具有衬里的长寿命等离子体喷嘴的制作方法
【专利摘要】本发明涉及具有衬里的长寿命等离子体喷嘴。一种等离子体喷嘴（120），其具有喷嘴本体和被布置在喷嘴本体内的衬里材料（123）。衬里材料（123）具有比喷嘴本体高的熔化温度并包括剖面厚度（C）显著大于0.25mm的钨合金、钼、银和铱中的一种。
【专利说明】具有衬里的长寿命等离子体喷嘴
[0001] 相关申请的交叉引用 不适用。
[0002] 关于联邦资助的研究或开发的声明 不适用。
[0003] 对光盘附件的引用 不适用。
【背景技术】
[0004] 过去，热喷涂等离子体枪将优选掺杂有钍或镧中任何一个的钨(W)作为阴极发射 器，因为其具有期望的热电子发射特性。这些相同的钨材料也用于阳极，以便也改善它们的 硬件寿命。此材料在阴极和阳极中都很好地起作用，因为钨具有高熔点以及约为铜的热导 率的三分之一的热导率。在喷嘴中使用经掺杂的钨改善硬件寿命，但缺点是材料也会断裂， 并且在敷钍钨的情形中，敷钍钨会成为废料排放中的危险材料问题，因为它是放射性材料。
[0005] 目前，等离子体枪喷嘴阳极通常有两种类型。它们要么形成有经掺杂的钨内衬，要 么由纯铜制成。近来的研究和大量试验显示，当被用作等离子体枪阳极中的内衬时，钨总是 会断裂，这种断裂可导致硬件寿命显著缩短。裂缝会吸引电弧。因此，在最常规的等离子体 枪中，电弧需要保持处于持续的运动中，以防止电弧毁坏电弧贴附位置处的表面材料。一旦 开裂发生，裂缝就会吸引电弧，并且这会因热负荷而促进表面劣化速率加快，并且如果电弧 完全停止移动并且热应力变得过大的话，甚至能够导致钨内衬的毁灭性故障。裂缝越严重 或明显，电弧将在裂缝上停留的可能性越增大。
[0006] 也尝试用钨乃至碳化钨电镀等离子体枪阳极，但成功率有限。电镀层的厚度，例 如，在0.001和0.01英寸之间，即使在镀层是钨时也不足以保护下面的铜不会熔化。在碳化 钨镀层的情形中，导电和导热特性不合适。
[0007] 经掺杂的钨的性能优于铜，但是在寻找更适合的具有以下特性的材料中，能够获 得相当的改善空间： 1. 延展性和抗断裂性是否优于钨，尤其是在高热负荷和高温度梯度的情况下。 2. 拥有类似的高熔点或尽可能接近。 3. 拥有足够高的热导率，以补偿比钨低的熔点。
[0008] 由于在上述类型的领域中得到的经验，热喷涂枪中使用的喷嘴通常衬有由衬里材 料或套管形成，以便促进更长的硬件寿命;而非整个由纯净的材料(诸如铜)制成。如上文指 明的，常见的衬里材料是钨。但是，过去，钨衬里的壁厚是主要出于制造容易的考虑而任意 设定的；即基于这种考虑诸如将常见或标准直径的钨坯料用于对于整个一族的喷嘴孔眼直 径。因此，并未尝试研究或优化内衬材料的特性，诸如内衬壁厚。用作内衬材料的典型的钨 材料通常选择为与用于等离子体枪阴极（即，阴极电极）的材料相同。此选择也是为了制造 容易的原因而做出的，因为它仅需要单个材料源。
[0009] 虽然钨内衬等离子体枪喷嘴与不具有这类内衬材料的喷嘴（即，纯铜喷嘴)相比具 有增加的寿命，但它们仍然会产生开裂乃至故障。开裂被认为是由发生于钨内的高热局部 应力导致的，并且在等离子体枪操作时随时间恶化。开裂通常发生于被称作电弧贴附区的 区域或区中，如下文将参照图3描述的。这是等离子体电弧在从阴极的尖端区域放电之后与 内衬材料的内表面发生电接触的区。钨内衬的此区被认为经受最大的热应力。
[0010]在多数情形中，裂缝沿枪(或钨内衬)孔眼轴向排列。这些轴向裂缝(见图3中的附 图标记AC)能够影响硬件总寿命以及电弧的表现。但是，在一些情形中，能够替代地在等离 子体喷嘴孔眼中形成周向方向的裂缝(见图3中的附图标记LF)。这些裂缝比轴向裂缝更成 问题，并且与钨内衬的毁灭性故障相关联;其中，部分内衬实际上与内衬材料分离，进入等 离子体流并且甚至能够被引入(或污染)等离子体喷涂枪所涂覆的基底的涂层。无论如何， 这些周向裂缝的存在对等离子体电弧的稳定性有很大的负面影响，导致比轴向裂缝所产生 的影响更大的影响。为了防止这种情况，通常定期更换喷嘴;这会增加涂层的制造成本。
[0011] 由于无法预测更成问题的周向裂缝和内衬材料的最终毁灭性故障的可能性，因此 操作装配有这类喷嘴的等离子体枪的人员必须额外认真地检查潜在开裂的迹象，这有时可 通过监控等离子体枪的电压表现来检测。基于这类迹象，操作者通常将停止涂覆过程并将 喷嘴更换成新的喷嘴。这种不可预测性具有的影响至少包括降低以钨为内衬的喷嘴的操作 寿命优势。
