CN1267242A - 电磁粉末淀积的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在基底上淀积粉末颗粒的方法,包括:形成一个等离子电枢(100),加速此等离子电枢,利用此等离子电枢加速气体柱(94);并且利用此气体柱加速粉末颗粒(96)。还提供一种由第一和第二导电轨道(110,112)及第一和第二绝缘轨道(114,116)组成的轨道炮(92),绝缘和导电轨道形成轨道炮的炮膛(108)。第一和第二导电轨道由绝缘轨道分隔,至少一个轨道在其壁上有一个用来将粉末颗粒装入炮膛(108)内的孔口(124)。

Description

电磁粉末淀积的方法及设备

本申请以1997年6月20日递交的美国临时申请No.60/050392为优先权。

本发明一般涉及用来在基底上淀积镀层材料的方法和设备，并且特别涉及应用轨道炮(railgun)形成镀层和/或材料的方法和设备。

电解电镀是在基底表面上形成材料层的过程。电解电镀过程具有某些局限性。比如，电解电镀在应用于大型对象上时很不方便，其形成具有非均匀厚度层的能力有限，并且某些材料由于其化学性质而难于使用。现有技术开发了用于在基底上淀积材料的热喷涂及爆炸技术，可部分地避免上述问题。

热喷涂技术用气体的热膨胀作为镀层材料的动力。热喷涂技术的例子包括火焰、高速氧燃料(HVOF)、爆炸喷枪以及等离子喷涂。热喷涂技术可赋予镀层材料的速度不会超过推动基础热过程的膨胀气体的速度。气体的热速度限制在大约1km/s。由于具有1km/s速度的镀层颗粒具有的动能通常低于颗粒的熔解热，所以热喷涂技术通常不会使镀层颗粒在撞击基底时发生熔融。热喷涂技术通常不会使镀层材料和基底之间形成如镀层颗粒在撞击基底时发生熔融可以产生的那种牢固的结合。

现有技术在最好直接淀积原始固体镀层材料的场合下应用了爆炸淀积过程。为使用爆炸过程，镀层材料形成一个薄壳。比如，镀层材料可以是铝箔的薄壳。然后，爆炸，比如氧乙炔爆炸，将镀层材料薄壳抛射到待镀层的基底上。

爆炸淀积技术也有局限性。首先，淀积的镀层通常既包含镀层材料又包含薄壳基体，因为薄壳和镀层材料两者都由爆炸抛射到基底上。为了消除镀层杂质，薄壳基体可由镀层材料本身制作。但是，昂贵的镀层材料使薄壳基体的构造成本高昂得令人不敢问津。其次，爆炸技术无法做到以可控方式淀积厚镀层层所必需的高重复率。爆炸技术不能提供在基底上形成材料层的通用方法。第三，爆炸技术不能将镀层材料加速到大于声速数量级的速度。第四，此技术不能适应复杂的几何表面。第五，爆炸/热喷涂技术产生的淀积层容易包含大量的气孔。气孔会在厚度大于1.030英寸的镀层中造成裂缝。

本发明的宗旨是克服，或至少是减小，上述一个或多个问题的影响。

在本发明的一个方案中提供一种在基底上淀积粉末颗粒的方法。这种方法包括：形成一个等离子电枢，加速此等离子电枢，利用此等离子电枢加速气体柱；并且利用此气体柱加速粉末颗粒。在本发明的另一方案中，提供一种由第一和第二导电轨道及第一和第二绝缘轨道组成的轨道炮。绝缘和导电轨道形成轨道炮的炮膛。第一和第二导电轨道由绝缘轨道分隔。至少一根轨道在其壁上有一个孔口，此孔口用来将粉末颗粒装入炮膛之内。

本发明的其他目的及优点在参考附图阅读下面的详细叙述之后将会更加清楚。附图中：

图1示出承受阻力的粉末颗粒的无量纲速度“f”和加速度“a”与无量纲时间变量“ξ”的函数关系；

图2示出用来实现电磁粉末淀积的轨道炮的一种实施方案；

图3为图2的轨道炮的炮膛的端视图；

图4为图2的轨道炮的放大图；

图5为示出利用图2的轨道炮实现电磁粉末淀积的方法的步骤流程图；

图6为用来为图2的轨道炮中的等离子电枢提供动力的脉冲成形网络的实施方案；

图7示出由图6的脉冲成形网络产生的电流脉冲；

图8示出用于图6的脉冲成形网络的再充电系统；

图9示出图8的再充电系统所使用的再充电电路和控制模块的实施方案；

图10为利用图8和图9的再充电系统对图6的脉冲成形网络减小再充电的方法的步骤流程图；

图11A示出用来形成图2和图4中示出的轨道炮的等离子电枢的电弧启动器的实施方案；

图11B示出图11A的电弧启动器的电源；

图12A示出具有线圈、光纤和压力传感器检测器的轨道炮；

图12B示出具有光纤和压力传感器检测器的轨道炮；

图13示出由电磁粉末淀积形成的宏观构造；

图14A为利用电磁粉末淀积产生宏观构造的方法的实施方案的流程图；

图14B为利用电磁粉末淀积产生宏观构造的方法的一些实施方案的附加步骤的流程图。

虽然本发明可具有各种改变和变化形式，其具体实施方案通过附图所示的示例示出并在下面进行详细描述。但是，应当理解的是此处对具体实施方案的描述并非企图使本发明限制于所公开的具体形式，而是恰恰相反，其目的是要涵盖由下附的权利要求所规定的本发明的精神及范围之内所包括的所有的变形、等效方案及变化形式。

