CN85104800A - 产生具有加热并展宽等离子喷射的等离子流的方法及装置 - Google Patents

Abstract

加热及展宽从等离子体喷枪喷出的等离子体射流的方法，即将射流沿着输出端感应线圈的中心轴导如并对该线圈通以高频交流电以使等离子体射流的外层被加热到高于其中心部位射流的平均温度。产生等离子体喷射的优选方法包括沿着另一输入感应线圈中心轴流动的气体产生等离子体放电，并引入气流，至少有部分等离子体穿过喉道放电以形成等离子体喷射。实施本发明较好装置包括壳体，喉道第一和第二感应线圈，引入高速气流的装置，通入高频交流电的装置。

Description

本发明涉及的是产生具有加热并展宽等离子喷射的等离子流的方法及装置，尤其是，它涉及使用感应线圈来加热从等离子喷射枪喷出的等离子流。

等离子喷枪经常被用于将材料，例如：金属或陶瓷喷涂到一个物体工件上，进行涂膜或成型，该工件通常被称作靶。在典型的等离子体喷涂操作中，沉积材料先被形成粉状质点，然后这些质点注入到等离子体中。理想的情况，来自等离子体的热射流气体加热粉末质点到其熔点，并加速质点以备沉积在靶上。如果全部注入的质点被相同地加热和加速，以及如果全部的质点停留在等离子体气流中，直到被传送到靶上，则沉积材料具有高的均匀密度及高强度。但是实际上，事实不是这种情况。一般情况是，来自通常的等离子体喷射操作所形成的沉积物，在众所周知的，例如：“活泼点”范围内，即在沉积的中心比起围绕沉积中心的“边缘区域”具有较高的密度和强度。

在“边缘区域”内材料性能降低的原因之一是由于没有均匀的加热加速粉末质点。在许多通常的等离子体喷枪内，等离子体的温度从等离子体流的中心到其半径外沿迅速地降低。注入质点的最佳加热及加速度，产生在距离等离子体流中心相当窄的半径以内。此外，等离子流的总温度当等离子体流朝向靶时迅速降低。在靠近靶处等离子流的径向截面的平均温度显著地低于位于等离子流刚喷出等离子枪时的相类似截面的平均温度。所以等离子体射流的温度沿着两个方向即轴向和径向均衰减。此温度衰减的结果是被运送到靶面上的质点在等离子体流的外层没有足够加热到熔化所致，（当质点被沉积在靶面上时）或者，甚至于当刚从等离子枪喷出时虽是熔化的，但可能质点在到达靶面前已经凝固了。因此，要求等离子体流能提供更大的最佳质点加热半径，以维持注入质点直到他们沉积在靶面上以前一直处于熔融状态。

因此，本发明的一个目的是提供加热和展宽从等离子喷枪流出的等离子流的方法。

本发明进一步的目的是提供一种采用感应线圈以便加热和扩展从等离子体喷枪射出的等离子流。

本发明的另一目的是提供产生等离子流的一种方法，它能体现改善等离子流的温度分布和展宽了的等离子流。

本发明的另一目的是提供一种加热和展宽从等离子枪流出的等离子流的装置。

本发明还有另一个目的是提供一种等离子流喷管，带有感应线圈以便加热从中流过的气体流。

本发明尚有另一个目的是提供能产生具有加热及展宽等离子流的装置。

发明的简要说明：

根据本发明的一个具体方案是，加热和扩展从等离子枪流出的等离子流的方法，它包括将等离子流沿着一个感应线圈的中心轴定向并有高频交流通过线圈。这样使得等离子流的外层加热得比射流中心部位更甚。所以这样等离子流的平均温度便增高了。产生具有更热更宽的等离子流的优选方法通常包括：建立在气流中的等离子体放电，沿着第一个进气端感应线圈的中心轴方向，其中通以高频交流，由于导引气体而产生等离子流，并且至少有部分等离子体放电，穿过喷管喉部的通道，然后加热从喉部通道喷出的等离子体流，借助以上所述的方法，采用第二个出口端感应线圈。