[0012] 因此，仍需要改善等离子体枪硬件的一致性、可预测性和操作寿命以及枪的总体 性能。这样做的一种方式是降低喷嘴内衬或喷嘴钻孔内发生开裂的可能性。
[0013] 本领域额外地和/或替代性地需要的是喷嘴阳极内衬材料，其相比目前达到的寿 命具有改善的寿命并且克服以上指明的一个或多个缺点，诸如更加环境安全以及在高温应 用中的抗断裂性更高。
[0014] 由于上文指明的信息也被认为可应用于等离子体火箭喷嘴或推进器，因此在等离 子体火箭喷嘴或推进器领域中需要的是具有相当的改善的寿命和益处。
【发明内容】
[0015] 根据一个非限制性实施例，提供一种热喷涂枪，包括喷嘴本体和被布置在所述喷 嘴本体内的衬里材料。衬里材料具有比所述喷嘴本体更高的熔化温度，并且包括以下之一： 剖面厚度显著大于0.25mm(约0.010英寸）的钨合金;钼;银；以及铱。在本文的背景下，显著 大于表示比典型的最大镀层厚度0.25mm大约25%以上。可接受的剖面厚度至少是典型镀层 厚度的二倍或大于〇. 5mm厚。
[0016] 在实施例中，以下中的至少一个:所述衬里材料的壁厚具有与所述喷嘴本体的壁 厚相关地确定的或相对应的值；以及喷嘴的一部分的总壁厚与所述衬里材料的壁厚的比率 具有与所述衬里材料的壁厚相关地确定的或相对应的值。
[0017] 在实施例中，所述比率等于或大于约3.5:1。在实施例中，所述比率为以下中的至 少一个:在约3.5:1和约7:1之间；在约4.1:1和约6:1之间；以及约5:1。
[0018] 在实施例中，所述衬里材料是钨合金。在实施例中，所述衬里材料是钼。在实施例 中，所述衬里材料是银和铱中的一个。
[0019] 在实施例中，所述喷嘴本体由铜材料制成。
[0020] 在实施例中，所述喷嘴本体和所述衬里材料的壁厚各自在电弧贴附区的轴向区域 中被测量。
[0021] 在实施例中，在正常操作时，相比在电弧贴附区的下游区域中，所述衬里材料在所 述电弧贴附区的区域中经受更小或相当的热应力。
[0022] 在实施例中，所述衬里材料的壁厚是以下中的至少一个:在约0.25mm和约1.25mm 之间；在约0.50mm和约1.0mm之间；以及在约0.75mm和约1.0mm之间。
[0023] 在实施例中，所述枪还包括被冷却流体循环通过的阴极和阳极本体。
[0024] 在实施例中，提供一种等离子体喷嘴，包括喷嘴本体和被布置在所述喷嘴本体内 的衬里材料。所述喷嘴本体的材料具有比所述衬里材料的熔化温度低的熔化温度，并且包 括钨合金、钼、银以及铱中的一个，其中钨合金具有以下剖面厚度之一:显著大于〇.25_;以 及大于0.5mm。
[0025]在实施例中，所述等离子体喷嘴是等离子体火箭喷嘴。在实施例中，所述等离子体 喷嘴是热喷涂枪的等离子体喷嘴。
[0026] 在实施例中，以下中的至少一个:所述衬里材料的壁厚具有与所述喷嘴主体的壁 厚相关地确定的值；以及喷嘴的一部分的总壁厚与所述衬里材料的壁厚的比率具有与所述 衬里材料的壁厚相关地确定的或相对应的值。
[0027] 在实施例中，所述比率等于或大于约3.5:1。在实施例中，所述喷嘴是可替换喷嘴。 在实施例中，所述比率是以下中的至少一个:在约3.5:1和约7:1之间；在约4.1:1和约6:1之 间；以及约5:1。
[0028] 在实施例中，所述衬里材料是妈合金。在实施例中，所述衬里材料是钥。在实施例 中，所述衬里材料的壁厚是以下中的至少一个:在约0.25mm和约1.25mm之间；在约0.50mm和 约1.0mm之间；以及在约0.75mm和约1.0mm之间。
[0029] 在实施例中，提供一种制造上述任何类型的喷嘴的方法，其中，所述方法包括形成 具有一定壁厚的所述衬里材料，该壁厚的值考虑以下至少一个:所述喷嘴本体的一部分的 壁厚；以及所述喷嘴的一部分的总壁厚与所述衬里材料的一部分的壁厚的比率。
[0030] 在实施例中，提供一种利用热喷涂枪涂覆基底的方法，其中，所述方法包括:将权 利要求13所述的喷嘴安装在热喷涂枪上；以及将涂覆材料喷涂到基底上。
[0031] 通过回顾本公开和所附附图可确定本发明的其他示例性实施例和优点。
【附图说明】