下面描述本发明的实施方案。为了清楚起见，在本说明书中并未对实际实现方案的所有特点进行描述。当然应该理解，在开发任何实际实施方案的过程中，必须做出大量各实现方案所特有的决定以便达到开发者的具体目标，比如服从与系统相关的或与商业相关的限制，这一类限制依各实现方案而变。此外，应该理解，此种开发努力可能很复杂并且很花时间，但是对于受益于本发明公开内容的本领域技术人员而言这仍然不过是例行任务。

1.气动(气体动力)颗粒加速

具体实施方案应用气动生成的粘性阻力作为将粉末颗粒加速到声速的工具。实施例的工作参数，在一次近似中，可从单个粉末颗粒获得，只要粉末颗粒的密度不大到以致于多颗粒效应严重影响动力学。气体动力学可近似为一维。

对于近似为球形的直径为D_p、密度为ρ_p的粉末颗粒及密度为ρ_G、速度为V_G的流动气体柱，粉末颗粒的动力学由牛顿动力式确定： $M_P\frac{{\mathrm{dV}}_P}{\mathrm{dt}}=C_D{A}_P{P}_K.......\left(1\right)$

其中M_p，A_p，V_p，ρ_p和D_p分别是颗粒的质量、截面面积、速度、密度及直径。C_D是阻力系数，根据实验已知该系数对具有≥1的很宽的马赫数范围的超声流动接近1。P_K是气体动压强，即P_K＝ρ_G(V_G-V_P)²/2。

颗粒动力学也可以利用无量纲变量描述： $f=\frac{V_P}{V_G},\mathrm{\ξ}=\frac{t}{\mathrm{\τ}},$

及 $\mathrm{\τ}=\frac{4}{3}\frac{1}{C_D}\frac{{\mathrm{\ρ}}_P}{{\mathrm{\ρ}}_G}\frac{D_P}{V_G}.$

利用无量纲变量式(1)可改写为下面的形式： $\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{d\ξ}}={(1-f)}^2......\left(2\right)$

对于初始条件V_P(0)＝0无量纲速度的解为： $f=\frac{\mathrm{\ξ}}{1+\mathrm{\ξ}}......\left(3\right)$

式(3)可对ξ求导以得到无量纲的加速度“a”： $a=\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{d\ξ}}=\frac{1}{{(1+\mathrm{\ξ})}^2}.....\left(4\right)$

无量纲动力式(2)的解(3)和(4)可用来估计电磁粉末淀积(EPD)的实施例的工作参数。

图1示出无量纲速度“f”和无量纲加速度“a”作为无量纲时间变量ξ的函数的变化情况。在无量纲时间区间ξε[0，1]，颗粒加速到气体速度V_G的大约1.5倍，而加速度下降大约为初始值的1/4并且随时间迅速减小。这样，使粉末颗粒加速时间长于变量ξ中的区间[0，1]只能得到速度f的很小的增加值。

下面示出的实施方案在一个归一化时间区间，即在由ξε[0，1]确定的区间，中加速粉末颗粒。普通技术人员可利用上述的分析来判断在更长或更短的时间区间中加速粉末颗粒的实施方案的工作参数而无需进行不必要的实验。本发明力图也涵盖其他在更长或更短的时间区间中加速粉末颗粒的实施方案的情况。

将具有C_D～1的粉末颗粒在一个归一化时间区间加速可得到超声速度。这要求将粉末颗粒加速由下式给出的一个实际时间δt： $\mathrm{\δt}=\frac{4}{3}\frac{{\mathrm{\ρ}}_P}{{\mathrm{\ρ}}_G}\frac{D_P}{V_G}.......\left(5\right)$

长度为L_G的气体柱只有在气体运动比颗粒速度V_P快时才会使颗粒加速。从上面的时间间隔δt的式可估计所需的气体柱的长度L_G。 $L_G=\∫(V_G-V_P)\mathrm{dt}={\mathrm{\τV}}_G\∫\frac{\mathrm{d\ξ}}{1+\mathrm{\ξ}}=0.9242\frac{{\mathrm{\ρ}}_P}{{\mathrm{\ρ}}_G}{D}_p.....\left(6\right)$

由式(6)可知，将颗粒加速到气体速度的大约一半所需的L_G近似地与颗粒的密度及大小成线性关系，并且近似地与气体密度成反比。

2.轨道炮

图2示出用于在单一放电模式或多重放电模式中运行进行电磁粉末淀积的轨道炮92的一个实施方案。轨道炮92利用高速压缩气体柱94加速粉末云96。压缩气体柱94具有激波波前98并且由等离子电枢100(plasma armature)推动沿轨道炮92运动。等离子电枢100又由在轨道炮92中循环的电流脉冲102所产生的磁场加速。

图3为图2的轨道炮92的端视图。炮膛108由两个导电轨道110，112及两个绝缘轨道114，116封闭。在某些实施方案中，导电轨道110，112由铜制作，而绝缘轨道114，116由聚碳酸酯或陶瓷制作。在下面示出的实施方案中，炮膛108的内部具有方形截面，其尺寸为大约0.5英寸×0.5英寸。其他实施方案采用具有另外尺寸和不同截面形状，如圆形或其他曲线截面形状，的炮膛108。如下所述，导电轨道110，112的长度影响可得到的粉末颗粒的终端速度。

