JP3524871B2 - High-speed thermal spray apparatus for forming a substance and a method for forming a coating or a bulk substance by the spray apparatus - Google Patents

High-speed thermal spray apparatus for forming a substance and a method for forming a coating or a bulk substance by the spray apparatus

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JP3524871B2 JP2000357109A JP2000357109A JP3524871B2 JP 3524871 B2 JP3524871 B2 JP 3524871B2 JP 2000357109 A JP2000357109 A JP 2000357109A JP 2000357109 A JP2000357109 A JP 2000357109A JP 3524871 B2 JP3524871 B2 JP 3524871B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、熱スプレー手法に
よってコーティングおよび塊状物質(bulk material)を
溶着するフレームスプレー(flame spray)装置およびこ
のスプレー装置によりコーティングまたは塊状物質を形
成するフレームスプレー方法に関する。特に、本発明
は、高速酸化剤−燃料スプレー装置および方法に関する
ものであって、気体ジェット速度に略等しい粒子速度
で、融解しない粒子をスプレーすることによって、低酸
化で、高密度のコーティングと塊状物質を形成するのに
適している高速フレームスプレー装置およびこのスプレ
ー装置によりコーティングまたは塊状物質を形成する方
法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a flame spray device for depositing coating and bulk material by a thermal spray method and a flame spray method for forming a coating or a bulk material by the spray device. In particular, the present invention relates to high speed oxidant-fuel spray devices and methods that spray non-melting particles at a particle velocity approximately equal to the gas jet velocity to provide low oxidation, high density coatings and agglomerates. It relates to a high-velocity flame spray device suitable for forming substances and a method for forming coatings or bulk substances by means of this spray device.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、熱スプレー手法によってコーテ
ィングおよび塊状物質を溶着するフレームスプレー装置
および方法は、高速酸化剤気体−燃料スプレーによるも
のであるが、酸化剤気体が酸素である場合は、その手法
は、高速酸素−燃料(HVOF)スプレーとして知られ
ている。同様に、酸化剤気体が、空気であるか、または
酸素を多く含む空気である場合は、高速空気−燃料(H
VAF)スプレーとして知られている。
BACKGROUND OF THE INVENTION Generally, flame spray devices and methods for depositing coatings and agglomerates by a thermal spray technique rely on a fast oxidant gas-fuel spray, but when the oxidant gas is oxygen, that technique. Is known as high velocity oxygen-fuel (HVOF) spray. Similarly, if the oxidant gas is air or oxygen-enriched air, then high velocity air-fuel (H
It is known as VAF) spray.

【0003】この熱スプレーは、種々の基板上にコーテ
ィングまたは塊状物質の形状の金属およびセラミックス
を形成するために広範囲に使用されている。大部分の熱
スプレー手法は、高温の気体ジェットのエネルギーを使
用して、スプレー物質の粒子を加熱及び加速し、この粒
子を基板に衝突させてコーティングを形成するものであ
る。
This thermal spray has been used extensively to form metals and ceramics in the form of coatings or agglomerates on various substrates. Most thermal spray techniques use the energy of a hot gas jet to heat and accelerate particles of the spray material and impinge the particles on a substrate to form a coating.

【0004】一般に、高速酸素−燃料(HVOF)装置
は、通常数バールに高められた圧力の下で、燃料と酸素
がインナーバーナー内で燃焼して、高温の気体のジェッ
トを生成する。燃料は、プロパンやメタン、プロピレ
ン、MAPPガス、水素などの気体か、または灯油など
の液体である。燃焼ガスは、バーナーから排出ノズルま
たはバレル内に膨張して、音速に達する。さらに、大気
中に、あるいはラバール(Laval)ノズルのような末広
ノズル部分内に膨張させると、超音速ジェットが生じ
る。このため、この手法は、高速と呼ばれている。
[0004] Generally, high velocity oxygen-fuel (HVOF) systems combust fuel and oxygen in an inner burner under elevated pressure, usually a few bar, to produce a jet of hot gas. The fuel is a gas such as propane, methane, propylene, MAPP gas, hydrogen, or a liquid such as kerosene. Combustion gases expand from the burner into the exhaust nozzle or barrel to reach the speed of sound. In addition, expansion into the atmosphere or into a divergent nozzle section such as a Laval nozzle produces a supersonic jet. For this reason, this technique is called high speed.

【0005】第一の前述の装置は、ジェームズ・エイ・
ブラウニング(James.A.Browning)によって発明され
た(1982年8月に付与された米国特許第4,342,551号およ
び第4、343、605号)。HVOF射出装置(gun)に対す
る多くの改良は、より良い効率でスプレー物質を加熱
し、加速することを目標にしていた(米国特許第4、37
0、538号、第4、416、421号、第4、540、121号、第4、5
68、019号、第4、634、611号、第4、836、447号、第5、
019、686号、第5、206、059号、第5、535、590号)。こ
のHVOF手段は、比較的高密度コーティングを形成す
るものの、粒子を融解する際に、少なくとも部分的に
は、比較的高い酸化物を含有する物質が堆積し、粒子の
表面をかなり活性化させる。不完全燃焼や大気からの空
気の巻き込み(ejection)により、ジェットは常に気体酸
素を含むので、粒子の融解表面は、急激に酸化する。そ
の上に、これらの手段は、圧縮酸素を大量に消耗するた
め、かなり高価につく。最後に、融解したスプレー粒子
が長いノズルを詰まらせて、HVOF装置の作動上多く
の問題を生じさせる。
The first aforesaid device is James A.
Invented by James A Browning (U.S. Pat. Nos. 4,342,551 and 4,343,605, issued August 1982). Many improvements to the HVOF gun were aimed at heating and accelerating the spray material with better efficiency (US Pat. No. 4,37).
0, 538, 4, 416, 421, 4, 540, 121, 4,5
68, 019, 4, 634, 611, 4, 836, 447, 5,
019, 686, 5, 206, 059, 5, 535, 590). Although this HVOF means forms a relatively high density coating, upon melting the particles, at least in part, a relatively high oxide containing material is deposited, significantly activating the surface of the particles. Due to incomplete combustion and ejection of air from the atmosphere, the jet always contains gaseous oxygen, so the molten surface of the particles is rapidly oxidized. Moreover, these means are quite expensive as they consume large amounts of compressed oxygen. Finally, melted spray particles can clog long nozzles, causing many problems in the operation of HVOF devices.

【0006】高速空気−燃料(HVAF)の装置は、先
ず、HVOF手段(米国特許第5、120、582号)に代わ
る廉価なものとして考案された。この装置の主な作動形
態は、空気と灯油の燃焼である。さらに、米国特許第
5、405、085号と第5、520、334号とにおいて設計改良が
行われた。この装置の主な問題は、燃料−空気混合物の
火炎伝播速度が、燃料−酸素混合物より二桁遅いので、
気体の流速が高いと、燃焼が不安定になることである。
インターナルバーナーを比較的長くすると、燃焼は安定
し完全になる。しかし、これでは、バーナー室とノズル
との軸芯位置にスプレー粉末を導入することができなく
なる。すなわち、バーナー室が長すぎるとスプレー粒子
がバーナー室内を通過することができなくなる。軸芯位
置での噴射の替わりにノズル側壁へ粒子を噴射すると、
ノズルの詰まりが発生し、軸芯位置での噴射を利用する
HVOF装置よりも一層大きな問題が生じる。燃焼の点
火のため及び口火(pilot flame)として水素またはメタ
ンを使用することは、多くのHVAF射出(gun)にとっ
て、実用的ではなく、また安全でもない。
A high speed air-fuel (HVAF) device was first conceived as an inexpensive alternative to the HVOF means (US Pat. No. 5,120,582). The main mode of operation of this device is the combustion of air and kerosene. In addition, US Patent No.
Design improvements were made in 5,405,085 and 5,520,334. The main problem with this device is that the flame propagation velocity of the fuel-air mixture is two orders of magnitude slower than that of the fuel-oxygen mixture,
If the gas flow velocity is high, combustion becomes unstable.
With a relatively long internal burner, combustion is stable and complete. However, this makes it impossible to introduce the spray powder into the axial center positions of the burner chamber and the nozzle. That is, if the burner chamber is too long, the spray particles cannot pass through the burner chamber. When particles are jetted to the nozzle side wall instead of jetting at the axial center position,
Nozzle clogging occurs, causing a greater problem than the HVOF device that uses injection at the axial center position. The use of hydrogen or methane for ignition of combustion and as a pilot flame is neither practical nor safe for many HVAF guns.

