PT91753B

PT91753B - Aparelho de pulverizacao atraves de um cone de chama de elevada velocidade e processo de formacao de materiais

Info

Publication number: PT91753B
Application number: PT91753A
Authority: PT
Inventors: Daniel R Marantz
Original assignee: Sulzer Plasma Tech
Priority date: 1988-09-20
Filing date: 1989-09-19
Publication date: 1995-07-18
Also published as: DE68914074T2; JPH02131160A; ZA896634B; US5019686A; DK461989A; EP0570084A3; ES2050811T3; NO893746D0; BR8904695A; CN1041545A; NO893746L; AU4133589A; ATE103343T1; CA1329064C; KR900004958A; FI894379A; EP0361710B1; EP0361710A1; KR950014072B1; DK461989D0

Description

APARELHO DE PULVERIZAÇÃO ATRAVÉS DE UM CONE DE CHAMA

DE ELEVADA VELOCIDADE E PROCESSO DE FORMAÇÃO DE MATERIAIS¹¹

CAMPO TÉCNICO

A presente invenção diz respeito, de uma maneira geral, a aparelhos de pulverização de uma chama e aos processos para a aplicação de uma pulverização térmica de materiais. Mais especificamente, a Dresente invenção refere-se a uma pistola de pulverização de uma chama de alta velocidade que utiliza uma reacção de difusão de alta velocidade continua para produzir materiais extremamente densos, tais como revestimentos e que podem ser formados com uma rede auto-suportada, Proporcionam-se também materiais de alta densidade formados por pulverização térmica que possuem caracteristicas metalúrgicas e físicas supério res .

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO

A pulverização térmica e utilizada em numerosas indústrias para aplicar revestimentos protectores a substratos metálicos. Mais recentemente, os orocessos de pulverização térmica tém sido o foco de atenções oara a fabricação de materiais compósitos de alta tecnologia, como revestimentos e estruturas auto-suportadas semelhantes a uma rede, Pelo aquecimento e a aceleração de particulas de um ou mais materiais Dara formar uma

-2corrente de partículas com alta energia, a pulverização termtca proporciona um processo por meio do qual podem depositar-se rapidamente pos metálicos e similares num alvo. Embora um certo numero de parâmetros determinem a composição e a microestrutura do revestimento ou produto pulverizado, a velocidade das partíci£ las quando chocam com o alvo é um factor importante na determina, ção da densidade e uniformidade do depósito.

Uma técnica de deposição anterior conhecida por pulverj zação de plasma utiliza um plasma gasoso de elevada velocidade para pulverizar um material em pÓ ou em partículas sobre uma estrutura. Para formar o plasma, faz-se passar um gas através de um arco electrico no injector de uma pistola de pulverização , fazendo com que o gas se ionfze no interior da corrente de plasma. A corrente de plasma estã a uma temperatura extremamente elevada, muitas vezes superior a 10 000°C. 0 material a pulverizar, tipicamente partículas de 20 a 100 micrometros, é arrastado no plasma e pode atingir uma velocidade superior a velocidade do som. Embora a pulverização de plasma produza revestimentos de elevada densidade, ê um processo complexo que exige equipamento caro e uma habilidade considerável para uma aplicação apropriada.

Tem sido também usada uma chama de combustão para a pulverização de metais em pó e outros materiais sobre um substrato. Faz-se o escoamento de uma mistura de um gãs combustível, tal co mo acetileno, e um gãs contendo oxigénio através de um injector e faz-se depois a inflamação na ponta do injector, 0 material a pulverizar ê doseado para a chama, onde Ó aquecido e impelido

-3para a superfície do alvo, 0 material fornecido pode compreender uma barra de metal que se faz passar axialmente pelo centro da frente da chama ou, em alternativa, pode fornecer-se a barra tangencial mente para o interior da chama, Analogamente, pode injectar-se um po metálico axialmente para o interior da frente da chama por meio de um gãs de transporte, Muitas pistolas de pulverização de chamas de combustão utilizam um mecanismo de a 1 i_ mentação por gravidade, por meio do qual um material em po é sim plesmente deitado para cair na frente da chama. Mas a pulveriza^ ção convencional de combustão da chama e tipicamente uma operação de baixa velocidade na gama de velocidades subsÓnicas e produz usualmente revestimentos que têm um elevado grau de porosida_ de.

Numa outra técnica de pulverização, gera-se um arco elêctrico numa zona de arco entre dois electrodos de arame consumTveis, À medida que os electrodos fundem, o arco Ó mantido por avanço continuo dos electrodos para a zona do arco, 0 metal furi dido nas pontas dos electrodos é atomizado por um jacto de gãs comprimido. 0 metal atomizado ê depois impelido pelo jacto de gas para um substrato, formando um deposito. Os revestimentos convencionais pulverizados termicamente com arco eléctrico são geralmente densos e razoavelmente isentos de óxidos, mas o processo limita-se a materiais de aprovisionamento que sejam cond£ tores da electricidade e que existam sob a forma de arame ou bar ra, o que em certas aplicações e inaceitável.

Mais recentemente, uma modificação da pulverização de chamas de combustão produziu produtos de elevada densidade que apresentam propriedades metalúrgicas e físicas superiores ãs

-4dos produzidos usando as técnicas de pulverização de chamas convencionais. Correntemente designados por pistolas de pulverização de chamas supersónicas, estes dispositivos incluem geralmente uma câmara de combustão interna na qual e queimada uma mis. tura de gãs combustível, tal como o propileno ou o hidrogénio, e um gãs contendo oxigénio. Os gases da combustão a alta temperatura, em expansão, são forçados a passar através do injector de pulverização, onde atingem velocidades supersónicas. Um material de aprovisionamento, tal como um pó metálico, é depois fornecido para o interior do jacto da chama a alta velocidade para produzir uma corrente de partículas a uma temperatura elevada e a uma velocidade elevada. As velocidades das partículas arrastadas produzem revestimentos com densidades mais elevadas do que as produzidas por outros processos subsónicos de chama de combustão. São conhecidos exemplos desses dispositivos nas patentes de invenção norte-america nas NQs 4 342 551 , 4 643 61 1 e 4 370 538 de Browning e na patente de invenção norte-americana Νθ 4 711 627 de Oeschale et al.

Outro aparelho de pulverização de chama encontra-se descrito na patente de invenção norte-americana N9 2 361 900 de Smith et al. Nela, uma mistura combustível de fluidos é inflama, da num cilindro ou elemento injector que compreende um espaço confinado sem qualquer constrição desde a entrada até ã saída .

Um material de aprovisionamento tal como um pÓ metálico, ê intro duzido axialmente no cilindro isento de restrições através do qual é impelido para um alvo, 0 furo axial do injector é uti 1 j_ zado quer para transportar o gãs combustível, quer o material de aprovisionamento. Assim, o material de aprovisionamento e arras

-5tado no gás combustível antes da combustão. Durante a combustão as trajectõrias das partículas adquirem componentes de velocidade radiais, que podem fazer com que as partículas do material de aprovisionamento aquecidas junto da parede do cilindro choquem com as superfícies da parede e nelas se acumulem. Além disso, o efeito deste movimento das partículas e intensificado devido ã grande distância entre o local da injecção das partículas e a zo na de combustão. Esta velocidade radial também reduz a ve 1 ocida. de medias das partículas. Como será descrito mais completamente, a presente invenção ultrapassa estas limitações e proporciona muitas outras vantagens proporeionando um aparelho de pulverização de chama supersónico no qual se cria uma reacção de difusão estacionária, contínua e de elevada velocidade, que produz um fluxo axial e colimado de partículas e que permite a regulação independente das taxas de injecção de partículas e do fluxo do gas combustível.

Os processos de pulverização térmica da técnica anterior têm sido usados para formar materiais compósitos pela pulveriza ção simultânea de dois ou mais materiais diferentes. Têm sido formados compósitos de cerâmica-cerâmica e compósitos de cerâmica-metal, conhecidos por cermets ou compósitos com matriz me talica, como revestimentos e como produtos auto-suportados com formas quase reticulares, por técnicas diferentes da pulverização térmica. Podem fabricar-se materiais também formando uma primeira corrente de partículas utilizando uma pistola de pulve rização e combinando depois a primeira corrente de partículas proveniente de outra pistola para formar uma pulverização combi nada na superfície do alvo.

