CN107075687B - 涂布主体的方法，用于该方法的颗粒和制备颗粒的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于涂布主体的方法和颗粒。每个颗粒包含硅(Si)、碳(C)、铬(Cr)和铁族金属，其铁族金属选自铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)。当至少铁族金属的阈值量可用于硅、碳和铬时，硅、碳和铬的相对量使得包含硅、碳、铬和铁族金属的熔融相在低于1300摄氏度的熔化温度下形成；但是每个颗粒含有基本上低于铁族金属的阈值量。提供了铁族金属的第二源。形成颗粒和第二源的混合物，使得至少铁族金属的阈值量可从硅、碳和铬中获得。颗粒和第二源被加热至少到熔化温度以形成与主体接触的熔融相。然后除去热量以允许熔融相固化并提供涂布主体。

Description

涂布主体的方法，用于该方法的颗粒和制备颗粒的方法
技术领域
本公开大体涉及涂布主体的方法，特别但不排他性地用于提供硬涂层，适用于这种方法的颗粒，以及制备颗粒的方法。
背景技术
国际专利申请公开号WO/2013/178550公开了一种制造包括用相对较硬材料层喷涂的钢基底(substrate)主体的构件(construction)的方法。该方法可以包括提供一批含有铁(Fe)、硅(Si)和碳(C)源的颗粒，其中选择铁、硅的相对量使得铁、硅和碳的组合具有至多约1280摄氏度的液相线温度(phase liquidus temperature)；以及借助于热喷涂组件(thermal spray assembly)将所述颗粒沉积到所述基底主体上。热喷涂工艺涉及以至少每秒约100摄氏度的平均加热速率将颗粒加热到至少约1350摄氏度的温度，并且在与基底主体接触时以至少约每秒20摄氏度的平均速率将颗粒冷却至低于1000摄氏度。
需要提供一种用于将材料热沉积的方法，并提供在热喷涂工艺中用作原料的含有前体材料的颗粒，同时提供制造颗粒的方法，特别地但不排他性地，其中前体材料可在相对低的温度下形成熔融相。
发明内容
从第一方面看，提供了一种涂布主体的方法，所述方法包括提供一批颗粒，每个颗粒包含硅(Si)，碳(C)，铬(Cr)和铁族金属，所述铁族金属选自铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)；其中当至少铁族金属的阈值量可从硅、碳和铬中获得时，硅、碳和铬的相对量可使得包含硅、碳、铬和铁族金属的熔融相可在低于1300摄氏度的熔化温度下形成；每个颗粒包含基本上低于铁族金属的阈值量；提供所述铁族金属的至少一个第二源；形成所述颗粒和所述第二源的混合物，使得至少所述的铁族金属的阈值量可从硅、碳和铬中获得；将颗粒和第二源加热到至少熔化温度以形成与主体接触的熔融相；和除去热量以允许熔融相固化并提供涂布主体。
在一些示例中，熔化温度可至多约1280摄氏度或至多约1200摄氏度。
在一些示例中，该方法可以包含使用激光熔覆工艺，其中通过激光束实现加热；电子束工艺，其中通过电子束实现加热；或电弧等离子体喷涂工艺，其中通过电弧等离子体实现加热。
在一些示例中，该方法可包含使用增材制造工艺(additive manufacturingprocess)通过构建连续的涂层的层来制造制品，所述层构造用于制造制品。例如，增材制造工艺可以包含直接金属激光烧结(direct metal laser sintering,DMLS)、选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)或电子束熔炼(electron beam melting,EBM)。
在一些示例中，包含在颗粒中的铁族金属的含量可以是阈值量的20％至60％，或阈值量的30％至50％。在一些示例中，颗粒可包含至少约5％重量或至少约10％重量的铁族金属。在一些示例中，颗粒可包含至多约30％重量或至多约20％重量的铁族金属。
在一些示例中，颗粒可具有至少约50微米的平均晶粒尺寸。在一些示例中，颗粒可以有至多约500微米或至多约220微米的平均晶粒尺寸。颗粒可以具有50至500微米的平均尺寸(如果颗粒近似为球形，则晶粒尺寸近似为平均直径)。
在一些示例中，颗粒可具有至少50或至少200兆帕(MPa)的平均抗压强度。颗粒的平均抗压强度可为至多约1000MPa或至多约600MPa。
在一些示例中，颗粒可具有至少约800的HV10维氏硬度；和/或至多约1500的HV10维氏硬度。
在一些示例中，铁族元素的第二源可以颗粒形式提供。铁族金属的第二源可是包含铁族金属或由铁族金属组成(除了少量杂质)的颗粒形式；晶粒尺寸可为约50至约500微米。在一些示例中，主体可包含铁族金属的源。
在一些示例中，颗粒可包含20至60％的铁族金属的阈值量。
在一些示例中，颗粒可包含多种碳化物材料晶粒，例如碳化钨(WC)晶粒，其可具有至少0.1微米且至多10微米的平均尺寸。颗粒可包含多种碳化铬颗粒和/或超硬材料。在一些示例中，颗粒可包含平均尺寸为0.5至5微米的铁(Fe)晶粒和平均晶粒为0.5至5微米的碳化铬(Cr3C2)晶粒。
在一些示例中，每个颗粒可包含硅(Si)、碳化铬(Cr3C2)和铁(Fe)；所述碳化铬(Cr3C2)的质量为所述硅的质量的1.5至7倍，所述铁的质量为所述硅质量的2至8倍。在一些示例中，碳化铬的质量可以是硅的质量的1.5至5倍，并且铁的质量可以是硅的质量的4至6倍。
在一些示例中，每个颗粒可包含至少约13％重量的碳化钨晶粒，0.1％至10％重量的硅(以元素或化合物形式)和至少0.1％至10％重量的铬(以元素或化合物形式)和铁族金属。在一些示例中，每个颗粒可包含1％至5％重量的硅(Si)，5％至15％重量的碳化铬(Cr3C2)，10％至30％重量的铁族金属和50％至95％重量的金属碳化物，金属碳化物可选自碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)或碳化钽(TaC)。
