CN1970822A - 等离子线性电极 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等离子喷涂设备。该等离子喷涂设备包括用于形成等离子体的等离子室区域以及与等离子室区域耦合的喉道区域。喉道区域具有端面和轴向孔。轴向孔是基本沿喉道区域的纵轴形成的，并具有非圆形的横截面形状。端面的轴向孔用于喷射等离子体流。轴向孔可包括基本沿喉道区域的纵轴形成的多条凹槽。轴向孔的横截面形状可以任选地由多片相互重叠的基本圆形凸耳确定。在等离子体流从轴向孔喷射之前，等离子体流线性流动。在等离子体流离开轴向孔之后，等离子体流具有小于大约50°的粒子总体分布角。

Description

等离子线性电极

发明领域

本发明一般地涉及等离子喷涂，并且特别涉及用于改善的等离子喷涂涂层材料的等离子喷涂方法和设备。

发明背景

等离子喷涂是一种通过等离子喷涂装置向靶材表面上喷涂涂层材料来提供所需涂层的方法。在传统的等离子喷涂装置中，等离子体流离开阳极后，在阴极附近气体的诱导漩涡将任何注入的涂层材料离心式射离等离子体流，降低施加在靶材表面的涂层材料的量。在一些等离子喷涂装置中，离开阳极的等离子体流可以具有大于90°的粒子总体分布角(total particle pattern angle)。在这样的设备中，该喷涂方法获得的沉积效率可以低至25％。如此低的沉积效率导致更长的处理时间以及涂层材料的浪费，从而使成本增加。

此外，传统的等离子喷涂装置可能会经受高消耗损耗，要求频繁更换由于与激发(ignite)等离子体的高能直流电弧持续接触而损耗的部件。

所需要的是一种具有提高沉积效率与更长使用寿命的等离子喷涂方法及装置。本发明满足这些需求并也提供其他优点。

发明概述

根据本发明，等离子喷涂设备的阳极具有横截面形状非圆形的轴向孔(axial bore)用于在阳极内使等离子体流线性流动。等离子体流的线性流动减小了其离开阳极后等离子体流的总粒子总体分布角，得到具有更高沉积效率和更短处理时间的等离子喷涂设备。由从气旋性流到线性流的转变而引起等离子体流的湍流(turbulence)减少了因用于形成等离子体的高能直流电弧而导致的阳极损耗，从而得到更长的阳极使用寿命。

根据一个实施方案，本发明是一种等离子喷涂设备，其包括用于形成等离子体的等离子室区域以及与等离子室区域耦合的喉道区域。喉道区域包括端面和轴向孔。轴向孔基本沿着喉道区域的纵轴方向形成，并且具有非圆形的横截面形状。在端面的轴向孔用于喷射等离子体流。

根据另一个实施方案，本发明的等离子喷涂设备包括具有端面和轴向孔的喉道区域。轴向孔在喉道区域内基本沿着喉道区域的纵轴方向形成。轴向孔具有多条凹槽，其中至少一部分是基本沿着喉道区域的纵轴方向形成的。在端面的轴向孔用于喷射等离子体流。

根据又一个实施方案，本发明的用于等离子喷涂设备的电极包括等离子室区域以及与等离子室区域耦合的喉道区域。喉道区域包括端面和轴向孔。轴向孔基本沿着喉道区域的纵轴形成。轴向孔用来喷射等离子体流。轴向孔具有至少一种横截面形状用以在等离子体流离开轴向孔前使等离子体流线性流动。

本发明另外的特点和优势将在下面的说明书中阐明，并且部分将由说明书显而易见，或可以通过实践本发明获知。本发明的目的和其他优势将通过在书面说明书、权利要求书及附图中特别指出的结构而实现和获得。