-6Um processo para a formação de um revestimento protector deste modo encontra-se descrito na patente de invenção norte-americana N9 3 947 607 de Gazzard et al, A utilização de uma pistola de arco eléctrico e uma pistola separada de oxigénio/gas de combustão de metalização para formar um deposito de pulverizjj ção combinada esta descrita resumidamente, Contudo, os revestimentos formados usando pistolas de pulverização geminadas não têm melhores propriedades. Além disso, a utilização de duas pi£ tolas de pulverização separadas para formar revestimentos compósitos ê difícil e pouco pratica. Seria pois desejável proporcio nar uma pistola de pulverização única que possa ser usada para formar materiais compósitos tais como compósitos' com matriz metálica e que permita obter os benefícios da pulverização de chama supersónica e da pulverização de arco eléctrico, sem os seus inconvenientes, A presente invenção atinge esses objectivos proporcionando um sistema de pulverização supersónica no qual uma corrente de partículas de alta energia de um primeiro material atomiza um segundo material fundido para formar uma corrente de partículas compósita,

SUMARIO DA INVENÇÃO

Os aparelhos, os sistemas e os processos de pulverização de chama supersónicos segundo a presente invenção estão Darticularmente, mas não exclusivamente, adaptados para formar os reve_s timentos e as composições aperfeiçoadas segundo a presente inveii ção, incluindo compósitos de matriz metálica e formas quase reti culadas. 0 aparelho de pulverização de chama aperfeiçoado e de construção simples, pode ser operado com caudais reduzidos de

-7consumo de gás e tem relativamente pouca manutenção. Os revestimentos resultantes de elevada eficácia e bem ligados, são substancialmente completamente densos, tendo algumas características dos materiais trabalhados e uma composição substancialmente uniforme. Assim, o aparelho, o processo e as composições segundo a presente invenção tèm vantagens substanciais relativamente ã técnica anterior.

aparelho de pulverização de chama supersónico segundo a presente invenção, que e utilizado para formar compósitos, incluindo compósitos com matriz metálica, inclui uma pistola de pulverização térmica supersónica que recebe o material de aprovj_ sionamento, de preferencia em pó ou em partículas finas, e que aquece e acelera o material de aprovisionamento aquecido sob a forma de partículas finas até a velocidade supersónica. A forma de realização apresentada da pistola de pulverização térmica supersónica inclui uma porção de cilindro tubular que possui uma entrada que recebe o material de aprovisionamento em partículas, aquecido e acelerado, e uma salda que dirige o material de apr£ visionamento aquecido e acelerado para um alvo a velocidade supersónica. A forma de realização mais preferida da pistola de pul verização térmica segundo a presente invenção, como adiante se descreve, acelera os produtos da combustão gasosos do combustível e do oxidante até uma velocidade igual a várias vezes a velocida_ de do som. Medições empíricas das velocidades dos gases de salda com varias taxas de aprovisionamento, pela contagem dos diamantes exteriores gerados na corrente de salda indicam que podem atingir-se velocidades extremamente elevadas com a pistola de pul verização de chama segundo a presente invenção. Além disso, a com

-8paração dos aparelhos de pulverização de chama supersónicos segundo a presente invenção e outras pistolas de pulverização de chama supersónicas comerciais por este processo indica que a pistola de pulverização de chama segundo a presente invenção pode atingir velocidades maiores do que os dispositivos da técnica anterior. Com base em processos de cálculo aceites, a velocidade dos materiais em partículas na saída deve ser supersónica. Em to do o caso, os revestimentos resultantes usando o aparelho de pul_ verização de chama supersónico aperfeiçoado segundo a presente invenção têm uma qualidade superior, como se descreve mais adiajn te. 0 termo supersónico, tal como ê aqui usado, e genérico para qualquer velocidade igual ou maior do que a velocidade do som.

Na formação de compósitos, incluindo compósitos com matriz metálica, o aparelho de pulverização de chama supersónico inclui ainda, numa forma de realização, meios de fornecimento de líquidos para fornecer um material de aprovisionamento, de prefe rência um material de aprovisionamento metálico fundido, para o interior do metal de aprovisionamento em pó aquecido e acelerado ã medida que ele se escapa pela saída da porção do cano ou ci1in dro. 0 material de aprovisionamento em partículas acelerado atomi z a assim o material de aprovisionamento liquido e projecta o material de a prov i s i onamento líquido atomizado distribuído de ma_ neira substancia 1mente uniforme no material de aprovisionamento em partículas aquecido no sentido do alvo. 0 revestimento ou o compósito resultante é substanc ialmente completamente denso q ua n_ do pulverizado termicamente e o compósito tem uma composição subs^ tancialmente uniforme. Na forma de realização mais preferida, o aparelho inclui um aparelho de pulverização térmica de arco com

-9dois fios incluindo meios para fornecer continuanente as extremi, dades de dois fios para o interior do material de aprovi si onameji to em partículas aquecido e acelerado, junto da saída da porção do cilindro, e meios de potência eléctrica para estabelecer um a£ co elêctrico entre as extremidades dos fios, fundir as extremidades dos fios e formar o material de aprovisionamento metálico H qu i do.

Quando se utiliza o aparelho de pulverização térmica supersónico para formar um compósito com matriz de metal, o materj, al de aprovisionamento em pó ou em particulas pode ser um materi al refractário, incluindo óxidos refractãrios, carbonetos refrac tãrios, boretos refractãrios, silicietos refractãrios , nitretos refractãrios e suas combinações, e filamentos de carvão emaranh^ dos. 0 material de aprovisionamento liquido, na forma de realiza, ção apresentada, pode ser qualquer metal ou outro material sob a forma liquida ou fundida, ou que exista disponível sob a forma de arame ou barra, podendo ser fundido usando um sistema de arco de dois fios. As s im, o. aparei ho e o processo de pulverização térmica supersõ nica segundo a presente invenção podem ser utilizados para formar vários compósitos com matriz metálica completamente densos e sub£ tancialmente uniformes, muitos dos quais não podem ser formados por outros processos de pulverização térmica conhecidos.

A forma de realização preferida do aparelho de pulveriza, ção de chama supersónico inclui uma porção de corpo com um furo para o material de aprovisionamento, que recebe este material e tendo uma saída que comunica com a garganta convergente de prefe rência alinhada coaxialmente com o furo para o material de apro-

-10visionamento. A porção de corpo inclui uma passagem do combustível que tem uma entrada que recebe um combustível fluido e uma saída, de preferência uma saída anular, que envolve o furo do ma. terial de aprovisionamento e comunica com a garganta. A porção do corpo da pistola inclui também uma passagem para o oxidante que tem uma entrada que recebe um oxidante, de preferência um gãs tal como o oxigénio, e uma salda que comunica com a garganta. Na forma de realização preferida, a saida do oxidante é anular e eji volve a saída do combustível. A garganta recebe assim o combustível que e de preferência um gãs tal como propileno, e o oxidante, das saídas de passagem anulares antes da mistura do combustível com o material de aprovisionamento. A garganta inclui uma parede cónica suficientemente afastada das saídas de passagem do combusH vel e do oxidante, dando como resultado a mistura e a combustão parcial do combustível com o oxidante no interior da garganta.

Como adiante se descreve mais completamente, o combustível e o oxidante podem então ser inflamados para criar uma frente de cha^ ma no interior da garganta, que aquece de maneira extremamente rápida o combustível que chega, proporcionando a força de impulso para acelerar o material de aprovisionamento e os produtos g<a sosos da combustão através de uma saída no vértice da parede cónica. 0 vértice da parede cónica estã de preferência alinhado coaxialmente com o furo do material de aprovisionamento.

Como vai agora descrever-se, a forma de realização prefe rida do aparelho e do processo segundo a presente invenção uti 1 i_ za uma reacção exotermica no interior da garganta convergente, que acelera os produtos da combustão gasosos ate uma velocidade extremamente elevada. 0 combustível e o gãs oxidante são forneci

-π dos para o interior da garganta convergente, de preferência atra, ves de anéis separados alinhados coaxialmente, e inflamados, cri ando uma fonte de chama no interior da garganta convergente, aque cendo, expandindo e acelerando os produtos gasosos da combustão através da saída da garganta convergente e da porção do cilindro da pistola.

Na forma de realização preferida, o combustível é fornecido adjacente ao eixo da garganta para o interior da frente da chama sendo queimado na garganta limitada, acelerando o material de aprovisionamento através da frente da chama e para o interior da porção do cano ou cilindro da pistola. 0 oxigénio envolvente reage com o combustível restante na frente da chama, mantendo e£ ta última. Na forma de realização mais preferída, a relação entre o combustível e o oxidante fornecidos para o interior da garganta através das passagens separadas produz uma condição de mistura rica em combustível, aumentando ainda mais- a energia gerada pela reacção descrita.

Na forma de realização mais preferida do aparelho de pul_ verização da chama segundo a presente invenção, a passagem anular para o gãs oxidante converge relativamente ã passagem para o com bustível , no sentido do eixo do furo do material de aprovisionamente, dirigindo o gas oxidante para o interior da frente da cha. ma e envolvendo-a na garganta, para reagir com o restante combu^ tível na frente da chama, como se descreveu. Além disso, a ãrea da secção transversal do furo para o material de aprovisionamento é substancialmente menor do que as áreas das secções transver sais das saídas anulares de passagem do combustível e do gas oxi /

dante, de modo que o material de aprovisionamento em partículas ou em põ é fornecido para o interior da garganta convergente com uma velocidade maior do que a dos gases combustível e oxidante. Finalmente, o diâmetro interior do cano da pistola e de preferêr^ cia várias vezes o diâmetro interior do furo para o po, reduzindo a probabilidade de o põ ou as partículas contaminarem a super fície interna do cano quando as particulas do material de aprovi^ sionamento aquecidas são ejectadas através da porção do cano.