在一些示例中，颗粒可包含一种或多种碳化物，碳氮化物或氮化物，或者两种或多种该类的化合物的混合物。该化合物包含一种或多种金属，金属可选自钛(Ti)、钒(V)、锰(Mn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、铪(Hf)、钽(Ta)和钨(W)中的一种或多种。颗粒可包含至少一种超硬材料的晶粒，例如金刚石或立方氮化硼(cBN)。
在一些示例中，该方法可包括提供颗粒形式的铁族金属的第二源，将颗粒和第二源引入电弧等离子体喷涂设备的进料机构中，通过电弧等离子体加热颗粒和第二源，并且通过所述设备涂布所述主体；其中电弧等离子体喷涂设备包含用于从等离子体喷嘴产生等离子体射流的等离子体焰炬和用于将颗粒引导到使用中的等离子体射流中的进料机构，并且当处于打开状态时能够提供进料孔；所述进料机构包括引导室和可移动引导机构；并且构造成使得所述引导室能够将所述颗粒引导至所述进料孔，所述颗粒能够通过所述进料孔从所述引导室移动，并且响应于所述引导机构的移动，以与所述等离子体喷嘴可变的平均距离进入所述等离子体射流；该方法包括调节引导机构的位置，使得熔融相基本上不接触使用中的设备。在一些示例中，热喷涂机构可包括等离子体转移电弧(PTA)装置。
在一些示例中，引导机构可包含一个套筒，该套筒围绕等离子体焰炬所有方向延伸并且可相对于等离子体焰炬轴向地可移动，进料孔可以作为环形轴向间隙，其边界与套筒的边界是相连(coterminous)的，使得所述轴向间隙响应于所述套筒的轴向移动而是可变的；并且所述方法可包括配置所述套筒使得所述进料孔的轴向间隙在0.2至0.5毫米以内。
在一些示例中，方法可以包括对颗粒应用激光熔覆，其可以包括在要涂布的主体上散焦合适的激光束以产生具有选择区域的激光照射点，激光入射在整个点区域上提供足够的功率以快速熔化前体材料。该方法可包括通过流动的惰性气体将颗粒通过喷嘴输送到被照射区域内的主体表面上，其中前体材料(包含在颗粒中)可能与包含在基底主体中材料熔融和/或快速进行反应。熔融材料可能很快速地固化成所需的一个或多个相，并且当它在激光照射区域内仍处于熔融或部分熔融相时可被称为“熔池(melt pool)”。激光束可以在待涂布的主体的表面的区域上移动，如此做时前体材料被引入到移动的照射区域上，因此产生沉积材料层，该沉积材料层可牢固地接合基底主体。如果重复沉积工艺，则多个沉积层可彼此上堆叠。
在一些示例中，该方法可包括在彼此的顶部上沉积多个层，其中颗粒被转变成多个沉积材料层。在一些示例中，该方法可包含沉积多个顺序层以形成具有期望形状的制品。特别地，该方法可包含使用增材制造工艺(其也可以称为“3D打印”)以将颗粒转变为沉积材料的连续层。特别地，该方法可包含利用激光装置将颗粒转变成沉积材料，其中激光束可具有足够的功率以熔化邻近主体或前层的颗粒。
从第二方面看，提供了一种用于在所公开的涂布主体方法中使用的颗粒，其包含硅(Si)、碳(C)源、铬(Cr)源和铁族金属，铁族金属选自从以下组成的组：铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)；其中当至少铁族金属的阈值量可用于硅、碳和铬时，硅，碳和铬的相对量使得包含硅，碳，铬和铁族金属的熔融相在低于1300摄氏度的熔化温度下形成；并且所述颗粒包含基本上低于所述铁族金属的阈值量。碳和铬的源可以是化学化合物形式的元素。
示例性颗粒可以如先前关于涂布主体的方法所述。
从第三方面看，提供了一种用于在所公开的涂布主体的方法中使用的一批颗粒的制备方法，所述方法包括将硅(Si)、碳(C)源、铬Cr)源和铁族金属源与粘合剂材料在液体介质中混合以提供浆料；当至少阈值量的铁族金属可用于硅、碳和铬时，硅、碳和铬的相对量使得包含硅、碳、铬和铁族金属的熔融相在低于1300摄氏度的熔融温度下形成；在浆料中的铁族金属的含量基本上低于所述阈值量；干燥所述浆料以形成粉末晶粒的聚集体；使所述聚集体在第一温度下经受第一热处理，所述第一温度足够低，使得在所述粉末晶粒之间基本上不发生液相烧结，并且第一温度足够高以使得粘结剂材料从所述聚集体中除去，并且对于将被相互接合的粉末晶粒的大部分，在所述粉末晶粒之间发生充分的(固态)烧结；使所述聚集体在基本上高于所述第一温度的第二温度下经受第二热处理；并且破碎所述烧结主体以提供所述一批颗粒。
在一些示例中，第二温度可足够高引起粉末晶粒之间发生液相烧结，从而形成烧结主体。
在一些示例中，该方法可包括在第一热处理之后破碎聚集体，以提供一批具有50至500微米尺寸的未烧结颗粒，然后将它们经受第二热处理。
在一些示例中，该方法可以包括破碎烧结主体并筛选颗粒以提供具有50至500微米尺寸的一批颗粒。
在一些示例中，该方法可以包括将碳化钨晶粒混合到浆料中。
在一些示例中，粘合剂材料可包括包含羟基基团的聚乙烯基化合物材料。
在一些示例中，第一温度可以是900至1050摄氏度，和/或第二温度可以是1050至1200摄氏度。
通过热喷涂、激光熔覆或电子束焊接产生的涂层可以化学地或冶金地熔合到主体上。在一些示例中，涂层可以通过包含沉积材料和来自主体的材料的混合的中间层连接到主体。
在一些示例，颗粒适于沉积在具有硬度基本上大于包含在主体中的钢的材料的硬质层上。沉积材料可形成能够降低使用的工具主体的腐蚀速率和/或机械磨损的层。
附图说明
下面参照附图描述非限制性示例，
图1显示了使用中热喷涂组件处于组装状态的一个实施方案的示意性截面图；
图2显示了等离子体转移电弧(PTA)热喷涂组件处于组装状态的一个实施方案的示意性侧视图；
图3显示了图2中使用中的等离子体转移电弧(PTA)热喷涂组件的实施方案的示意性截面图A-A；