图4为图2的轨道炮92的放大图。脉冲成形网络(PFN)104在轨道炮92的第一和第二导电轨道110，112中产生电流脉冲102。在所描述的实施方案中，电流脉冲102的电流强度大而持续时间短。电流脉冲102沿第一导电轨道110流出并沿第二导电轨道112返回。

参考图2及图4。等离子电枢100是离子化环境气体的平板片状结构，基本上在轨道炮92的炮膛108的整个截面分布。片状等离子电枢100及轨道110，112，114，116形成一个基本上密封的活塞结构，用来加速和压缩环境气体122而形成图2的压缩气体柱94。由于等离子电枢100在第一和第二导电轨道110，112之间延伸，等离子电枢100也在两个轨道110，112之间形成电流120，从而使电流脉冲102的电路闭合。电弧启动器118通过使轨道炮92的炮膛108中的环境气体123的一部分离子化而在靠近炮膛108的一端形成等离子电枢100。

在某些实施方案中，轨道炮92运行在大气压力下，即环境气体122，123是大气压力。环境气体122，123可以是惰性气体，如氩气。惰性气体可降低靶表面(图中未示出)或粉末颗粒受压缩气体柱94的高温气体的氧化的危险。某些实施方案采用将靶表面周围区域包围在惰性气体中的公知技术。惰性气体浴可用来减小粉末颗粒和/或靶表面的氧化，否则氧化会影响粉末颗粒与靶表面的结合。

参考图2，粉末供应器126通过一个或多个注入口124将粉末颗粒引入轨道炮92的炮膛108的漂移区128。一种实施方案使用Mecto4MP-双重粉末供应器，该粉末供应器供应速率为每分钟24克。在此实施方案中，漂移区128的容积大约为4.13立方英寸，并且Metco粉末供应器可以以颗粒之间的平均间隔为大约10个颗粒直径的方式注满漂移区128。压缩气体柱94以超声速度通过漂移区128。对于不会干扰气流的颗粒密度而言，粉末云96的颗粒可利用超声气流产生的阻力加速到超声速度。

图5示出利用图2-4的轨道炮92实现电磁粉末淀积(EPD)的方法140的流程图。在步骤142，电弧启动器118通过使环境气体123区域离子化形成等离子电枢100。在步骤144，脉冲成形网络104开始将电流脉冲102传输到第一导电轨道110。电流脉冲102沿第一导电轨道110流动，穿过等离子电枢100沿第二轨道112返回到脉冲成形网络104。根据安培定律，等离子电枢100的电流120受到在两个导电轨道110，112中产生的电流102的磁力的作用。在步骤146中，磁力沿轨道炮92的炮膛108推动电流120及等离子电枢100。

在步骤148中，运动的等离子电枢100裹卷气体柱94。环境气体122由激波波前98加速到超声速度并压缩。压缩气体柱94的长度随着更多的环境气体122被运动的激波波前98所裹卷而增加。在步骤150中，粉末云96引入到炮膛108的漂移区128中。在步骤152中，脉冲成形网络104停止传输电流102，而压缩气体柱94由于原来获得的惯性继续沿炮膛108漂移。压缩气体柱94穿过粉末云96通过粘性阻力使颗粒加速。在步骤154中，经过加速的颗粒撞击到待镀层的基底上。

参考图5。图2及图4的脉冲成形网络104的一种实施方案是在步骤146中在等离子电枢100形成之前开始传输生成步骤144的电流脉冲102的电压脉冲。这可减小等离子电枢100会由于等离子体不稳定而在该期间内恶化的延迟时间。脉冲成形网络104和轨道炮之间的电感应该尽量减小以使电流上升与等离子体不稳定性形成时间相比较很短。在步骤146和148中，等离子电枢很快接近其终端速度。在步骤146和148的加速和压缩阶段之后，等离子电枢100可熄灭，因为图2的压缩气体柱94将继续前进通过漂移区128并借助原先取得的动量加速粉末颗粒。

3.工作参数-气体压缩，轨道炮电流及轨道炮长度

参考图2及图4。电流脉冲102及炮膛108的长度的选择应能使等离子电枢100迅速达到超声速度。这样，压缩气体柱94可生成能够将裹卷达到高密度的环境气体122压缩的激波波前98。等离子电枢100的动力学及压缩的压缩气体柱94可利用牛顿式近似地描述： $\frac{d}{\mathrm{dt}}\left({\mathrm{MV}}_G\right)=\frac{1}{2}{L}^{\′}{I}^2......\left(7\right)$

其中L′是关于导电轨道110，112中循环的电流I，即图2的电流102，的沿轨道炮92的电感梯度。M及V_G是由等离子电枢100和压缩气体柱94组成的复合系统的质量及速度。在初始加速期之后，V_G近似地等于气体本身的压缩气体柱94的速度。假如电流脉冲102的上升时间足够短，并且脉冲幅度基本上恒定，式(7)的时间积分给出： ${\mathrm{MV}}_G=\frac{1}{2}{L}^{\′}{I}^{2}t......\left(8\right)$

如果在加速期间等离子电枢100的质量M_A基本上不改变，则由等离子电枢100和压缩气体柱94组成的复合系统的质量将随着裹卷更多的环境气体122而增加。这样，质量M满足式：

             M＝M_A+ρ₀AZ.                  (9)

其中Z是等离子电枢100运动的距离，而ρ₀是环境气体122的密度。由式(9)，可将动力学式(8)全部积分而得到Z： ${\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{AZ}}^2+{2M}_{A}Z=\frac{1}{2}{L}^{\′}{I}^2{t}^2.....\left(10\right)$ 于是，等离子电枢100的位置Z为： $Z=\sqrt{Z_A^2+\frac{L^{\′}{I}^2{t}^2}{{2\mathrm{\ρ}}_{0}A}}-Z_A\mathrm{with}{Z}_A\≡M_A/\left({\mathrm{\ρ}}_{0}A\right)....\left(11\right)$