Assim, segundo a forma de realização mais preferida da presente invenção, proporciona-se um aparelho de pulverização de chama que utiliza uma reacção de difusão contínua de alta velocidade para fornecer energia térmica e cinética ãs partículas do material de aprovisionamento numa operação de pulverização térmica. Numa forma de realização preferida, o aparelho de pulverização de ch.ama inclui um furo disposto centralmente, através do qual se fornece um material de aprovisionamento a uma zona de difusão contínua de alta velocidade definida por uma garganta con( vergente alinhada coaxialmente e em comunicação com a saída .do furo do material de aprovisionamento. A garganta convergente tem uma parede cónica convergente adjacente e separada da saída do furo do material de aprovisionamento. 0 furo do material de apro visionamento é definido por um tubo de material de aprovisionamento alinhado axialmente, que é circundado por elementos de parede que definem dois anéis concêntricos, 0 anel interior serve como passagem para gãs combustível e o anel exterior proporciona uma passagem para um gas oxidante. As saídas da passagem anular do gãs' combustível e a passagem anular do gãs oxidante estão alj_ nhadas axialmente e em comunicação com a garganta convergente.

Proporciona-se um cano que é fixado no furo do material de aprovisionamento e estã alinhado coaxlalmente com o mesmo. 0 cano e fixado na extremidade convergente da garganta convergente do apa relho de pulverização de chama. Numa forma de realização, o cano é envolvido por uma camisa de permuta de calor.

Em funcionamento, e como é proporeionado no processo segundo a presente invenção, faz-se fluir um qãs oxidante, de preferencia oxigénio ou ar enriquecido em oxigénio, através da passagem anular do gãs oxidante da porção de corpo, enquanto se faz fluir simultaneamente um gãs combustível, de preferência um gãs combustível a temperatura elevada, tal como propileno ou propano, através da passagem anular do gãs combustível. Na saída dos anéis, um cone do gãs combustível é envolvido pelo gãs oxidante na garganta convergente. Uma porção do gãs combustível mistura-se na interface do cone do gãs combustível e do invõlucro de gãs oxidante para formar uma mistura de combustão. Esta mistura e infla_ mada por meios de ignição convencionais, tais como um acendedor de faísca na extremidade do cano. Enquanto o gãs combustível e o gãs oxidante continuarem a fluir, estabelece-se uma frente de cha ma na interface do gãs combustível com o invõlucro de qãs oxidar^ te. Estabelece-se um gradiante de temperatura na garganta convergente, estando a zona da frente de chama a uma temperatura substancialmente mais elevada do que a temperatura de inflamação do gãs combustível. A medida que entra gãs combustível nesta zona de temperatura elevada e rica em combustível, verifica-se uma reacção de difusão contínua a alta velocidade na garganta conve£ gente, que acelera o material de aprovisionamento. Durante esta reacção de difusão a alta velocidade contínua, fornece-se um ma-

-14teri a 1 de aprovisionamento axialmente ao interior da zona de baixa pressão na garganta convergente e deoois através da frente de chama, o que, em combinação, acelera os- gas-es até uma velocidade supersónica através da garganta convergente. As partículas do ma. teria! de aprovisionamento são arrastadas pelos gases de combustão quentes a pressão elevada e são aceleradas pela transferência de calor e de quantidade de movimento da reacção de difusão contínua a alta velocidade através da garganta convergente e através do cano. À medida que as partículas se movem através da garganta convergente, as trajectórias das partículas e o fluxo dos gases são alinhados axialmente ã medida que a corrente da pulverização entra no cano. As partículas do material de aprovisionamento a velocidade extremamente elevada passam depois- através da garganta e escapam-se pela saída da garganta como uma corrente de partículas colimada.

Num outro aspecto, o aparelho de pulverização térmica se gundo a presente invenção inclui meios para fornecer um metal fujn dido a corrente de partículas colimada para formar uma corrente de partículas compósitas. Numa forma de realização, a corrente de partículas colimada atomiza o metal fundido de um sistema de arco eléctrico de dois fios situado espacialmente na linha central axial do gãs que se escapa pela saída do cano da pistola de pulverização.

A presente invenção inclui ainda os revestimentos- compo sitos e os produtos auto-suportados maciços ou de forma quase re ticulada fabricados com o aparelho e pelo processo s-egundo a pre sente invenção. Numa forma de realização, faz-se passar um mate-15rial de aprovisionamento em pó através do furo do material de aprovisionamento utilizando um gas inerte como transportador. A corrente de partículas colimada de elevada velocidade que sai do cano atomiza o metal fundido no arco eléctrico de dois fios para formar composições compósitas com matriz metálica, de elevada densidade, como revestimentos e como produto? auto-suportados de forma quase reticular, com caracterTsticas metalúrgicas e físicas superiores, vários dos quais não podem ser formados por qualquer outro processo de pulverização térmica conhecido.

Estas enumerosas outras características e vantagens da ore sente invenção serão descritas mais completamente em ligação com a descrição de pormenor de formas de realização preferidas e com referência aos desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Nos desenhos anexos, as figura? representam:

A fig. 1, um corte longitudinal da pistola de pulverização de chama numa forma de realização da presente invenção;

A fig. 2, uma vista em alçado lateral do injector de com BustTvel segundo a presente invenção;

A fig. 3, um corte transversal pelas linhas C3-3} da fig.

;

A fig, 4, uma vista em planta da pistola de pulverização

-16termica supersónica com conjunto de arco eléctrico segundo a pre sente invenção;

A fig. 5, uma representação esquemática do processo e do aparelho segundo a presente invenção na forma de realização que inclui um arco eléctrico de dois fios;

A fig. 6, uma representação esquemática que demonstra a formação de uma frente de chama na garganta convergente da pisto la de pulverização e a criação de uma corrente de partículas coli mada que se escapa pela sa ι da do cano e atomiza metal fundido a partir de um arco de dois fios; e

A fig, 7, uma ilustração esquemática do regime de fluxo do gas combustível, do gãs oxidante e do material de aorovisiona_ mento na porção da garganta convergente do aparelho de pulveriza^ ção térmica supersónico,

DESCRIÇÃO DA FORMA DE REALIZAÇÃO PREFERIDA DA INVENÇÃO

Com referência agora a fig, 1 dos desenhos, o aparelho de pulverização de chama Ç1 0} estã representado genericamente C£ mo tendo uma caixa do queimador (4 2) ^e um cano (Ί 4} que, nesta forma de realização, estã representado como integrado com a caixa do queimador (12), A parede cónica (16} da caixa do queimador (12} define uma garganta convergente (.13} na qual se realiza uma reacção de difusão continua a alta velocidade durante o funciona^ mento do aparelho (1Q) de pulverização de chama. 0 furo (20} de alimentação do material de aprovisionamento é definido pelo tubo

-17(22) de alimentação do material de aprovisionamento Q22), que é recebido estreitamente no interior da caixa (24) do material de aprovisionamento. Como sera explicado mais completamente, o tubo (22) de alimentação de material de aprovisionamento pode desgastar-se com a utilização contínua, em particular quando o material de aprovisionamento for constituído por um pó metálico ou cerâmico arrastado num gãs transportador. E pois vantajoso que o tubo (22) de alimentação do material de aprovisionamento seja eji caixado amovivelmente na caixa (24) de modo que possa ser substi_ tuido facilmente. Embora vários materiais sejam apropriados para a formação das varias partes da presente invenção, é preferido que o tubo (22) de alimentação do material de aprovisionamento seja feito de um material duro e resistente ao desgaste, tal como o aço.

A caixa (24} do material de aprovisionamento esta provida de uma extremidade roscada (26), que é recebida numa porção roscada da porção da caixa (12) do queimador. Pode proporcionar-se um colar (28) para ajudar a colocar a caixa (24) do material de aprovisionamento na sua posição. A caixa (24) do material de aprovisionamento e o tubo (22) de alimentação do material de apro visionamento estão dispostos no interior do injector (30) de a 1 i_ mentação do combustível, de modo tal que a passagem anular (32) do combustível fica assim definida, A extremidade C34j no injector C30) do combustível ó cónica e montada por pressão na caixa (_12) do queimador,

A caixa (24) do material de aprovisionamento inclui um segundo colar ou porção de flange (36) que se aplica ao injector de combustível (30). 0 colar (36) esta provido de canais longitjj

-18dinais alinhados axialmente com o furo (2Q) do material de aprovisionamento. 0 combustível que flui através- da passagem anular (32) do combustível no sentido indicado pelas setas nao é assim obstruído de maneira significativa pelo colar (35) durante o furi cionamento. Isto Õ, o colar [36} tem uma superfície exterior a ca. nalada de modo que pode funcionar como um espaçador relativamente ao injector (32) do combustível, permitindo no entanto um flu xo substancialmente sem restrição do combustível através da passagem anular (32) do mesmo. De uma maneira anãloga, a oorção ter minai (33) do injector de combustível (30) estã provida de uma série de canais (39) longitudinais substancialmente paralelos, como se mostra nas fig. 2 e 3 dos desenhos. Mais uma vez, esta construção com canais permite que a porção terminal (38) do injector do combustível (30) se encaixe na parede cónica (16), per mitindo no entanto que o oxidante flua através da passagem anular (40) do oxidante para a garganta convergente (18).