[0032] 在下面的【具体实施方式】中，参照注释的附图，以本发明的非限制性示例性实施例 的方式，进一步描述本发明，在附图中： 图1示出具有钨内衬材料制成的喷嘴的热喷涂枪的示意性侧视剖视示意图； 图2示出在图1的等离子体枪中使用的示意性喷嘴，并且为了图示起见移除了内衬材 料； 图3示出图2的喷嘴，其中钨内衬材料位于其中。还示出了内衬中形成的轴向裂缝和周 向内衬故障裂缝的例子，这能发生在于等离子枪中大量使用之后； 图4示出与图3的喷嘴类似的可商用喷嘴，并且图示在十字形图案部段中示出的电弧贴 附区； 图5不出图4的部段A-A的剖视图； 图6示出常规喷嘴内衬的钻孔部分的计算机模型剖面并且图示发生在电弧贴附区的区 域中的局部热应力(被示为较暗区域）； 图7示出根据本发明的实施例的喷嘴的钻孔部分的计算机模型剖面，并且，与图6相反， 示出电弧贴附区的区域中不存在局部热应力； 图8示出根据本发明的喷嘴的另一非限制性实施例； 图9仍示出根据本发明的喷嘴的又一非限制性实施例； 图10示出图9中部段B-B的剖视图； 图11示出描述温度差与热导率关系的图表；以及 图12示出具有根据本发明的内衬材料的示例性火箭喷嘴。
【具体实施方式】
[0033]在此示出的详情是以举例方式示出的并且仅为了说明性地论述本发明的实施例， 并且是出于提供被认为是本发明的原理和构思方面的最有用和易于理解的描述的原因。对 此，不会尝试以比基本理解本发明所必要的程度更详细地示出本发明的结构细节，结合附 图进行的描述使得本领域技术人员显然可知如何在实践中体现本发明的若干形式。
[0034] 等离子体枪用于喷涂涂层，如本发明的实施例包括的一个等离子枪，具有阴极和 阳极。在这些等离子体枪中，阳极也可被称为喷嘴，因为它除了用作形成等离子体电弧的电 路的正极侧之外还具有流体动力学功能。喷嘴被流体冷却（即，利用水）以防止熔化，并通常 由铜材料构成，因为铜材料拥有高热导率。生产具有位于面向等离子体电弧的孔眼内侧的 区域中的妈内衬的喷嘴，以提供比仅由铜制成的喷嘴改善/更长的硬件寿命。妈具有相对尚 的热导率以及很高的熔化温度。图1(将在下文中更详细地描述)示意性地示出了具有可根 据本发明使用的水冷却喷嘴的等离子体枪的剖面。
[0035] 钨内衬等离子体喷嘴使用厚度通常为1mm或更大的钨内衬。在一些情形中，钨的厚 度可超过3_。内衬材料套管通常由敷钍钨制成，其与用于等离子体枪阴极或电极中的成分 相同。但是，通常根据方便原则选择用于制造喷嘴的钨的成分和总直径。在许多情形中，所 使用的钨衬里的外径保持恒定，而其孔眼直径根据具体应用的枪类型而改变。在设计或配 置这些等离子体枪喷嘴时不考虑为钨内衬选择最佳的壁厚。
[0036] 除了钨内衬的厚度之外，从最靠近冷却水通道的距离起的内衬的壁厚与喷嘴本体 的总体壁厚之比通常约为1: 2。这意味着钨衬里的壁厚与铜本体的壁厚近似相同。
[0037] 如下文将参照图6示出的，已经发现，具有相对厚(壁厚）的钨内衬和相对高的钨-铜厚度比可致使在操作期间在钨内衬中形成内部应力的高度集中。这可导致钨衬里最终发 生故障，如上所述。将参照图1-5以及7-10描述的本发明的实施例考虑这些事项。
[0038]类似地，发明人已经开始进一步研究喷嘴材料的材料特性并且找到了可用于制造 喷嘴的许多可能的材料。在纯金属的情形中，已经发现银、铱和钼具有期望的特性，如下文 将详细示出的。但是，银和铱都被认为实际使用过于昂贵，而钼被认为是可负担的。包含少 量铁或镍的钨合金也被确定为具有可接受的特性。金属的合金化几乎总是会降低热导率和 电导率，但是如果仅使用少量一种或两种金属的话，整体特性(bulk property)可接近合金 中主要金属的90%或更高。钨合金也是这样。
[0039]选择材料的方法包括绘制温度差相对每种可能材料的热导率的关系图，以便选择 很可能能够承受与等离子体电弧的直接接触的材料。温度差优选是熔点和平均等离子体气 体温度(9000K)之差并且至少与熔化温度反相关。利用此方法会得到位于图11所示的图表 左上侧的期望材料，因为原则上图表左上角将提供最佳结果。但是，如图11中可见的，该处 未能找到拥有期望特性的材料。然而，位于图11的划圈区域内的材料表示被认为理想地用 作最适合承受等离子体电弧的严苛作用的阳极内衬的特性界限。
[0040] 再次参照图11，可以看出，前述纯金属（钼、铱、钨、铜和银)落在划圈区域内，其中 钨在最左侧。钼和铱在右侧，靠近期望区域的边缘。这些金属都延展性更高并因此被认为更 不易于受热冲击影响。铜和银位于划圈区域的右侧。这两种材料也具有延展性，并且如上指 明的，铜已被用于等离子体枪中，因为它们的初期不存在任何热冲击、开裂等问题。