图4A显示了在封闭状态下热喷涂组件处于处于组装状态的一个实施方案的示意性截面图；图4B显示了在使用中的热喷涂组件处于打开状态的示例；
图5显示了热喷涂组件处于部分未组装状态的热喷涂组件的示意性侧面透视图元素；
图6显示了示例性热喷涂组件的示例性进料机构的一部分的示意性侧视透视图；
图7和图8显示了用于道路铣削或采矿的示例性挖掘工具，每个挖掘工具设置有一个示例性的保护层；
图9显示了示例性颗粒的硬度的数量频数分布(number frequencydistribution)的曲线图；
图10显示了多种示例性混合的第一和第二批颗粒的照片；和
图11显示了利用热喷涂组件进行沉积的示例性材料的扫描电子显微(SEM)图像。
具体实施方式
参照图1，显示了一个示例性热喷涂组件10(以组装状态显示，定义为热喷涂设备10)将颗粒60转变成接合到基底主体(未显示)的沉积材料的层；其包括等离子体焰炬20和进料机构30，其构造成使得等离子体焰炬20能够产生等离子体射流进入到等离子体区域50，在使用中该组件被等离子体射流占据，并从等离子体喷嘴28延伸。进料机构30能够将颗粒60引导进入等离子体区域50中。进料机构30能够在处于打开状态下(如图1所示)时提供进料孔70，其包括一个引导室34和一个可移动引导机构32。该进料机构30可以构造成使得引导室34能够引导颗粒60进入到进料孔70，颗粒60通过从引导室34移动，进入到等离子体区域50中的等离子体射流中，颗粒60对引导机构32的移动做出响应，以可变平均距离从等离子体喷嘴28进入到等离子体射流中。
进料孔70的配置是可变的，使得颗粒60可以选择性地进料到等离子体区域50内的任何不同的区域中，颗粒60与等离子体喷嘴28具有各自不同的平均轴向距离(图1描述了一个示例区域80)。换句话说，颗粒60可在距离等离子体焰炬20的喷射端12以选定的轴向距离处进料到等离子体区域50的一个区域80，等离子体射流从等离子体焰炬20通过等离子体喷嘴28发射。在一些配置示例中，纵轴L可以由等离子体焰炬20的圆柱形轴线、等离子体射流(在使用中)、等离子体喷嘴28、引导机构32或进料机构30所形成的喷孔40，或这些特征功能中的多个同轴配置功能所限定。例如，纵轴可与喷孔40和等离子体焰炬20同轴。
在图1所示的特定示例中，引导机构32可为可移动的保持壳体，其构造成容纳取决于喷射端12的等离子体焰炬20的一部分。壳体体32可相对于等离子体焰炬20轴向移动，并且进料孔70的配置可响应于保持壳体32沿着纵轴L通过喷孔40的移动，并且与使用中的等离子体射流对齐而可变的。由进料孔70限定的区域响应于保持壳体32的移动而变化，进料孔70的轴向长度可响应于保持壳体32的移动而变化。例如，进料孔70可以在0和0.5毫米之间调整变化；0毫米的距离对应于未显示在图1中的热喷涂组件10的封闭状态，其中保持壳体32接触等离子体焰炬20并阻止颗粒60被进料到等离子体射流中。在该示例中，进料孔70围绕等离子体区域50沿所有方向周向延伸，进料机构30能够使颗粒60沿着围绕等离子体区域50所有方向的会聚方向延展的方位角引入到等离子体射流中。
所示的示例，如图1所示，在围绕等离子体焰炬20和保持壳体32之间之间形成引导室34，沿周向延伸的等离子体焰炬20。保持壳体32包括与等离子体焰炬的锥形外表面23间隔开的锥形内表面33，在其两者之间形成了引导室34。保持壳体32和等离子体焰炬20沿着纵轴L基本上同轴。在一些示例中，由保持壳体32的内锥形表面33限定的锥角可大于由等离子体焰炬20的锥形外表面23限定的锥角，并导致它们之间的引导室34随着靠近进料口70而变得更窄。
图2显示了示例性热喷涂组件处于组装状态的侧视图；其包括等离子体焰炬20和可移动保持壳体32(在该示例中为引导机构)，等离子体焰炬20的一部分(在图2中不可见)被容纳在由保持壳体32形成的协作构造的空腔内。入口孔31A被配备用于颗粒前体材料引入到进料机构中，并随后其输送到由等离子体焰炬20产生的等离子体射流(未示出)中从而产生射流90，该射流90包含有从热喷涂组件10的喷涂端12的喷孔40喷射的材料和等离子体。
图3示意性地示出了用于将材料沉积到基底100上的等离子体转移电弧(PTA)热喷涂组件的操作，其中在阴极24和周围的阳极29以及基底100之间建立电势差(potentialdifference)。在所示的特定示例中，等离子体焰炬20的一部分位于由可移动保持壳体32(在该示例中为引导机构)形成的空腔内，构造为使得保持壳体32的内表面31与等离子体焰炬20的外表面23间隔开以提供导向室34，颗粒60可通过该导向室34向由处于打开状态的进料机构30提供的进料孔70输送，并最终进入使用中的导向等离子体50A和转移等离子体50B。等离子体焰炬20和保持壳体32构造成使得进料孔70位于等离子体焰炬20的等离子体喷嘴28(其也可以称为“收缩形喷嘴”)附近。等离子体喷嘴28和喷孔40可以是同轴的，使得在收缩形喷嘴28附近产生的导向等离子体50A可以伸入(或通过)喷孔40并朝向基底主体100。
等离子体焰炬20可以包括中心阴极24和等离子体喷嘴28，其中中心阴极24可以包括钨(W)金属，等离子体喷嘴28至少部分包围阴极24并且限定阴极24位于腔室27的至少一部分当中，阴极24和等离子体喷嘴28构造成使其可以在它们两者之间产生电弧。在使用中，惰性气体25，例如氩气(Ar)经过阴极24朝向等离子体喷嘴28流动。阴极24、等离子体喷嘴28和腔室27构造成使得惰性气体25可被电离，并且等离子体喷嘴28附近产生引导等离子体射流50A，引导等离子体射流50A从腔室27向外喷射进入到喷孔40中并朝向基底100。当热喷涂组件定位在足够靠近基底100并且完成操作条件时，生成转移等离子体射流50B，转移等离子体射流50B在阴极24和基底100之间延伸，喷射超过喷孔40。导向等离子体射流50A内部的温度可为大约15000摄氏度，转移等离子体射流50B内的温度可为大约3000至大约4000摄氏度。通常，等离子体射流50A和50B随着等离子体射流中的轴向位置的不同，即与等离子体喷嘴28的轴向距离不同，其内部温度有所变化。