Embora sejam possíveis numerosas configurações do aparelho de pulverização térmica (10), desde que se observem os princípios da presente invenção, nesta forma de realização a passagem anular (40) para o gãs oxidante é um anel definido por secções (42) e (44) da caixa (12) do queimador. Deve notar-se que a secção (44) também proporciona uma parede cónica (16). Como se mencionou, a secção de corpo (44) esta representada integrada com o cano (14), embora a caixa (12) do queimador e o cano (14) possam ser formados separados, se se pretender. A fim de fixar rigi. damente a secção (44) ã secção (42), esta última Õ roscada para receber uma porção roscada da secção (44). Pode também ser desejável formar a caixa (12) do queimador como uma estrutura unitã-

-19ria única, em algumas aplicações.

Conduzindo ao interior da passagem anular (32) do combus. tlvel , proporciona-se a passagem (48) de alimentação do combustí vel que se estende através da porção final (50) da caixa (12) do queimador e estã em comunicação de fluidos com a passagem anular (32) do combustível. Esta passagem contínua serve de canal através do qual se transporta um combustível para uma frente de chama na garganta convergente (18). Analogamente, a passagem anular (40) do oxidante estã em comunicação de fluidos com a passagem (52) de entrada do oxidante. A porção terminal (50) inclui o conector (54), que pode ser roscado, para a ligação a um tubo flexível de fornecimento do material de aprovisionamento. Duraji te o funcionamento do aparelho de pulverização de chama (10) introduz-se um material de aprovisionamento em po no furo (20) do material de aprovisionamento através de um conector (54). Embora o tubo (22) de alimentação do material de aprovisionamento esteja representado nos desenhos como sendo constituído por uma estrjj tura continua através da caixa (12) do queimador, inclusivamente através da porção extrema (50), pode ser desejável simplesmente omitir essa porção do tubo (22) de alimentação do material de aprovisionamento que acompanha a porção final (50). Nesta construção alternativa, o diâmetro do furo da caixa (24) do material de aprovisionamento que recebe estreitamente o tubo (22) de alimentação do material de aprovisionamento pode ser reduzido na porção terminal (50), para se adaptar ao diâmetro do furo (20) do material de aprovisionamento.

A ãrea da secção transversal do furo (20) do materail de aprovisionamento deve ser substancialmente menor do que a area

-20da secção transversal da passagem anular (32) do combustível e da passagem anular (40) do oxidante, de modo que o material de aprovisionamento em põ pode ser fornecido a garganta convergente (18) com uma velocidade suficiente para penetrar na frente da chama. E vantajoso que a ãrea do furo (20) de alimentação do material de aprovisionamento seja menor do que cerca de 15% e mais preferivelmente menor do que cerca de 10% das ãreas das secções transversais quer da passagem anular (32) do combustível, quer da passagem anular (40) do oxidante. Também, a relação entre o diâmetro do furo (20) de alimentação do põ e o diâmetro interior da passagem (55) de pulverização, é de preferência de cerca de 1:5. A relação entre as ãreas das secções transversais é assim de preferência igual a cerca de 1 : 25, cano (14), que ê um injector tubular com um furo rectjf líneo inclui a secção cilíndrica oca (45) que define a oassagem (56) da pulverização. Como serã descrito mais completamente, as partículas a alta velocidade são impelidas através- da passagem (56) como' uma corrente colimada, A fim de evitar o aquecimento excessivo da parede do cano (46) e proporcionar um efeito aqui designado por aperto térmico, um fenómeno que mantém e intensifica a colimação da corrente de partículas, proporciona-se a camisa (58) de permuta de calor, que define uma câmara anular (60) de permuta de calor. A câmara (60) de permuta de calor ê lj_ mitada ao cano (14), de modo que não se retira calor da câmara convergente (18). Durante o funcionamento do aparelho de pulveri_ zação de chama (10), faz-se fluir um meio permutador de calor, tal como agua, através da câmara (60) de permuta de calor, atra vés de canais (62) e (64). Tubos flexíveis (nao representados)

-21estão respectivamente fixados numa das extremidades- dos conectores (66) e (68) para a circulação do meio permutador de calor através da câmara (60) de permuta do calor,

Isto completa a descrição estrutural do aparelho (10) de pulverização de chama, numa forma de realização preferida. São possíveis muitas variantes. 0 funcionamento do aparelho de pulve rização de chama (10) serã apresentado mais adiante, em ligação com uma explicação dos processos de pulverização segundo a presente invenção. Deve também compreender-se que pode ser apropria^ do utilizar o aparelho de pulverização de chama (10) em aplicações diferentes da formação de revestimentos e formas quase reti. culares. Por exemplo, devido ãs velocidades extremamente elevadas atingidas pela presente invenção, pode ser desejável utilizar o aparelho de pulverização de chama (10) em operações de lim peza com jacto de areia ou similares, pretendendo-se que tais uti. lizações sejam consideradas incluídas no escopo da presente invenção.

Numa outra forma de realização da presente invenção, um sistema de pulverização de chama (10¹), que inclui as características do aparelho de pulverização de chama (10), sendo usados numeros de referencia iguais para peças iguais, inclui além disso um dis. positivo de alimentação de metal fundido para a introdução de um segundo material na corrente de partTculas colimada que emerge da saída do cano.

Fazendo agora referencia a fig. 4 dos desenhos, o sistema de pulverização de chama (10¹) estã representado, provido de

-22(meios para alimentação de um metal fundido para uma corrente de partículas colimada junto da saída do cano (14). Proporeionando-se um aparelho de pulverização de chama com meios de fornecimeji to de um metal fundido desta maneira, podem formar-se por pulverização, materiais compósitos com matriz de metal de elevada de£ sidade. Como se mostra na fig. 4, numa forma de realização da pre sente invenção, os meios de fornecimento de um metal fundido com preendem um conjunto de arco eléctrico com dois fios (70). 0 co£ junto de arco eléctrico (70) inclui um carro (72) que aloja os guias (74) e (76) dos fios. Os guias (74) e (76) dos fios são pro porcionados para guiar os fios (73) e (80) com uma determinada velocidade para a zona do arco (82). 0 ângulo formado pelos dois fios (78) e (80) é de preferência menor do que cerca de 30°, na maioria das aplicações. Estabelece-se um arco eléctrico com uma i£ tens idade pré-determinada e mantêm-se continuamente entre as extremidades dos eléctrodos de arame. Como será compreendido pelos entendidos na matéria, os fios (76) e (78) são feitos de um metal consumível que se funde na zona do arco (82),

A estrutura básica da pistola (11) é idêntica ã que se descreveu completamente em ligação com o aparelho de Dulverização de chama (10). 0 carro (72) pode ser fixado na pistola (11) em qualquer sítio conveniente e pode ser desmontável, Na fig, 4, o carro (72) esta representado fixado no cano (14). Podem para isso usar-se grampos ou suportes apropriados (não representados). Os fios (78) e (80£ são fornecidos continuamente para um ponto de intersecção na zona do arco 0θ2) a medida que são fundidos e consumidos como metal fundido atomizado. Embora a distância entre a zona do arco (82) e a extremidade do cano (14) não seja críti-

-23ca e possa ser ajustada para regular várias características do revestimento ou produto formado durante a operação de pulverização, as extremidades dos arames (78) e (80) estão de preferência situadas a cerca de 4 cm atê cerca de 10 cm da extremidade do cano (14). As extremidades do arame de metal fundido e o arco de vem estar directamente no interior da corrente de partículas coli_ mada que sai do cano (14), por outras palavras, ao longo do eixo longitudinal do cano (14).

Com referência ã fig. 5 dos desenhos, nela estã ilustrado o sistema (10') de pulverização de chama, o qual tem um conjun_ to de arco eléctrico com dois· fios ou arames (70), a partir do qual, como foi mencionado, os arames (78) e (80) são fornecidos a partir de bobinas de arame (84) e (84') para o sistema de alimentação (86). A unidade de controlo da alimentação de arame (88) controla e conjunto de alimentação de arame (86). Na forma conveji cional de pulverização com arco eléctrico de dois arames, propor^ ciona-se um alimentador de energia (90) por meio do qual se fornece energia aos arames (78) e (3Q) para estabelecer um arco ele£ trico na zona do arco (82), Estã reoresentado um controlador pri£ cipal (92) por meio do qual se regulam os caudais dos diversos gases. 0 controlador principal (92) pode também proporcionar meios para controlar o caudal do meio permutador de calor que arrefece o cano (14). Um grupo de cilindros de gases também proporcionado inclui uma fonte (93) de um gãs inerte de suporte, tal como o azo to, que é utilizado nas aplicações em que o material de aprovisi£ namento é injectado sob a forma de põ. Em alternativa, pode ser desejável utilizar um gãs oxidante como suporte, por exemplo quaji do se faz a pulverização de Õxidos refractãrios a temperatura ele

-24/ vada para proporcionar uma melfior fusão, Por conseguinte, o põ do material de aprovisionamento é doseado para o interior da coin duta (94) a partir do alimentador de põ (96) , que pode ser de co£ cepção convencional. Uma fonte (9.8) de combustível, tal como gãs combustível, fornece combustível à pistola (11) através da cond/ ta (100) que esta em comunicação de fluidos com a passagem do com bustível (32). Analogamente, uma fonte (102) de um oxidante, tal como um gas rico em oxigénio, fornece o gãs ã conduta de alimentação (104) para a passagem (40). 0 meio de permuta de calor flui através da câmara de permuta de calor (60) através das condutas (106) e (108), que estão ligadas a adaptadores (66) e (68) da pis^ tola (11).