【0007】本発明(米国特許第5、932、293号)の発
明者の一人であるウラジミル・ベラシュチェンコ(Vladi
mir Belashchenko)およびヴィアチェスラフ・バラノフ
スキー(Viatcheslav Baranovski)は、HVAF設計の重
要な改良、すなわち、透過性のバーナーブロックをイン
ターナルバーナー室に導入した。自然発火温度を超えて
空気−燃料混合物が加熱されると、透過性のバーナーブ
ロックの高温壁と通路とが、混合物を連続して燃焼させ
るので、比較的小さなバーナーにおいても燃焼を安定さ
せる。しかし、燃焼は、化学量論的混合比に近い狭い範
囲の空燃比においてのみ安定するため、透過性のバーナ
ーブロックを冷却するために必要とされる気体の全流量
は、制限されてしまう。この制限は、種々の物質をスプ
レーするときに必要となる、技術的なパラメータの変更
を大幅に制限し、このため液化燃料の液滴がバーナーに
達するので、技術上の問題をよく起こす。この問題は、
プロパンおよびそれより重い燃料を使用するときにいつ
も発生する。バーナー内で燃料の液滴が蒸発すると、空
燃比が大幅に低下して、燃焼が不安定になる。
Vladimir Berashchenko, one of the inventors of the present invention (US Pat. No. 5,932,293)
mir Belashchenko) and Viatcheslav Baranovski introduced a significant improvement in the HVAF design: a permeable burner block in the internal burner chamber. When the air-fuel mixture is heated above the autoignition temperature, the hot walls and passages of the permeable burner block continuously burn the mixture, thus stabilizing the combustion even with relatively small burners. However, since combustion is stable only in a narrow range of air-fuel ratios close to the stoichiometric mixing ratio, the total gas flow required to cool the permeable burner block is limited. This limitation severely limits the technical parameter changes required when spraying various substances, which causes droplets of the liquefied fuel to reach the burner and is therefore a frequent technical problem. This problem,
It always occurs when using propane and heavier fuels. When the droplets of fuel evaporate in the burner, the air-fuel ratio is greatly reduced, and combustion becomes unstable.

【0008】さらに、燃焼温度がほとんどの種類のスプ
レー物質の融解温度を超えるので(プロパン−空気混合
物で1900度C、そしてそれより重い燃料で1900
度Cより高い)、スプレー粒子の少なくとも表面は、融
解されて、ジェット中の酸素によって活発に酸化され、
このため、HVAFコーティングは、かなり酸化され
る。一方、融解されていない固体の粒子をスプレーする
と、スプレー中の物質の酸化が実質的に抑制されること
は、明らかである。アナトレー・アルキモフ(Anatoley
Alkimov)および共同発明者は、コーティングを施すガス
力学的スプレー方法(米国特許第5、302、414号)で特
許権を与えられた。この方法において、超音速ジェット
は、スプレー物質の融解温度よりかなり低い温度を有す
る圧縮ガスの膨張によって形成される。コーティング
は、固体粒子の衝撃の間に形成されるが、この粒子は溶
着中に加熱されず、そして部分的にも酸化されない。と
ころが、加熱されない粒子で形成されるコーティング
は、HVOFコーティングと比べると、かなり多孔性で
ある。電気加熱器で圧縮ガスを余熱する試みは、コーテ
ィングの質にはほとんど効果がなく、他方において装置
を巨大にするだけである。
Furthermore, since the combustion temperature exceeds the melting temperature of most types of spray substances (1900 ° C. for propane-air mixtures, and 1900 for heavier fuels).
Above C), at least the surface of the spray particles is melted and actively oxidized by the oxygen in the jet,
Because of this, the HVAF coating is highly oxidized. On the other hand, it is clear that spraying unmelted solid particles substantially suppresses oxidation of the material in the spray. Anatoley Arkimov
Alkimov) and co-inventors were granted a patent for the gas-dynamic spray method of applying the coating (US Pat. No. 5,302,414). In this method, supersonic jets are formed by the expansion of a compressed gas having a temperature well below the melting temperature of the spray material. The coating forms during the bombardment of solid particles, which are not heated during welding and are not even partially oxidized. However, the coating formed of unheated particles is considerably more porous than the HVOF coating. Attempts to preheat the compressed gas with an electric heater have little effect on the quality of the coating, but on the other hand only make the device bulky.

【0009】スプレー物質の融点以下で粒子を加速し、
加熱することの両方が可能になると、HVOFおよびH
VAF手法の使用は、将来もっと有望になるように思わ
れる。ジェームズ・ブローウィング(James Browing)
は、米国特許第5、271、965号に、また熱スプレー・テ
クノロジー・ジャーナル(Journal of Thermal Spray T
echnology)の1992年12月号の289頁、1(4)のテクニカル
ノート(Technical Note)に、この見解を表明した。彼
は、固体粒子は、基板に衝撃するときの運動エネルギー
の放出により、融解されると考えた。このように、粒子
速度は、コーティング形成の重要な要因となる。問題
は、周知のHVOFおよびHVAF装置では、バーナー
内の気体温度の低下が、常に気体速度の減速を伴うこと
である。この結果、粒子速度が低下する。この問題を解
決するために、独特の解決法が案出された。例えば、ス
プレー中に、粒子を固体状態にしておくために、ジェイ
・ブローウィング(J.Browning)は、水の水滴を噴射
させて、ノズル内のジェットを物質の融点以下に冷却す
ることを提案した(米国特許第5、330、798号)。この水
滴噴射は、燃焼過程自体に影響を与えない。この装置の
明らかに不利な点は、装置の効率の低下と手順の複雑化
である。
Accelerating the particles below the melting point of the spray substance,
When both heating is possible, HVOF and H
The use of the VAF approach seems more promising in the future. James Browing
In U.S. Pat. No. 5,271,965, and also in the Journal of Thermal Spray T
echnology, December 1992, p. 289, 1 (4), Technical Note. He believed that the solid particles would be melted by the release of kinetic energy when bombarding the substrate. Thus, particle velocity is an important factor in coating formation. The problem is that in the known HVOF and HVAF devices the drop in gas temperature in the burner is always accompanied by a slowing of the gas velocity. As a result, the particle velocity decreases. To solve this problem, a unique solution was devised. For example, in order to keep the particles in a solid state during spraying, J. Browning proposed spraying water droplets of water to cool the jet in the nozzle below the melting point of the substance. (US Pat. No. 5,330,798). This water jet does not affect the combustion process itself. The obvious disadvantage of this device is the reduced efficiency of the device and the complexity of the procedure.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】上述した温度の低下に
よる気体速度の減少は、HVOFおよびHVAF手法に
より固体粒子をスプレーして、良質なコーティングの溶
着をすることに問題を生じさせることだけにはとどまら
ない。実際上、燃焼を不安定にすることなく、気体温度
を必要なだけ低下させることは、公知技術の装置では不
可能である。
The decrease in gas velocity due to the decrease in temperature described above does not only cause problems in spraying solid particles by the HVOF and HVAF techniques to deposit good quality coatings. It doesn't stop. In practice, reducing the gas temperature as much as necessary without destabilizing the combustion is not possible with prior art devices.

【0011】よく知られているように、高流速気体での
酸化剤気体−燃料混合物の安定燃焼は、酸化剤と燃料と
の混合比が化学量論的混合比に近い比較的狭い範囲で得
られる。燃焼の最高温度は、この範囲で達成される。例
えば、酸素−プロパン混合物に関して、化学量論的な混
合比は、容積比で約5:1であり、最大燃焼温度は、2
800度Cを超える。過剰な酸素は、燃焼温度を低下さ
せる。酸素−プロパンの場合は、この混合比は2.5:
1になり、燃焼温度は、約2500度Cである。酸素含
有量をさらに増加すると、燃焼は停止する。空気−プロ
パン混合物の場合、化学量論的混合比は、容積比で約2
5:1になり、最大燃焼温度は約1900度Cの状態と
なる。
As is well known, stable combustion of an oxidant gas-fuel mixture at a high flow rate gas is achieved in a relatively narrow range where the mixing ratio of oxidant and fuel is close to the stoichiometric mixing ratio. To be The maximum temperature of combustion is achieved in this range. For example, for oxygen-propane mixtures, the stoichiometric mixing ratio is about 5: 1 by volume and the maximum combustion temperature is 2
Over 800 degrees C. Excess oxygen reduces the combustion temperature. In the case of oxygen-propane, this mixing ratio is 2.5:
1, the combustion temperature is about 2500 degrees C. If the oxygen content is further increased, the combustion will stop. For air-propane mixtures, the stoichiometric mixing ratio is about 2 by volume.
It becomes 5: 1, and the maximum combustion temperature is about 1900 ° C.