通常，颗粒60可为颗粒形式，并很可能被选择使其可通过热喷涂操作转变成沉积到基底100上的材料。在使用中，颗粒60被引入到热喷涂组件中并被输送到引导室34中，在引导室34中，其可以沿着会聚路径朝进料孔70进一步被输送，并最终被输送到等离子体射流50B。会聚在等离子体射流50B上的颗粒60的流量通常是可控的。在本文所述的，颗粒的流量可以根据每单位时间通过平面的颗粒数量来表示，并包括颗粒的速度和空间密度的方面。被注入到等离子体射流50B的颗粒60的流量受到由区域的影响，该区域是由进料孔70、载气(carrier gas)内颗粒60的密度和朝向等离子体射流50B的颗粒60的速度限定的。颗粒60的速度可通过载流体(carrier fluid)的流速和引导室34的会聚构造来控制。
当颗粒60注入等离子体射流50B中时，它们的温度非常快速地升高，从而可能允许前体材料经历相变和化学反应，对于要沉积到基底100上的期望材料，以上工艺可能是必要的。材料的射流90可以相对高的速度从热喷涂组件朝基底100喷射。当材料撞击基底100时，其可能倾向于“溅射(splat)”到基底上，开始冷却，并且根据反应和相变动力学，形成固态的期望材料，并连接到基底100上。
控制以下参数可能是重要的，例如颗粒的组成和机械性能、载流体的流速、载流体内的颗粒的数量密度、注入等离子体的颗粒的流量、阴极和阳极与基底之间的电势差、导向和转移等离子体电弧的电流、惰性气体的流速、颗粒在等离子体焰炬和进料孔周围方位角的分散、以及引导室的构造。
参照图4A和4B，处于组装状态的示例性热喷涂组件(换句话说，热喷涂设备)可以通过由M表示的其中一个方向调整保持壳体32的位置(在图示示例中为可移动引导机构)，从而使得该组件处于封闭状态，如图4A所示，或者打开状态，如图4B所示。在其它配置示例中，保持壳体32可以在其它方向上移动，例如旋转和/或横向移动。保持壳体32可相对于等离子体喷嘴28移动，其位置能够调整朝向或远离等离子体喷嘴28和等离子体焰炬20的外表面23，从而减小或增加引导室34的体积和颗粒前体材料向使用中等离子体射流的潜在流量。热喷涂组件可配备有调节机构(未示出)来进行该调节。
如图4A所示的封闭状态下，可处在引导室34中的颗粒前体材料(未示出)不能退出引导室34并朝喷孔40和等离子体区域(未示出)移动。在图4A所示的例子中，可以通过调节保持壳体32的位置来实现，使得保持壳体32的内表面33的至少一部分与接近喷孔40的等离子体焰炬20的外表面23的至少一部分邻接(abut)，从而将它们之间的空间基本上减小到零。在图4A所示的特定示例中，保持壳体32的内表面33和接近喷孔40的等离子体焰炬20的外表面23都是基本上锥形的，每个锥形限定稍微不同的锥角，前者大于后者的锥角，相差2θ。在一些示例中，2θ可以为大约7.4度，θ可以为3.7度。换句话说，引导室34可朝喷孔40会聚。在封闭状态下，这些相互会聚的锥形表面33,23可以在喷孔40附近彼此邻接。当进料机构处于如图4B所示的打开状态时，引导室34朝喷孔40的变窄效果可加速和聚焦颗粒的流量。
在如图4B所示的打开状态下，保持壳体32已被调整到一个位置，使得其内表面33进一步远离等离子体焰炬20的相应外表面23。因此，在这些表面23,33之间，以它们间的最窄间隔，靠近喷孔40和等离子体区域(未示出)配备有进料孔70。进料孔70允许颗粒从引导室34出来并进入等离子体区域，在使用中等离子体射流(在PTA设备中，这是转移等离子体)存在在该等离子体区域中。在所示的示例中，进料孔70的形状通常为圆柱形并与等离子体焰炬20同轴。因此，可通过相对于等离子体焰炬20轴向移动保持壳体32来控制在使用中到达等离子体区域的颗粒的流量,并由此通过改变由保持壳体32的内表面33的一部分形成的进料孔70的下端的位置来改变进料孔70的面积和轴向间隔。
在一些示例中，可通过流体载体介质(例如Ar气体)将颗粒连续地引入到热喷涂组件中，其中颗粒可以在其中分散和悬浮。颗粒和载流体可以通过进料机构中进行分布，将颗粒在引导室34内方位角地分散，从而围绕使用中的喷孔40和等离子体射流方位角地分布。保护气体室39通过围绕使用中等离子体射流的多个孔提供气体，用于屏蔽等离子体射流和从空气中的氧气喷射的材料。
参照图5和图6，一个示例中热喷涂组件可包含第一、第二、第三和第四元件20、120、130、140，其中第一元件由等离子体焰炬20组成。第一元件20可连接第二元件120，第二元件120包含上壳体空腔122,上壳体空腔122可通过从取决于等离子体焰炬20的连接端12A悬垂的螺纹连接组件连接。第三元件130可包括用于容纳等离子体焰炬20的相对喷射端12的下壳体体腔132，并且第三元件130可构造成第二元件120的壳体部分124。换句话说，第二元件120的一部分124可在其内侧上“夹在”等离子体焰炬20和在其外侧上“夹在”下外壳体腔132的壁之间。第四元件140，其包括冷却机构和/或保护气体供应机构，第四元件可构造成可容纳所述第三元件130的一部分，并包围等离子体焰炬20的喷射端12。
当组装时进料机构可包括第一、第二和第三元20，120，130的某些特征功能，可通过这些元件之间的联通空间形成的通道或腔室来运输该颗粒。例如，第二元件120可包括一个圆周通道，当容纳在第三元件130的壳体空腔132内，这限定一个分配室36的一部分，这便形成了分配室36的边界。分配室36能围绕等离子炬20基本上方位角地引导颗粒。多个相互隔开的偏转器结构38，其围绕所述等离子炬20方位角地配置，邻近分配室36并以第二壳体120的径向突起的形式使循环颗粒60C偏转到偏转通道37中，并将偏转的颗粒62大致轴向地引导到引导室中。第三元件130可包括用于引入颗粒和一种载流体进入分配室36的一个入口孔31A，和出口孔31B，出口孔31B用于在可能重新使用的工艺中允许载流体和潜在的一些颗粒从热喷涂组件逸出。