Pode usar-se na presente invenção um certo numero de fo£ tes de combustível e de oxidante. Podem ser apropriados combust/ veis ou oxidantes líquidos ou em partículas. Por exemplo, prevê -se que possa usar-se como combustível fueloleo líquido. Os combustíveis e os oxidantes preferidos para utilizar na presente iri venção são os gasosos. A escolfia do combustível ê orientada por um certo numero de factores, incluindo a disponibilidade, a economia e, o mais importante, a acção que um combustível particular exerce na operação de pulverização em termos de velocidade de de põsito e nas caracteristicas metalurgiqas e físicas do deposito da pulverização. Para o oxidante são aoropriados a maioria dos gases contendo oxigénio. Ê particularmente preferido, para aqui ser usado, o oxigénio substancialmente puro. Gases combustíveis apropriados para se conseguir um impulso de alta velocidade dos materiais da pulverização segundo a presente invenção são os hidrocarbonetos gasosos, de preferência propano e propileno de elevado grau de

-25pureza, que produzem reacçoes de oxidação de elevado nível de ener gia. 0 hidrogénio pode também ser apropriado em algumas aplicações. São também desejáveis eventualmente misturas dos gases combustíveis preferidos. Deve notar-se que a presente invenção estã particularmente adaptada para permitir o controlo da temperatura da chama e a temperatura das partículas dos materiais pulverizados mediante a escolha apropriada do combustível, bem como pelo controlo das pressões do gãs e o tempo de permanência das partículas na garganta convergente /18} ,

Controlando-se a composição do combustível e a pressão do gãs, pode atingir-se uma larga gama de velocidades das partículas. A gama de valores da pressão do gãs combustível situa-se entre cerca de 1,4 e cerca de 7 Kg/cm“ (20 a 100 psig) e, mais 2 preferi.velmente entre cerca de 2,8 e cerca de 4,9 Kg/cm (40 a psig). A pressão do gãs oxidante tipicamente situa-se entre 2 cerca de 1,4 e cerca de 7 Kg/cm (20 a 100 psig) e de oreferencia 2 entre cerca de 2,8 e 5,6 Kg/cm (40 a 80 psig) para a maioria das aplicações. Quando se funcionar dentro destas gamas de valores, as velocidades dos produtos da combustão que saem do cano (14) serão supersónicas, como é evidenciado por diamantes em numero superior a doze na corrente de saída e s ignifica tivamente maiores do que as velocidades das pistolas de pulverização de chama convencionais em idênticas condições de funcionamento. Compreender-se-ã que a natureza do gãs combustível e o seu caudal de massa determinarã estreitamente a velocidade,

Vai. agora ser explicado o funcionamento do aparelho (10) de pulverização de chama e o sistema de pulverização de chama

-26ζ (10' } bem como os métodos proporcionados pela presente invenção. Com referência à fig. 6 dos desenhos, nela estã representado o sistema (10¹) de pulverização de chama, esquematicamente, no qual se injecta um material de aprovisionamento em pó (110), através do furo (20) do material de aprovisionamento. Nesta forma de rea. lização, o material de aprovisionamento em pó (110) é arrastado num gãs inerte de suporte. Simultaneamente, um combustível, por exemplo propileno, passa através da passagem anular (32) do combustível com uma pressão apropriada. 0 gãs combustível entra na garganta convergente (18) na saida do combustível (33). Um oxidari te, por exemplo oxigénio, passa simultaneamente através da passa, gem anular (40) do oxidante. Mais uma vez, os combustíveis e oxj_ dantes preferidos são os gasosos, embora possam ser aceitáveis outros combustíveis e oxidantes, tais como os líquidos ou simil£ res. Â medida que o gãs oxidante se escapa pela saída (41) forma um invólucro de gãs oxidante que envolve um cone de gãs combustí vel. Deve notar-se na fig. 6 que a geometria da passagem anular (40) do oxidante é um tanto convergente relativamente ã passagem anular £32) do combustível. Por outras palavras, a extremidade da tubeira (38) do combustível tem de preferência a forma troncci -cónica. Esta configuração permite que o gas oxidante convirja para o interior da corrente de gas combustível. 0 angulo de convergência ê de preferência de cerca de 20 a 40° e, mais prefereji temente, de cerca de 30°, que se verificou proporcionar um fluxo de gãs muito estável através da garganta convergente (18). À medida que a mistura de gas combustível-oxidante flui inicia 1mente a partir da extremidade do cano (14), essa mistura e inflamada na extremidade do cano por qualquer meio conveniente, tal como um acendedor de faísca. Em certas aplicações pode ser apropria-

-27do um dispositivo de ignição no interior do cano C14J. ou da garganta convergente [18).

Como se mostra nas- fig. 6 e 7 dos desenhos, na presente invenção realiza-se uma reacção de difusão continua a alta velocidade. A frente da chama (112) é estabelecida na interface do invólucro de oxigénio com o cone de gas combustível. De maneira importante, a frente da chama [1121 fica confinada na garganta convergente (18) . A frente da chama [112) estabelece uma zona ou região de elevada temperatura na garganta convergente [18). A me dida que o gas combustível continua a emergir da saída [33) para o interior da garganta convergente [18^ ele cria uma frente de chama [112) e produz uma reacção de difusão contínua a alta temperatura do gas combustível, A zona de alta temperatura produzida pela frente da chama [112) esta a uma temperatura substanciaj_ mente superior ã temperatura de ignição do gas combustível e pro duz uma zona de temperatura elevada. Quando o gás combustível e£ tra nesta zona de elevada temperatura inflama-se rapidamente, rea gindo com o gãs oxidante e produzindo gases da combustão que se expandem rapidamente. 0 oxigénio envolvente reage então com o restante combustível na frente de chama, mantendo a frente da cha_ ma e a reacção de difusão contínua a alta temperatura. Este feno meno da reacção de difusão contínua a alta velocidade continua enquanto não se interromper o fluxo de gãs combustível e de gãs oxidante.

A reacção de difusão contínua de alta velocidade na garganta convergente [18) cria uma zona de baixa pressão, genericamente indicada por [114). Durante a reacção de difusão contínua

-28/ a alta velocidade, injecta-se um material de aprovisionamento, tal como um metal em po, um material cerâmico ou uma barra de ce rãmica, através do furo de alimentação (20} do material de aprovisionamento para a reacção de difusão contínua a alta velocida. de na garganta convergente(18}, A zona de baixa pressão na saída do furo (20) de material de aprovisionamento na garganta convergente permite que o material de aDrovisionamento em põ seja injectado no interior da garganta convergente (18) com velocidades extremamente elevadas.

Uma das muitas vantagens proporeionadas pela presente i\n venção é a possibilidade de regular a velocidade a que as partículas do material de aprovisionamento são injectadas na frente da chama. Em contraste com muitos dispositivos da técnica anterior, a presente invenção permite a regulação independente da veio cidade de injecção das partículas do caudal de gãs combustível e do caudal de gas oxidante. isto é possível na forma de realização representada segundo a presente invenção porque nem o gãs com bustível nem o gas oxidante são usados para transportar o material de aprovisionamento em qualquer ponto do sistema, As partículas do material de aprovisionamento são injectadas na frente da chama por uma corrente independente do gas inerte de suoorte. Pe£ mitindo a regulação independente dos caudais, pode reduzir-se substancia 1mente a turbulência na garganta convergente (18), ma£ tendo a pressão do gãs de suoorte com um valor mais elevado do que o da pressão do gãs combustível, o que aumenta a velocidade das partículas. A gama de valores da pressão do gás de suporte - - 2 e de preferencia de 2,8 a 4,9 Kg/cm (40 a 70 psig), mais prefe2 rivelmente de cerca de 3,5 a cerca de 4,2 Kg/cm £50 a 60 psig)

-29e, maispreferivelmente, sempre maior do que a press-ãb do gãs com bustível. Também, embora as dimensões relativas- das- saídas C33] e (41) possam variar largamente, como foi mencionado, o diâmetro interior do tubo (22) de fornecimento do material de aprovislona mento é de ,preferência consideravelmente menor do que a secção transversal da passagem anular (32) do combustível ou a passagem anular (40) do oxidante. Portanto, compreender-se-ã que o diâmetro do furo (20) de alimentação do material de aprovisionamento estã representado com um certo exagero nos desenhos, E também va£ tajoso que a relação entre as ãreas das secções transversais do furo (20) de fornecimento do material de aprovisionamento e da passagem (26) da pulverização do cano (14) seja de cerca de 1 : 25, para diminuir a probabilidade de as partículas contactarem e aderirem a superfície interior do cano (14) durante a pulverização. Mantendo-se a pressão do gãs de suporte acima de cerca de 3,5 Kg/cm (50 psig) quando a pressão do gãs combustível 2 for de cerca de 3,1 a 4,5 Kg/cm (45 a 65 psig) e a pressão do 2 gas oxidante de cerca de 4,9 a 6,3 Kg/cm (70 a 90 psig), evita-se um fenómeno referido como crepitação, que ocorre para baixas pressões do gãs de suporte. A crepitação resulta do movimento radial das partículas que podem aderir ã parede cónica (16) e que se crê ocorrer ãs pressões mais baixas do gãs de suporte devido ao aumento da turbulência. Assim, mantendo a pressão do gãs de suporte com valores elevados reduz-se a turbulência.

