CN1058912C - 等离子体弧喷枪 - Google Patents

Abstract

一种和现有技术中喷枪相比具有较高的沉积效率和较长的阳极和阴极寿命的改进的等离子体弧喷枪。本发明的喷枪包括一由玻璃纤维加强的“托伦”(TORLON)材料制成的壳体，从而可在所有操作条件下保持尺寸稳定。本发明喷枪的阴极尖端位于阳极内适当的位置，以使电弧接触点沿阳极内一圆环线连续移动，从而减小了阳极的磨损。改善的气体动态冷却了阴极尖端，从而增加了阴极的使用寿命。

Description

等离子体弧喷枪

本发明涉及热喷镀，特别涉及一种用于将金属和陶瓷颗粒喷镀到基底上的改进的喷枪。

已发展了各种用于涂镀由第一材料制成并带有一层不同材料的基底的设备。这种设备包括等离子体弧喷枪，其中由等离子体流带入加热和加速细粒状物质。将等离子体流导向基底，从而在基底上沿积涂层颗粒。等离子体流通常是由电弧产生的。等离子体流可具有亚音速或超音速的速度。现有技术中典型的等离子体弧喷枪见美国专利3,740,522；3,823,302；和4,127,760。

威斯康星州阿普莱顿的米勒热公司(Mivler Themal lne.ofApldeton，Wisconsin)制造并向市场推入了一种型号为SG-100的商用等离子体喷枪。在图1和图2中，标号1为米勒公司生产的一种典型的SG-100型亚音速等离子体弧喷枪。等离子体弧喷枪1包括一后壳体3，一中心壳体5和一前壳体7。后壳体3，中心壳体5和前壳体7通常为管形并具有共同的纵轴线9。可通过中心壳体中的纵向延伸的孔11和后壳体中的配合螺纹(图中未示)以及前壳体中的开出的对应孔(图中亦未示出)用合适的螺杆(图中未示出)将后壳体，中心壳体和前壳体连接起来。用一穿过前盖13中的对应孔15的螺杆(图中未示出)将前盖13连接到前壳体上。

等离子体弧喷枪1的后壳体3和中心壳体5内置有一阴极支承件16，其后端形成一装配部19。阴极支承件16的外径周围有一槽30，它与中心壳体的内表面配合形成一圆周方向的通道31。阴极支承件16的前端23上开有一孔以接纳阴极组件25。阴极组件25包括一尖端29和一装配部106。装配部106的外表面107和相邻的尖端29的外表面98之间形成一明显的阶梯104。

位于等离子体弧喷枪1的中心壳体5和前壳体7内的是一管形阴板33。阴极33的纵轴线与轴线9同轴。阳极的内部分为三个部分。内前部35具有圆柱形内表面36。内中部37具有一截头圆锥形内表面38，其具有第一夹角。内后部39具有一截头圆锥形内表面，该内表面具有一小于第一夹角的第二夹角。阴极组件25的尖端29的尺寸和相对于阳极33的位置使得其端部40非常靠近阳极内前部35和内中部37的连接处44。两个径向孔41从内前部35穿过阳极。

阴极支承件16的前端23和阳极33的后端45夹着一喷射器环47。该喷射器环47的外径与中心壳体5的内表面配合形成一环形通道53。穿过喷射器环的孔55连通环形通道53和位于喷射器环内径59和阴极组件25的外表面107之间的环形空间57。孔55的轴向中心线通常与喷射器环内径59正切。位于阳极33后端45的内后部39的内表面42的直径大于喷射器环47的内径59。因此，在阳极的内表面42和喷射器环的内径59之间存在一阶梯69。

后壳体3中的一适当的孔(图中未示出)与中心壳体5中的孔58和环形通道53相连。一图中未示出的附件与后壳体中的孔相连。该附件与初始气体源相连。向附件供应初始气体使该气体环形通道53，通过孔55流入环形空间57。由于喷射器环47中孔55的正线性，初始气体以一角速度进入环形空间57。初始气体从环形空间流过围绕阴极组件25的尖端29的阳极内部39和37，穿过阳极内前部35，并通过前盖13中的孔60流出等离子体弧喷枪1。初始气体的循环速度在阳极内部产生涡流。