在使用中，颗粒60A和载流体可被引入分配室36，并被引导到分配室36内循环，作为循环的颗粒60C。在分配室36内前颗粒60C的循环效果很可能使颗粒66C基本上均匀一致地分布在等离子炬20(方位角)周围。一些循环的颗粒60撞击偏转器结构38的侧面，并在偏转通道37内沿大致轴向路径62输送，进入引导腔(在图5和图6中未示出)。如果偏转器结构38，和随后的偏转通道38，被配置以规则的间距间隔围绕等离子炬20所有方向，颗粒60C可能会被引入到同样规则隔开间隔的引导室中。导向室内的颗粒的流量沿周向均匀性可能取决于偏转器结构38的宽度和数量,偏转器结构38如果数量越多，充填越密集，颗粒可能在引导室分布的越均匀。
参照图7，一个示例性用于采矿的挖掘工具(pick tool)400，其包括一个钢基底405和熔合到钢基底405上的硬面层406。硬面层可通过公开的热喷涂设备沉积到钢基底405上。挖掘工具400可包括具有一个冲击点(strike point)404的硬质合金尖端(cementedcarbide tip)402，并接合到钢基底405。在一些示例的尖端402可包括金刚石材料如PCD材料或碳化硅键合的金刚石材料。硬面层406可被配置围绕硬质合金尖端402，以防止该钢基底405在使用中的磨料磨损。例如在使用中破裂岩层包括煤或钾盐，岩石材料硬面层很可能降低钢基底405的磨损，显著地降低挖掘工具400过早失效的风险。
参照图8，一个示例性用于路面铣削的挖掘工具500包括设置有孔的钢支架505和冲击尖端504，冲击尖端504通过收缩配合或压配合入孔中，接合到硬质合金基底502。硬面层506可被熔合到钢支架505，被配置围绕孔以保护钢支架主体505不受到使用中的磨损。硬面层可使用所公开的热喷涂设备，通过等离子体转移电弧(PTA)的热喷涂方法沉积到钢支架505上。冲击尖端504可包括一个接合至硬质碳化钨基底的PCD结构。
颗粒的抗压强度可通过在相对窄的尺寸范围内选择多个基本上为球形的颗粒并对每个颗粒进行压缩试验来测量，一次一个(因为颗粒的某些机械性能可能取决于颗粒尺寸)。每个颗粒可以放置在一对平板之间，其中一个板保持静止，另一个板以恒定的位移速率驱动抵靠颗粒，直到颗粒破裂(假设板可以被驱动的最大力大于颗粒的抗压强度)。在测量期间可记录时间、板位移和力度数据。颗粒的抗压强度可以根据其直径和其变形(应变)的数据作为所施加的力(应力)的函数进行计算，直到力足够大以破坏颗粒。
热喷涂设备及其相对硬质层材料沉淀到钢体上的非限制性示例应用在下面进行更详细地描述。
第一批总重量200千克(kg)颗粒的制备如下：
a.混合：144千克具有平均颗粒尺寸0.8微米的碳化钨(WC)、30千克具有平均颗粒尺寸1微米铁(Fe)粉、15千克平均具有颗粒尺寸1到2微米的碳化铬(Cr3C2)粉末、6千克硅(Si)粉末和4千克石蜡，并通过磨碎机(attritor mill)使用乙醇(alcohol)作为研磨介质，将粉末一起研磨三小时，使混合在一起，和多个具有800千克总质量的烧结碳化钨球，以提供前体材料浆料(slurry)。干燥浆料以提供混合粉末，并破碎团聚体(agglomeration)以提供松散粉末。
b.第一次制粒(granulation)：粉末在旋转鼓中滚动制粒，与粘合剂材料结合，然后过筛以提供一批颗粒，其具有平均尺寸约75至约225微米，以提供多个“生(green)”颗粒(换句话说，通过粘合剂材料将含有粉末晶粒的颗粒聚结在一起)。
c.初步热处理：生颗粒置于石墨盒中，并加热至1020的温度。对于基本上不发生液相烧结的材料，该温度足够低；对于基本上要除去的所有粘合剂材料而言，该温度足够高，并且粉末具有足够程度的固相烧结，以使颗粒具有足够的强度去便于处理。
d.第二次制粒：在热处理之后，颗粒过筛以选择一批颗粒，其直径为约75至225微米。
e.烧结热处理：然后所选的颗粒再次放入石墨盒中并在1160摄氏度的温度下在真空中烧结45分钟，以允许颗粒基本上液相烧结并提供烧结颗粒。在烧结工艺中，虽然一定量的碳化铬(Cr3C2)可能分解，但是仅有相对少量的碳化钨可溶解到粘合剂材料中。虽然不希望受到特定假设的约束，但是潜在地基本上所有的碳化铬(Cr3C2)可以溶解在液态粘合剂材料中，并且混合碳化物材料其包含铁族金属(例如铁或钴)、铬和碳，该混合碳化物材料可在材料的凝固期间产生结晶。溶解的碳化钨的量可能约为5至8％(质量)，对应于至多约1.5至2.5％(原子)，其可能基本上不影响粘合剂材料的熔化温度。如果颗粒含有比它们实质上更多的铁，则颗粒明显熔化的风险很高，导致在烧结热处理结束时铁基材料产生较大的、坚硬的聚集体(aggregation)，这使聚集体很难破坏从而提供第一批颗粒。但是，如果颗粒中的铁太少时，就出现了材料的不充分液相烧结，颗粒很可能缺乏足够的强度。例如，如果尝试为热喷涂工艺提供和使用仅仅一批颗粒，避免引入另外一批富铁颗粒的需求，则颗粒需要包含约69％(质量)铁，取代本示例中使用的15％(质量)，这导致可能产生较硬的、基于铁的主体，该主体不可行地难以制粒。
f.第三次制粒：烧结颗粒在氩气(Ar)50巴的压力下热等静压(hot iso-statically pressed,HIP)，得到致密主体(compacted body)。然后破碎致密主体，通过筛分选择尺寸为约60至180微米的颗粒，以提供第一批颗粒。
所述第一批颗粒(其也可以称为“第一颗粒”)基本上缺乏铁，其在热喷涂和成功融合它们到基底主体是不可行的，即使主体含有钢。虽然理论上可以将缺乏铁的第一颗粒喷涂到基底上而不引入额外包含铁的颗粒，但使用存在于钢板中的铁，在其上喷涂颗粒，这样做所需的能量可能非常高。