【0012】透過性のバーナーブロックに高温(hot)の
壁が存在していても、この混合比が10%以上変動する
と、この混合物の燃焼は継続しない。この状況は、米国
特許第5、932、293号に示されている。このように、H
VAF手法では、化学量論的混合比を超えて空気または
プロパンの含有量を増加させることによって、気体温度
を低下させることは、事実上不可能である。既述した気
体温度は、熱スプレーに使用される大部分の市販用合金
の融点以上であることに注目したい。このように、スプ
レー粒子の少なくとも表面が融解されて、その結果、ス
プレー中に物質の急激な酸化が生じる。例えば、20マ
イクロメーター以下の細かい粒子を使用すると、重大な
問題が生じる。
Even if hot walls are present in the permeable burner block, if the mixing ratio fluctuates by more than 10%, the combustion of the mixture will not continue. This situation is shown in US Pat. No. 5,932,293. Thus, H
In the VAF approach, it is virtually impossible to lower the gas temperature by increasing the air or propane content above the stoichiometric mixing ratio. Note that the gas temperatures described above are above the melting point of most commercial alloys used for thermal spraying. In this way, at least the surface of the spray particles is melted, resulting in a rapid oxidation of the material during spraying. For example, the use of fine particles of 20 micrometers or less creates serious problems.

【0013】そこで、本発明は、気体ジェット速度に略
等しい粒子速度を有し、加熱されるが融解はしない粒子
の高速熱スプレーにより、低酸化で、高密度のコーティ
ングおよび塊状物質を形成するのに適するスプレー装置
及びこのスプレー装置によりコーティング又は塊状物質
を形成する方法を提供するものである。
The present invention thus provides a low oxidation, high density coating and agglomerates by rapid thermal spraying of particles that have a particle velocity approximately equal to the gas jet velocity and that are heated but do not melt. And a method of forming a coating or agglomerates by means of this spray device.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明による高速熱スプ
レー装置は、酸化剤−燃料混合アセンブリと、インター
ナルバーナーと、点火装置と、膨張ノズルと、スプレー
物質送出ユニットとを備えている。さらに、この装置
は、インターナルバーナー内に触媒部材を備え、これに
より、化学量論的混合比を超えて酸化剤気体または燃料
の圧力と流量を増加し、あるいは不活性ガスを混合物に
添加するときの混合物の燃焼温度を、スプレー物質の融
点以下に下げる。
SUMMARY OF THE INVENTION A rapid thermal spray apparatus according to the present invention comprises an oxidant-fuel mixing assembly, an internal burner, an igniter, an expansion nozzle and a spray substance delivery unit. Further, the apparatus includes a catalytic member within the internal burner to increase the pressure and flow rate of the oxidant gas or fuel beyond the stoichiometric mixing ratio or to add an inert gas to the mixture. The combustion temperature of the mixture is then lowered below the melting point of the spray substance.

【0015】本発明において、インターナルバーナー内
の触媒部材は、少なくとも二つの主要な機能を果たす。
第一に、触媒部材は、酸化剤気体と燃料との混合物の点
火温度をかなり下げる。このため、可燃性混合物を燃や
すと思われる触媒表面を過剰冷却する危険をおかすこと
なく、気体の全流量をかなり増加させることが可能であ
る。第二に、触媒部材は、触媒の表面に反応気体を吸着
し、事実上、気体のどんな濃縮度においても燃焼反応を
生じさせる。触媒の表面が十分に広い場合には、適正な
酸化剤気体と燃料の混合比の下で燃焼を促進することが
可能である。したがって、触媒の存在により、化学量論
的混合比を超えて酸化剤気体または燃料の圧力と流量を
増加したり、またはその他の窒素等の不活性ガスを混合
物に加えたりすることが可能であり、これによって燃焼
を不安定にすることなく、選択された温度に気体を冷却
する。他方、高い融点を有するスプレー物質に対して
は、触媒付きのインターナルバーナーの使用により酸化
剤気体と燃料の両方の圧力と流量を十分に増加すること
が可能であり、これによってジェットの全エネルギーを
増加する。
In the present invention, the catalytic member in the internal burner performs at least two main functions.
First, the catalytic member significantly lowers the ignition temperature of the oxidant gas and fuel mixture. As a result, it is possible to significantly increase the total gas flow rate without risking overcooling of the catalyst surface which would burn the combustible mixture. Second, the catalyst member adsorbs the reaction gas on the surface of the catalyst, causing a combustion reaction at virtually any concentration of gas. If the surface of the catalyst is sufficiently large, it is possible to promote combustion under the proper mixing ratio of the oxidant gas and the fuel. Thus, the presence of a catalyst can increase the pressure and flow rate of the oxidant gas or fuel beyond the stoichiometric mixing ratio, or can add other inert gases such as nitrogen to the mixture. , Which cools the gas to a selected temperature without destabilizing the combustion. On the other hand, for spray materials with a high melting point, it is possible to sufficiently increase the pressure and flow rate of both the oxidant gas and the fuel by using an internal burner with a catalyst, which allows the total energy of the jet to be increased. To increase.

【0016】重要な要素は、気体の圧力と流量の増加
が、温度を低下させつつノズル内の気体速度の損失を効
率的に補うことである。そのうえ、気体密度が増す。結
果として、スプレー粒子の速度は、温度が低下しても減
少しない。それどころか、粒子速度のかなりの増加によ
って、二つの新しい要素が使用可能となる。すなわち、
(a)1−20マイクロメーター以下などの細かい粒子
を、ほぼ気体ジェットの速度まで加速して、スプレーす
ることが可能となる。(b)固体粒子によるノズルの詰
まりがないことにより、粒子を加速するために必要な分
だけの長さのノズルを使用することが可能となる。本発
明において、粒子速度は、空気−プロパン燃焼混合物を
使用するとき、少なくとも600m/sから800m/
sとなる。
An important factor is that the increase in gas pressure and flow rate effectively compensates for the loss of gas velocity in the nozzle while reducing temperature. Moreover, the gas density is increased. As a result, the velocity of the spray particles does not decrease with decreasing temperature. On the contrary, a significant increase in particle velocity makes two new elements available. That is,
(A) Fine particles such as 1-20 micrometers or less can be sprayed by accelerating to a velocity of a gas jet. (B) Since the nozzle is not clogged with solid particles, it is possible to use a nozzle having a length as long as necessary to accelerate the particles. In the present invention, the particle velocity is at least 600 m / s to 800 m / s when using an air-propane combustion mixture.
s.

【0017】本発明の装置および方法において、触媒部
材は、次の触媒の群から選択した1つの触媒を有するも
のであって、この触媒の群は、プラチナやパラジウム、
ロジウムなどの貴金属、または、前記貴金属および希土
類金属(Ce、La、Ndなど)の一つ以上の二成分酸
化物、または、バリウムやストロンチウム、希土類金属
などによって形成される一つ以上の二成分酸化物、また
は高温酸化に耐えかつ使用されるものであって、酸化剤
気体−燃料混合物の点火温度を下げることが可能なその
他の触媒を含む。
In the apparatus and method of the present invention, the catalyst member has one catalyst selected from the following catalyst group, and the catalyst group includes platinum, palladium,
Noble metals such as rhodium, or one or more binary oxides of the precious metals and rare earth metals (Ce, La, Nd, etc.), or one or more binary oxides formed by barium, strontium, rare earth metals, etc. Or other catalysts that withstand and use high temperature oxidation and that can reduce the ignition temperature of the oxidant gas-fuel mixture.

【0018】触媒部材は、ワイヤまたは金網挿入物の形
状に、またはインターナルバーナーの構成要素の壁や通
路へのコーティングとして、あるいはインターナルバー
ナー内に配置される少なくとも一つの多孔性の、穴のあ
るまたは粉末形状セラミックサポートへのコーティング
として形成される。触媒コーティングは、燃焼を必要と
する表面だけに形成することが可能であり、燃焼を必要
な範囲に限定し、バーナーのその他の表面をオーバーヒ
ートから保護する。
The catalytic member is in the form of a wire or wire mesh insert, or as a coating on the walls and passages of the internal burner components, or of at least one porous, perforated hole disposed within the internal burner. It is formed as a coating on some or powdered ceramic supports. The catalyst coating can be applied only to those surfaces that require combustion, limiting combustion to the required extent and protecting the other surfaces of the burner from overheating.

【0019】高速熱スプレー装置は、さらに、第一の内
側膨張ノズルを囲む環状形状の少なくとも一つの別のイ
ンターナルバーナーと、少なくとも一つの別の膨張ノズ
ルとを備えることもできる。このようなバーナーとノズ
ルとの直列形状は、粒子をさらに加速し、スプレー物質
の融点以下の温度で粒子を徐々にかつ均一に加熱するよ
うに構成されている。
The rapid thermal spray device may further comprise at least one further internal burner in the form of a ring surrounding the first inner expansion nozzle and at least one further expansion nozzle. Such a series configuration of the burner and the nozzle is configured to further accelerate the particles and gradually and uniformly heat the particles at a temperature equal to or lower than the melting point of the spray substance.