一附件62与前壳体7中的径向孔64相连。通过前壳体孔64和阳极33中径向孔41之一由附件62向阳极内前部35中供入陶瓷或金属粉末。当气体流过阳极内部35时，将粉末带入气体流中。阴极支承件16的附件19与一冷却水槽相连。第二冷却水附件61焊接入前壳体7中的一口66。前壳体中的图中未示出的合适的内通道将口66与中心壳体5中的通道63和65相连。中心壳体通道65与环形通道31和阴极支承件16中的另一个通道67相连。通道67导致一附件19中的出口68。这样，供入附件61的冷却水穿过各个内部通道66、63、65、31、67和68以冷却等离子体弧喷枪1。

阴极支承件16的附件19和冷却水附件61也用作电缆(图中未示出)的连接件。当通过附件向等离子体弧喷枪1供应电能时，在阴极组件25的尖端29的端部40和阳极33之间产生电弧。理想地电弧与阳极的接触点在初始气体涡流的角速度的推动下绕阳极内部圆周方向移动。电弧加热流过阴极尖端的初始气体，而产生一等离子体流。等离子体流加热通过附件62进入阳极内前部35的粉末，并使粉末加速喷出等离子体弧喷枪1而从已知的方式沉积到基底上。典型地，等离子体弧喷枪的沉积效率为50％。

已有的亚音速等离子体弧喷枪1已用于商业用途多年并提供了无数小时的满意的服务。另一方面，它们也正在改进。特别需要提高现在可获得的沉积效率。

此外，在某些操作条件下，阴极组件25的尖端29和阳极33之间的电弧趋于锁在阳极内的一个特定点上，而不是围绕阳极同部圆周方向连续地移动。静止电弧使阴极表面凹陷。其结果影响了等离子体弧喷枪1的性能，使得阳极必须更换。已有阳极的典型使用寿命为大约40小时，因而需要增加阳极的使用寿命。

某此现有的等离子体弧喷枪的一个缺点涉及中央壳体，例如等离子体弧喷枪1的中央壳体5。中央壳体总是由电绝缘材料制成。在某些情况下，材料的尺寸将变得不稳定。大气湿度和冷却水除了其它影响外；能在操作过程中引起中央壳体的尺寸改变。其结果，应该只通过环形空间57和喷射器环47中的孔55进入阳极内部39的初始气体，实际上通过喷射器环和阳极33的后端45以及阴极支承件16的前端23之间的连接处泄漏。结果是从等离子体弧喷枪的出口孔60喷出不稳定的等离子体流。不稳定的等离子体流对喷镀工艺产生不利的影响。

根据本发明，提供一种具有比现有技术喷枪高的质量结构和操作特性的等离子体弧喷枪。这是通过包括对稳定的绝缘部件和长时间耐磨损的电极的装置实现的。

本发明的等离子体弧喷枪包括一前壳体、一中央壳体和一后壳体。这三个壳体相互连接形成一刚性结构。壳体内有阴极支承件、阴极组件、喷射器环和阳极。流过喷射器环和阳极并穿过阴极组件的初始气体由在阴极组件和阳极间延伸的电弧加热成等离子体流。引入阳极内部的等离子体流中的粉末状陶瓷或金属材料被带入等离子体流以喷镀到基底上。

本发明的一个方面涉及用于中央壳体的玻璃纤维加强的“托伦”(TORLON)材料的使用。这种材料为电绝缘体，并实际上透不过湿气和其它常压的气体。因而，绝缘的中央壳体在所有操作条件下具有尺寸稳定性，从而利于高质量等离子体喷镀。

在本发明的用于亚音速等离子体弧喷枪的制品，包括一管形阳极，该阳极具有前后端，一外表面，一内部和一纵轴线，阳极内部制成前、第二，中，第四和后部段，前和中内部段分别具有圆柱形内表面，第二，第四和后内部段分别具有截头圆锥形内表面，该阳极具有沿纵向轴线在其前后端之间的总的纵向长度；阳极前内部段沿阳极纵向轴线的长度为阳极总长度的大约15-25％；阳极第二内部段沿阳极纵向轴线的长度为阳极总长度的大约5-10％；阳极中内部段沿纵向轴线的长度为阳极总长度的大约35-45％；阳极第四内部段沿纵向轴线的长度大约为阳极总长度的55-10％，阳极后内部段沿纵向轴线的长度大约为阳极总长度的25-35％，阳极后内部段的截头圆锥形内表面具有一第一夹角；阳极第四内部段的截头圆锥形内表面具有一第二夹角，该夹角大约比第一夹角大2-3倍；阳极第二内部段的截头圆锥形内表面具有一第三夹角，该夹角大约比第二夹角大2-4倍，一具有与阳极纵轴线同轴的纵向轴线的阳极支承件，和一个支承在阴极支承件内的阴极组件，该阴极组件包括一端位于阳极内部段中部的尖端。