第一颗粒的尺寸分布使得d(10)值为90微米，中值尺寸(d(50))为141微米，d(90)尺寸为221微米(换句话说为10％、50％和90％的颗粒的直径尺寸分别小于或等于90、141和221微米)。随机选择五个颗粒的样品用于破坏性机械测试。每个颗粒放置在一个刚性平台和将一个刚性板以恒定速度缓慢压在颗粒上，从而用尽可能少的50毫牛顿(millinewton,mN)和最大为2000牛顿(N)的增加的力压缩它，直到颗粒破裂。由于颗粒的机械性能可能取决于颗粒的尺寸，所以测试的颗粒直径尺寸为125至160微米。平均141±14微米直径。测定颗粒的破坏载荷(failure load)为6.0±2.3牛顿(N)，并且考虑到颗粒的负载变形(loading deformation)，颗粒的平均抗压强度(compressive strength)为402.6±187.9兆帕(MPa)。图10中颗粒的数量频率N分布作为维氏硬度H(HV10)的一种图形展示。用于制造颗粒的方法成功地制造了相对坚硬、致密和强大的颗粒。
第二批颗粒包含有由以被提供水雾化法(water atomisation)制备的市售的铁晶粒(特别是，使用了赫格纳斯TM
Figure GDA0001467822770000161
ABC 100.30)，提供第二批颗粒，并筛分以提取落入在约60至180微米的尺寸范围内的晶粒。所述第二批铁颗粒的抗压强度没有测定，因为水雾化导致颗粒的形状不规则(如果第二颗粒通过气体雾化的机构已被制成，它们很可能比较接近球形以及它们的抗压强度可被测量；第二批颗粒的流动性很可能在一定程度上也会得到增强)。
第一和第二颗粒以75:25的质量比混合在一起，以提供一批混合的颗粒，其含有总体约35％重量的铁。图10显示了第一批颗粒200和第二批颗粒的混合的显微照片。第一和第二批颗粒中的每种颗粒的组成总结在表1中。混合的颗粒适合于热喷涂，其在焊接容易性和硬度两个方面具有良好的平衡。
然后借助于如以上描述参照图4A和4B的示例性的等离子体转移电弧(PTA)热喷涂设备将混合的颗粒喷涂到钢板上，从而在其上沉积相对硬且耐磨的材料层。钢板为100毫米(mm)长，60毫米宽，10毫米厚。调节保持壳体32相对于等离子体焰炬20的轴向位置，使得进料孔70在保持壳体32和等离子体焰炬20之间限定0.2毫米至0.4毫米的轴向间隙。PTA热喷涂设备的其它操作参数如表2中所概述。
Figure GDA0001467822770000171
Figure GDA0001467822770000181
表1
Figure GDA0001467822770000182
表2
沉积层的厚度为约3毫米(mm)，且具有1000±100维氏单位的硬度。图11示出了层的微观结构的显微照片。它包括在基质(matrix)304内的树枝状η相(dendritic eta-phase)碳化物相302，小碳化钨(WC)晶粒和基于铁(Fe)的基质，该基质采用以纳米级晶须(nano-scale whisker)和纳米级圆盘(nano-scale disc)形式沉淀的纳米级η相碳化物的纳米晶粒进行强化。
使用ASTM G65试验测量沉积层的耐磨性，并与三种不同等级的钴-硬质碳化钨(Co-WC)材料比较，其材料包含8、10和15重量百分数(％)的钴(Co)。在该试验中，使用包含上述各种级别的硬质合金的三个机床刀片(machine tool insert)来加工在上述示例中沉积在钢板上的材料层。当包含8％重量百分比钴Co的工具用于加工沉积层时，从工具和层中除去基本上相同体积的材料(约3.8立方毫米)，表明如上所述示例沉积的材料的耐磨性与该等级的硬质合金材料相当。从包含10％和15％质量百分比％钴(Co)的硬质合金等级中去除的体积分别为9.1立方毫米和12.2立方毫米，表明包含在该层中的材料显著比这些等级更加耐磨损。
在第二示例中，与上述第一示例中的15％质量百分比相比，铁(Fe)的相对含量增加至20％质量百分比，用于制造第二示例中的颗粒的前体材料包含20％质量百分比的铁、13％质量百分比的碳化铬(Cr3C2)、3％质量百分比的硅和约64％质量百分比的碳化钨晶粒。尽管有可能在第二示例中制造和热喷涂第一颗粒，但是基本上更难以破碎在烧结热处理步骤中产生的烧结聚集体。
在第三示例中，与上述第一示例中的15％质量百分比相比，铁(Fe)的相对含量减少至10％质量百分比，用于制造第二示例中的颗粒的前体材料包含10％质量百分比的铁、6.67％质量百分比的碳化铬(Cr3C2)、3％质量百分比的硅和80％质量百分比的碳化钨晶粒。尽管相对更容易破碎在烧结热处理中产生的烧结聚集体，但是实质上更难以达到颗粒的密度。
在第四示例中，如第一示例中所述的第一和第二颗粒以60:40的比例(与第一示例中的比率为75:25相反)混合，因此导致基本上更大量的铁被包含在被热喷涂的混合前体材料中。这会导致基本上更软的沉积层。
在第五示例中，如第一示例中所述的第一和第二颗粒以90:10的比例(与第一示例中的比率为75:25相反)混合，因此导致基本上更少量的铁被包含在被热喷涂的混合前体材料中。在一些情况下，这可能导致基本上更软的沉积层。然而，基底的确切组成以及其在与所沉积的材料接触时可能熔化的程度。
在一些示例中，钢基底可以相对小和/或薄，并且在热喷涂工艺中需要使用相对低水平的功率，以避免或降低损坏钢的风险。在这种情况下，来自钢的熔融铁族金属不可能有效地与喷涂材料反应，并可能使用相对较高比例的第二批颗粒(包含铁族金属)。
在其它示例中，钢基底可以相对较大，因此，有可能在热喷涂工艺中采用相对高水平的功率。在这种情况下，更高的功率可能导致来自钢的熔融铁族金属在基底上形成，其可与喷涂材料有效地进行反应。由于更高的热喷涂功率，更大的基底也不太可能由于加热的增加而显著变形。在这种情况下，可以使用相对较低比例的第二批颗粒(包含铁族金属)。