【0020】本発明の物質送出ユニットは、装置内に粉
末あるいはワイヤのいずれかを送ることが可能である。
粉末ストックの場合、物質分配ユニットは、インターナ
ルバーナー内または/および膨張ノズル内の選択された
位置に、粉末粒子を送出するための少なくとも一つの噴
射装置を含んでいる。好ましい実施の形態において、粉
末の噴射装置は、インターナルバーナーの軸芯位置に配
置され、これにより装置の加熱及び加速効率を最大にす
る。
The substance delivery unit of the present invention is capable of delivering either powder or wire into the device.
In the case of powder stock, the substance distribution unit comprises at least one injection device for delivering powder particles to a selected location in the internal burner or / and in the expansion nozzle. In a preferred embodiment, the powder injection device is located in the axial position of the internal burner, which maximizes the heating and acceleration efficiency of the device.

【0021】ワイヤストックの場合、物質送出ユニット
は、二本のワイヤの電気アーク装置であって、インター
ナルバーナーまたは膨張ノズルの軸芯位置において、電
気アークによって溶解されるワイヤの先端を送出するよ
うに構成されている。この装置および方法の好ましい実
施の形態において、溶解されたワイヤは、霧状の細かい
粒子になり、酸化剤気体と過剰燃料の混合物の燃焼によ
って生じる高速気体ジェットによって加速され、冷却さ
れる。化学量論的混合比より多い燃料流量は、スプレー
物質の融点以下に気体温度を下げるばかりでなく、ジェ
ット内に還元性の環境を発生させ、これによりスプレー
中に生じ得る物質の酸化を抑制する。温度の低いジェッ
トにより、ノズルと、基板との間隔が近い距離からのコ
ーティングが可能となり、このためジェットは、大気か
ら巻き込まれる(ejected)空気でほとんど希釈されない
ので、未燃焼燃料による酸化に対する保護がより効率的
となる。
In the case of wire stock, the substance delivery unit is a two wire electric arc device for delivering the tip of the wire melted by the electric arc at the axial position of the internal burner or expansion nozzle. Is configured. In a preferred embodiment of the apparatus and method, the melted wire is atomized into fine particles that are accelerated and cooled by a high velocity gas jet produced by the combustion of a mixture of oxidant gas and excess fuel. Fuel flow above stoichiometry not only lowers the gas temperature below the melting point of the spray material, but also creates a reducing environment within the jet, thereby inhibiting any oxidation of the material that may occur during spraying. . The lower temperature jet allows coating from a closer distance between the nozzle and the substrate, so the jet is rarely diluted with the air that is ejected from the atmosphere, providing protection against oxidation by unburned fuel. Be more efficient.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】本発明は、高速熱スプレー装置の
長手方向断面図である図1を参照することによって容易
に理解できる。図1は、金網挿入物として作られている
触媒部材を有するインターナルバーナーを具備する高速
熱スプレー装置の断面を示す。この装置は、空気と気体
燃料混合物で作動する。この装置の好ましい実施の形態
は、燃料供給チューブ1と、空気供給チューブ3と、空
気分配器5と、混合ブロック6とによって形成される混
合アセンブリを備えている。この装置は、さらに、区画
Hに、金網挿入物として作られている触媒部材8から形
成される触媒バーナーを備えている。区画Hの下流部分
は、燃焼の気体生成物の集合部分(collector)として作
用する。この気体の集合ハウジング9が区画Hを取り囲
んでいる。最後に、好ましい実施の形態は、気体膨張ノ
ズル10と、粉末噴射装置2の形状を有する物質排出ユ
ニットとを含んでいる。これらの部品は、本体ハウジン
グ7と、本体後部ハウジング4と、ノズルハウジング1
1とから成る円筒形本体内に組み込まれている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention can be readily understood by reference to FIG. 1, which is a longitudinal cross-sectional view of a rapid thermal spray device. FIG. 1 shows a cross section of a rapid thermal spray device with an internal burner having a catalytic element made as a wire mesh insert. The device works with air and gaseous fuel mixtures. The preferred embodiment of this device comprises a mixing assembly formed by a fuel supply tube 1, an air supply tube 3, an air distributor 5 and a mixing block 6. The device further comprises in section H a catalytic burner formed from the catalytic member 8 made as a wire mesh insert. The downstream portion of compartment H acts as a collector for the gaseous products of combustion. The gas collecting housing 9 surrounds the compartment H. Finally, the preferred embodiment comprises a gas expansion nozzle 10 and a substance discharge unit in the form of a powder injection device 2. These parts are the main body housing 7, the main body rear housing 4, and the nozzle housing 1.
It is incorporated in a cylindrical body consisting of 1 and 1.

【0023】この好ましい実施の形態において、圧縮空
気は、空気供給チューブ3を通って空気分配区画Aに到
達する。この空気の一部は、分配器5の貫通穴Cを通っ
て冷却区域Bに入り、そして、冷却通路Dに到達して、
装置を冷却する。空気のこの一部は、ノズル冷却通路D
1を通って装置の外に流出し、主気体ジェットの回りに
環状の流れを形成する。空気のその他の部分は、空気分
配区画Aから、混合ブロック6の空気孔Eを通って混合
区画Fに流入する。プロパンまたはプロピレンなどの気
体燃料は、燃料供給チューブ1によって混合区画(混合
物分配区画)Fに供給される。圧縮空気が小口径の空気
孔Eから大きい混合区画Fへ膨張するので、この空気が
燃料を巻き込み(eject)、空気と燃料との混合物を形成
する。この混合物は、混合ブロック6の混合物出口孔G
を通って、触媒部材8を有する区画Hの一部分に流入す
る。区画Hのこの部分は、燃焼室の機能を果たす。混合
物は、触媒部材8の内部の点火プラグまたは白熱装置
(図示せず)によって点火され、触媒の表面で燃焼す
る。燃焼で生じた気体は、気体膨張ノズル10内に膨張
して、高速ジェットを形成する。このジェットは、気体
膨張ノズル10から大気内に膨張するとき、超音速に到
達する。スプレー物質の粒子は、圧縮窒素等のキャリヤ
ーガスによって粉末噴射装置2を経由して区画Hの軸芯
位置に送出される。この粒子は、区画Hとノズル10と
を通過し、燃焼で生じた気体ジェットによって加熱、加
速され、エネルギーを与えられた粒子の流れIを形成す
る。この粒子は、基板Jに衝突して、コーティングまた
は塊状物質を形成する。
In this preferred embodiment, compressed air reaches the air distribution compartment A through the air supply tube 3. A part of this air enters the cooling zone B through the through hole C of the distributor 5 and reaches the cooling passage D,
Cool the device. This part of the air is the nozzle cooling passage D
It flows out of the device through 1 and forms an annular flow around the main gas jet. The other part of the air flows from the air distribution section A through the air holes E of the mixing block 6 into the mixing section F. A gaseous fuel such as propane or propylene is supplied to the mixing section (mixture distribution section) F by the fuel supply tube 1. As the compressed air expands from the small caliber air holes E into the larger mixing compartment F, this air ejects the fuel and forms a mixture of air and fuel. This mixture is mixed with the mixture outlet hole G of the mixing block 6.
Through a portion of the compartment H containing the catalytic member 8. This part of the compartment H serves as the combustion chamber. The mixture is ignited by a spark plug or an incandescent device (not shown) inside the catalyst member 8 and burns on the surface of the catalyst. The gas produced by the combustion expands in the gas expansion nozzle 10 to form a high-speed jet. The jet reaches supersonic velocity as it expands from the gas expansion nozzle 10 into the atmosphere. The particles of the spray substance are delivered to the axial center position of the compartment H via the powder injection device 2 by a carrier gas such as compressed nitrogen. The particles pass through the compartment H and the nozzle 10 and are heated and accelerated by the gas jet produced by the combustion to form an energized particle stream I. The particles impact the substrate J to form a coating or agglomerate.