式(11)表明可构造专门的实施方案使得由等离子电枢100和压缩气体柱94组成的复合系统的速度可迅速接近由下式给出的终端速度：

在接近终端速度V_G，terminal时，激波波前98继续以近似恒定的速率裹卷环境气体122。

式(12)表明，增加导电轨道110，112的电感梯度L′可在较低的轨道炮电流I得到更高的V_G，terminal。某些实施方案可采用扩充圈轨道炮，即具有平行及正交的导电轨道，以求增加L′并减小为得到给定的V_G，terminal所要求的轨道炮电流I。

参考图2。压缩气体柱94的压缩因子可利用强激波极限进行估计，即对于V_G，terminal＞＞c_s的情况，其中c_s为声速。在强激波极限，压缩比可由下式给出： $\frac{{\mathrm{\ρ}}_G}{{\mathrm{\ρ}}_0}=\frac{\mathrm{\γ}+1}{\mathrm{\γ}-1}......\left(13\right)$

其中γ＝C_P/C_V＝等离子体的比热比。对于室温及大气压力下的氩气，比热比γ大约为1.4，密度大约为1.78mg/cm³，而压缩因子，根据式(13)，大约等于6。这等于压缩密度为大约0.0107g/cm³。在强激波极限，环境气体122基本上由激波波前98压缩，比如对氩气压缩因子为6，而对其他惰性环境气体压缩因子大于3。

粉末颗粒的最终速度值由镀层考虑决定。某些实施方案的构造可获得的颗粒最终速度，V_P超过2km/s。在如此高的速度下，动能可能超过多数金属及很多其他材料的熔解能一倍。粉末颗粒可能由金属，比如钛、铬镍铁合金、铬，或非金属，比如绝缘体，如碳化钨，构成。如粉末颗粒的动能等于熔解潜热的两倍，粉末颗粒在撞击时会熔化并与基底熔合。对于上述的粉末材料，满足下式的终端速度，足以使粉末颗粒在撞击时熔化。这种撞击也会引起大量基底熔化，其质量基本上可与撞击的粉末颗粒的质量相比，即在某些实施方案中大约为撞击的粉末颗粒质量的0.5至1.0倍。对于上述材料，这要求V_P≈2.1km/s。在将粉末云96的颗粒加速到大约为气体终端速度的一半的实施方案中，压缩气体柱94需要达到的V_G，terminal大约等于4.2km/s才能使粉末颗粒在撞击时熔化。

参考图2。根据上述的结果及式(6)可估计出所需的压缩气体柱94及轨道炮92的长度。如使用直径为100μm、密度大约为8.3g/cm³的铬镍铁合金颗粒进行镀层，可达到的最终速度大约为2.1km/s，如果压缩气体柱94的长度L_G满足下列式：

         L_G≥7.2cm.                          (15)

由于超声等离子电枢100可以以大约等于6的压缩因子来压缩环境氩气，所以在压缩之前气体柱94的长度大约6倍于L_G。如氩气柱94在漂移区128中加速粉末之前受到压缩，则轨道炮92的长度L_{railgun(轨道炮)}需要满足：

         L_railgun≥6×7.2cm+7.2cm≈50cm.     (16)

实施例中使用的轨道炮92的长度至少为50cm。

压缩氩气柱94的长度允许估计为压缩提供动力的电流脉冲102的持续时间T_{power(电源)}及幅度I。如由等离子电枢100和压缩气体柱94组成的复合系统迅速接近V_G，terminal，则T_power近似地满足：

式(12)表明，对于电流脉冲102，较小的截面面积A和较高的电感梯度L′使得可以在较小的电流幅度I的情况下获得同样的V_G，terminal。对于图2-4所示1/2英寸×1/2英寸的方形炮膛几何形状，A等于1.613cm²，而电感梯度L′对非扩充轨道炮大约等于0.5μH/m。由式(12)，对于上述的几何形状，电流脉冲102的幅度I和V_G，terminal满足：

实施例的脉冲成形网络104可产生具有基本上由式(17)及(18)给出的持续时间及幅度的电流脉冲。

参考图2-4。轨道炮92的总阻抗确定脉冲成形网络104所需要的电压。总阻抗包含随时间变化的电阻及随时间变化的电感，因为等离子电枢100的运动改变电流102流过的导电轨道110，112的长度。阻抗的电阻分量的来源是两个导电轨道110，112的趋肤深度电阻R_skin(R_趋肤)及等离子电枢100的电阻R_arc。如等离子电枢100迅速接近终端速度V_G，terminal，则阻抗的电阻分量可由下式近似地给出：

            R＝R_arc+R_skinZ.                     (19)

0.5英寸宽的铜道轨的趋肤深度电阻R_skin为： $R_{\mathrm{skin}}\≡\frac{\sqrt{{2\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\η}}}{\sqrt{{\mathrm{AT}}_{\mathrm{power}}}}=1.76\mathrm{m\Ω}/m......\left(20\right)$

电感L_rails也近似地是等离子电枢100运动通过的距离Z的线性函数：

            L_rails＝L′Z

                                                (21)