按照本发明的另一个具体方案是实施本发明的装置，包括具有进口和出口的等离子体枪，在其内可以建立等离子体放电，这样等离子流通过等离子体枪的出口喷出。具有流体通道在其中的加热器壳体以流体联通的形式和等离子体枪的出口相连接，这样可以使等离子流导向穿过流体通道。该装置还包括一个加热器感应线圈，安置在流体通道外面的周围，以及对感应线圈通以高频交流的方法，以便加热等离子体流，在一种优选的具体方案中，上述装置所采用的等离子体枪包括一个外套，它具有一个流体通道，带有一个进气口和一个出气口，在通道的进气端和出气端之间有一个喉区窄道，以及另一个感应线圈，放置在流体通道进口端的周围。一种能够产生具有加热并展宽等离子体流的装置包括上述的装置，并且进一步包括引入高速气体流进入等离子枪的方法以及对每个感应线圈通以高频交流的方式。

本发明的主题要点已被详细地指出并清楚地记载在说明书的结尾部分。本发明自身，无论如何，关于其组织和其实施方法两者，连同进一步的目的和由此带来的优点，可以通过参考下列的描述并连同附图一起得到最佳地认识理解。

其中：

图1是侧视剖面图，示意地说明本发明的一种具体方案。

图2是类似于图1的视图，示意地说明本发明的另一种具体方案。

图3是类似于图2的视图，示意地说明本发明还有另一种具体方案。

直接的申请人已经发现，要产生等离子喷射沉积，具有较大的“活泼点”并减少“边缘区”，则等离子流从所使用的等离子体喷枪喷射出，为了形成沉积层，应当进一步加热并展宽。按照本发明，为达此目的的方法，包括将等离子流沿着出口感应线圈的中心轴定向，并且对出口端感应线圈通以高频交流，以使同时实现加热等离子体流外层，并提高射流的平均温度。最好，流经感应线圈的高频交流的大小及频率选择得使流过的电流能产生功率输出大约为20千瓦和100千瓦之间。振荡电流的频率最好选取在大约500千赫和10兆赫之间。正如图1的侧视剖面图示意的那样，等离子流14从等离子体喷枪10喷出，并且沿着出口端感应线圈12的中心轴行进，该线圈包括有感应线圈的几个绕组匝。当高频交流通过感应线圈12时，产生一个高频感应磁场，通过它，能量被耦合到等离子流14中。此能量的转换能够加热等离子流14的外层，高于它加热射流的中心部位;由此能够减少等离子流14沿半径方向的温度衰减。这样，等离子流14可以构成具有基本上平担的径向温度分布。在这样情况下，加热等离子流14结果造成一个更宽更大直径的等离子体束，如图1中等离子流层16所示。随着等离子流束直径的增大，则质点能够更容易地保持在等离子体流的区域之内。其次，随着较大直径的束流，则在束流内，其等离子体温度是最佳的园截面积具有较大的半径。内感应线圈12的能量转换，加热等离子流14亦就增加了等离子流14的平均温度，由此减少了质点熔化温度沿轴向的衰减效应。作为这三种作用的结果，即：减少沿半径方向的温度衰减，展宽了等离子流以及增加了平均束流温度，所以注入到等离子流中的材料质点当沉积在靶面之前被加热地更加均匀及更完全地熔化。这个效果尤其显著地表现在边缘层区域的质点。没有使用本发明方法来加热和展宽等离子流时的材料质点在到达靶以前不能加热到熔融态或者即使熔化后又重新凝固了。而当利用了本发明的方法时，则能够更好的加热并更完全地熔化。

由本发明所提供的另一个优点是：由于加热了围绕在等离子流束外的气体，它是由流经出口端感应线圈的高频交流所致，所以这样便增加了等离子流束和围绕它的气体之间的磨擦，由此便降低了流束的速度。这种降低的流速导致注入质点以较长的时间停留在等离子体流的热气流内，并因此，改善了对质点的加热，所以能够看出本发明的方法导致较大数量的加热适当的质点击中靶面。

适宜于实施上述方法的一种装置的具体方案，用来加热并展宽由等离子枪喷出的等离子流，由图2的侧视剖面图示意地说明。等离子体枪18包括进口22，用以接收高速流的气体（未在图2中表示）。等离子体枪18也还包括阴极26及阳极20，用以产生电弧，并由此激发在气体中的等离子体放电，如图2中所示的电弧放电28。等离子枪18也还包括出口24，以使从等离子枪18喷出至少一部分等离子体放电。例如：等离子体流32。加热器外套34具有流体通道30，从中穿通并连接到等离子体枪18，这样使得流体通道30与等离子体枪18的出口24形成流体相连通，并且这样可使等离子体流32直接穿过流体通道30。加热器的感应线圈36安置在流体通道30的外部周围。在图2中的具体实施例中，感应线圈36进一步安排得使线圈纵轴和流体通道30的纵轴同轴心。同时在所示的实施例中，流体通道30呈园筒形，而感应线圈36呈螺旋形地卷绕在流体通道30的外面。该装置进一步包括通常的构成（未在图2中示出），即与感应线圈36的电气联接以便将高频交流输入，用于加热等离子流32的外层高于其中心部位，并提高等离子体流32的平均温度。