【0024】本発明において、インターナルバーナー内
の触媒部材は、少なくとも二つの主要な機能を果たす。
第一に、酸化剤気体と燃料との混合物の点火温度を大き
く下げる。この仕組みは、触媒の表面で、酸素と燃料分
子を可逆酸化還元反応に関与させ、これらの分子間反応
の活性化エネルギーを低下させることに基づいている。
従って、可燃性混合物を点火させると考えられる触媒表
面を過剰冷却する危険性をおかさず、気体の全流量を大
幅に増加させることが可能である。第二に、触媒部材が
触媒の表面で反応気体を吸着し、これらの気体がどんな
現実的な濃縮度であっても燃焼反応を起こさせる。触媒
の表面が非常に広いので、酸化剤気体と燃料とのどんな
現実的な混合比でも燃焼を促進することが可能である。
その結果、触媒の存在の下では、化学量論的混合比を超
えて酸化剤または燃料の圧力と流量を増加し、あるいは
別の窒素等の不活性ガスを混合物に加えることによっ
て、燃焼を不安定にすることなく、気体を選択された温
度に冷却することが可能となる。特に、同一寸法の燃焼
室に対して、触媒部材8を設けることにより、空気流量
を、この触媒部材がないときの毎分10−12立方メー
ターから、20−25立方メーターに増加することが可
能となり、これにより、ジェット温度を1900度Cか
ら1000ないし1200度Cに低下させる。いうまで
もなく、触媒バーナーを通過する酸化剤気体と燃料との
両方の圧力と流量を増加することも可能であり、これに
よりジェットの全エネルギーが増加する。これは、耐熱
性金属またはチタン合金などの高融点を有する物質をス
プレーする上で有効である。
In the present invention, the catalytic member in the internal burner performs at least two main functions.
First, it greatly reduces the ignition temperature of the mixture of oxidant gas and fuel. This mechanism is based on the fact that oxygen and fuel molecules are involved in a reversible redox reaction on the surface of the catalyst to lower the activation energy of these intermolecular reactions.
Thus, it is possible to significantly increase the total gas flow rate without the risk of overcooling the catalyst surface which would ignite the combustible mixture. Second, the catalytic member adsorbs reactive gases at the surface of the catalyst, causing these gases to undergo combustion reactions at any practical enrichment. Due to the very large surface of the catalyst, it is possible to promote combustion at any realistic mixing ratio of oxidant gas and fuel.
As a result, in the presence of a catalyst, combustion is inhibited by increasing the pressure and flow rate of the oxidant or fuel beyond the stoichiometric mixing ratio, or by adding another inert gas such as nitrogen to the mixture. It is possible to cool the gas to a selected temperature without being stable. In particular, by providing the catalytic member 8 for combustion chambers of the same size, the air flow rate can be increased from 10-12 cubic meters per minute without the catalytic member to 20-25 cubic meters. Which reduces the jet temperature from 1900 ° C to 1000 to 1200 ° C. Of course, it is also possible to increase the pressure and flow rate of both the oxidant gas and the fuel passing through the catalytic burner, which increases the total energy of the jet. This is effective in spraying a substance having a high melting point such as a refractory metal or a titanium alloy.

【0025】このように気体の圧力と流量を増加するこ
とは、温度を低下させつつノズルにおける気体速度の損
失を効率的に補う。さらに、気体密度も増加する。その
結果、スプレーする粒子の速度は、温度が低下しても減
少しない。それどころか、粒子速度のかなりの増加によ
って、次の二つの新しい要素が、利用可能になる。第一
の要素は、1−20マイクロメーター以下などの粉末素
材の細かい粒子を気体ジェットの速度に加速して、スプ
レーすることが可能となる。第二の要素は、固体粒子に
よるノズルの詰まりがないため、粒子を加速するために
必要な分だけの長さのノズルを使用することが可能にな
る。
Increasing the gas pressure and flow rate in this manner effectively compensates for the loss of gas velocity at the nozzle while lowering the temperature. Moreover, the gas density also increases. As a result, the velocity of the sprayed particles does not decrease with decreasing temperature. On the contrary, with a significant increase in particle velocity, two new factors become available: The first element allows fine particles of powder material, such as 1-20 micrometers or less, to be sprayed by accelerating to the velocity of a gas jet. The second factor is that there is no clogging of the nozzle with solid particles, allowing the use of nozzles as long as needed to accelerate the particles.

【0026】既述した好ましい実施の形態において、触
媒部材8は、次の群から選択した一の触媒を有するもの
であって、この群は、プラチナやパラジウム、ロジウム
などの貴金属、または、前記貴金属および希土類金属
(Ce、La、Ndなど)の一つ以上の二成分酸化物、
または、バリウムやストロンチウム、希土類金属などに
よって形成される一つ以上の二成分酸化物、または高温
酸化に耐えかつ使用されるものであって、酸化剤−燃料
混合物の点火温度を下げることが可能であるその他の触
媒を含む。
In the above-described preferred embodiment, the catalyst member 8 has one catalyst selected from the following group, and this group includes a noble metal such as platinum, palladium and rhodium, or the above noble metal. And one or more binary oxides of rare earth metals (Ce, La, Nd, etc.),
Alternatively, one or more binary oxides formed of barium, strontium, rare earth metals, etc., or those that withstand and use high temperature oxidation and that can lower the ignition temperature of the oxidizer-fuel mixture. Includes certain other catalysts.

【0027】触媒部材8は、金網挿入物の形状で形成す
るだけに限らず、この金網挿入物の代わりに、インター
ナルバーナーの壁や通路へのコーティングとして、また
はインターナルバーナーに配置される、多孔性の、有穴
の、あるいは粉末形状の少なくとも一つのセラミックサ
ポートへのコーティングとして形成することが可能であ
る。触媒コーティングは、燃焼を必要とする表面だけに
行うことが可能であり、必要な範囲に燃焼を限定し、バ
ーナーのその他の表面をオーバーヒートから保護する。
The catalyst member 8 is not limited to being formed in the form of a wire mesh insert, but instead of this wire mesh insert, it is placed as a coating on the walls and passages of the internal burner or is arranged on the internal burner. It can be formed as a coating on at least one ceramic support which is porous, perforated or in powder form. The catalyst coating can be applied only to those surfaces that require combustion, limiting combustion to the extent required and protecting the other surfaces of the burner from overheating.

【0028】さて、第一の内側膨張ノズルを囲んで環状
形状を有する少なくとも一つの別のインターナルバーナ
ーと、一つの別のノズルとを備えている高速空気−燃料
装置の好ましい実施の形態を、図2に示す。この一次バ
ーナーとノズルは、上述したように、作動する。別の区
画Nが、インナー膨張ノズル10の出口と、ノズルハウ
ジング11との間に配置されている。区画N内で、二次
バーナーは、SiC−AI203セラミック製の内側触
媒支持リング13と、AI203ベースのセラミック製
の外側触媒支持リング14とによって囲まれている。内
側リング13の外側円筒形表面と、その下流側面及び外
側リング14の内側円筒形表面とは、プラチナまたはプ
ラチナ−セリウム酸化物などの触媒コーティング17で
被覆されている。二次膨張ノズル15は、SiC−セラ
ミック製である。この二次膨張ノズル15は、ノズルナ
ット16でノズルハウジング11に固定されている。二
次バーナーの燃料は、二次燃料供給チューブ12で供給
される。二次バーナーの燃料は、二次区画Kで、冷却通
路Dから来る冷却空気と混合される。混合物は、二次混
合出口孔Lを通って二次バーナーに流入するが、この二
次バーナーは、内側触媒支持リング13と外側触媒支持
リング14の触媒表面17によって囲まれているスロッ
トMの形状から成っている。混合物は、気体膨張ノズル
であるインナーノズル10から膨張する一次気体ジェッ
トの逆流(back-flash)で点火される。燃焼生成物は、
二次ノズル15内に膨張して、粒子の流れを運ぶ一次ジ
ェットと混合する。このような構成によって、スプレー
粒子の非常に穏やかで均一な加熱が得られる。さらに、
この構成は、粒子の加速に大きな効果をもたらす。この
好ましい実施の形態において、粒子速度は、600m/
sを超える。特に、200mmの長さの二次ノズルと、
平均粒子サイズが10μmの625合金粉末では、空気
−プロパン可燃性混合物を使用するときの平均粒子速度
は、800m/sに達する。
Now, a preferred embodiment of a high velocity air-fuel system comprising at least one further internal burner having an annular shape surrounding the first inner expansion nozzle, and one further nozzle, As shown in FIG. The primary burner and nozzle operate as described above. Another compartment N is arranged between the outlet of the inner expansion nozzle 10 and the nozzle housing 11. In compartment N, the secondary burner is surrounded by an inner catalyst support ring 13 made of SiC-AI203 ceramic and an outer catalyst support ring 14 made of AI203-based ceramic. The outer cylindrical surface of the inner ring 13 and its downstream side and the inner cylindrical surface of the outer ring 14 are coated with a catalytic coating 17 such as platinum or platinum-cerium oxide. The secondary expansion nozzle 15 is made of SiC-ceramic. The secondary expansion nozzle 15 is fixed to the nozzle housing 11 with a nozzle nut 16. The fuel for the secondary burner is supplied through the secondary fuel supply tube 12. The fuel in the secondary burner is mixed in the secondary compartment K with the cooling air coming from the cooling passages D. The mixture enters the secondary burner through the secondary mixing outlet hole L, which is in the form of a slot M surrounded by the catalyst surface 17 of the inner catalyst support ring 13 and the outer catalyst support ring 14. Made of. The mixture is ignited in a back-flash of a primary gas jet expanding from an inner nozzle 10, which is a gas expansion nozzle. Combustion products are
It expands into the secondary nozzle 15 and mixes with the primary jet, which carries the stream of particles. Such an arrangement results in a very gentle and uniform heating of the spray particles. further,
This configuration has a great effect on particle acceleration. In this preferred embodiment, the particle velocity is 600 m /
over s. In particular, a secondary nozzle with a length of 200 mm,
With 625 alloy powder with an average particle size of 10 μm, the average particle velocity when using an air-propane combustible mixture reaches 800 m / s.