在亚音速等离子体弧喷枪操作过程中，初始气体的流动具有涡流，并且气体在存在于阴极组件尖端和阳极之间的电弧上施加一下游力。这种涡流初始气体的力使弧延伸并在阳极的前内部段和第二内部段的连接处的环形线处附着到阳极上。

本发明的阳极的五段内部段的突出优点在于由于粉末颗粒可在等离子体流中停留较长时间，因而可大大地提高等离子体弧喷枪的沉积效率。中一个提高沉积效率的因素是阴极组件尖端位于阳极内部。其结果是在任何一种操作条件下，本发明的等离子体弧喷枪的沉积效率都可比现有技术的喷枪的沉积效率至少提高15％。同时，本发明的阳极的使用寿命大约为现有技术中阳极使用寿命的三倍。

在本发明的一个修改例中，等离子体流的速度接近超音速，阳极具有三个内部段：一具有截头圆锥形内表面的中段，和分别具有圆柱形内表面的前和后内部段。阴极组件的尖端仔细地位于阳极之内。

另外根据本发明，流过高速音速等离子体弧喷枪的初始气体的气体动力大大提高。为此，设计消除阴极组件外表面上所有的突然的阶梯。此外，阴极后内部段的内径和喷射器环内径之间的阶梯被消除。其结果为一用于初始气体的流线形的环形通道，该初始气体被引入并具有一正切向速度分量。初始气体以层流从喷射器环流束，并以受控制的涡流流过阴极组件尖端。

电弧接触点总是围绕由阴极前和中内部段的圆柱形和截头圆锥形内表面的连接处形成的环形线移动。这样，阳极的分子腐蚀沿环形线分布而不是集中于一点或数点。其结果与现有技术的阳极相比，大大提高了阳极的寿命。

本发明的阴极相对阴极组件尖端的位置以及供初始气体流过的流线形环形通道一起将产生一高速亚音速等离子体弧喷枪，它可先有的高速亚音速喷枪相比具有大大改善了的操作特性。具体地说，阳极的寿命大约为现有技术中阴极使用寿命的三倍。同时，沉积效率提高了。另一个改进为更加流线形的初始气体气流以一种改进的方式冷却阴极组件尖端，从而阴极组件的寿命也提高了。

本发明的高速亚音速等离子体弧喷枪采用和低速喷枪同样稳定的用于中央壳体的材料。因而，由低速喷枪所获得的在所有操作条件下的稳定的等离子体流的有益的结果同样也可由高速等离子体弧喷枪所获得。

本发明的等离子体喷枪以与现有的喷枪相比增加的沉积效率而将涂层热喷镀到基底上。同时，本发明的等离子体喷枪在所有操作条件下均具有尺寸稳定性并包含具有增加了的使用寿命的部件。

通过下面对本发明的详细描述，对本领域的技术人员来说本发明的其它优点，益处和特征将变得明显。

图1为一种典型的等离子体弧喷枪的前视图；

图2为一现有技术的亚音等离子体弧喷枪的纵截面图；

图3为根据本发明的速度相对较低的亚音速等离子体弧喷枪的纵截面图；

图4为根据本发明的高速亚音速等离子体弧喷枪的纵截面图；

图5为根据本发明的修改的高速亚音速等离子体弧喷枪的部分纵截面图。

尽管下面的描述详细和精确到使本领域的技术人员能够实施本发明，但这里公开的体现具体结构的实施例仅起举例说明本发明的作用。本发明的范围由所附权利要求限定。

参见图3，图中示出一包括本发明的亚音速等离子体弧喷枪。喷枪119特别用于将陶瓷和金属颗粒热喷镀到基底(图中未示)上。然而，应理解本发明并不限于材料进行涂镀的应用。

喷枪119的外表通常与前面图1和2中所描述的等离子体弧喷枪相同。喷枪119包括一前壳体3′，一中央壳体121和一后壳体7′。这三个壳体3′，121、和7′通常为管形并具有各自的纵轴线。这三个壳体首尾相连以具有共同的纵轴线9′。可用图中未示的螺杆将这三个壳体相连，这些螺杆的头部位于前壳体中的相应孔中，并穿过中间壳体中的孔(1′)旋入后壳体中开出的螺纹孔中。