虽然在图2中所示的等离子体枪18包括的是直流电弧喷射等离子枪，它也可以包括无电极放电射频等离子枪。如图3所示。图3是按照本发明的另一种具体方案的等离子体喷管侧视剖面图。喷管包括壳体40，具有主要的流体通道42，在其一端是输入开口44，并且是流体相连的，并在流体通道42的另一端设置有输出开口48，而且也是流体相连通的。在所示的具体实施例中具有流体截面缩小了的喉区46，设置在流体通道42的输入开口44和输出开口48之间，以便加速流经喉区46的气体，并且形成出气射流。尽管如此，应当理解为射流也可以用其它通常方式来形成。第一或进气端感应线圈50设置在流体通道42的输入口端，第二或出气端感应线圈52设置在流体通道42的输出口端。第一感应线圈50及第二感应线圈52每个都环绕在流体通道42的外面。在图3中所示具体实施例中，第一和第二感应线圈50及52应进一步放置得使它们的纵轴分别每个都与射流通道42的纵轴相同轴心。而且在所示具体方案中，射流通道呈园筒形，并且第一和第二感应线圈50及52每个都是螺旋形地卷绕在射流通道42的外面。对于某些需要的应用场合，第一和第二感应线圈50及52可以电气相连接，这样它们便构成一个单回路电路。

按照本发明的另一个具体实施例是：一种产生具有加热及展宽的等离子体射流的方法，它包括：导入气体流，等离子体建立在其中，以高的速度沿着第一个进口端感应线圈的中心轴运行，并且在第一个感应线圈内通以高频交流，以便加热气体，并在其中激发等离子体放电。该方法包括由气流形成的等离子流，并且至少还包括等离子体放电的一部分。形成等离子体流的方法是，引导气流并部分等离子体放电通过缩小射流截面积的喉区通道，以便在穿过喉区时加速气流，并产生等离子体流。该方法进一步包括将所形成的等离子流沿着第二个出口端感应线圈的中心轴导向。高频交流流经第二个感应线圈，以便加热等离子流的外层，甚于其中心部位，并提高等离子体流的平均温度。在一个优选实施例中，高频交流通过第一个感应线圈，产生大约为20千瓦到100千瓦的输出功率，并且高频交流通过第二个感应线圈时，类似地也产生约20千瓦100千瓦的输出功率。对每个线圈来说，流经线圈的电流最好由频率约为500千赫到10兆赫的振荡电流构成。同样最好选取气流沿着第一个感应线圈的中心轴的前进，其速度大约为5米/秒到50米/秒之间。图3的等离子流喷管尤其适合于实施本发明的这个具体方案。能够产生具有加热及展宽等离子流的装置包括图示中的等离子流喷射管，并进一步包括通常的构件（未在图3中表示）用来导引高速气流进入射流通道42中，与输入进口44流体相通。该装置还包括通常的机构（也未在图3中示出），与第一个感应线圈50电气连接，其内通以高频交流，以便沿着线圈50的中心轴方向来加热气流，并且在穿过射流通道42的气流中激发等离子体放电56。该装置此外还包括通常的机构（同样未在图3中示出）即和第二感应线圈52的电气连接，用来接通高频交流，以便加热穿过喉区56所形成射流58的外层，高于射流58中心部位的加热，并且，提高射流58的平均温度。按照本发明的这个实施方案所产生的等离子流，除了上述所希望的特点以外，还有一个优点：其特征是宽且长的等离子体放电，具有接近平坦的径向温度分布。而且，在气体中建立等离子体的射流速度可以十分低，这样，材料质点注入到等离子体中的停留时间可以非常长。同样地，等离子体密度能够做得十分高，由此，便促进了从等离子体将热转换到被注入的质点上，并进一步完善对质点的熔化和加速;以及靶的完美特性。