【0029】別の好ましい実施の形態を図3に示す。こ
の図は、高速熱スプレー装置の概略長手方向断面図であ
り、この装置は、インターナルバーナー内に、触媒セラ
ミック支持体の通路と下流表面とにコーティング形態の
触媒部材を有する。そしてスプレー物質の噴射は、膨張
ノズル軸芯位置で行われ、このスプレー物質は、電気ア
ーク機械によって二つの消耗ワイヤ先端が溶解されて形
成される。この装置は、SiC−AI203セラミック
製の内側触媒支持リング113と、AI203基のセラ
ミック製の外側触媒支持リング114とを保持する本体
ハウジング107を備えている。バーナーは、これら二
つのリング113、114間に形成される燃焼スロット
Mの形状となっている。両リングの円筒表面で形成され
るスロットMと、内側リング113の下流表面は、バリ
ウムやランタン酸化物、または金属プラチナ製の触媒コ
ーティングで被覆されている。本体後部ハウジング10
5は、本体ハウジング107に取り付けられており、冷
却空気供給チューブ103と、可燃性混合物供給チュー
ブ101と、膨張ノズル110の軸芯位置に二つのスプ
レーワイヤ120を方向付ける二つの接触チューブ10
2とを保持する。この接触チューブ102の位置は、本
体ハウジング107に配置される位置決め部材106に
よって調節される。集合ハウジング109は,本体ハウ
ジング107の前部に取り付けられている。その出口
は、膨張ノズル110の形状に形成されている。本体ハ
ウジング107の前部は、空気蓋111で覆われてい
る。
Another preferred embodiment is shown in FIG. This figure is a schematic longitudinal cross-sectional view of a rapid thermal spray device having an internal burner with a catalytic member in the form of a coating on the passages and downstream surface of a catalytic ceramic support. Then, the spray material is injected at the axial position of the expansion nozzle, and the spray material is formed by melting the two consumable wire tips by an electric arc machine. The apparatus comprises a body housing 107 which holds an inner catalyst support ring 113 made of SiC-AI203 ceramic and an outer catalyst support ring 114 made of AI203 ceramic. The burner is in the form of a combustion slot M formed between these two rings 113, 114. The slots M formed by the cylindrical surfaces of both rings and the downstream surface of the inner ring 113 are coated with a catalytic coating made of barium, lanthanum oxide or metallic platinum. Main body rear housing 10
5 is attached to the main body housing 107, and the cooling air supply tube 103, the combustible mixture supply tube 101, and the two contact tubes 10 for directing the two spray wires 120 to the axial position of the expansion nozzle 110.
Hold 2 and. The position of the contact tube 102 is adjusted by the positioning member 106 arranged in the main body housing 107. The collective housing 109 is attached to the front part of the main body housing 107. The outlet is formed in the shape of the expansion nozzle 110. The front portion of the main body housing 107 is covered with an air lid 111.

【0030】可燃性混合物、例えば、空気とプロパンと
の混合物は、本体ハウジング107内のリング形状をし
た混合物分配区画Fにチューブ101で供給される。次
に、混合物は、燃焼スロットMを通って流れ、触媒コー
ティング117の表面で燃焼する。燃焼を開始するため
に、点火プラグが使用される(図3には示していな
い。)。ここで燃焼反応しない気体があっても、この気
体は、触媒コーティング117で被覆されている内側リ
ング113の下流表面で燃焼する。燃焼の気体生成物
は、集合ハウジング109によって集合区画Hに向けら
れ、次いで膨張ノズル110に向かう。気体ジェット
は、ノズル110から膨張して超音速に達する。
A flammable mixture, for example a mixture of air and propane, is fed by a tube 101 into a ring-shaped mixture distribution compartment F in the body housing 107. The mixture then flows through the combustion slot M and burns at the surface of the catalyst coating 117. A spark plug is used to initiate combustion (not shown in Figure 3). Even if there is a gas that does not undergo a combustion reaction here, this gas burns on the downstream surface of the inner ring 113 covered with the catalyst coating 117. The gaseous products of combustion are directed to the collecting compartment H by the collecting housing 109 and then to the expansion nozzle 110. The gas jet expands from the nozzle 110 to reach supersonic velocity.

【0031】スプレー用の二つの消耗ワイヤ120は、
ワイヤ送り機構140によって、接触チューブ102を
通ってノズル110の軸芯位置に供給される。アーク機
械の電源130によって保持される電気アーク120a
は、ノズル110内で、ワイヤの先端を溶解する。燃焼
生成物の気体ジェットは、この溶解されたワイヤの先端
を微細化して加速し、エネルギーを与えられた粒子の流
れIを形成する。粒子は、基板Jに衝突してコーティン
グを形成する。
The two consumable wires 120 for spraying are
It is supplied to the axial center position of the nozzle 110 through the contact tube 102 by the wire feeding mechanism 140. Electric arc 120a held by a power supply 130 of the arc machine
Melts the tip of the wire in the nozzle 110. The gas jet of combustion products atomizes and accelerates the tip of this melted wire, forming a stream I of energized particles. The particles strike the substrate J to form a coating.

【0032】スロットMでの燃焼は、化学量論的混合比
を超える過剰な燃料の下で行われ、これにより二つの目
的が達成される。すなわち、(a)スプレー物質の融点
以下に燃焼生成物の気体ジェットを冷却して、微細化さ
れた粒子を効果的に冷却する。(b)スプレー粒子をジ
ェットの中で酸化から保護する。特に、空気とプロパン
との混合物については、触媒支持部材の使用により、燃
焼を停止することなく、化学量論的混合比を3ないし4
倍超えて、プロパンの流量を増加させることができる。
冷却空気は、供給チューブ103によって空気分配区画
Aに供給される。この冷却空気は、本体ハウジング10
7の冷却通路Dを通って、空気蓋111と集合ハウジン
グ109との間の冷却通路D1に流入し、ノズル110
の周囲で装置から流出して環状の流れを形成する。この
流れは、気体の高速ジェットを包み、大気からの酸素の
巻き込み(eject)を抑制する。
Combustion in slot M is carried out in excess of stoichiometric mixture fuel, which serves two purposes. That is, (a) the gas jet of combustion products is cooled below the melting point of the spray substance to effectively cool the atomized particles. (B) Protect the spray particles from oxidation in the jet. In particular, for a mixture of air and propane, the stoichiometric mixing ratio of 3 to 4 can be achieved without stopping combustion by using the catalyst support member.
More than twice, the flow rate of propane can be increased.
The cooling air is supplied to the air distribution section A by the supply tube 103. This cooling air is supplied to the main body housing 10
7 through the cooling passage D and flows into the cooling passage D1 between the air lid 111 and the collective housing 109, and the nozzle 110
And exits the device around the to form an annular flow. This flow wraps the high velocity jet of gas and suppresses the injection of oxygen from the atmosphere.

【0033】[0033]