L′是电感梯度。由脉冲成形网络104生成的电压V满足： $V=\mathrm{RI}+\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(L^{\′}\mathrm{ZI}\right)=(R+L^{\′}{V}_{G,\mathrm{ter}\min \mathrm{al}})I.....\left(22\right)$

式(22)的最后一个等式假设了电流脉冲102的幅度I近似恒定，并且也假定等离子电枢100接近终端速度V_G，terminal的时间很短。式(22)表示轨道炮92对脉冲成形网络104主要是电阻负载。等效电阻R_railgun由下式给出：

       R_railgun＝R_arc+R_skinZ+L′V_G，terminal

                                                       (23)

等离子电枢100的恒定速度使电感作用L′V_G，terminal对脉冲成形网络104表现为一个固定的电阻。

参考图2及图4。上述实施方案的参数允许计算轨道炮92对脉冲成形网络104的电阻。对0.5英寸宽的铜轨道L′V_G，terminal近似地为2.1mΩ，而V_G，terminal＝4.2km/s。弧电阻R_arc是相当固定的1mΩ。在接近120μs的电流脉冲102的结束时，R_skin的大小变得可与电感项相比。在较早的时候有效电阻基本上是恒定的。这样，R_railgun代表在等离子电枢100的运动区域中对脉冲成形网络104的大约为3-4mΩ的电阻性负载。

图6为用来实现图2的脉冲成形网络104的一个实施方案106，此实施方案可满足对图2及图4的轨道炮92的电流脉冲102的上述要求，其中的总阻抗是电阻性的并等于大约3-4mΩ。图2的第一轨道110与输出线162电连接，而第二轨道112与共用接地164连接，并且共用接地164上连接4个电容166中的每一个。4个电容166每一个的电容大约为0.6mF并在输出线162和共用接地164之间形成电感电容电路。

图7示出由图6的脉冲成形网络160在具有电阻性且其值大约等于3-4mΩ的等效阻抗的轨道炮产生的电流脉冲170。电流脉冲170的上升时间小于25μs，其中大约95μs的时间基本上是恒定的，总的持续时间大约为120μs，而峰值幅度大约为150,000A(安)。电流脉冲170可在大约20μs之内将图2的等离子电枢100加速到接近V_G，terminal。加速时间短以及脉冲持续时间短，即100-300μs，可减小等离子体不稳定对等离子电枢100的影响。

4.脉冲成形网络的再充电系统

图8示出用于图6的脉冲成形网络160的再充电系统172。系统172包含控制开关174，再充电电路176及“隔离”控制模块178。控制开关174控制图2的电流脉冲102的开始及停止。在一种实施方案中，控制开关174是一个触发真空开关(TVS)。控制模块178操作控制开关174及再充电电路176。控制模块178与脉冲成形网络160，控制开关174及再充电电路176中的电流电隔离。在一种实施方案中，控制模块178，控制开关174及再充电电路176之间的线路179是非导电的光纤。

图9示出使用再充电电容器组182及充电电感184来为再充电循环供电并减小调节的再充电电路176的实施方案180。一组具有隔离栅的双极型晶体管(IGBT)186控制从再充电电容器182到充电电感184的电流的流动。双极型晶体管186的集电极和发射极串联。串联的一组可控硅(SCR)188确保由再充电电容器组182发出的再充电电流由于具有对称的电压截止而不通过脉冲成形网络160。双极型晶体管组186，可控硅组188及控制开关174每一个都具有单独的开关块190，192，194。开关块190，192，194响应来自控制器块196光学信号提供栅极信号。控制模块178也包含一个传感器块198，用来响应于预先选择的错误类型而关掉脉冲成形网络160和/或再充电电路176。一种预先选择的错误是双极型晶体管186不开路，就是使6个高电源供电的双极型晶体管186承受过度的电流的错误。响应于这种错误，传感器块198发出一个信号使开关200爆炸，从而关闭通过爆炸关闭开关200的双极型晶体管186的通路。

图10为用于运行图9的再充电系统172的方法204的流程图。在步骤206控制器块196关闭控制开关174，并且脉冲成形网络160启动图7的驱动等离子电枢100沿图2的轨道炮的炮膛108运动的电流脉冲170。在步骤208中，控制器块196打开控制开关174，终止图7的电流脉冲170。这将终止放电阶段并启动再充电阶段，以便准备下一个等离子电枢100沿图2的轨道炮92加速。在步骤210中，控制器块196操作双极型晶体管186的栅极使电流从再充电电容器组182流向充电电感184。此电流在充电电感184中建立磁场。可控硅组188停止电流的流动，否则会同时在步骤210中对脉冲成形网络160充电。在步骤212中，控制器块196为双极型晶体管186的栅极施加偏压来停止电流进一步流入电路202。在步骤214中，充电电感184产生一个电流，该电流响应于选通成为导电状态的可控硅188及不再允许电流回流到再充电电容器组182的双极型晶体管186在图9的电路216中流动。可控硅188允许磁能存储于充电电感184中以便产生一个从充电电感184流向脉冲成形网络160的电流，从而对脉冲成形网络160进行再充电。步骤210，212，214的两阶段再充电循环利用充电电感184的阻抗作为电流电平及再充电速度的控制器。

在具体的实施方案中，电路块190，192，194在电学上与其他的电路块190，192，194，控制模块178及地(图中未示出)隔离。对电路块190，192的较低功率的电力要求是由锂电池(图中未示出)提供的，而较高功率的要求则是由单个的电动交流发电机(图中未示出)提供。所有的控制及传感器通信都是利用光纤179传输。这可以减少在图10的再充电和放电循环期间高电磁场所生成的寄生信号。所有的电子学线路190，192，194及178装设在法拉第屏蔽中。在某些实施方案中，电路块190，192，194及控制模块178中的逻辑采用设置有电压比较器(图中未示出)的可编程硬件。