A medida que as partículas de material de aprovisionamen to se deslocam no interior da garganta convergente (18), a energia térmica e a energia cinética das partículas são substancialmente aumentadas pela reacção de difusão contínua a alta veloci-307 dade, que é exotêrmica. As partfculas- de material de aprovisiona_ mento com elevado nível de energia passam através da garganta co£ vergente (18) para formar uma corrente colimada de partículas com elevada energia que são impelidas numa linha substancialmente recta através da passagem (56) do cano (14). Outra vantagem'significa tiva da presente invenção sobre as pistolas de pulverização da técnica anterior é a redução do movimento radial turbulento das partículas da pulverização. Proporcionando-se um fluxo não turb£ lento dos gases no interior da garganta convergente (13) e mantendo uma reacção de difusão contínua a alta velocidade confinada ã garganta convergente (18), consegue-se o fluxo axial e sub£ tancialmente não turbulento dos gases da combustão e das partícu_ las do material de aprovisionamento, donde resulta uma corrente de partículas colimada de elevada velocidade. Também, quando a corrente de partículas passa através do cano (14), reduz-se a dis_ persão da corrente retirando calor da parede (46) do cano com uma camisa (58) de permuta de calor. Arrefecendo-se o cano (14) deste modo, cria-se um aperto térmico que reduz ainda mais qualquer movimento radial das partículas com elevada energia no sentido das paredes laterais do cano (14).

Os numerosos materiais em põ que podemser pulverizados segundo a presente invenção incluem metais, ligas metálicas, õxj_ dos metálicos tais como alumina, óxido de titânio, Óxido de zircónio, Óxido de crómio e similares, e suas combinações; compostos refractarios , tais como carbonetos de tungsténio, crómio, titãnio, tãntalo, silício, molibdenio e suas combinações; boretos re fractãrios, tais como boreto de crómio, boreto de zircÕnio e similares e suas combinações; podem também ser usados silicietos

-31 e nitretos em algumas aplicações'. Podem também ser aoropriadas várias combinações destes materiais. Estas combinações Dodem tomar a forma de misturas de põs·, compostos sinterizados ou materiais fundidos. Embora se prefira um material de anrovisionamento em põ, se se desejar pode fornecer-se através do tubo £20} de alimentação do material de aprovisionamento um material de aprovisionamento sob a forma de uma barra ou similar. Quando o material de aprovisionamento for constituído por um põ, as dimensões das partículas estão de preferência na gama de cerca de 5 a ce£ ca de 100 micrometros, embora possam, em certas aplicações, ser apropriados diâmetros fora desta gama de valores. A dimensão média das partículas preferida é de cerca de 15 a cerca de 70 micrõmetros.

A presente invenção compreende ainda revestimentos e for mas quase reticulares formadas pelo processo segundo a presente invenção. Quando esses materiais forem materiais com matriz de metal de elevada densidade, eles- nunca foram formados por qualquer outra operação de pulverização térmica conhecida. Como será conhecido pelos especialistas na matéria, as formas auto-suporta das, quase reticulares podem ser formadas por aplicação de um de pÕsito por pulverização num macho ou similar ou por enchimento da cavidade de um molde por pulverização. Serão também conhecidos agentes despegantes apropriados.

Fazendo de novo referência a fig, 6 dos desenhos, numa outra forma de realização, o sistema de pulverização de chama (10¹) e utilizado num processo de formação de compositos no qual se proporciona um primeiro material de aprovisionamento através

-32do furo (20) do material de aprovisionamento e um segundo materj_ al de aprovisionamento que é adicionado a jusante da garganta co£ vergente (18). Mais preferivelmente, isso consegue-se adicionando um segundo material de aprovisionamento ã corrente de partículas colimada que sai do cano (14). Mais específicamente, injecta-se um material de aprovisionamento em po na frente da chama (112) da maneira atras descrita. Quando a corrente de partículas colimada sai do cano (.14), ela passa através da zona de arco (82). Durante esta passagem, alimentam-se electricamente os arames (78) e (80) para criar um arco eléctrico sustentado entre as extremidades dos arames. Uma tensão suficiente para fundir as extremid^ des dos arames (78) e (80) é mantida pela fonte de alimentação (90). F preferida uma tensão entre cerca de 15 e cerca de 30 V.

À medida que se forma metal fundido nas extremidades dos arames, a corrente de partículas proveniente da pistola (11) atomiza o metal fundido. Para manter o arco eléctrico e proporcionar um fornecimento contínuo de metal fundido para a corrente da pulverização, faz-se avançar os arames (78) e (80) com uma velocidade pré-determinada utilizando o comando de alimentação do arame (88), Quando o metal fundido é atomizado, forma-se uma corrente de par tículas (115) combinada ou compósita, que contém ambos os materiais de aprovisionamento sob a forma de partículas. Embora se crie alguma turbulência pela presença dos arames (78) e (80), a corrente compósita de partículas (115) mantém uma boa colimação.

A corrente compósita (115) dirige-se então para o alvo (116) onde forma o deposito (118).

Numa outra forma de realização ainda, a presente invenção proporciona materiais compósitos de elevada densidade, tais como

-33compósitos cerâmicos com matriz metálica ou cermets, sob a for ma de revestimentos pulverizados ou formas quase reticuladas.

Mais especificamente, pela utilização da capacidade que o sistema de pulverização de chama (10' ) tem de formar uma corrente de pulverização compósita que inclui dois materiais diferentes, tais como um óxido refractãrio e um metal, podem fabricar-se novas e£ truturas de elevada densidade. Como se mostra na fig. 6 dos dese nhos proporeiona-se um óxido refractãrio, por exemplo óxido de alumínio, sob a forma de pó, tendo as partículas diâmetros que vão de cerca de 5 a cerca de 20 micrómetros. 0 pÓ e injectado no interior do furo (20) de fornecimento do material de aprovisiona^ mento utilizando um gãs de suporte inerte, como atras se descreveu. Deve compreender-se que o óxido em pÕ nesta forma de realização não é fundido durante a sua passagem através da pistola (11) na produção de compósitos com matriz metálica. Isso pode co£ seguir-se controlando o calor da frente da chama, aumentando as dimensões das partículas do Óxido, controlando o tempo de permanência das partículas e ajustando outros parâmetros da pulveriza ção. Quando se usar o aparelho de pulverização de chama (10), i£ to e, sem o conjunto de arco eléctrico, a tenweratura das parti cuias sera geralmente mantida acima do ponto de amolecimento das partículas. A corrente de partículas de óxido refractãrio emerge da extremidade do cano (14) e desloca-se para a zona de arco (82) A distância da extremidade do cano (14) até ã zona de arco (82) é de preferência de cerca de 4 a 10 cm. Os arames (78) e (80) são feitos de um metal que pode ser uma liga. Os metais apropriados para utilizar na fabricação de compósitos com matriz de metal incluem o titânio, o alumínio, o aço e o níquel e ligas ã base de cobre. Qualquer metal pode ser usado se ele puder ser estira-34do na forma de arame. Podem ser viáveis outros métodos de fornecer metal fundido, por exemplo através de tubos similares. Arames com núcleo de pó podem também ser apropriados. Os caudais dos materiais são controlados regulando a velocidade de injecção do material de aprovisionamento em pó ou o caudal de material de aprovisionamento doseado para o gas de suporte. Isto produz um compósito com matriz metálica final com um teor de Óxidos refra£ tãrios de cerca de 15 a cerca de 50% em volume e um teor de metal de cerca de 85 a cerca de 50% em volume, Quando o metal fundido é atomizado, forma-se uma corrente de partículas (115) comoõsita,

A corrente de partículas (115) inclui partículas de óxidos refra£ tãrios, metal fundido e aglomerados de metal fundido e Óxidos re fractãrios aquecidos e a alta velocidade. 0 alvo (116) pode ser formado por um substrato metãltco a revestir com uma camada de compósito com matriz metálica ou pode ser constituído por um macho ou uma cavidade de molde, por exemplo na fabricação de formas quase reticulares. Como se compreendera, os processos segundo a presente invenção não se limitam a formação de formas quase reticulares, podendo sim também ser usados para formar formas maciças, após compósitos e várias formas auto-suportadas.

deposito (118) formado segundo a presente invenção é substancialmente completamente denso. Tal como aqui é usada, a expressão substancialmente completamente denso é definida como o estado de um material no qual o material contém menos de cerca de 1% em volume, de vazios. Por outras palavras, os deDÕsitos por pulverização de chama densos segundo a presente invenção são de preferencia substancialmente densos, de modo tal que o volume t£ tal de espaços vazios no deposito seja de cerca de 1% do volume