【実施例】図2に示す好ましい実施の形態で記述した、
二つのインターナルバーナーと二つのノズルを備える装
置で、粒子サイズが10−45μmの671−タイプの
合金粉末(Ni基の43%Cr−0.5%Ti−0.9%S
i)のコーティングを溶射した。触媒部材は、プラチナ
触媒をコーティングしたAI203−12%SiO2セ
ラッミク製で、孔部分が全部で64%を占める多孔性触
媒支持リングの形状で製作した。この装置を、入口圧力
8.4バールで毎分20立方メーターの空気流量、およ
び圧力5バールで毎分2キログラムのプロパン流量で作
動させた。全空気流量を、化学量論的混合比を70%超
える流量に増加し、排出気体温度を略1400度Cに下
げた。0.4mmの厚さのコーティングを、タイプ10
18炭素鋼基板に溶着し、ASTMC633規格に基づ
く溶着性の強度測定用供試品を作成した。また、コーテ
ィングの組織検査のために、同様のコーティングをした
75×25×6mmの供試品作成した。また、ISO4
022規格に基づくコーティングの気体透過率を測定す
るために、直径25mm、厚さ6mm、細孔径2μm
の、多孔性316ステンレス鋼材のフィルターサンプル
に、同様のコーティングを行った。コーティングの視覚
による酸化物含有量および有孔性を、金属組織学的イメ
ージ分析方法により、供試品断面について測定した。コ
ーティングの全酸素含有量は、不活性キャリヤーガス流
の雰囲気中で、融解を還元する方法(LECO Oxy
gen Analyzer酸素分析装置)により測定さ
れた。粉末の原材料物質の全酸素含有量は、0.06%
であった。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Described in the preferred embodiment shown in FIG.
671-type alloy powder (Ni-based 43% Cr-0.5% Ti-0.9% S) with a particle size of 10-45 μm in a device equipped with two internal burners and two nozzles.
The coating of i) was sprayed. The catalyst member was made of AI203-12% SiO2 ceramic coated with a platinum catalyst, and was made in the shape of a porous catalyst support ring in which the hole portions occupied 64% in total. The device was operated at an inlet pressure of 8.4 bar and an air flow rate of 20 cubic meters per minute and a pressure of 5 bar and a propane flow rate of 2 kilograms per minute. The total air flow rate was increased to 70% above the stoichiometric mixing ratio and the exhaust gas temperature was reduced to approximately 1400 degrees Celsius. 0.4mm thick coating, type 10
It was welded to an 18-carbon steel substrate, and a test piece for welding strength measurement based on the ASTM C633 standard was prepared. Further, for the microscopic examination of the coating, a sample of 75 × 25 × 6 mm having the same coating was prepared. In addition, ISO4
Diameter 25 mm, thickness 6 mm, pore diameter 2 μm for measuring gas permeability of coating according to 022 standard
A porous 316 stainless steel filter sample of 1. was similarly coated. The visual oxide content and porosity of the coatings were measured on the specimen cross sections by metallographic image analysis methods. The total oxygen content of the coating is determined by a method of reducing melting in an atmosphere of an inert carrier gas stream (LECO Oxy.
gen Analyzer oxygen analyzer). The total oxygen content of the powdered raw material is 0.06%
Met.

【0034】このコーティングについて、以下の特徴が
得られた: (1)視覚による多孔性、% 測定されず (2)視覚による酸化物含有量、% 測定されず (3)全酸素含有量、% 0.16 (4)気体透過率、 測定されず (従って0.01平方ナノメーター以下) (5)結合強度 80.0MPa以上 (エポキシ接着部分で崩壊)
The following characteristics were obtained for this coating: (1) visual porosity,% not measured (2) visual oxide content,% not measured (3) total oxygen content,% 0.16 (4) Gas permeability, not measured (hence 0.01 square nanometer or less) (5) Bonding strength 80.0 MPa or more (collapsed at epoxy bonded part)

【0035】比較すると、公知技術によるHVOFおよ
びHVAF手法により上記の物質をスプレーするとき、
コーティングの酸素含有量は、0.01%から3.5%
の間で変化し、本発明におけるよりも1桁大きい値とな
る。公知技術のHVOFおよびHVAFコーティングの
気体透過率(多孔性部分の貫通度に相当)は、本発明に
おけるよりかなり高い0.05から2.0の平方ナノメ
ーターを測定した。従って、本発明による溶着されたコ
ーティングは、公知技術のHVOFおよびHVAF手法
と比べると、高い密度と、かなり低い酸素含有量とを示
している。
By comparison, when spraying the above materials by the HVOF and HVAF techniques of the prior art,
Oxygen content of coating is 0.01% to 3.5%
Between the values of the present invention and one digit larger than that of the present invention. The gas permeability of prior art HVOF and HVAF coatings (corresponding to the penetration of the porous part) was measured to be 0.05 to 2.0 square nanometers, which is considerably higher than in the present invention. Thus, the deposited coating according to the present invention exhibits a high density and a significantly lower oxygen content when compared to the HVOF and HVAF techniques of the prior art.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】図1は、高速熱スプレー装置の概略長手方向断
面図であり、この装置は、インターナルバーナーを形成
している金網挿入物形状の触媒部材を有する。スプレー
物質の噴射は、粉末の形状でバーナーの軸芯位置で行わ
れる。
FIG. 1 is a schematic longitudinal cross-sectional view of a rapid thermal spray device having a wire mesh insert shaped catalyst member forming an internal burner. The spraying of the spray substance takes place in the form of a powder at the axial center of the burner.

【図2】図2は、金網挿入物形状の触媒部材を有する高
速熱スプレー装置の概略長手方向断面図であり、この装
置は、第一の内側膨張ノズルの回りに環状形状を有する
別の触媒バーナーと、別のノズルとを備えている。
FIG. 2 is a schematic longitudinal cross-sectional view of a rapid thermal spray apparatus having a wire mesh insert shaped catalyst member, the apparatus comprising another catalyst having an annular shape around a first inner expansion nozzle. It has a burner and a separate nozzle.

【図3】 図3は、インターナルバーナーを形成してい
る触媒セラミックサ支持部の通路と下流表面との上に、
コーティング形態の触媒部材を有する高速熱スプレー装
置の概略長手方向断面図である。スプレー物質の噴射
は、膨張ノズルの軸芯位置に向って行われ、電気的アー
ク機械によって溶融される二つの消耗ワイヤの先端部分
が噴射される。
FIG. 3 shows on the catalytic ceramic supporter passages forming an internal burner and on the downstream surface,
1 is a schematic longitudinal cross-sectional view of a rapid thermal spray device having a coated catalyst member. The spray substance is sprayed toward the axial position of the expansion nozzle, and the tip portions of the two consumable wires that are melted by the electric arc machine are sprayed.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 燃料供給チューブ 2 粉末噴射装置 3 酸化剤(または空気)供給チューブ 5 空気分配器 6 混合ブロック 8 触媒部材 9 気体集合ハウジング 10 気体膨脹ノズル 12 二次燃焼供給チューブ 13 内側触媒支持リング 14 外側触媒支持リング 15 二次膨張ノズル 101 可燃性混合物供給チューブ 102 接触チューブ 103 冷却空気供給チューブ 109 集合ハウジング 110 膨張ノズル 113 内側触媒支持リング 114 外側触媒支持リング 120 スプレーワイヤ 120a 電気アーク 130 電源 A 空気分配区画 B 冷却区画 C 貫通孔 D 冷却通路 E 空気孔 F 混合区画 G 混合物出口孔 H 区画 I 粒子の流れ J 基板 K 二次区画 L 二次混合区画 M 燃焼スロット N 区画 1 Fuel supply tube 2 Powder injection device 3 Oxidant (or air) supply tube 5 air distributor 6 mixed blocks 8 Catalyst member 9 gas collection housing 10 Gas expansion nozzle 12 Secondary combustion supply tube 13 Inner catalyst support ring 14 Outer catalyst support ring 15 Secondary expansion nozzle 101 Combustible mixture supply tube 102 contact tube 103 Cooling air supply tube 109 collective housing 110 expansion nozzle 113 Inner catalyst support ring 114 outer catalyst support ring 120 spray wire 120a electric arc 130 power supply A air distribution section B cooling compartment C through hole D cooling passage E Air hole F mixed section G mixture outlet hole H section I Particle flow J board K secondary division L secondary mixing section M burning slot N division

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 502144349 ヴァーストーク アンドリュー エー. Andrew A. Verstak アメリカ合衆国 ヴァージニア州 23112 ミッドロジアン ウォータ−フ ォードウェイ 1ディ 2704 (72)発明者 バラノフスキー ヴァイアチェスラフ イー. アメリカ合衆国 ヴァージニア州 23233 リッチモンド ストーンブライ アレイン 12700 (72)発明者 ヴァーストーク アンドリュー エー. アメリカ合衆国 ヴァージニア州 23112 ミッドロジアン ウォーターフ ォードウェイ 1ディ 2704 (56)参考文献 特開 平5−138084(JP,A) 特開 平10−54561(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 4/00 - 4/18 B05B 7/20 F23C 11/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (73) Patent holder 502144349 Verstoke Andrew A. Andrew A. Verstak USA Virginia 23112 Midlothian Water-Foodway 1 D 2704 (72) Inventor Baranovsky Via Cheslav E. USA Virginia 23233 Richmond Stonebriarrain 12700 (72) Inventor Verstoke Andrew A. USA Virginia 23water Midwater Foodway 1 D 2704 (56) Reference JP-A-5-138084 (JP, A) JP-A-10-54561 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) C23C 4 / 00-4/18 B05B 7/20 F23C 11/00