图9的再充电电容器组182的大小决定图2-4的轨道炮92可基本上不间断地进行放电的次数。如再充电电容器组182的电容为大约28mF时，图9的再充电电路176可以提供达10次的30赫频率的放电。在其他的实施方案中，通过增加图9的再充电电容器182的电容，图8的再充电系统172可提供更多次数的30赫频率的放电。比如，通过采用附加的并联电容(图中未示出)增加再充电电容器182的电容，可做到基本上不间断地进行100次以上的放电。曾经采用上述的图9的再充电电路180来对有关原理进行实验室测试。生产系统(图中未示出)可采用连续工作的电源(图中未示出)来操作电磁粉末淀积系统进行长时间的涂敷。本发明企图涵盖再充电系统172所有的、理解本发明公开内容的技术人员无需进行过度的实验即可构造的改型。

5.等离子电枢的启动器

图11A示出用于图2等离子电枢100的电弧启动器118的实施方案220。电弧启动器220具有共轴的几何形状，包含一个位于具有圆形截面的腔体222中心的固体丝电极221。腔体222中注满环境气体123，该环境气体123注满图2及图4的轨道炮92的一部分之中。腔体222具有一个狭窄的隙缝223，该隙缝223沿图2-4的第一导电轨道110的炮膛108的整个宽度上开放。在一个实施方案中，丝电极221由钨制作，腔体222的直径大约为3mm，而隙缝223大约为1mm宽。高频信号发生器224通过连接到丝电极221的第一导线225及连接到导电轨道110的第二导线230向电弧启动器220提供电力。

图11B示出图11A的高频信号发生器224的一个实施方案。射频放大器(RF)226，比如ENI公司制作的3200L型，可向为电弧启动器220供电的导线225，230提供射频功率。射频放大器226输入端接收射频信号发生器227，比如HP(Hewlett-Packard)公司制作的8654A型，发出的输入信号。函数发生器228，比如Tektronix公司制作的FG 501-A型，调制射频信号发生器227的输出。

还是参考图11B。示例性的工作参数为从射频放大器226发出的具有在200和30伏之间变化的峰值的电源功率信号，由射频信号发生器227发出的具有在1和0.2伏之间变化的峰值和频率大约为40MHz的调制信号，以及由函数发生器228发出的大约为500Hz的调制信号。在不同的实施方案中，射频信号具有在5至200MHz之间的频率。函数发生器228调制射频信号发生器227的输出以生成峰值大约为1伏和持续时间大约为200μs的尖峰信号脉冲，脉冲之间的间隔时间大约为2ms，其中的射频信号发生器227的输出具有大约为0.2伏的峰值。为电弧启动器220供电的信号的峰值大约为200伏，脉冲宽度大约为200μs，间隔时间为2ms，其中的峰值电压大约为30伏。

参考图11A及图11B。在大气压力下，在高频信号发生器224以上述示例性工作参数用于施加于电弧启动器220的射频信号运行并且氩气流的流量大约为0.23m³/h时，电弧启动器220形成的一个等离子体线基本上可覆盖图2-4的轨道炮92的隙缝223的整个宽度。其他的实施方案可能以30-200MHz运行高频信号发生器224以便在大气压力下形成图2的等离子电枢100。经过调制的射频信号在图2-4中的轨道炮92中的先前的等离子电枢100通过之后可启动等离子体放电。

参考图2和图11A。图7的电流脉冲170启动等离子电枢100。不稳定性可能会在完全生成压缩气体柱94之前引起等离子片崩溃形成丝状。如等离子电枢100崩溃形成丝状，则等离子电枢100裹卷环境气体122的效率就会降低。

本发明希望涵盖其他的生成全炮膛宽度线等离子源的方法，那些方法对于所有本领域技术人员应该是公知的。这些其他方法可使用激光器，核辐射和/或电场来生成线等离子源。

6.诊断工具

参考图2，4及13A。轨道炮92的工作参数，V_P，V_G，V_G，terminal，P_K及等离子电枢100的速度本身可利压力传感器256，光纤252，254，磁探头242，244，246，248以及高速摄影机(图中未示出)进行测定。这些测量在调整轨道炮92和脉冲成形网络104以便在具体的镀层应用中提供所希望的V_P时可能有用。

参考图12A，等离子电枢100的位置及速度可通过检测在等离子电枢100中流过的电流120的磁场240进行测量。电枢电流120的磁场240可利用置于炮膛108外部并且平行于炮膛108的轴线的轴向小线圈242，244进行测量。磁场240在轴向小线圈242，252中感应出与通过其中的磁通的时间导数成比例的电压。当等离子电枢100通过轴向小线圈242的位置时，感应电压改变符号。将数个轴向小线圈242，244置于不同的位置就可以确定等离子电枢100的位置及速度。

参考图12A，径向小线圈246，248可置于与炮膛108的轴线垂直的位置以便可以测量电流脉冲102和由其感应的磁场250。由流过轨道炮92的导电轨道110，112的电流102产生的磁场250可根据其方向与在等离子电枢100中的电流120引起的磁场240区别开。可对在径向小线圈246，248中感应的电压进行积分而确定通过导电轨道110，112的积分电流。在某些实施方案中，径向和轴向线圈246，248，242，244位于离开脉冲成形网络104(图中未示出)的电力布线线束的位置以减小其中电流产生的噪声尖峰脉冲。