应该理解上述的概要描述和下面的详细描述都是示例性的和解释性的，是用以进一步说明要求保护的本发明。

附图简述

附图用于进一步理解本发明并且引入构成本说明书的一部分，本发明的示例性实施方案以及描述一起解释了本发明的原理。在附图中：

图1是根据本发明一个实施方案的等离子喷涂设备的简图；

图2是根据本发明一方面的等离子喷涂设备的近距离局部视图；

图3A-3D说明了根据本发明几个方面的等离子喷涂设备的横截面局部视图；

图4是根据本发明另一实施方案的等离子喷涂设备的近距离局部视图；

图5A和5B说明了根据本发明各个实施方案的等离子喷涂设备的轴向孔；以及

图6A和6B是阐明根据本发明又一个方面的等离子喷涂设备的性能优势的图表。

发明详述

在下面的详细描述中，列出了许多具体的细节用以提供对本发明的全面理解。然而，对本领域的普通技术人员而，显而易见可以无需若干这些具体细节而实施本发明。在其他情况下，不再详细说明熟知的结构和技术，以免不必要地使本发明不清楚。

参照图1，根据本发明一个实施方案的等离子体设备100包括第一电极如阳极101和第二电极如阴极102。加压气体103，包括例如氢(H)，氩(Ar)，氮(N)，氦(He)，或其任意组合，环绕经过阴极102并穿过阳极101。在阴极102和阳极101之间形成高能直流电弧。来自电弧的电阻加热使得惰性气体103达到极高的温度，离解并电离形成等离子体104。如下详述，阳极101包括轴向孔110，其可以使等离子体流107沿轴向孔110的至少一部分基本成直线地流动。高速及高温的等离子体流107离开阳极101。粉末涂层材料106通过外部粉末注入器105注入等离子体流107，其中它被快速加热并加速到高速。熔融的或热软化的涂层材料106由等离子体流107携带到靶109的表面，在那里快速冷却形成所需的涂层108。

由于阳极101的线性设计，当等离子体104通过阳极101的轴向孔110时，等离子喷涂设备100内产生的惰性气体103的诱导漩涡显著减少。等离子体流107的线性流动将注入的涂层材料106限制于更密集的分布中，当它在等离子体流107中离开阳极101时减少了离心式喷射，从而使得粒子总体分布角θ 120比传统等离子喷涂设备的小很多。该更小的粒子总体分布角θ120增加了等离子体流107中涂层材料106的浓度，并且因此提高了等离子喷涂设备的沉积效率。

根据本发明的一方面，等离子体流107的粒子总体分布角θ小于约90°。根据本发明的另一方面，等离子体流107的粒子总体分布角θ小于约50°。根据一个实施方案，粒子总体分布角可以是0°至90°之间的任何数值。

在另一个实施方案中，图1中描述的阴极和阳极的标号可以相反。在又一个实施方案中，粉末注入器可以位于阳极内或等离子喷涂设备内。

现在参照图2，更详细地说明根据本发明一方面的阳极101。阳极101包括用于形成等离子体的等离子室区域201，以及与等离子室区域201整体耦合的喉道区域202。等离子室区域201包括外壁290和内壁292。外壁290是圆柱形的，且内壁292是圆锥形的。内壁292产生了具有第一端部294和第二端部296的室298。本发明不局限于图2中所示的等离子室区域201的形状，并且本发明的等离子室区域可采用各种形状和结构。

喉道区域202具有外壁280，端面203和轴向孔204。在这个例子中外壁280是圆柱形的，但它可以是任何形状(例如，矩形的，多边形的，椭圆形的，不规则的)。具有第一端部230和第二端部240的轴向孔204在喉道区域202内基本沿喉道区域202的纵轴210形成，并且具有非圆形的横截面形状。在这个例子中，轴向孔204的第一端部230是等离子室区域201的第二端部296。轴向孔204的第二端部240位于喉道区域202的端面203上。轴向孔204在第二端部240(或在端面203)喷射等离子体流。根据本发明的一个实施方案，轴向孔可以是孔、开口、或通道。