壳体3′，121和7′内为阴极支承件125喷射器环47′和阳极127。阴极支承件125保留在后壳体7′和中央壳体121的内部。阴极支承件具有一前端23′，其后端制成一中空螺纹装配件123。一阴极组件130通过一螺杆128旋入阴极支承件的前端23′。该阴极组件130包括尖端129。

阳极127保留在前壳体3′和中央壳体121内。阳极通常为管形，并具有前端131和后端133。

喷射器环47′尖在阳极127的后端133和阴极支承件125的前端23′之间。喷射器环的外径和中央壳体121的内表面的一部分共同形成一环形通道53′。中央壳体中的通道58′连通环形通道53′和后壳体7′中的配合通道136。一气体附件(图中未示出)旋入该后壳体通道136中。该气体附件与一惰性气体例如氩气或氦气源相连。一系列孔55′延伸穿过喷射器环。孔155′通常相对喷射器环的内直径59为径向。

一颗粒涂层材料源与前壳体3′中的口64′相连。口64′通过适当密封与阳极127中的径向孔132。孔132延伸至阳极的内部。

前盖13′由穿过相对的孔15′的螺钉(图中未示)固定到前壳体3′中。前盖13′具有一中心通孔60′。

等离子体弧喷枪119包括若干条相互连通的内通道以供冷却水流过。冷却水通过一径向口66′进入前壳体3′并通过阳极127中未出的适当的纵向通道流至盖13′中的环形槽134。盖槽134亦通过阳极中的其它通道与中央壳体121中的通道63′和65′相连。中央壳体通道65′通过一环形通道31′与阳极支承件125中的通道67相连。通道67与中空配件123中的出口通道68相通。这样，通过口66′进入喷枪中的冷却水连续流过喷枪的内部，并流出阴极支承件的出口通道68′。

根据本发明，阳极127的内部由五组成。一前段135具有圆柱形内表面137。一第二内部段139具有截头圆锥形内表面141，该内表面的顶点指向第一内部段135。前内部段的圆柱形内表面137和第二内部段的截头圆锥形内表面141相交成第一环形线142。具有一带圆柱形内表面145的中内部段。中内部段143的圆柱形内表面145与第二内部段139的截头圆锥形内表面141相交成一第二圆环线146。一第四内部段147具有一截头圆锥形内表面149，以及一后内部段151具有一截头圆锥形内表面153。中内部段143的圆柱形内表面145与第四内部段147的截头圆锥形内表面相交形成第三圆环线152。

阳极内部段135，139，143，147和151的比例对于等离子体弧喷枪119的正常工作非常重要。考虑到阳极127沿轴线9′的纵向长度，第一段135的长度约为阳极总长度的15-25％，第二段139的长度约为总长度的5-10％，而中段第四段及后段的长度分别约为总长度的35-45％，5-10％，以及25-35％。同样地，各截头圆锥内表面141，149和153的相对夹角也很重要。具体地说，截头圆锥形表面141的夹角比截头圆锥形表面149的夹角大约大2至4倍。接下来，截头圆锥形内表面149的夹角比阳极后内部段151的截头圆锥形内表面大约大2-3倍。

为获得亚音速等离子体弧喷枪119的意料不到的高的性能，必须仔细控制阴极组件130和阳极127的相对位置。阴极组件尖端129伸入阳极内部是重要的，特别是阴极组件尖端129的端部150位于一距离为第三圆环线152至第二圆环线146间距离的大约55-65％的地方。其它重要的参数包括中内部段表面145的直径约大于前内部段135的内表面137直径的1.5-2.5倍。另外，阳极中内部段内表面137的直径约大于阴极组件尖端129直径的1.5-2.5倍。

操作时，冷却水通过焊入前壳体3′的口66′中的附件引入等离子体弧喷枪119内。冷却水流过喷枪中的各个内部通道并从阴极支承件125的附件123流出。初如气体通过通道58′和53′供至喷枪，并通过径向孔55′供至环形空间57′。带涡流的初始气体从环形空间57′沿下游方向流过围绕阴极组件尖端129的阴极127的内部151，147和143。最后，气体流过阴极内部139和135并通过前盖13′中的孔60′流出等离子体弧喷枪。