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 物質を基板の上に溶着するための高速熱
スプレー装置であって、 酸化剤気体と燃料とを混合するように設計されている混
合アセンブリと、 前記酸化剤気体と燃料との混合物の燃焼用インターナル
バーナーと、 前記混合物の燃焼を開始する点火装置と、 前記混合物の燃焼の生成物を受け取って、高速気体ジェ
ットを形成するように構成されている気体膨張ノズル
と、 選択されたスプレー物質を前記ジェットに送出し、前記
ジェットによって加速され、かつ前記スプレー物質の融
点以下で加熱される粒子の流れを形成する物質送出ユニ
ットとから構成されており、さらに、 化学量論的混合比を超えて前記酸化剤気体の圧力と流量
とを増加して、 前記スプレー物質の融点以下に前記混合物の燃焼温度を
低下させるための触媒部材を前記インターナルバーナー
内に備えたことを特徴とする高速熱スプレー装置。
1. A rapid thermal spray apparatus for depositing a substance onto a substrate, the mixing assembly being designed to mix an oxidant gas and a fuel; An internal burner for combustion of the mixture, an igniter for initiating combustion of the mixture, a gas expansion nozzle configured to receive the products of combustion of the mixture to form a high velocity gas jet, A spray delivery material to the jet, forming a stream of particles accelerated by the jet and heated below the melting point of the spray material, the stoichiometric mixing Pressure and flow rate of the oxidant gas beyond the ratio
And a catalyst member for lowering the combustion temperature of the mixture below the melting point of the spray substance in the internal burner.
【請求項2】前記酸化剤気体の圧力と流量を増加する替
わりに、前記燃料の圧力と流量とを増加し、または不活
性ガスを前記混合物に添加することを特徴とする請求項
1に記載の高速熱スプレー装置。
2. A replacement for increasing the pressure and flow rate of the oxidant gas.
Instead, increase or deactivate the pressure and flow of the fuel.
A characteristic gas is added to the mixture.
1. The high-speed thermal spray device described in 1.
【請求項3】前記触媒部材が、プラチナやパラジウム、
ロジウムなどの少なくとも一つの貴金属、 または、前記貴金属および希土類金属の一つ以上の二成
分酸化物、 または、バリウムやストロンチウム、希土類金属などに
よって形成される一つ以上の二成分酸化物、 または、前記酸化剤と燃料との混合物の点火温度を下げ
ることが可能であるその他の高温度耐性触媒を含む群か
ら選択された一つの触媒を有することを特徴とする請求
項1または2に記載の高速熱スプレー装置。
3. The catalyst member is platinum or palladium,
At least one noble metal such as rhodium, or one or more binary oxides of the noble metals and rare earth metals, or one or more binary oxides formed of barium, strontium, rare earth metals, or the like, or Fast heat according to claim 1 or 2 , having one catalyst selected from the group comprising other high temperature resistant catalysts capable of lowering the ignition temperature of the mixture of oxidant and fuel. Spray equipment.
【請求項4】前記触媒部材を、ワイヤまたは金網挿入物
として、 または、前記インターナルバーナーにおいて前記燃焼を
生じさせたい壁と通路へのコーティングとして、 または前記インターナルバーナーに配置される少なくと
も一つのセラミック支持部へのコーティングとして形成
したことを特徴とする請求項1または2に記載の高速熱
スプレー装置。
4. At least one of said catalytic member as a wire or wire mesh insert, or as a coating on the walls and passages in said internal burner where combustion is desired to occur, or on said internal burner. The rapid thermal spraying device according to claim 1 or 2, which is formed as a coating on a ceramic support portion.
【請求項5】さらに、前記粒子をさらに加速し、かつ前
記スプレー物質の融点以下で均一に加熱を行うための、 前記膨張ノズルの回りに環状形状を有する少なくとも一
つの別のインターナルバーナーと、 少なくとも一つの別の膨張ノズルとを備えたことを特徴
とする請求項1または2に記載の高速熱スプレー装置。
5. Further at least one further internal burner having an annular shape around the expansion nozzle for further accelerating the particles and heating uniformly below the melting point of the spray substance. The rapid thermal spray device according to claim 1 or 2 , further comprising at least one additional expansion nozzle.
【請求項6】前記物質送出ユニットが、少なくとも一つ
の噴射装置を備えており、これにより、前記スプレー物
質の前記粒子を前記インターナルバーナー内へ、または
前記膨張ノズル内へ、前記選択された位置において送出
することを特徴とする請求項1または2に記載の高速熱
スプレー装置。
6. The substance delivery unit comprises at least one injection device whereby the particles of the spray substance are introduced into the internal burner or into the expansion nozzle at the selected location. The high-speed thermal spray device according to claim 1 or 2 , wherein the high-speed thermal spray device is delivered at a high temperature.
【請求項7】 前記物質送出ユニットが、二重ワイヤ電
気アーク装置であって、 この装置が、前記インターナルバーナーまたは前記膨張
ノズルの軸芯位置において、電気アークによって溶解さ
れたワイヤの先端部分を送出するように構成されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の高速熱スプ
レー装置。
7. The substance delivery unit is a double wire electric arc device, the device comprising: a tip portion of a wire melted by an electric arc at an axial position of the internal burner or the expansion nozzle. Rapid thermal spray device according to claim 1 or 2 , characterized in that it is arranged to deliver.
【請求項8】前記ジェットに送出されるスプレー物質の
粒子が、1〜20マイクロメータであることを特徴とす
る請求項1または2に記載の高速熱スプレー装置。
8. A spray material for delivery to the jet
Characterized in that the particles are 1 to 20 micrometers
The rapid thermal spray device according to claim 1 or 2.
【請求項9】高速熱スプレー装置で基板の上に物質を溶
着することによって、コーティングまたは塊状物質を形
成する方法であって、 この方法が、混合アセンブリの酸化剤気体と燃料とを混
合することと、 インターナルバーナー内で前記酸化剤と燃料との混合物
を点火、燃焼することと、 気体膨張ノズル内で前記混合物の燃焼生成物の高速気体
ジェットを形成することと、 前記ジェットによって加速され、前記スプレー物質の融
点以下で加熱される粒子の流れを形成するために、物質
送出ユニットにより、前記ジェットに選択されたスプレ
ー物質を導入することとを含むものであって、さらに、 この方法が、化学量論的混合比を超えて前記酸化剤の圧
力と流量を増加して、前記スプレー物質の融点以下に前
記混合物の燃焼温度を低下させるための前記インターナ
ルバーナー内に備えた触媒部材を使用することを含む、
コーティングまたは塊状物質を形成する方法。
9. A method of forming a coating or bulk material by depositing a material on a substrate with a rapid thermal spray apparatus, the method comprising mixing an oxidant gas and a fuel of a mixing assembly. Igniting and burning the mixture of oxidant and fuel in an internal burner, forming a high velocity gas jet of combustion products of the mixture in a gas expansion nozzle, accelerated by the jet, Introducing a selected spray substance into the jet by a substance delivery unit to form a stream of particles heated below the melting point of the spray substance, the method further comprising: The pressure of the oxidant above the stoichiometric mixing ratio
Using a catalytic member provided within the internal burner for increasing the force and flow rate to reduce the combustion temperature of the mixture below the melting point of the spray substance.
A method of forming a coating or bulk material.
【請求項10】前記方法が、前記酸化剤の圧力と流量を
増加する替わりに、前記燃料の圧力と流量を増加し、ま
たは不活性ガスを前記混合物に添加することを特徴とす
る請求項9に記載のコーティングまたは塊状物質を形成
する方法。
10. The method determines the pressure and flow rate of the oxidant.
Instead of increasing the pressure and flow rate of the fuel,
Or an inert gas is added to the mixture.
Forming a coating or lumpy material according to claim 9
how to.
【請求項11】前記方法が、前記ジェットの中で融解し
ない粉末の形状で、前記スプレー物質を前記高速熱スプ
レー装置に導入することを含むことを特徴とする請求項
9または10に記載のコーティングまたは塊状物質を形
成する方法。
11. The method comprises introducing the spray material into the rapid thermal spray device in the form of a powder that does not melt in the jet.
11. A method of forming a coating or lump as claimed in 9 or 10 .
【請求項12】前記方法が、前記スプレー物質を、電気
アークによって溶解されたワイヤやロッド、その他の細
長い部材の先端部分として、前記高速熱スプレー装置に
導入することと、 前記バーナーおよび気体膨張ノズル内で、前記燃料が過
剰な前記ジェットによって前記スプレー物質を霧状に
し、加速し、そして冷却することによって、 前記コーティングまたは塊状物質を形成する間に起こり
うる酸化を抑制することを含むことを特徴とする請求項
9または10に記載のコーティングまたは塊状物質を形
成する方法。
12. The method comprises introducing the spray material into the rapid thermal spray apparatus as the tip of a wire, rod or other elongated member melted by an electric arc, the burner and gas expansion nozzle. Wherein the fuel comprises atomizing, accelerating, and cooling the spray material with the jet in excess to inhibit oxidation that may occur during the formation of the coating or agglomerates. Claim to be
11. A method of forming a coating or agglomerate according to 9 or 10 .
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