以上叙述了加热并展宽来自等离子喷枪的等离子流的方法，是采用了出气端感应线圈来加热和扩展等离子流的。本发明也提供了一种手段来产生等离子流，沿着径向和轴向两个方向都具有较小的温度衰减。此外，本发明还提供了具有用感应线圈来加热穿过气体流的等离子流喷管，以及能够产生具有加热和展宽等离子体束流的装置。

只要本发明已经详细地阐述并与一定的优选实施例相一致，那么许多变更和变化在这里是可以被熟练的技术人员所实现的。例如：当该装置已经在如图中所示的那样，具有一般的园形截面，则应当理解为其它截面形状也是可以使用的，例如：矩形或椭园形截面。其次，虽然在图2及图3中所示的感应线圈绕组是嵌入在壳体内的，这意味着绕组可以安装在壳体内表面，也可以安装在壳体的外表面。此外，尽管图2的壳体34和图3的壳体40两者被指名为石英材料，那么也可以采用其它耐热的电绝缘材料。如果装置是这样制造的，能使得由感应线圈所产生的射频能量的吸收在每个壳体34和40中要减少至最小值，那么壳体34和40甚至于可以是由金属做的。同样，虽然图2中的阴极26及阳极20被指名由金属构成，那么其它导电材料也是可以采用的。因此，意图是用附加的权利要求来复盖所有这样的变换和变化作为属于本发明的真正的精神实质和范围。

Claims (22)

1、加热和展宽从等离子喷枪排出等离子束流的方法，包括：沿着感应线圈的中心轴引导所述的等离子流；及对所述的感应线圈通以高频交流，以便加热所述等离子流的外层甚于其中心部位，同时还增高了所述等离子流的平均温度。

2、权利要求1的方法，其上述的高频交流通过上述的感应线圈产生约为20千瓦到100千瓦的输出功率。

3、权利要求1的方法，其所述的高频交流是由频率约为500千赫到10兆赫的振荡电流构成。

4、具有加热及展宽等离子体喷射的产生等离子体流的方法，包括：引入气体流，在气体流中形成等离子体，以高速沿着第一感应线圈的中心轴方向行进;

对所述第一感应线圈通以高频交流，以便加热上述的气体，并在其中激励等离子体的放电;

从所述的气体形成等离子体射流，并且至少形成一部分所谓的等离子体放电;

沿着第二感应线圈的中心轴引导上述的等离子体射流;及对上述的第二感应线圈通以高频交流，以便既加热所述等离子射流的外层，甚于其中心部位，也增加了所述等离子体射流的平均温度。

5、权利要求4的方法，其沿第一感应线圈中心轴方向的所述气体流的速度大约在5米/秒至50米/秒之间。

6、权利要求4的方法，其通过上述第一感应线圈的高频交流能产生大约10千瓦到100千瓦之间的输出功率，并且通过上述第二感应线圈的高频交流也能产生大约20千瓦到100千瓦之间的输出功率。

7、权利要求4的方法，其通过上述第一感应线圈的所述高频交流包括频率约为500千赫到10兆赫之间的振荡电流，并且通过上述第二感应线圈的高频交流也包括频率约为500千赫至10兆赫之间的振荡电流。

8、权利要求4的方法，其中所述等离子体射流的形成步骤包括引入所述气体流，并且至少有一部分等离子体放电穿过缩小流体截面积的喉区通道，以便加速所述气体流穿过所谓的喉区并且产生等离子体射流。

9、产生等离子体射流的装置，包括：

等离子体枪，具有进口和出口，以便接收高速气体流，并在该气体中激发等离子体放电，并且至少喷出部分所述的等离子体放电，以等离子体射流形式穿过上述等离子体枪的出口;

加热器壳体，在其内具有穿通的流体通道，和上述等离子体枪的出口是流体相连通的，这样，上述的等离子体射流便被引导穿过上述流体通道;

加热器感应线圈环绕安装在上述流体通道的外边;