向喷枪供应电能以在阴极组件130和阳极127之间产生电弧。为此目的，例如可通过将冷却水引入喷枪的附件将直流电源导线与前壳体3′相连。一负电导线与阴极支承件125的中空配件123相连。电弧对从喷枪出来的初始气体加热并将其变成等离子体流。通过孔64′和132引入阳极内部的涂层粉末被带入等离子体流所并与等离子体流一起加速喷出等离子体弧喷枪。

本发明的一个突出的特点是电弧被控制在阴极组件130的尖端129的端部150和阳极内部的第一圆环线142之间延伸，由于阳极内部几何结构以及其与阴极组件的尺寸关系与现有技术阳极相比，阴极127的使用寿命增加了三倍是正常的。

作为包括本发明特征的喷枪119的一个例子，阳极127的沿轴线9的总的纵向长度为2.06英寸。阳极内部第一内部段135的长度为0.41英寸，第二内部段139的长度为0.13英寸，中内部段143的长度为0.77英寸，第四内部段147的长度为0.18英寸，以及后内部段的长度为0.56英寸。第二内部段139的截头圆锥形内表面141的夹角为90度。第四内部段147的截头圆锥形内表面149的夹角为30度。后内部段151的截头圆锥形内表面153的夹角为12度。前内部段135的内表面137直径为0.31英寸。中内部段143的内表面145的直径为0.58英寸。阴极组件130的尖端129的端部150大约位于离阳极第三圆环线152距离为0.44英寸的地方。阴极组件尖端的直径约为0.31英寸。

曾对采用了上述阳极127的等离子体弧喷枪119进行实验室测试，其中各种工作参数是变化的，给喷枪119加以电压为35伏的900安倍的名义电流。初始气体为每小时80立方英尺的氩气。每小时8磅的涂层粉末由每小时10立方英尺的运载气体带入初始气体中。冷却水以每分钟8加仑的速度供入。对喷枪在经受性能极限的极端条件下对其进行测试。然而，阳极127可满意地工作大约120小时。这个寿命是远高于现有技术中的阳极的大约40小时的使用寿命的另外，喷镀粉末的沉积效率高达89％。与在相同条件下操作的典型的现有的等离子体喷枪的大约50％的沉积效率相比这是一个实质性的提高。当在操作参数恒定的生产条件下对喷枪进行测试时，阳极可工作大约1,000小时。

等离子体弧喷枪119的一个重要特征是中央壳体121由特殊的稳定绝缘材料制成。尽管现有技术的喷枪的中央壳体也是由绝缘材料制成的，但用于现有技术喷枪中的材料在操作中并不具有所需的使现有技术的喷枪令人满意地工作的充分稳定性。

为解决不稳定的中央壳体影响现有技术的等离子体弧喷枪的问题，喷枪119的中央壳体121由阿莫可公司(Amxo Corporation)销售的309。玻璃纤维加强的“托伦”(TORLON)材料制成。这种材料不能透过湿气，并在喷枪的所有操作条件下保持稳定，因而有助于提高本发明的寿命的沉积效率。

进一步根据本发明，等离子体流速度接近超音速的亚音速等离子体喷枪可获得大大提高的阳极寿命和沉积效率。现参照图4，由带尖端157的阴极组件155喷射器环159和阳极16组成的组件154如图所示形成高速亚音速等离子体弧喷枪的一部分。高速亚音速喷枪的其余部分包括壳体和附件基本上与前面参照图3所描述的喷枪119的各部件相同。组件154的阴极组件155，喷射器环159和阳极161具有各自的纵向轴线且同轴，其共同轴线由标号162表示。

使用组件154的高速亚音速喷枪的绝缘中央壳体由与图3所示喷枪119的中央壳体相同的稳定的玻璃纤维加强的“托伦”(TOR-LON)材料制成。阴极组件155包括一旋入一与前述喷枪119的阴极支承件125相同的阴极支承件164中的螺杆166。喷射器环159可与等离子弧喷枪119的喷射器环47′相同，但喷射器环159具有图中未示的正切向入孔，而不是喷射器环47的径向孔55′。

通常，图4中组件154的阳极161的外轮廓168与图3中喷枪119的阳极127的外轮廓相同。阳极161的内部制成沿纵向轴线162的三个段：一前段163，一中段165和一后段167。前内部段163具有圆柱形内表面169，在阳极下游端172中有一对应孔170。中内部段165具有截头圆锥形内表面171，其顶点指向前内部段。前内部段圆柱形内表面169与中内部段的截头圆锥形内表面171沿第一圆环线174相交。后内部段167具有圆柱形内表面173，该内表面173与中内部段的内表面171沿一第二圆环线176相交。