在这个例子中，纵轴210基本位于喉道区域202的中心线。在另一个实施方案中，纵轴可以远离中心线。在又一个实施方案中，纵轴可以与端面203基本垂直或基本不垂直。根据另一个实施方案，喉道区域可以与等离子室区域非整体耦合，且喉道区域可以直接或间接地与等离子室区域耦合。

根据本发明的另一个方面，轴向孔204包括多条基本沿着喉道区域202的纵轴形成的凹槽206。凹槽206可以如图2所示一直延伸至轴向孔204的全部长度或只是轴向孔204的部分长度。例如，凹槽206可以从点A延伸至点B，其中点A是第一端部230和第二端部240之间的一点，而点B为第二端部240。凹槽206可以使用拉床、铣床、车床、或其它任何机械加工工具得到。凹槽206的效果、尺寸、数量和位置可以根据等离子喷涂设备的具体工艺要求而变化。

根据本发明的另一个实施方案，轴向孔204具有一横截面形状用以等离子体流在第二端部240处离开轴向孔204之前使等离子体流线性流动。等离子体流的线性流动减少了等离子喷涂设备内的气体诱导漩涡，改善了等离子喷涂设备的沉积效率，其更全面的说明如下。

根据一个实施方案，阳极101包含铜(Cu)或钨(W)。根据另一个实施方案，阳极101可具有大约2.5英寸的长度L和具有大约1.6英寸的外径D。

参照图3A-3D，可见轴向孔的多种横截面形状适用于使等离子体流线性流动。根据一方面，图3A说明电极301具有轴向孔331，其横截面形状311由具有基本直线性形状的多条凹槽321所确定。凹槽321在轴向孔331的壁上基本沿电极301喉道区域的纵轴形成。根据本发明的另一个方面，图3B说明电极302具有轴向孔332，其横截面形状312由基本沿电极302喉道区域的纵轴在轴向孔332的壁上形成的基本V形的多条凹槽332所确定。如图3B所示，电极的多种形状均适用于本发明，包括但不局限于具有方形横截面形状的电极。

参照图3C和3D可见，本发明不局限于具有多条凹槽的轴向孔。根据本发明的又一个方面，图3C说明电极303具有轴向孔333，其横截面形状313由用于使等离子体流线性流动的三片相互重叠的基本圆形凸耳(lobe)所确定。根据本发明的又一个方面，图3D说明电极304具有轴向孔334，其横截面形状314由用于使等离子体流线性流动的四片相互重叠的基本圆形凸耳所确定。

图3A-3D只举例说明了本发明轴向孔许多可能的横截面形状中的少数几个。对本领域技术人员显然，本发明的轴向孔的横截面形状可以是适用于使等离子体流线性流动的任何非圆形形状。根据本发明的一个方面，非圆形的横截面形状可以一直延伸至轴向孔的全部长度或只延伸至轴向孔的部分长度。

现参照图4，更具体地说明根据本发明的另一个实施方案用于等离子喷涂设备的电极303。电极303包括等离子室区域401和与等离子室区域401耦合的喉道区域402。喉道区域402具有端面403和轴向孔404。具有第一端部430和第二端部440的轴向孔404基本沿喉道区域402的纵轴在喉道区域402内形成，并具有非圆形的横截面形状313。轴向孔的第一端部430与等离子室区域401相耦合，且第二端部440位于端面403上。轴向孔404在第二端部440(或在端面403)喷射等离子体流。

根据本发明的一个方面，电极303可以通过电极303内和/或其周围的液体冷却剂(未显示)的流动来冷却。该液体冷却剂可以是水、乙二醇和水的混合物、或其它适合的液体冷却剂。

根据本发明的另一个方面，轴向孔404具有非圆形的横截面形状313，其由用于在等离子体流离开轴向孔404之前使等离子体流线性流动的多片相互重叠的基本圆形凸耳406所确定。

现参照图5A，说明了根据本发明一个实施方案的等离子喷涂设备轴向孔的示例图。轴向孔510可包括第一端部530和第二端部540。第一端部530可与等离子室区域直接或间接耦合。第二端部540可位于喷射等离子体流的等离子喷涂设备喉道区域的端面。轴向孔510可进一步包括基本沿纵轴520的第一圆锥形部分512、圆柱形部分514、以及第二圆锥形部分516。