参考图13A及13B，某些实施方案使用透明的聚碳酸酯作为用来绝缘侧壁114的材料。光纤252，254的第一端部安装在聚碳酸酯的侧壁114的侧面上以便接受从等离子电枢100发出的光。光纤252，254的第二端部(图中未示出)连接到感光装置(图中未示出)，如光敏二极管(图中未示出)。感光装置产生与接收到的从通过的电枢100发出的光成比例的电压。光纤252，254及感光装置可用来确定等离子电枢100的位置及速度。某些实施方案采用石英光纤及对等离子电枢100发射的紫外光敏感的感光装置以减小背景噪声。参考图13A及图13B。某些实施方案采用一个或多个压力传感器256来测定激波波前98的位置。沿着炮膛108的长度在不同的距离上有数个孔洞穿过图2的侧壁110，114。安装压力传感器256是用来检测孔洞258中的压力的变化。某些实施方案利用Kapton带覆盖压力传感器256的面部以减小与通过的等离子电枢100耦合的电荷。

7.由电磁粉末淀积形成宏观构造

图13示出由电磁粉末淀积形成的宏观构造270。宏观构造具有由图2-4示出的轨道炮92进行的多次电磁粉末淀积生成的多重层体272，273，274。宏观构造270的最下面的一层273与基底276熔合，并且层272，273，274在撞击时由于粉末颗粒和/或可观的基底276的物质熔化而互相熔合。在某些实施方案中，层272，273，274的厚度大约为0.0001英寸至0.005英寸之间。用来形成层的颗粒由各种材料构成，比如金属，聚合物，陶瓷，介电体或难熔材料。宏观构造270具有与形成粉末颗粒的材料类似的微观结构，因为熔化的颗粒和/或基底合流在团块中形成的气孔很少，即孔洞较采用热喷涂技术时形成的少。在电磁淀积过程完成之后对层272，273，274进行的机械加工可为宏观构造270生成非普通的三维形状。宏观构造270的尺寸，形状和构造依应用而不同，对本发明的实现不是至关重要的问题。

图14A为说明生成图13的宏观构造270的方法280的流程图。在步骤282中，粉末颗粒的第一层273淀积在基底276的表面上，比如利用图2-4的轨道炮92。在撞击时粉末颗粒熔化并在第一层273和基底276之间形成熔合。在步骤284中，粉末颗粒的第二层272淀积在第一层273之上。由于在撞击时粉末颗粒熔化第二层272与第一层273熔合。

图14B为说明生成图13的宏观构造270的某些方法286的附加步骤的流程图。在步骤288中，淀积在图14A中的步骤284中生成的第二层272之上。由于在与底下的各层272，273，274撞击时粉末颗粒熔化，附加层272，274互相之间及和第二层272之间形成熔合。在某些实施方案中，各层之间的连接点由于熔化及熔合而消失。各层272，273，274可能具有不同的厚度，并可能是由不同材料形成的。在步骤290中，淀积层272，273，274经机械加工而使最后的宏观构造270具有所选择的三维形状。对基底270及底下各层272，273，274也可在淀积步骤中施加掩模以生成三维形状。最后的宏观构造270也可具有各种形状，并且在某些实施方案中厚度大约为0.0002至大于1英寸。最后的宏观构造270的形状及尺寸由应用的具体考虑确定，对本发明不是至关重要的问题。

上面公开的具体实施方案只是示例性的，因为本发明可以以所有能受益于此处教导的本领域技术人士熟悉的、不同但等效的方式实现。另外，除了在下面的权利要求中描述的以外，并不想对与此处示出的结构或设计的细节有所限制。因此，很明显，上面公开的具体实施方案可以改变或修改，并且所有的变化都应认为在本发明的范围及精神之内。因此，本发明所寻求的保护如下面的权利要求所示。

Claims (44)