在图4所示的高速亚音速等离子体弧喷枪的结构中，三个阳极内部段163、165和167的沿纵向轴线162的相对长度如下。前内部段的除对应孔170之外的纵向长度为沿纵向轴线162的阳极总长度(除对应孔170外)的大约35％至45％之间。中段165的长度约为阳极总长度的30-40％，而后段167的长度约为阳极总长度的20-30％。截头圆锥形表面171的最佳夹角约为25-35′。后内部段圆柱形表面173的直径最好为大于前内部段表面169直径的1.5-3倍。阴极组件155的尖端157具有一直径大约大于阳极前内部段163内径的35-45％的圆柱形表面189。

阴极组件155的尖端157的端部179的位置对于具有组件154的亚音速等离子体弧喷枪的适当的性能非常重要。尖端端部179必须位于阳极161的中内部段165内。具体地说，尖端端部的位置位于从第二圆环线176至第一圆环线174之间的距离的大约65-75％处时将很好地工作。

阳极161的一个产生非常令人满意结果的例子如下。阳极沿纵向轴线162的除对应孔170之外的总长度为2.06英寸。前内部段163的除对应孔170之外的纵向长度约为0.83英寸，其内径为0.31英寸。中内部段165的截头圆锥形表面171的夹角为30°，其纵向长度为0.70英寸。后段167的内径为0.69英寸，其纵向长度为0.53英寸。阳极组件155的尖端157的端部179位于从圆环线176距离为0.48英寸的位置。

为了进一步提高具有高速亚音速组件154的等离子体弧喷枪的性能，初始气体在一流线型环形通道中从喷射器环159流至阳极前内部163、为此，阳极后内部段圆柱形表面173的直径等于喷射器环159的内径。因而消除了以前的高速亚音速等离子体弧喷枪155在喷射器环的内径和阳极后内部段的内径之间的阶梯。另外，阴极组件155制成一流线形外形。阴极组件包括一装配段180，其圆柱形表面181的直径略小于喷射器环159的内径175。阴极组件装配部180的圆柱形表面181的下游，也即图4中的右侧有一系列用于将阴极组件旋入阴极支承件164中的平坦部分85。装配段平坦部分185的下游为一截头圆锥形表面187。

阴极组件155的尖端157具有圆柱形表面189。尖端157的圆柱形表面的下游为一截头圆锥形表面191。表面191的顶端形成尖端157的球形端部179。通过使组件装配段180的截头圆锥形表面187与尖端圆柱形表面189相交可获得组件154的最佳性能。即，装配段截头圆锥形表面187和尖端的圆柱形表面189沿圆环线193相交。这样，在装配段圆柱形表面181和尖端部179之间就没有阶梯或其它横截面的突然变化。

操作时，初始气体通过喷射器环159中的图中未出的切向孔引入组件154。初始气体以控制的下游涡流的方式流过喷射器环的内径175和阴极组件155的装配段180的外表面181之间的环形空间195。初始气体作为涡流连续流过截头圆锥形表面187，圆柱形表面189和尖端157的截头圆锥形表面191。

在阳极161和阴极组件155的尖端157之间产生电弧。具体地说，电弧从尖端179延伸到阳极内部的第一圆环线174。初始气体的涡流作用与阳极内部段163、165和167的最佳构造相结合使得电弧的接触点绕圆环线174连续移动。其结果，阳极的分子腐蚀绕线174均匀分布。电弧发射点的持续变化使阳极161比现有技术中的阳极磨损率降低。当初始气体流过电弧时，也被加热成等离子体流。从阳极161中的孔197送入的涂层粉末被带入等离子体流中。

阴极组件155和阳极161的结构特征的结合提供了一种和现有技术中的速度相同的等离子体弧喷枪相比具有提高的沉积效率和较长的阳极使用寿命的高速亚音速等离子体弧喷枪。此外，由于阴极组件155的流线形构造而导致的提高的气体功能增加了对尖端157的冷却。因此，组件154的另一个好处是增加了尖端的寿命。因而，上述结构特征的结合提供了一种具有性能显著改善的高速亚音速等离子体弧喷枪。

现在参照图5，组件199亦适合于高速亚音速等离子体弧喷枪。组件199通常与结合图4所描述的用于等离子体弧喷枪的组件154相似。与图2中所示喷枪1的中央壳体相似的绝缘中央壳体用于组件199。

