷嘴，其中，所述冷却水通道的基部是所述圆柱形孔部段的外壁表面的径向外侧。

7.根据权利要求5所述的喷嘴，其中，所述冷却水通道的基部是所述锥形孔部段的外壁表面的径向外侧。

8.根据权利要求5所述的喷嘴，其中，所述锥形孔部段的外壁表面的至少一部分和所述圆柱形孔部段的外壁表面的至少一部分彼此平行。

9.根据权利要求5所述的喷嘴，其中，围绕至少所述锥形孔部段的每个鳍片的至少共同部段被移除，并且所述喷嘴还包括连续的水套，其布置在所述移除的共同部段中以在至少所述锥形孔部段上方形成封闭的水通道。

10.根据权利要求9所述的喷嘴，其中，所述连续的水套包括铜、黄铜、钢或陶瓷中的至少一者。

11.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述锥形孔部段构造和布置成使得冷却水以比冷却水通过所述圆柱形孔部段的速率更大的速率通过所述锥形孔部段。

12.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述圆柱形孔部段构造和布置成使得通过所述圆柱形孔部段的所述冷却水相对于通过所述锥形孔部段的所述冷却水是停滞的。

13.一种热喷涂枪，包括：

喷嘴，其具有锥形孔和圆柱形孔，

其中，所述喷嘴构造成使得所述锥形孔的平均表面温度比所述圆柱形孔的平均表面温度凉至少约100℃。

14.根据权利要求13所述的热喷涂枪，还包括冷却水系统以在所述喷嘴的后部处供应冷却水并在所述喷嘴的前部处移除所述冷却水。

15.根据权利要求14所述的热喷涂枪，其中，所述锥形孔布置在所述喷嘴的后部并且所述圆柱形孔布置在所述喷嘴的前部。

16.根据权利要求14所述的热喷涂枪，其中，在所述喷嘴的后部中形成通道以引导所述冷却水以比在所述喷嘴的前部处大的速率穿过所述喷嘴的所述后部。

17.根据权利要求14所述的热喷涂枪，其中，所述喷嘴的所述前部形成为使得围绕所述圆柱形孔的所述冷却水充当绝热体。

18.一种冷却在具有锥形孔和圆柱形孔的热喷涂枪喷嘴中的喷嘴的方法，包括：

将冷却水从所述喷嘴的后部供应至所述喷嘴的前部以冷却所述锥形孔和所述圆柱形孔的壁表面温度，

其中，所述喷嘴的所述前部和所述后部构造成使得热量从所述锥形孔的壁表面去比从所述圆柱形孔的壁表面移除的更快。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述锥形孔的平均壁表面温度比所述圆柱形孔的平均壁表面温度更凉至少约100℃。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述冷却水以比所述冷却水沿围绕所述圆柱形部段的至少一个表面供应的速率更大的速率沿围绕所述锥形部段的至少一个表面供应。