根据一个实施方案，位于第一端部530处的轴向孔510的直径可为大约1英寸，位于圆柱形部分514处的轴向孔510的直径可为大约5/16英寸，以及位于第二端部540处的轴向孔的直径可为大约3/4英寸。轴向孔510的长度为大约2.5英寸。

现参照图5B，根据本发明一个实施方案说明了轴向孔的另一个示例图。轴向孔550包括例如由凹槽555所确定的非圆形的横截面形状。轴向孔550进一步包括第一端部560、第二端部580、以及第一端部560与第二端部580之间的两个区域590和592。在区域590内，凹槽555与纵轴570基本不平行。在区域592内，凹槽555与纵轴570基本平行。在另一个实施方案中，轴向孔550可包括其它非圆形横截面形状(如重叠的瓣轮)。

本发明不局限于图2和5A所示的轴向孔的形状，并且轴向孔的截面尺寸和形状可沿轴向孔而改变。例如，根据本发明的一方面，在一点处的轴向孔截面尺寸可不同于沿轴向孔上另一点处的轴向孔截面尺寸。根据本发明的另一方面，在一点处的轴向孔横截面形状可不同于沿轴向孔上另一点处的轴向孔横截面形状。根据本发明的又一方面，横截面形状和/或截面尺寸可沿轴向孔的部分长度或沿轴向孔的全部长度连续变化。根据本发明的又一个方面，横截面形状和/或截面尺寸可沿轴向孔在一点或多点处突然变化。

现转向图6A和6B，以图表形式总结了本发明一个实施方案的处理速度和沉积效率上的优势。对总结在图6A和6B，和下表1中的分析，根据本发明的一方面以线性阳极喷涂圆柱管形状的靶。由等离子喷涂设备喷涂的粉末涂层材料为100-140目的硅粉末，其中有8％重量比的170-325目的铝。使用传统的非线性阳极，将圆柱管沿它的全部长度环绕它的圆周涂覆了9mm的涂层材料。这个过程需要12.62小时并消耗了119,789克粉末涂层材料而给该管增加了28,116克涂层材料，即具有23.47％的沉积效率。使用本发明一个实施方案的具有线性阳极的等离子喷涂设备，对另一个圆柱靶管施加同样的9mm保形涂层只用9.25小时，且过程只消耗79,370克粉末涂层材料而给该管增加了28,418克涂层材料，即具有35.8％的沉积效率。

同样地，为沿另一个圆柱靶管的长度施加6mm的圆周涂层，传统的非线性阳极的等离子喷涂设备平均需要8.5小时并消耗大约75,000克粉末涂层材料。相反，用根据本发明一个实施方案的线性阳极的等离子喷涂设备以35.8％的沉积效率只需要6.23小时且只消耗48,150克涂层粉末来完成同样的任务。

表1

	喷射时间	沉积效率	粉末总用量
				9-9标准阳极	12.62小时	23.47％	119,789克
9-9改进阳极	9.25小时	35.8％	79,370克
				6-9标准阳极	8.5小时	23.75％	75,000克
6-9改进阳极	6.23小时	35.8％	48,150克

根据本发明的一个实施方案，由于在线性轴向孔和线性阳极的等离子室区域的交接处湍流增大，线性阳极的损耗比传统的、非线性阳极上的损耗少很多。这种由等离子体从气旋性流到线性流转变而引起的湍流，用来防止在线性阳极与阴极之间形成的高能直流电弧附着(adhere)于线性阳极的某一个特定区域或地方，从而使线性的阳极经受的损耗是显著少于传统的非线性阳极，因此显著延长了线性阳极的使用寿命。在根据本发明一方面的线性阳极中，使用线性阳极喷涂79,370克涂层材料后的损耗为使用传统阳极等离子喷涂119,789克后的损耗的大约25％-50％。