对上述加热器感应线圈通以高频交流的手段，该手段与上述线圈是电气连接的，因而导致既加热了上述等离子体射流的外层甚于其中心部位，也增高了上述等离子体射流的平均温度。

10、权利要求9的装置，其所述的加热器感应线圈是进一步这样安装的，使得上述线圈的纵轴与上述流体通道的纵轴具有相同轴心。

11、权利要求10的装置，其所述的流体通道呈园筒形，并且上述的加热器感应线圈呈螺旋形卷绕在上述流体通道的外面。

12、权利要求9的装置，其所述等离子体枪是一个直流电弧射流等离子体枪。

13、权利要求9的装置，其所述等离子体枪是一个无电极的射频等离子体枪。

14、等离子体喷管，包括：

具有主流体通道的壳体;

输入开口端设置在上述流体通道的一端，并与后者是流体相连通的;

输出开口端设置在上述流体通道的一端，并与后者是流体相连通的;

第一感应线圈设置在上述流体通道的进口端，该第一感应线圈卷绕在上述流体通道的外面;及

第二感应线圈设置在上述流体通道的出口端，该第二感应线圈卷绕在上述流体面道的外面。

15、权利要求14的等离子体喷管，其上述第一及第二感应线圈是这样安装的，即：每个上述的感应线圈的纵轴应和上述流体通道的纵轴具有相同轴心。

16、权利要求15的等离子体喷管，其所述流体通道呈园筒形，并且上述的第一及第二感应线圈，其每个均为呈螺旋形地卷绕在上述流体通道的外面。

17、权利要求14的等离子体喷管，其所述第一及第二感应线圈是电气相连的，这样它们就构成了一个单回路电路。

18、权利要求14的等离子体喷管，进一步包括喉道，在这里流体截面积被缩小了，设置在上述的主流体通道内，位于其入口端和出口端之间，以便加速流经喉区通道的气体，并在该喉道的输出端形成等离子体射流。

19、产生具有被加热及展宽等离子体喷射的等离子流的装置，包括权利要求14的等离子体喷管，并且此外还包括：

将高速气流导入上述流体通道的手段，该流道与上述输入开口是流体相连通的;

对上述第一感应线圈通以高频交流的手段，该手段和上述第一感应线圈电气相连接，以便加热流经上述流体通道的气体，气体沿着上述第一感应线圈的中心轴行进，并且在气流内激发等离子体放电。

对上述第二感应线圈通以高频交流的手段，该手段和上述第二感应线圈是电气连接的，以便加热由上述气体形成等离子体束流的外层，它使在其中受激发等离子体放电的，流经上述流体通道，并且也是为了增高该等离子体束流的平均温度。

20、产生具有被加热及展宽等离子体喷射的等离子体流的装置，包括权利要求16的等离子体喷管，此外还包括：

将高速气流引入上述流体通道的手段，该流道和上述输入开口是流体相连通的。

对上述第一感应线圈通以高频交流的手段该手段与该第一感应线圈电气连接，以便加热流经上述流体通道的气体，它沿着第一感应线圈的中心轴方向行进，并且便于在其中激发等离子体放电。

对上述第二感应线圈通以高频交流的手段，该手段是实施对第二感应线圈的电气连接，以便加热由上述气体形成的等离子体束的外层，其中具有受激发的等离子体放电，流经上述的流体通道，并致使上述等离子体束的平均温度增高。

21、能产生具有被加热和展宽了的等离子体喷射的等离子体流装置，包括权利要求17的等离子流喷管，并进一步包括：

引入高速气流进入上述流体通道的手段，该流体通道与上述输入进口是流体相连通的;

对上述电气连接的第一及第二感应线圈，通以高频交流的手段，该手段是实现对所述单回路电路的电气连接，以便加热流经上述流体通道的气体，并在其中激发等离子体放电，并且也是为了加热从该气体形成的等离子体射束，在该气体中具有受激发的等离子体放电，流经上述的流体通道，以便加热该等离子体射束的外层，甚于其中心部位，并且还增高该等离子体射来的平均温度。

22、能产生具有被加热及展宽的等离子体喷射的等离子体流的装置，包括权利要求18的等离子体喷管，并且进一步还包括：

将高速气流引入上述流体通道的手段，该通道与上述输入开口是流体相连通的;

对上述第一感应线圈通以高频交流的手段，该手段是与该第一感应线圈电气连接的，以便加热沿着上述第一感应线圈的中心轴方向流经该流体通道的气体，并且也是为了激发其内的等离子体放电;及对上述第二感应线圈通以高频交流的手段，该手段是与该第二感应线圈电气连接的，以便加热通过喉道所形成的等离子体射束的外层，并且也为了增高该射来的平均温度。

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