[0041] 图11示出理想的钨合金，位于钨和钼之间。这些合金的特性是根据这些合金的其 他已知特性估计的。优选的钨合金包含约2.1 %(重量比）的镍和约0.9%(重量比）的铁。其他 镍和铜浓度是可行的，其中，更高的量具有更低的熔点和热导率，但是具有更高的延展性， 而更低的量具有更高的熔点和热导率，但具有较低的延展性。
[0042] 可与钨形成合金的其他可能的合金元素包括锇、铑、钴和铬。这些金属拥有足够高 的熔点和高热导率，从而落在图11的划圈区域内。
[0043] 现在参照图2和3,根据本发明的实施例，利用由商用等级的钼和优选的钨合金 (2. l%Ni和0.9%Fe)制成的内衬制造等离子体枪喷嘴。这些喷嘴被测试并与常规钨内衬喷嘴 (见图3)和单纯的铜喷嘴（见图2)比较。图3的具有内衬的喷嘴由上述不同材料(钼、高钨合 金和钨）制成。这些喷嘴之后在已知会导致不良的硬件性能的极高能量参数下在等离子体 枪中操作。结果在以下指明的表1中显示。
[0045] 如在表1中可见的，利用敷钍钨衬里的常规喷嘴(根据图3)在发生导致快速电压降 低和/或钨内衬故障的严重开裂之前持续了平均14.32小时。除了在电弧贴附到严重的裂缝 上的一个情形中之外，几乎没有熔化的证据。硬件寿命范围在约1〇小时至17小时之间变化， 主要取决于开裂的严重程度。
[0046] 根据本发明的实施例制造并利用优选的钨合金(2. l%Ni和0.9%Fe)作为衬里材料 的喷嘴（同样类似于图3)在导致快速电压降低的熔化之前持续了平均5.28小时。不存在裂 缝或钨合金衬里故障的迹象。硬件寿命范围在约4至6小时之间变化，并且完全取决于熔化 程度。虽然不如敷钍钨衬里喷嘴持续时间那么长，但钨合金衬里喷嘴相比单纯的铜喷嘴提 供了改进很多的性能，如下文将描述的。
[0047] 接着，表1中列出了根据本发明的实施例的利用钼作为衬里材料制造的喷嘴（同样 类似于图3)。这些喷嘴在由电压逐渐降低决定的寿命结束之前持续了平均10.76小时。在高 放大倍数下存在一些很小的开裂的迹象，但并没有表现出对电弧行为的任何影响，并且仅 观察到一些熔化。硬件寿命范围在约9小时至11小时之间变化，取决于相当一致的电压降低 速率。
[0048]表1还列出了仅由铜制成的常规喷嘴(根据图2)。这些在导致快速电压降低的严重 熔化之前仅持续了平均4.08小时。同样未观察到开裂。硬件寿命范围在约3小时至5小时之 间变化，并且完全取决于熔化程度。如从表1可见的，根据本发明的钨合金内衬喷嘴和钼内 衬喷嘴的性能优于仅由铜制成的喷嘴，其中，钼内衬喷嘴具有好很多的性能。但是，两者提 供的性能仍低于敷钍钨衬里喷嘴的性能。但是，由于两者不存在涂钍钨衬里喷嘴的环境缺 点，因此它们仍然显示本领域中的显著改进。
[0049]但是，发明人还发现具有与图3的衬里类似的内衬的喷嘴可被显著改进，从而具有 接近或更优于涂钍钨衬里喷嘴的性能。通过制造具有根据图8的衬里的喷嘴(将在下文详细 描述），可获得相匹敌的性能。例如，再次参照表1，可见如果喷嘴是根据图8制造的，从而具 有相对较薄的钼内衬，则可极大地改进喷嘴性能。因此，具有薄钼衬里的喷嘴以相同方式被 测试，并且被发现在由电压逐渐降低决定的寿命结束之前持续了 14.33小时。在本例子中， 没有开裂迹象并且不存在足以影响喷嘴性能的熔化。根据本发明的实施例设计较薄内衬配 置，从而使得钼（图8中的尺寸C)和铜（图8中的尺寸D)的总厚度与仅钼壁厚（图8中的尺寸C) 之间的比率为5.28:1，并且钼壁厚C为1.04mm。比率为此(C+D)/C。硬件寿命范围在约13至15 小时之间变化，并且取决于电压降低速率。
[0050]因此，总结表1，在等离子体喷嘴中利用厚度大于典型的镀层厚度的钨合金内衬或 在等离子体喷嘴中利用钼内衬与纯铜喷嘴相比都会有利地显著地改进喷嘴性能。为了进一 步改进性能，可以将喷嘴比和衬里厚度之间的厚度比优化为具有最佳范围，并获得相匹敌 的性能，并因此提供涂钍钨内衬喷嘴的替代。
[0051] 在考虑以上信息的情况下，现在将描述根据本发明的喷嘴的示例性实施例以及制 造和使用所述喷嘴的非限制性方式。
[0052] 图1示意性地示出可用于实践本发明的等离子体喷涂枪。等离子体枪1，与常规等 离子体枪一样，包括可容纳喷嘴20的枪本体10,枪本体10除其他之外还包括循环经由入口 11进入并经由出口 12离开的冷却流体的冷却通路。冷却通路使得冷却流体进入喷嘴20周围 的空间30并且从布置在喷嘴散热片24-侧上的第一环形空间通过来到布置在散热片24的 相反侧上的第二环形空间（参见箭头方向）。冷却流体被散热片24加热，并且用于通过出口 12将热量传送到喷嘴20外。