-35/ total do depósito. A presente invenção proporciona um certo núm£ ro de compósitos com matriz metálica substancialmente completamen. te densos que são altamente homogéneos. Estes compósitos com matriz metálica têm propriedades metalúrgicas e físicas excepcionais e não foram fabricados comercia 1 mente por qualquer outro pr£ cesso de pulverização térmica conhecido. Muitas destas composições têm características melhoradas relativamente aos materiais forja dos. São extremamente duras e resistentes ao desgaste e têm uma rugosidade superficial reduzida. Na forma de realização mais pre ferTvel, os compósitos com matriz metálica segundo a presente i£ venção têm um teor de refractãrios de cerca de 5 a cerca de 60%, em volume, do material compósito. Os materiais refractãrios Dreferidos incluem os óxidos refractãrios, os carbonetos refractãrios, os boretos refractarios, os nitretos refractãrios e os silicietos refractarios. Particularmente preferidos são o óxido de alumínio, o diboreto de titãnio e o carboneto de silTcio. 0 con£ tituinte refractãrio estã disperso uniformemente numa matriz metálica. Pode usar-se qualquer metal. Quando se introduz o metal fundido no processo do arco com dois fios atrãs- descrito, o metal tem de ser capaz de ser estirado sob a forma de arame. Um metal compreende de cerca de 40% a cerca de 95% e, de oreferência, de cerca de 50% a cerca de 85%, em volume, do compósito com matriz metálica. Os metais preferidos incluem o alumTnio, o titã nio e o aço com baixa percentagem de carbono. Os compósitos com matriz metálica particularmente preferidos formados segundo a presente invenção incluem compósitos substancialmente completamente densos de 25%, em volume, de óxido de alumTnio, com 75%, em volume, de alumTnio ou liga de aluminio. São aqui também preferidos compósitos contendo 25%, em volume, de carboneto de silT

cio, com 75%, em peso, de alumínio ou liga de alumínio, 0 materj al refractário é proporcionado sob a forma de um põ no funcionamento da pulverização de chama, Os compósitos com matriz metálica segundo a presente invenção podem ser formados como revestimeji tos ou formas quase reticulares, que podem ser sujeitos a tratamento térmico e podem ser modelados por técnicas convencionais de trabalho dos metais, por exemplo laminagem a quente ou simi 1 a_ res. Estes materiais de alta tecnologia podem ser usados para fo bricar numerosos dispositivos, tais como componentes aerospaciais

Embora se tenha ilustrado e descrito uma forma particular da presente invenção, compreende-se, evidentemente, que ela não. se limita a essa forma, visto que podem introduzir-se modificações, em particular pelos especialistas na matéria, feitas ã luz da presente descrição. Por exemplo, pode ser apropriado operar o sistema de pulverização de chama (IO¹) com um põ, sem utilizar a capacidade do arco eléctrico, Compreender-se-ã também que oodem usar-se varias técnicas para acelerar os componentes refractarios na formação de compósitos com matriz metálica diferentes dos apr£ sentados na forma de realização preferida, por exemplo usando uma pistola de pulverização de plasma, Considera-se, pois, que as rej_ vindicações anexas abrangem qualquer dessas modificações como es_ tando incluídas no verdadeiro espírito e escopo da presente invenção.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1.- Aparelho de pulverização através do cone de uma chama, su persõnico, caracterizado por compreender:

um corpo que define um furo, tendo o referido furo uma entrada para receber uma matéria prima de aprovisionamento e um gãs iner te de suporte e uma saída;

definindo o referido corpo além disso uma garganta convergente alinhada coaxialmente e comunicando com a referida saída do furo, tendo a referida garganta convergente uma parede cónica convergente voltada para e afastada da referida saída do furo e tendo uma saída da garganta no vértice da referida parede cónica substancialmente coaxialmente alinhada com o referido furo;

38definindo alem disso o referido corpo uma passagem anular para o combustível envolvendo o referido furo, tendo a referida passagem anular para o combustível uma entrada para receber um combustível e uma saída adjacente à referida saída do furo e comunicando com a referida garganta;

definindo o referido corpo além disso uma passagem anular para o gás oxidante envolvendo a referida passagem para o combustível e tendo uma entrada para receber um gás oxidante e uma saída adjacente ao referido furo e saídas de combustível que comunicam com a referida garganta?

recebendo a referida garganta os referidos gases combustível e oxidante das referidas saídas da passagem anular antes de se misturarem e estando a referida parede cónica suficientemente afastada das referidas saídas da passagem para permitir a mistura e a combustão do referido combustível com o referido gás oxidante no in terior da referida garganta, acelerando a referida combustão na referida garganta convergente os produtos gasosos da combustão até uma velocidade elevada através da referida saída da garganta no vértice da referida parede c.ónica alinhada coaxialmente com o referido furo; e um cilindro alinhado coaxialmente com o referido furo e comunicando com a referida saída da garganta, tendo o referido cilindro uma abertura para receber os referidos produtos gasosos da combustão e a referida matéria prima de aprovisionamento e tendo uma saída que descarrega a matéria prima aquecida.
2. - Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a referida passagem anular do gás oxidante convergir relativa mente ã referida passagem anular do combustível no sentido do eixo do referido furo dirigindo o referido gãs oxidante para o interior da, e envolvendo a, frente da chama na referida garganta e injectando combustível para o interior da referida frente da chama, criando uma reacção de difusão contínua de grande velocida de na referida garganta que acelera os referidos produtos gasosos da reacção até uma velocidade supersónica.
3. - Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a saída do furo ter uma área da secção transversal que e substancialmente menor que as áreas da secção transversal das saí.

das das referidas passagens para o combustível e para o gãs oxidante, de modo que a referida matéria prima e o gãs inerte de suporte são fornecidos para o interior da referida garganta a uma velocidade maior que a dos referidos gases combustível e oxidante.
4. - Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir meios que fornecem uma matéria prima líquida para o interior da referida matéria prima em pó aquecida junto da referida saída do cilindro, atomizando e projectando a referida matéria prima em pó a referida matéria prima líquida distribuída de maneira substancialmente uniforme na referida matéria prima em pó.

-405.- Aparelho de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por os referidos meios de alimentação incluírem meios para fornecimento de arame que fornecem as extremidades de pelo menos dois arames de matéria prima metálica para o interior da referida matéria prima em pó junto da saída do referido cilindro e meios eléctricos que estabelecem um arco elêctrico entre as referidas extre midades do arame, fundindo o referido arco elêctrico as extremida des do arame e formando a referida matéria prima líquida.
6.- Aparelho de pulverização através do cone de uma chama supersónico, caracterizado por compreender:

uma porção de corpo que possui um furo para a matéria prima que inclui uma saída;

uma garganta convergente alinhada coaxialmente e comunicando com o referido furo para a matéria prima tendo uma parede cónica convergente voltada para e afastada da referida saída do furo para a matéria prima;

uma passagem para o gãs combustível tendo uma entrada que re cebe um gãs combustível e uma saída anular que envolve o referido furo para a matéria prima comunicando com a referida garganta;

uma passagem para o gãs oxidante que tem uma entrada que recebe um gãs oxidante e uma saída anular envolvendo a referida saída do gãs combustível e adjacente â mesma comunicando com a referida garganta;

recebendo a referida garganta os referidos gases combustível e oxidante das referidas saídas da passagem anular antes da mistura dos referidos gases e estando a referida parede cónica afasda suficientemente das referidas saídas das passagens para permitir a mistura e a combustão dos referidos gases combustível e oxidante no interior da referida garganta;

meios de inflamação dos referidos gases combustível e oxidante no interior da referida garganta que criam uma reacção de difusão contínua da velocidade elevada incluindo uma frente de chama no interior da referida garganta que acelera os produtos gasosos da combustão através de uma saída no vértice da referida parede cónica alinhada coaxialmente com o referido furo para a matéria prima; e numa porção de cilindro alinhada coaxialmente com o referido furo para a matéria prima comunicando com a referida saída da garganta tendo uma abertura que recebe os referidos produtos gasosos da combustão e a matéria prima aquecida em partículas finas e tendo a referida porção de cilindro uma saída que descarrega a matéria prima em partículas aquecida.
7.- Aparelho de pulverização através de um cone de chama su persõnico, caracterizado por compreender:

uma pistola de pulverização térmica supersónica que inclui uma porção de corpo que recebe a matéria prima, meios que aquecem a referida matéria prima e aceleram a referida matéria prima em em partículas finas aquecida, e uma porção de cilindro tubular tendo uma entrada que recebe a referida matéria prima em partículas acelerada e aquecida e uma saída que dirige a referida matéria prima em partículas aquecida e acelerada e o gãs de suporte para um alvo; e meios de alimentação de um líquido que fornece uma matéria prima de metal fundido para o interior da referida matéria prima em partículas aquecida e acelerada junto da referida saída da porção de cilindro, atomizando a referida matéria prima em partículas acelerada e o gãs de suporte a referida matéria prima de metal fundido e projectando a referida matéria prima de metal fundida atomizada distribuída de maneira substancialmente uniforme na referida matéria prima em partículas aquecida sobre o referido alvo.
8. - Aparelho de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por os meios de fornecimento de um líquido incluírem meios de fornecimento de arames que fornecem continuamente as extremidades de pelo menos dois arames da matéria prima metálica para o interior da matéria prima em partículas aquecida e acelerada junto da referi da saída da porção de cilindro e meios de energia eléctrica que estabelecem um arco entre as referidas extremidades dos arames, fundindo as referidas extremidades dos arames e formando a referida matéria prima de metal fundido.
9. - Aparelho de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a referida pistola de pulverização térmica incluir um furo para o pó tendo uma entrada que recebe uma matéria prima em põ e um gãs inerte de suporte e uma saída, passagens anulares para o combustível e para o oxidante, envolvendo o referido furo para o põ, tendo entradas que recebem respectivamente o combustível e o oxidante e saídas separadas junto da saída do referido furo para o põ comunicando com a referida garganta, e meios de inflamação que inflamam os referidos gases combustível e oxidante no interior da referida garganta, recebendo a referida garganta os referidos com bustível e oxidante das referidas saídas das passagens anulares antes de se misturarem e estando a referida parede cónica suficientemente afastada das referidas saídas das passagens para permitir a combustão dos referidos combustível e oxidante no interior da referida garganta.
10.- Processo, num aparelho de pulverização através de uma chama, supersónico, para a criação de uma reacção de difusão continua de alta velocidade que acelera os produtos da combustão até uma velocidade supersónica incluindo o referido aparelho de pulverização através de uma chama um injector de alimentação que descarrega para o interior de uma garganta de combustão e descarregando a referida garganta de combustão para o interior de um injector de escape, tendo o referido injector de escape um diâmetro interior menor que o diâmetro interior da referida garganta de com bustão e comunicando a referida garganta de combustão com o referido injector de escape através de uma abertura convergente, caracterizado por incluir as fases de:

fornecimento de um hidrocarboneto combustível e oxigénio através do referido injector de alimentação para a referida garganta de combustão;

inflamação do referido combustível, criando uma frente de chama no interior da referida garganta de combustão junto da referida descarga da garganta;

fornecimento contínuo de um hidrocarboneto combustível através do referido injector do combustível directamente para o interior da referida frente de chama mantendo uma reacção de difusão contínua de alta velocidade junto da referida descarga do injector de alimentação na referida garganta convergente que ace lera os produtos da combustão dos referidos hidrocarboneto gasoso combustível e do gãs oxidante através da referida abertura convergente e do referido injector de descarga.
11.- Processo, num aparelho de pulverização através de uma chama, supersónico, para a criação de uma reacção de difusão con tínua de alta velocidade que acelera a matéria prima sob uma for ma de partículas finas até uma velocidade supersónica, incluindo o referido aparelho de pulverização através de uma chama supersó nico um injector de alimentação que descarrega para o interior de uma garganta de combustão e descarregando a referida garganta de combustão para o interior de um injector de escape, comunican do a referida garganta de combustão com o referido injector de escape através de uma abertura convergente, caracterizado por com preender as fases de:

fornecimento de um hidrocarboneto combustível e de um oxidante para o interior da referida garganta de combustão;

criação de uma frente de chama no interior da referida garganta de combustão junto da referida descarga do injector do combustível por inflamação do referido hidrocarboneto combustível na referida câmara de combustão;

fornecimento contínuo de um hidrocarboneto combustível através do referido injector de alimentação dírectamente para o interior da referida frente de chama; e fornecimento simultâneo e separado de um gãs oxidante através do referido injector de alimentação para o interior da referida garganta, radialmente para fora em relação ao referido hidrocarboneto combustível envolvendo o referido gãs oxidante a referida frente de chama e mantendo a reacção de difusão a alta velocidade; e fornecimento de uma matéria prima para o interior da referida garganta e acelerando a referida reacção de difusão a alta velocidade a referida matéria prima sob a forma de partículas através da referida abertura convergente e do referido injector de descarga.
12.- Processo para a criação de uma reacção de difusão contí. nua de grande velocidade num aparelho de pulverização através de uma chama, supersónico de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por incluir o fornecimento da referida matéria prima sob a forma de põ axialmente através do referido injector de alimentação através da referida reacção de difusão contínua de alta velocidade e da referida frente de chama, aquecendo a referida frente de cha ma a referida matéria prima em põ e acelerando a referida matéria prima em põ através do referido injector de escape.
13. - Processo para a criação de uma reacção de difusão contínua de alta velocidade num aparelho de pulverização através de uma chama, supersónico de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por incluir além disso a fusão de uma matéria prima metálica junto da saída do referido injector de escape, atomizando e acelerando a referida matéria prima em põ e o gãs aquecidos a matéria prima de metal fundido distribuída de maneira substancialmente uniforme na referida matéria prima em põ.
14. - Processo para aquecer e acelerar uma matéria prima de aprovisionamento sob a forma de partículas finas até uma velocidade supersónica numa pistola de pulverização através de uma chama, tendo a referida pistola de pulverização através de uma chama um furo para a matéria prima que fornece a referida matéria prima para o interior de uma garganta de combustão convergente através de um injector de alimentação e tendo a referida garganta convergente de combustão uma abertura axial que comunica com um cilindro de descarga da referida pistola, caracterizado por compreender as fases de:

fornecer um combustível através de uma abertura para o combustível no referido injector de alimentação para o interior da referida garganta de combustão convergente;

fornecer um oxidante através de uma abertura anular para o oxidante no injector de alimentação que envolve a referida abertu ra para o combustível para o interior da referida garganta de com bustão convergente e inflamar os referidos combustível e oxidante criando uma reacção do interior da referida garganta que compreende uma frente de chama, e uma reacção de difusão contínua de velocidade elevada;

fornecer separadamente a referida matéria prima de aprovisionamento para o interior da referida garganta de combustão convergente através do referido injector de alimentação para o interior da referida reacção; e aquecendo e acelerando a referida reacção de difusão contínua de velocidade elevada e a referida frente de chama no interior da referida garganta convergente, a referida matéria prima de aprov_i sionamento e os produtos da combustão do referido combustível e oxidante através da referida abertura axial e do referido cilindro de descarga.
15.- Processo de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por o referido processo incluir a alimentação separada da referi- da matéria prima de aprovisionamento sob a forma de partículas finas em suspensão num gás inerte de suporte através de uma abertura axial para a matéria prima de aprovisionamento no referido injector de alimentação alinhado coaxialmente com a abertura axial da referida garganta e fornecimento separado do referido combustível através de uma abertura anular para o combustível envolvendo a referida abertura para a matéria prima para o interior da referida garganta de combustão convergente.
16. - Processo de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por incluir o fornecimento de um material metálico fundido para o interior da referida matéria prima de aprovisionamento aquecida e acelerada junto da saída do referido cilindro de descarga, atomizando e projectando a referida matéria prima em forma de partículas finas e o gas acelerados a referida matéria prima metálica líquida atomizada distribuída de maneira substancialmente uniforme na referida matéria prima em partículas no sentido de um alvo.
17. - Processo de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por incluir além disso o fornecimento contínuo das extremidades de pelo menos dois arames da matéria prima metálica para o interior da referida matéria prima em partículas finas e o estabelecimento de um arco eléctrico entre as extremidades dos arames, fundindo o referido arco eléctrico as referidas extremidades dos arames, e a formação da referida matéria prima de metal fundido.
18. - Compósito com matriz metálica formado por pulverização térmica, caracterizado por compreender um material refractãrio dte perso uniformemente numa matriz metálica e denso de maneira substancialmente completa pulverizado termicamente.
19. - Processo para a formação de um material compósito com pe lo menos dois componentes sobre um alvo, caracterizado por incluir as fases de:

formação de um fluxo de um primeiro componente do referido material compósito sob a forma de partículas finas arrastadas num suporte gasoso através de uma câmara aquecida e simultaneamente aquecimento e aceleração do referido primeiro componente e gãs de suporte até pelo menos próximo de uma velocidade supersónica;

fusão de um segundo componente do referido material compósito no trajecto do referido primeiro componente em partículas acele rado e aquecido e do gãs de suporte formando um segundo componente líquido do referido material compósito, atomizando o referido primeiro componente em partículas acelerado e aquecido e o gãs de suporte o referido segundo componente líquido, acelerando o referido segundo componente líquido atomizado até ã referida velocidade próxima de uma velocidade supersónica e formando uma corrente dos referidos primeiro e segundo componentes e do gãs de suporte distribuídos de maneira substancialmente uniforme na referida corrente : e incidência da referida corrente dos primeiro e segundo componentes contra um alvo no trajecto da referida corrente, formando um material compósito substancialmente homogéneo.
20.- Compósito de matriz metálica, caracterizado por compreender um material refractãrio distribuído de maneira substancialmente uniforme numa matriz metálica formada pelo processo de acordo com a reivindicação 19.
21.- Processo de formação de um material compósito de matriz metálica que tem pelo menos dois componentes, caracterizado por in cluir as fases seguintes:

aquecimento e aceleração de um material refractãrio em pó como primeiro componente do referido compósito de matriz metálica até próximo de uma velocidade supersónica numa coriente gasosa dirigida para um alvo;

fusão de um metal como segundo componente do referido material compósito de matriz metálica e fornecimento do referido metal líquido para o interior da referida corrente de material refractãrio em pó aquecido e acelerado, atomizando o referido material em pó refractãrio acelerado e aquecido e o referido gás o referido metal líquido e acelerando o referido metal líquido atomizado na referida corrente distribuído de maneira substancialmente uniforme no referido material refractãrio em pó; e recolher a referida corrente de material da matriz metálica em pó e o metal líquido atomizado formando um material compósito de matriz metálica substancialmente homogéneo