1.一种在基底上淀积粉末颗粒的方法，其中包括下列步骤：

形成等离子电枢；

加速等离子电枢；

利用等离子电枢加速气体柱；以及

利用气体柱加速粉末颗粒。

2.如权利要求1的方法，其中加速气体柱的步骤还包括以3～6的因子压缩气体柱。

3.如权利要求2的方法，其中压缩的步骤包括压缩环境气体，该环境气体为大气压强，

4.如权利要求1的方法，其中加速等离子电枢的步骤包括加速等离子电枢到超声速度。

5.如权利要求1的方法，其中形成等离子电枢的步骤包括在基本为大气压强的环境气体中产生等离子体电弧。

6.如权利要求1的方法，其中加速等离子电枢的步骤包括沿轨道炮的炮膛的一部分加速等离子电枢。

7.如权利要求6的方法，其中加速粉末颗粒的步骤包括在轨道炮的炮膛中形成粉末颗粒云。

8.如权利要求6的方法，其中加速粉末颗粒的步骤包括将颗粒加速到其动能大到足以引起粉末颗粒在撞击基底时熔化的程度。

9.如权利要求8的方法，其中气体柱主要加热粉末颗粒。

10.如权利要求6的方法，其中加速等离子电枢的步骤包括在轨道炮的轨道中生成电流脉冲，与此电流脉冲相关联的磁场加速等离子电枢。

11.如权利要求10的方法，其中还包括结束电流脉冲，加速粉末颗粒的步骤在结束电流脉冲后完成。

12.如权利要求10的方法，其中形成等离子电枢的步骤包括基本上与形成电流脉冲的步骤同时使环境气体区域电离。

13.如权利要求10的方法，其中使环境气体区域电离的步骤包括将频率为5～200MHz的电压信号施加到与轨道炮的内部相连接的腔体中的电极上。

14.如权利要求1的方法，其中加速粉末颗粒的步骤包括加速直径为10～200μm的颗粒。

15.如权利要求1的方法，其中加速粉末颗粒的步骤包括利用惰性气体柱加速粉末颗粒。

16.一种轨道炮，其中包括：

第一和第二导电轨道；

第一和第二绝缘轨道，绝缘和导电轨道形成轨道炮的炮膛，第一和第二导电轨道被绝缘轨道分隔；并且

至少轨道之一在其壁上具有孔洞，该孔洞用来将粉末颗粒引入炮膛内。

17.如权利要求16的轨道炮，其中还包括粉末供应器，该粉末供应器具有与孔洞相连接的输出。

18.如权利要求16的轨道炮，其中还包括用于等离子电枢的启动器，该启动器位于炮膛内部并附加于所述轨道之一上。

19.如权利要求18的轨道炮，其中启动器是用来产生基本上在炮膛的整个截面上延伸的等离子电枢。

20.如权利要求16的轨道炮，其中炮膛具有方形截面。

21.如权利要求16的轨道炮，其中还包括脉冲成形网络，第一端子与第一导电轨道相连接，而第二输出端子与第二导电轨道相连接。

22.如权利要求21的轨道炮，其中还包括具有第一和第二输出端子的再充电电路，再充电电路的第一和第二输出端子与脉冲成形网络的第一和第二端子相连接，再充电电路用来完成脉冲成形网络的重复再充电。

23.如权利要求21的轨道炮，其中脉冲成形网络用来形成基本上平坦的脉冲，其上升时间小于50μs并且相应于轨道炮的导电轨道中的峰值电流大于100,000安培。

24.如权利要求16的轨道炮，其中还包括至少两个位于轨道炮的炮膛外部的轴向线圈，该轴向线圈用来确定在轨道炮内部运动的等离子电枢的速度。

25.一种设备，其中包括：

轨道炮，具有第一和第二导电轨道及第一和第二绝缘轨道，绝缘轨道形成轨道炮的炮膛的相对侧面；

脉冲成形网络，具有与第一导电轨道相连接的第一输出线及与第二导电轨道相连接的第二输出线；以及

粉末供应器，具有与孔洞相连接的输出线，该孔洞形成轨道炮炮膛及外部的连通口。

26.如权利要求25的设备，其中还包括有一个端子与第一导电轨道电连接的电弧启动器，该电弧启动器与炮膛的内部物理连接。

27.如权利要求26的设备，其中电弧启动器包括：

位于第一导电轨道的腔体中的电极，该腔体具有一个进入轨道炮炮膛的开口，该电极与第一导电轨道电绝缘；以及

具有第一和第二输出线的电压信号发生器，第一输出线与电极相连接，而第二输出线与第一导电轨道相连接。

28.如权利要求27的设备，其中开口基本上跨过电镀液导电轨道的宽度。

29.如权利要求25的设备，其中脉冲成形网络是用来在第一和第二导电轨道中产生电流脉冲，该电流脉冲可将等离子电枢加速到超声速度。

30.如权利要求25的设备，其中脉冲成形网络可产生频率不大于30Hz的脉冲。

31.如权利要求25的设备，其中至少还包括第一和第二导电轨道，它们用来测量导电轨道之一中的电流的径向线圈。

32.如权利要求25的设备，其中至少还包括用来测量轨道炮的炮膛中的等离子电枢的位置的第一和第二轴向线圈。

33.如权利要求25的设备，其中脉冲成形网络是用来将从包括钛、铬镍铁合金和铬的一组材料中选择的粉末颗粒加速到至少大到2km/s的速度。

34.一种在基底上淀积粉末颗粒的方法，其中包括下列步骤：

向着基底加速气体柱；

利用气体柱加速粉末颗粒；以及

响应于和基底的撞击，在一部分粉末颗粒和基底之间形成熔合。

35.如权利要求34的方法，其中形成的动作包括响应于一部分粉末颗粒撞击基底，使一部分粉末颗粒熔化。

36.如权利要求35的方法，其中形成的动作包括响应于一个粉末颗粒撞击基底，使基底一部分熔化，且基底熔化的部分至少等于一个粉末颗粒的质量的一半。

37.如权利要求34的方法，其中加速气体柱的动作包括将气体柱压缩到环境气体的密度的至少三倍。

38.如权利要求35的方法，其中加速粉末颗粒的动作使一部分粉末颗粒达到超声速度。

39.一种在基底上产生宏观构造的方法，其中包括下列步骤：

通过在基底上淀积粉末颗粒形成第一层，粉末颗粒形成与基底的熔合；以及

通过在第一层上淀积粉末颗粒形成第二层，第二层的粉末颗粒形成与第一层的熔合。

40.如权利要求39的方法，其中形成的动作包括利用电磁粉末淀积来加速粉末颗粒。

41.如权利要求39的方法，其中还包括通过在第二层上淀积粉末颗粒形成附加层，附加层的粉末颗粒形成与底下各层的熔合。

42.如权利要求41的方法，其中还包括对淀积层进行机械加工以形成具有三维形状的对象。

43.如权利要求41的方法，其中至少两个形成动作利用不同结构的颗粒。

44.如权利要求41的方法，其中形成的动作产生具有至少两个不同厚度的层。

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