[0053]喷嘴20具有第一端或阴极接收端21和具有凸缘的第二端或等离子体放电端22。散 热片24围绕喷嘴20的中间部分并且用于将热量传导离开喷嘴孔眼的经历电弧40所产生的 热量的区域。当电势产生在阴极50和阳极60之间时，产生电弧40，其功能由本体10执行。电 弧40可形成在孔眼中的任何位置，该区域被称作电弧贴附区70(见图4)。由于此区因电弧40 而经历非常显著的加热，因此散热片24被布置在喷嘴本体的围绕此区的区域中。如上解释 的，喷嘴20还可包括内衬材料23,内衬材料相比组成喷嘴20的主要部分或本体的材料可承 受住更高的温度。在图1所示的例子中，组成喷嘴20的主要部分或本体的材料是铜材料，而 衬里或内衬材料23是钨材料。
[0054] 参照图2-4,可见喷嘴20(移除了衬里）限定内衬接纳开口 25(见图2)，其大体为圆 柱形并且在放电端22和环形肩26之间延伸。衬里23通常具有比开口 25略大的圆柱外径，从 而使得其间存在过盈配合，一直到它与环形肩26接触的点处(见图3)。在制造喷嘴20期间， 主孔眼29和锥形入口部段28被制成期望的规格尺寸。如上解释的，当在等离子体喷涂期间 长时间使用喷嘴20时，可产生轴向裂缝AC乃至导致内衬故障的周向裂缝LF。为了说明起见， 这些在图3中示出，并且通常发生于图4示意性地图示的电弧贴附区70。区70通常从位于直 径过渡点27 (见图3 )略上游的位置71延伸至位于点27下游的位置72。区70的宽度可由值"W" 限定。虽然此区70的轴向长度可改变，并且电弧40不会同等程度地接触或活动到区70中的 内表面的每个部分，但区70通常具有由位置71和72限定的最大轴向宽度。
[0055]参照图6,可见如果衬里23未被合适地制成适合喷嘴20的规格尺寸(常规上就是这 样），结果是非常大量的局部热应力能够产生在衬里材料中，并且尤其位于电弧贴附区中。 这在图6所示的计算机模型中是显然的，图6示出了用深色阴影表示的热应力最高的区域位 于衬里材料的电弧贴附区部分中。本发明的实施例旨在避免图6中显然的那种应力，但是考 虑其中提供的信息。此外，当将图6的例子与图3的例子相比较时，可以察觉到发生于未正确 设计的钨内衬等离子体喷嘴内的应力集中可导致在图3中观察到的内部开裂。显然，图3所 示的开裂正是发生于示出最高应力的图6的区域中，即，被称作电弧贴附区70的区域内。 [0056]参照图7,可见，如果衬里23被合适地制成适合喷嘴20的特征的规格尺寸(这是本 发明的目的），则结果是大量局部热应力不再产生在衬里材料中，并且尤其不集中在电弧贴 附区70中。这在图7所示的计算机模型中是显然的，图7(与图6相反)不再示出热应力最高区 域位于衬里材料的电弧贴附区中。反而，计算机模型示出电弧贴附区的区域中不存在局部 热应力。具体地，与图6不同，由本发明产生的热应力更少地局部化，而是更加衰弱，不在电 弧贴附区域中发生至更大的程度，在电弧贴附区域中显著减少，并且贯穿喷嘴孔眼的下游 长度更均匀地分布。
[0057]参照图8,可见图2和3所示类型的喷嘴本体可如何设计，以包括根据本发明的旨在 实现图7所示的应力分布的衬里。在本实施例中，喷嘴120由衬里材料套管123以下述方式制 成，即，以消除或显著减小与常规喷嘴相关联的局部热应力，并且在电弧贴附区的区域中尤 其是这样。这可通过许多方式实现，如本文将描述的。在图8的实施例中，其实现通过制造喷 嘴120,使得衬里套管123具有圆柱外径"A"、圆柱内径"B"（其也限定喷嘴120的中心孔眼）以 及壁厚"C"。此外，壁厚"C"的尺寸规格与喷嘴120的本体部分的一个或多个特征相关。这些 特征包括，除其他之外，喷嘴120的本体的壁厚"D"和/或总直径"E"。直径"E"通常可横跨图8 中的轴向宽度"Y"延伸。额外的特征包括修改衬里123的热导率(其是壁厚"C"的函数）以适 应围绕衬里的本体部分的热导率，即，适应壁厚"D"。在下述情况中尤其是这样：在散热片 124的区域以及布置在散热片124紧邻的下游的本体部分以及具有可置于与冷却流体接触 的表面，即，在电弧贴附区的轴向宽度内的壁厚"D"。喷嘴120的本体的所述部分的轴向长度 "Y"（衬里123的壁厚"C"被修改为适应该部分)可从散热片124的上游端延伸远至位于下游 端122处的凸缘，如图8所示。但是，在图8中从点127至端122测量值"C"，并且在由电弧贴附 区的轴向宽度限定的区域内最关心值。