通常，第一和第二批颗粒的混合(其中第二批颗粒包含或由铁族金属如铁或钴组成)可以根据被涂布的基底形状、尺寸和组成进行调整。如果在基底表面上提供过多的熔融铁族金属，则涂层可能不够硬。例如，如果包含或由铁族金属组成的颗粒的比例太高，或者如果由于过高的热喷涂功率而导致基底的熔化过多，则可能出现过量的铁族金属。
所公开的示例性配置、颗粒和方法中的至少某些的各种潜在方面将进行简要讨论。
某些公开的示例性前体材料，其包括化学元素和/或化合物的各种混合并可能适合于涂布主体，该前体材料在低于1300摄氏度条件下(共晶相温度可低于1300摄氏度)，可以在较低熔化温度下形成熔融相(换言之，基本上处于液态的相)。当在涉及加热前体材料的某些涂布工艺中使用前体材料时，可能出现某些技术挑战。例如，过早形成熔融相可导致其在涂布设备上发生沉积。所公开的方法的某些示例具有改进对熔融相形成的控制的方面，因此可能改进对热沉积工艺的控制和性能。示例性公开的方法包括将前体材料的化学组分的多个不同源混合以使得熔融相在期望区域内形成。例如，前体材料的化学组分可分离为两个或更多批原料颗粒，每批颗粒具有不同的化学组成，并且具有比混合的化学组分相对更高的熔化温度。
某些示例性公开的方法可包括提供前体材料作为至少两批原料颗粒，并加热颗粒的混合物以形成熔融相，其中颗粒(以及前体材料的化学成分的可能的其它源)可以具有期望的机械性能或其它性能，例如硬度、韧性和/或流动特性。例如，当被引导到加热位置时，相对坚硬颗粒可表现出改进的流动行为，并且示例性公开的制备颗粒的方法可具有产生相对坚硬和强大的颗粒的方面。在某些示例性涂布方法中，可通过调节设备和操作条件使得熔融相的形成离设备有足够远的距离，从而降低熔融相材料连接到涂布设备的风险。设备的布置和/或操作参数可受颗粒的平均尺寸和尺寸变化(variance in size)的影响。相对坚硬且强大的颗粒的一个方面可以降低其破碎的风险，因此能够改进对涂布工艺的控制。
在提供前体材料作为具有不同组成的多于一批颗粒的示例中，如果不同批颗粒具有相似的尺寸特性，则所有批颗粒具有相似流动特性的可能性将可能增加。足够大的颗粒更可能均匀且可预测地流动，并且滞留在涂布设备内的角落或小空间中的风险将可能降低。如果晶粒或颗粒太大，它们不可能通过涂布设备的孔、通道和腔室，并可能导致堵塞。
在某些公开的示例中，当前体材料的化学组分被分离成多于一批颗粒时，可能更容易提供更坚硬和更强大的颗粒。特别地，在铁族金属是前体材料的主要化学组分的情况下，可提供基本上缺乏铁族金属的第一批颗粒，并且公开的示例性方法可用于提供具有相对高的硬度和抗压强度的颗粒。如果颗粒中铁族金属的含量太高，则在该方法中生产的粉末的中间聚集体可能易受颗粒制造工艺的加热步骤中不期望的熔化。当聚集体冷却并且金属固化时，其所得的固化聚集体可能非常难破碎以提供颗粒。如果颗粒中的铁族金属的含量太低，则聚集体可能强度不足，并且可能难以生产具有足够强度和所需尺寸的颗粒。包含由铁族金属组成的第二批坚硬强大的晶粒可通过已知的方法提供或者商业采购方式获得。
使用具有低于1300摄氏度的相对低的熔融温度的前体材料生产的金属基涂层可具有相对致密和坚硬的方面，具有很少或没有孔隙并可包含碳化物晶粒(其可以与前体材料相混合)。在一些示例中，通过所公开的方法生产的涂层可具有与本体基本上不同的性质。例如，该涂层可比本体(其可包含钢)更坚硬或更耐磨损。示例性涂层可保护本体以免在使用中磨损和腐蚀。
所公开的示例性涂布方法的其它方面可包括在相对长的时段内的增强涂布均匀性。例如，包含等离子体转移电弧热喷涂的涂布方法可以在操作中表现出减小的等离子体和引导电流，使得可沉积相对薄的层(4-5mm)并且根据需要改变参数。示例性热喷涂方法可以表现出增加的粉末向等离子体射流的的传输速率(以每单位时间的质量计)，使得在单次操作中沉积高达7至8mm的层变得可行。公开的示例性热喷涂装置和热喷涂或激光熔覆的方法可具有以下方面：具有至少约30厘米(cm)的横截面尺寸的相对大的主体和/或具有相对复杂形状的主体，可用保护材料相对有效地涂布，特别但不排他性地用于防止磨损或腐蚀性磨损。有可能提供具有相对均匀的厚度和质量的涂层。
所公开的方法的示例可具有可沉积相对坚硬，耐磨和致密的材料的方面。在多个层相互沉积以形成制品的示例中，例如在增材制造工艺中，，所得制品可具有这些方面。虽然不希望受到特定理论的束缚，但前体材料的相对低的共晶温度可允许通过3D打印工艺制造包含碳化物化合物材料的相对坚硬且致密的制品。
下面简要解释本文使用的某些术语和概念。
如本文所述的，热喷涂工艺包括用材料层涂布主体，其中通过将前体材料(其也可以称为涂层前体或“原料(feedstock)”)加热而产生的熔融相材料喷涂到表面上，从而将涂布层材料沉积到所述主体的表面上。原料材料可以通过各种方式进行加热，如等离子体或电弧、或化学手段。一般来说，热喷涂可能在高沉积速率下在相对大的面积上提供约20微米至几毫米(取决于工艺和原料)的相对厚的涂层。前体材料可以是颗粒形式，并且其被加热到熔融或半熔融状态，并且熔融或半熔融材料的细分的(也称为“雾化(atomised)”)液滴droplet)朝将被涂布的主体方向被加速。涂层可能来自于液滴在主体上的积聚，其凝固为多个扁平晶粒，其可以称为薄片(lamellae)。各种操作参数可能影响涂层的性质，包括前体材料的组成、形式和物理性质、等离子体气体组成和流速、能量输入、焰炬和基底之间的距离(其也可以被称为偏移距离)和基底的冷却。