组件199包括一喷射器环200，一流线型阴极组件201和一阳极203。阴极203的内部具有一前段205和一对应孔207。前内部段205的长度为阳极除对应孔207外的纵向总长度的大约35-45％。阳极中内部209的长度为阳极纵向总长度的大约20-30％。后部段211的纵向长度为阳极总的纵向长度的大约30-40％。前内部段205和后内部段211各具有圆柱形内表面213和215。中内部段209具有一截头圆锥形内表面217，该内表面的夹角约为35-45°。前段内表面213和中段内表面217相交于一第一圆环线219。中内部段内表面和后内部段内表面相交于一第二圆环线220。后内部段内表面的直径约比前内部段内表面直径大1.5至3倍。阳极后内部段211的内表面215的直径与喷射器环200的内直径202相同。

阴极组件201具有一装配段204，在某些平坦部分223和装配段前端224之间为截头圆锥形表面221。尖端227的圆柱形表面225从截头圆锥形表面221伸入阳极中段209内。阴极尖端227终止于截头圆锥形表面229和一圆形端部231。尖端端部231位于从第二圆环线220至第一圆环线219间的纵向距离的大约85-95％之间的距离处。尖端圆柱形表面225具有和阳极前内部段205的内表面213大致相同的直径。尖端圆柱形表面225伸入阳极中内部段209中。

下面为成功的组件199的一个例子。阳极203的除对应孔207外的总长度为2.06英寸，前内部段205长度为0.83英寸，中央内部段209的长度为0，52英寸，而后内部段211的长度为0.71英寸。截头圆锥形表面211的夹角为40°。前内部段内表面213的内径为0.31英寸，后段内表面215的内径为0.69英寸。从阴极组件201的尖端227的端部231至圆环线219的距离为0.05英寸。

具有上面描述的组件199的等离子体弧喷枪在35伏和900安培条件下操作。初始气体为以每小时80立方英尺的速度供入的氩气。每小时8磅的涂层粉末由以每小时10立方英尺速度供应的承载气体带入。冷却水流为每分钟8加仑。阳极203的寿命大于现有技术中的高速亚音速等离子体弧喷枪的三倍以上。另外，阴极组件201的寿命延长了，且沉积效率至少比现有技术的高速亚音速喷枪高出15个百分点。

总之，现在可更充分地实现亚音速等离子体弧喷枪的结果和优点。本发明的等离子体弧喷枪的绝缘中央壳体在所有的操作条件下均可提供等离子体流的稳定性。这种所需的结果来自用纤维加强的“托伦”(TORLON)材料制造绝缘中央壳体。除了绝缘中央壳体的较好的性能外，还可认识到阳极和阴极组件的结构可大大提高其相对于现有技术喷枪的使用寿命及涂层粉末的沉积效率。性能改善发生在具有相对较低和较高亚音速的亚音速等离子体弧喷枪中。

因而，很明显根据本发明提供了一种完全满足前述目标和优点的等离子体弧喷枪。上面借助特定实施例对本发明进行了描述，很显然对于本领域的技术人员针对前面的描述可作出各种改型、替换和变化。因而，应认为这些改型，替换和变化均落入所附权利要求书的精神和较宽的保护范围内。

Claims (7)

1.用于亚音速等离子体弧喷枪的制品，包括一管形阳极，该阳极具有前后端，一外表面，一内部和一纵轴线，阳极内部制成前、第二，中，第四和后部段，前和中内部段分别具有圆柱形内表面，第二，第四和后内部段分别具有截头圆锥形内表面，该阳极具有沿纵向轴线在其前后端之间的总的纵向长度；阳极前内部段沿阳极纵向轴线的长度为阳极总长度的大约15-25％；阳极第二内部段沿阳极纵向轴线的长度为阳极总长度的大约5-10％；阳极中内部段沿纵向轴线的长度为阳极总长度的大约35-45％；阳极第四内部段沿纵向轴线的长度大约为阳极总长度的55-10％，阳极后内部段沿纵向轴线的长度大约为阳极总长度的25-35％，阳极后内部段的截头圆锥形内表面具有一第一夹角；阳极第四内部段的截头圆锥形内表面具有一第二夹角，该夹角大约比第一夹角大2-3倍；阳极第二内部段的截头圆锥形内表面具有一第三夹角，该夹角大约比第二夹角大2-4倍，一具有与阳极纵轴线同轴的纵向轴线的阳极支承件，和一个支承在阴极支承件内的阴极组件，该阴极组件包括一端位于阳极内部段中部的尖端。