[0058]在图8的非限制性例子中，壁厚"D"应该厚于壁厚"C"。应该重点关心壁厚"D"与壁 厚"C"的比率，壁厚"C"开始于与过渡点127相对应的轴向位置并朝向端122延伸一定长度， 该长度是长度"Y"的一部分。但是，如以上指明的，主要的焦点应该是布置在短于"Y"的轴向 长度内（诸如包含电弧贴附区（见图4中的附图标记70)的轴向长度)的值。例如，应该至少具 体考虑由电弧贴附区（同见图4)限定的轴向长度"W"内的值"C"、"D"和"E"。以非限制性例子 为例，在喷嘴120的本体由铜材料制成并且衬里123由钨材料制成的情况下，这些值可以是 下表中指定的值。
[0059] 根据一个非限制性例子，图1所示类型的等离子体枪喷嘴可被配置成采用可与图8 的喷嘴相匹敌的喷嘴120,并且喷嘴120采用壁厚"C"约为1.04mm的钨合金内衬或衬里123并 且采用约为5.28的总厚度(C+D)与钨合金内衬壁厚C之比。利用这样的值，可制造喷嘴120并 在接近图7的应力分布的应力分布下操作，同时避免图6所示的应力集中。与图4的衬里一 样，衬里123可包括上游锥形部分128,其大体匹配喷嘴本体的锥形上游部分并延伸到过渡 点127,如图8所示。衬里123还可包括从过渡点127延伸至喷嘴120的端部122的主孔眼部分 129〇
[0060] 参照图9和10,可见如何在可商用喷嘴120'上实现本发明。在本实施例中，衬里 123'被制成相应规格尺寸并配置成适应如本文公开的喷嘴120'的本体，并且还包括可置于 形成在端122'中的同等尺寸的扩孔中的凸缘FL。在本例子中，喷嘴120'被类似地配置和制 成相应规格尺寸，从而以消除或显著减小与常规喷嘴相关联的局部热应力(尤其是在电弧 贴附区中）的方式利用衬里材料套管123'。所得热应力分布应该更接近图7所示的分布，与 图6的分布相反。
[0061]例子1 一具有非优化的内衬厚度的钨合金内衬 根据本发明的另一非限制性例子，提供一种图4所示类型中的任何的等离子体枪喷嘴， 其具有符合以下要求的钨合金内衬壁。壁厚应该不被制成得如此薄，以致于钨合金衬里 将不再保护铜，致使下面的铜熔化。在另一方面，壁厚"C"不能被制成得过厚，因为它将容许 快速建立应力集中并导致钨合金衬里可能发生毁灭性故障。考虑到这点，可将现有铜喷嘴 本体与妈合金衬里结合使用，该妈合金衬里具有在约2.0mm和约5.0mm之间的大体圆柱形壁 厚"C"，优选在约2.5mm和约4.0mm之间，最优选为约2.95mm。在实施例中，妈与铁和镍形成合 金，诸如CMW 3970,其具有以下重量百分比组成971;2.1附；0.9?6。在实施例中，钨合金中的 每种元素应该具有在约99%至100%范围内的纯度，并优选在约99.5%和约100%之间，最优选 在约99.95%和约100%之间。
[0062]例子2-具有优化的内衬厚度的钨合金内衬 根据本发明的另一非限制性例子，提供一种图8所示类型中的任何的等离子体枪喷嘴， 其具有符合以下要求的钨合金内衬壁。壁厚应该不被制成得如此薄，以致于钨合金衬里 将不再保护铜，致使下面的铜熔化。在另一方面，壁厚"C"不能被制成得过厚，因为它将容许 快速建立应力集中并导致钨合金衬里可能发生毁灭性故障。考虑到这点，可将现有铜喷嘴 本体与妈合金衬里结合使用，该妈合金衬里具有在约〇. 25mm和约1.25mm之间的大体圆柱形 壁厚"C"，优选在约0 ? 5mm和约1 ? 0mm之间，最优选在约0 ? 75mm和约1 ? 0mm之间。在实施例中， 钨与铁和镍形成合金，诸如CMW3970,其具有以下重量百分比组成97W;2.1Ni;0.9Fe。在实施 例中，钨合金中的每种元素应该具有在约99%至100%范围内的纯度，并优选在约99.5%和约 100%之间，最优选在约99.95%和约100%之间。
[0063]例子3-具有非优化的内衬厚度的钼内衬 根据本发明的另一非限制性例子，提供一种图4所示类型中的任何的等离子体枪喷嘴， 其具有符合以下要求的钼合金内衬壁。壁厚应该不被制成得如此薄，以致于钼衬里将不 再保护铜，致使下面的铜熔化。在另一方面，壁厚不能被制成得过厚，因为它将容许快速 建立应力集中并导致钼衬里可能发生毁灭性故障。考虑到这点，可将现有铜喷嘴本体与钼 衬里结合使用，该钼衬里具有在2. Omm和约5. Omm之间的大体圆柱形壁厚"C"，优选在约 2.5mm和约4.0mm之间，最优选为约2.95mm。在实施例中，钼应该具有在约99%至100%范围内 的纯度，并优选在约99.5%和约100%之间，最优选在约99.95%和约100%之间。