在电弧等离子体喷涂方法中，可以通过电弧放电(arc discharge)和适当的气体通过在阳极和阴极之间的离子化而产生从等离子体焰炬发出的高温等离子体射流。等离子体内的温度可能改变并可能超过约10000摄氏度。包含前体材料的原料可以是粉末或颗粒的形式，并通过一个进料机构输送到电弧等离子体。钨电极可以位于等离子体焰炬的腔室内，并且可以迫使惰性气体流过电极并通过收缩形喷嘴的孔，产生延伸通过该孔的等离子体射流。可以围绕收缩形喷嘴引入保护气体，以保护等离子体射流免受环境大气的影响。原料颗粒可以分散在惰性载气中，例如氩(Ar)中，并被引导到等离子体射流中。其它热喷涂方法包括爆炸喷涂(detonation spraying)、电弧喷涂(wire arc spraying)、高速氧-燃料涂层喷涂(high velocit oxy-fuel coating spraying,HVOF)。
在等离子体转移电弧(PTA)工艺中，可以在中心电极和含有铜的周围水冷喷嘴之间产生“引导电弧(pilot arc)”，并且可以在电极和被涂布的主体之间产生“转移电弧(transferred arc)”。在PTA工艺中通过引导电弧的氩(Ar)气的电离可以达到相对高的等离子体电弧密度，引导电弧通常在热喷涂操作期间永久燃烧。可以通过“节流(throttling)”增加转移电弧的温度，以获得具有约8,000至18,000摄氏度的等离子体柱(plasma column)，并且如果转移电弧等离子体射流包含金属，例如含有钢，则可导致主体的表面区域熔化。电弧点火机构可能用于在接近收缩形喷嘴的阴极和阳极之间产生火花，使得当气体流过收缩形喷嘴，产生导向等离子体(也可称为“非转移电弧(non-transferredarc)”)。引导电弧在阴极和基底之间形成低电阻路径，以便于随后产生转移电弧。可以根据焰炬、粉末和应用，可以调节PTA操作参数，从而以1至13千克每小时(kg/h)的速率提供具有约1到至少约3毫米厚度的层。
如本文所述的，激光熔覆工艺涉及借助于激光装置将前体材料焊接到主体上，并且可以被视为对等离子体转移电弧(PTA)工艺的互补涂布技术。两种方法都包括快速加热原料材料以形成熔融相，将其沉积到主体的表面上。例如，原料可以在小于1秒或小于约5秒内加热至约2000摄氏度的温度。
如本文所使用的，“3D打印”，也称为“增材制造”或“快速成型”，是一种通过顺序涂布沉积材料的层来制造几乎任何形状物体的工艺(换句话说，多个涂层可以通过一个叠在另一个之上沉积以形成三维制品)。根据层系列中的层的位置和待制造的物体的形状来构造每层中的材料的分布。材料的分布通常由计算机程序控制。“3D打印机装置”能够在计算机控制下根据特定配置在层中沉积材料，并且可包括机器人能力。不同种的增材工艺是可能的，不同的是层沉积的方式。涉及加热前体材料的示例性工艺包括选择性激光熔融(SLM)，直接金属激光烧结(DMLS)，选择性激光烧结(SLS)和熔融沉积成型(FDM)。如果用于增材制造工艺的材料原料包括颗粒形式的金属或金属合金材料，则直接金属激光烧结(DMLS)或选择性激光烧结(SLS)可能是适合的。根据金属或合金材料的类型，电子束熔炼(EBM)，选择性激光熔融(SLM)可能是适合的。3D打印的一种方法涉及将颗粒材料选择性地熔合到下面的层，这通常涉及颗粒层的目标加热，其可以通过激光装置(选择性激光烧结)和直接金属激光烧结(DMLS)来实现。在选择性激光熔融(SLM)中，颗粒被熔化而不是使用高功率激光烧结以产生完全致密材料层。

Claims (8)

1.一种涂布钢铁主体的方法，所述方法包括：
提供一批来自第一源的颗粒，其每个颗粒由碳化钨、硅、碳、铬和铁组成；其中当至少铁的阈值量从碳化钨、硅、碳和铬中获得时，碳化钨、硅、碳和铬的相对量使得包含碳化钨、硅、碳、铬和铁的熔融相在低于1300摄氏度的熔化温度下形成；每个第一源的颗粒包含低于所述铁的阈值量的铁；
提供由颗粒形式的铁组成的至少一个第二源；
考虑待涂布主体的形状、大小和成分，调节所述第一源的颗粒和所述第二源的颗粒的比例；
形成所述第一源的颗粒和所述第二源的颗粒的混合物，使得至少所述铁的阈值量从碳化钨、硅、碳和铬中获得；然后
加热所述第一源的颗粒和所述第二源的颗粒的混合物至少到所述熔化温度以形成熔融相，然后将熔融相与主体接触；和
除去热量以允许熔融相固化并提供已涂布主体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述熔化温度为至多1280摄氏度。
3.根据权利要求1所述的方法，其包含使用激光熔覆工艺，其中通过激光束实现加热；电子束工艺，其中通过电子束实现加热；或电弧等离子体喷涂工艺，其中通过电弧等离子体实现加热。
4.根据权利要求1所述的方法，其包含使用增材制造工艺通过构建连续的涂层的层来制造制品，所述层构造用于制造制品。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述主体包括所述铁的额外的源。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一源的颗粒包含铁的阈值量的20％至60％的铁。
7.根据权利要求1所述的方法，其中每个第一源的颗粒包含硅，碳化铬和铁；所述碳化铬的质量为所述硅的质量的1.5至7倍，所述铁的质量为所述硅质量的2至8倍。
8.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括将混合的所述第一源的颗粒和所述第二源的颗粒引入电弧等离子体喷涂设备的进料机构中，使用所述设备以产生在主体上的涂层；其中所述电弧等离子体喷涂设备包含用于从等离子体喷嘴产生等离子体射流的等离子体焰炬和用于将所述混合的颗粒引导到使用中等离子体射流中的进料机构，并且当处于打开状态时能够提供进料孔；所述进料机构包括引导室和可移动引导机构；并且构造成使得所述引导室能够将所述混合的颗粒引导至所述进料孔，所述混合的颗粒能够通过所述进料孔从所述引导室移动，并且响应于所述引导机构的移动，以与所述等离子体喷嘴可变的平均距离进入所述等离子体射流；所述方法包括调节引导机构的位置，使得熔融相不接触使用中的设备。
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