虽然已参照各个附图和实施方案具体描述了本发明，应该理解这些只是为了说明性目的并且不应理解为限制本发明的范围。可以有许多其它方法实现本发明。本领域的普通技术人员可以不脱离本发明的精神和范围对本发明进行许多变化和改动。

Claims (20)

1.一种等离子喷涂设备，其包括：

用于形成等离子体的等离子室区域；以及

与等离子室区域耦合的喉道区域，该喉道区域具有端面和轴向孔，轴向孔基本沿喉道区域的纵轴方向形成，轴向孔具有非圆形的横截面形状，轴向孔在端面处用于喷射等离子体流。

2.如权利要求1的等离子喷涂设备，其中轴向孔包括基本沿喉道区域的至少部分纵轴形成的多条凹槽。

3.如权利要求2的等离子喷涂设备，其中多条凹槽具有基本直线性的形状。

4.如权利要求1的等离子喷涂设备，其中轴向孔具有由多片相互重叠的基本圆形凸耳所确定的横截面形状。

5.如权利要求4的等离子喷涂设备，其中相互重叠的基本圆形凸耳的数量为3。

6.如权利要求1的等离子喷涂设备，其中非圆形横截面形状沿至少一部分轴向孔延伸。

7.如权利要求1的等离子喷涂设备，其中在沿轴向孔一点处的轴向孔截面尺寸不同于在沿轴向孔另一点处的轴向孔截面尺寸。

8.如权利要求1的等离子喷涂设备，其中在沿轴向孔一点处的轴向孔的非圆形横截面形状不同于在沿轴向孔另一点处的轴向孔的非圆形横截面形状。

9.如权利要求1的等离子喷涂设备，其中在等离子体流从轴向孔喷射之前，等离子体流的流动为线性。

10.如权利要求1的等离子喷涂设备，其中，由于等离子体流线性流动造成等离子体中的湍流，用于形成等离子体的高能直流电弧在等离子喷涂设备的部件上造成的损耗减少。

11.如权利要求1的等离子喷涂设备，其中等离子体流在从轴向孔喷射之后具有小于大约50°的粒子总体分布角。

12.如权利要求1的等离子喷涂设备，其进一步包括：第一电极和第二电极，第二电极包括等离子室区域和喉道区域。

13.一种等离子喷涂设备，其包括：

具有端面和轴向孔的喉道区域，轴向孔基本沿喉道区域的纵轴方向在喉道区域内形成，轴向孔具有多条凹槽，多条凹槽中的至少一部分基本沿喉道区域的纵轴方向形成，轴向孔在端面处用于喷射等离子体流。

14.如权利要求13的等离子喷涂设备，其中多条凹槽具有基本直线性的形状。

15.如权利要求13的等离子喷涂设备，其中多条凹槽的一部分延伸至端面。

16.如权利要求13的等离子喷涂设备，其中在等离子体流从轴向孔喷射之前，等离子体流的流动为线性。

17.一种用于等离子喷涂设备的电极，该电极包括：

等离子室区域；以及

与等离子室区域耦合的喉道区域，该喉道区域具有端面和轴向孔，轴向孔基本沿喉道区域的纵轴形成，轴向孔用于喷射等离子体流，轴向孔具有至少一种横截面形状用于在等离子体流离开轴向孔之前使等离子体流线性流动。

18.如权利要求17的用于等离子喷涂设备的电极，其中轴向孔包括多条在轴向孔壁上形成的凹槽，其中多条凹槽中的至少一部分基本平行于喉道区域的纵轴形成。

19.如权利要求17的用于等离子喷涂设备的电极，其中轴向孔具有由多片相互重叠的基本圆形凸耳所确定的横截面形状。

20.如权利要求17的用于等离子喷涂设备的电极，其中轴向孔包括第一端部和第二端部，第一端部与等离子室区域耦合，第二端部位于端面，横截面形状至少从第一端部与第二端部之间的一点延伸至第二端部。

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