[0064] 例子4 一具有优化的内衬厚度的钼内衬 根据本发明的另一非限制性例子，提供一种图8所示类型中的任何的等离子体枪喷嘴， 其具有符合以下要求的薄钼内衬壁。壁厚"C"应该不被制成得如此薄，以致于钼衬里将不再 保护铜，致使下面的铜熔化。在另一方面，壁厚"C"不能被制成得过厚，因为它将容许快速建 立应力集中并导致钼衬里可能发生毁灭性故障。考虑到这点，可将现有铜喷嘴本体与钼衬 里结合使用，该钼衬里具有在约〇 . 25mm和约1.25mm之间的大体圆柱形壁厚"C"，优选在约 0 ? 5mm和约1 ? Omm之间，最优选在约0 ? 75mm和约1 ? Omm之间。在实施例中，钼应该具有在约99% 至100%范围内的纯度，并优选在约99.5%和约100%之间，最优选在约99.95%和约100%之间。
[0065]根据本发明的又一非限制性实施例，提供一种具有符合与上文指明的要求相当的 钨合金、钼或薄钼内衬壁之一的等离子体火箭喷嘴。
[0066]在铜和钨合金或钼的总壁厚之间的优选比率(C+D/C)以及钨合金或钼的优选壁厚 不能同时满足的情形中，应该优先考虑总比率。
[0067] 虽然可用各种方式制造本文公开的喷嘴的各种实施例，但是，以非限制性例子为 例，可以通过首先将实心钨合金或钼棒放入铸模并且围绕棒铸造铜材料套管来制造喷嘴。 一旦从铸模中被移出，铸造组件就可被加工，从而形成例如图8-10所示的外侧型面和内侧 型面。内侧型面具体包括图8所示的衬里的加工部段128和129。在加工期间，应参考以上指 明的表中所示的具体规格和/或参考本文公开的标准以修改本文描述的各种值A-E。大多数 加工可经由CNC机床进行，其中，可在CNC铣床上形成散热片124。
[0068] 其他材料可对此提供一些改进。这类材料应该优选具有以下特性。它们应该比钨 延展性高并且抗断裂性更高，尤其是在高热负荷和高温度梯度的情况下。它们还应该具有 与钨的熔点类似或接近的高熔点。并且当熔点低于钨时，它们应该具有足够高的热导率，以 补偿比钨低的熔点。可能的材料包括纯金属，诸如银、铱，因为它们具有以上指明的期望特 性中的许多。但是，如上文指明的，银和铱目前可以说对于实践使用过于昂贵。优选的材料 包括上述钨合金和钼。其他钨合金包括那些具有较多量的镍和铜，但具有较低的熔点和热 导率，但延展性较高的钨合金，以及那些具有较少量的镍和铜，但具有较高的熔点和热导 率，但延展性较低的钨合金。可与钨合金化的其他材料包括锇、铑、钴和铬。这些金属拥有足 够高的熔点和高热导率，从而使得它们可与钨合金化并且用于喷嘴衬里材料中。商用等级 的钼及具有2.1%镍和0.9%铁的钨合金都被
【申请人】测试并用于喷嘴衬里中，并且与纯铜喷嘴 进行比较并提供显著改进的性能。
[0069] 以下申请的全部内容通过引用明确合并于此，2013年12月19日提交的名称为 LONGLIFE NOZZLE FOR A THERMAL SPRAY GUN AND METHOD MAKING AND USING THE SAME 的国际申请No .______(代理人案号P44799)，其要求2013年1月31日提交的美国临时申请 No. 61/759,086的优先权，以及2013年12月19日提交的名称为OPTIMIZED THERMAL NOZZLE AND METHOD OF USING SAME的国际申请No.__(代理人案号P44800)，其要求2013年1月 31日提交的美国临时申请No. 61 /759，071的优先权。
[0070]应该注意，前述例子仅是为了解释起见而提出的，绝不应该被理解成限制本发明。 虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本文使用的用语是描述性和说 明性用语，而非限制性用语。在当前陈述的和修改的所附权利要求的范围内可进行改变，而 不脱离本发明的各个方面的范围和精神。虽然已经参照特定的装置、材料和实施例描述了 本发明，但是本发明并未意图被限制为本文的具体公开;反而，本发明扩展至所附权利要求 范围内的所有功能上等同的结构、方法和用途。