2.按照权利要求1的制品，其特征在于：

a.制品沿其纵向轴线的总长度约2.06英寸；

b.制品前内部段沿制品纵向轴线的长度约为0.41英寸；

c.制品第二内部段沿制品纵向轴线的长度约为0.13英寸；

d.制品中内部段沿制品纵向轴线的长度约为0.77英寸；

e.制品第四内部段沿纵向轴线的长度约为0.18英寸；

f.制品后内部段沿纵向轴线的长度约为0.56英寸；

g.第二内部段的截头圆锥形内表面的夹角约为90°；

h.第四内部段的截头圆锥形内表面的夹角约为30°；

i.后内部段的截头圆锥形内表面的夹角约为12°。

3.按照权利要求1的制品，其特征在于，中内部段的内直径大约比第一内部段的内径大1.5-2.5倍。

4.一高速亚音速等离子体弧喷枪，包括：

a.一通常管形的阳极，它具有一纵向轴线，一外部表面，一内部、和前后端部，阳极内部在靠近阳极前端限定出一前段，靠近后端限定出一后段，一中段位于前后内部段之间，前后内部段各自具有圆柱形内表面，而中内部段具有一截头圆锥形内表面；

b.一具有与阳极纵向轴线同轴的纵向轴线的阴极支承件；

c.一阴极组件，包括一装配部和一尖端，尖端的端部位于阳极中内部段中，尖端与阳极后内部合作形成一第一环形空间；

d.一置于阴极支承件和阳极的后端之间的喷射器环，该喷射器环具有一与阴极组件装配部配合形成一与第一环形空间的第二环形空间的内直径；

e.用于保持阳极，阴极支承件和喷射器装置为一装配件的壳体装置；

f.第一通道装置，用于通过壳体装置和喷射器环向第二环形空间供应初始气体，以使气体流至第一环形空间和阳极前内部段；

g.第一附件装置，用于向阳极和阴极组件供给电能，以在阳极内部的阳仍和阴极组件之间产生电弧，从而将流过阳极内部的初始气体加热形成等离子体流；

h.第二通道装置，用于向阳极内部供应涂层粉末，在这里涂层粉末被携带入等离子体流并被加速而排出阳极内部；以及

i.用于向阴极支承件，阳极和壳体装置供应冷却流体的冷却装置，其中：

i.阳极前内部段的内表面与阳极中内部段的内表面在一第一圆环线处相交。

ii.阳极中内部段的内表面与阳极后内部段的内表面在一第二圆环线处相交；

iii.阴极组件尖端的端部位于从第二圆环线至第一圆环线之间的距离的大约85-95％处；

iv.阳极前段沿阳极前后端之间的纵向轴线的纵向长度大约为前后端间总的阳极长度的35-45％；

v.阳极中内部段沿阳极前后端部的纵向轴线的纵向长度约为前后端间总长度的20-30％；

vi.阳极后内部段沿阳极前后端部纵向轴线的纵向长度约为前后端间阳极总长度的30-40％。

5.在高速亚音速等离子体弧喷枪中用作阳极的制品，包括一管形阳极，该阳极具有一外表面，一内部和一纵向轴线，内部制成为前、中和后内部段，前和后内部段分别具有圆柱形内表面，而中内部段具有截头圆锥形内表面，其中，

a.制品沿其纵向轴线具有一总的纵向长度；

b.制品前内部沿制品纵向轴线的长度大约为制品总长度的35-45％；

c.制品中内部段沿制品纵向轴线的长度约为制品总长度的20-30％；

d.制品后内部段沿制品纵向轴线的长度约为制品总长度的30-40％。

6.按照权利要求5的制品，其特征在于：

a.阳极在其前后端之间沿其纵向轴线的总的纵向长度约为2.06英寸；

b.阳极前内部段沿纵向轴线的长度约为0.83英寸；

c.阳极中内部段沿阳极纵向轴线的长度约为0.52英寸；

d.阳极后内部段沿阳极纵向轴线的长度约为0.71英寸；

e.阳极中内部段的截头圆锥形内表面的夹角约为40°。

7.如权利要求5的制品，其特征在于，阳极后内部段的内表面的直径比阳极前内部段内表面的直径大约大1.5-3倍。

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