【主权项】
1. 一种热喷涂枪，包括： 喷嘴本体； 被布置在所述喷嘴本体内的衬里材料;并且 所述衬里材料具有比所述喷嘴本体高的熔化温度，并且包括以下之一： 剖面厚度显著大于0.25mm的妈合金； 钼； 银；以及 铱。2. 如权利要求1所述的热喷涂枪，其中，以下中的至少一个： 所述衬里材料的壁厚具有与所述喷嘴本体的壁厚相关地确定的或相对应的值；以及 喷嘴的一部分的总壁厚与所述衬里材料的壁厚的比率具有与所述衬里材料的壁厚相 关地确定的或相对应的值。3. 如权利要求2所述的热喷涂枪，其中，所述比率等于或大于约3.5:1。4. 如权利要求3所述的热喷涂枪，其中，所述比率是以下中的至少一个： 在约3.5:1和约7:1之间； 在约4.1:1和约6:1之间；以及 约5:1〇5. 如权利要求1所述的热喷涂枪，其中，所述衬里材料是钨合金。6. 如权利要求1所述的热喷涂枪，其中，所述衬里材料是钼。7. 如权利要求1所述的热喷涂枪，其中，所述衬里材料是以下之一： 银；以及 铱。8. 如权利要求1所述的热喷涂枪，其中，所述喷嘴本体由铜材料制成。9. 如权利要求2所述的热喷涂枪，其中，所述喷嘴本体和所述衬里材料的壁厚各自在电 弧贴附区的轴向区域中被测量。10. 如权利要求1所述的热喷涂枪，其中，在正常操作时，相比在电弧贴附区的下游区域 中，所述衬里材料在所述电弧贴附区的区域中经受更小或相当的热应力。11. 如权利要求1所述的热喷涂枪，其中，所述衬里材料的壁厚是以下中的至少一个： 在约0 · 25mm和约1 · 25mm之间； 在约0.50mm和约I .Omm之间；以及 在约0.75mm和约I .Omm之间。12. 如权利要求1所述的热喷涂枪，还包括被冷却流体循环通过的阴极和阳极本体。13. -种等离子体喷嘴，包括： 喷嘴本体； 被布置在所述喷嘴本体内的衬里材料;并且 所述喷嘴本体的材料具有比所述衬里材料的熔化温度低的熔化温度，并且包括以下之 钨合金，其具有以下剖面厚度之一： 显著大于0.25mm;以及 大于O · 5mm; 钼； 银；以及 铱。14. 如权利要求13所述的等离子体喷嘴，其中，所述等离子体喷嘴是等离子体火箭喷 嘴。15. 如权利要求13所述的等离子体喷嘴，其中，所述等离子体喷嘴是热喷涂枪的等离子 体喷嘴。16. 如权利要求13所述的等离子体喷嘴，其中，所述等离子体喷嘴是等离子体割炬喷 嘴。17. 如权利要求13所述的等离子体喷嘴，其中，所述等离子体喷嘴是等离子体发生器喷 嘴。18. 如权利要求13所述的等离子体喷嘴，其中，所述喷嘴是能够更换的喷嘴。19. 如权利要求13所述的等离子体喷嘴，其中，以下中的至少一个： 所述衬里材料的壁厚具有与所述喷嘴本体的壁厚相关地确定的值；以及 喷嘴的一部分的总壁厚与所述衬里材料的壁厚的比率具有与所述衬里材料的壁厚相 关地确定的或相对应的值。20. 如权利要求19所述的等离子体喷嘴，其中，所述比率等于或大于约3.5:1。21. 如权利要求19所述的等离子体喷嘴，其中，所述比率是以下中的至少一个： 在约3.5:1和约7:1之间； 在约4.1:1和约6:1之间；以及 约5:1〇22. 如权利要求13所述的等离子体喷嘴，其中，所述衬里材料是钨合金。23. 如权利要求13所述的等离子体喷嘴，其中，所述衬里材料是钼。24. 如权利要求13所述的等离子体喷嘴，其中，所述衬里材料是以下之一： 银；以及 铱。25. 如权利要求13所述的等离子体喷嘴，其中，所述衬里材料的壁厚是以下中的至少一 个： 在约0 · 25mm和约1 · 25mm之间； 在约0.50mm和约I .Omm之间；以及 在约0.75mm和约I .Omm之间。26. -种制造权利要求13所述的喷嘴的方法，包括： 形成具有一定壁厚的所述衬里材料，该壁厚的值考虑以下至少一个： 所述喷嘴本体的一部分的壁厚；以及 所述喷嘴的一部分的总壁厚与所述衬里材料的一部分的壁厚的比率。27. -种利用热喷涂枪涂覆基底的方法，包括： 将权利要求13所述的喷嘴安装在热喷涂枪上；以及 将涂覆材料喷涂到基底上。
【文档编号】B05B5/057GK105899297SQ201380081414
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2013年12月19日
【发明人】R.J.莫尔兹, D.哈莱
【申请人】欧瑞康美科（美国）公司