用于热喷枪的等离子体喷嘴以及制造和使用其的方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请根据35u.s.c.§119(e)要求享有于2018年2月27日提交的编号为62/635,735的美国临时专利申请的优先权。该美国临时专利申请的公开内容明确地通过引用以其整体并入本文中。

关于所资助研究或开发的声明

不适用。

本发明涉及一种等离子体喷嘴，该等离子体喷嘴具有布置成与热喷枪接合的喷嘴本体，其中该喷嘴本体具有带有上游输入孔口和下游喷嘴出口的轴向通孔。喷嘴本体还具有用于提供给料的定位在输入孔口与喷嘴出口之间的一个或多个材料喷射器开口，以及用于提供护罩气流的一个或多个气体喷射器开口。实施例中，气体喷射器开口相对于材料喷射器开口定位在上游。还公开一种制造和使用其的方法。

背景技术：

热喷涂层材料是已知的且典型为金属和/或陶瓷粉末材料。这些粉末材料中的一些提供耐磨性、耐腐蚀性以及在用来形成热喷涂层时用作热障涂层。

等离子喷涂是沉积大范围此类涂层材料的广泛使用的工艺。材料供应为粉末、悬浮物、溶液或液体，且喷射到热的高度电离的气体流中。材料因此在该热等离子体中熔化或汽化，且同时由等离子流朝基底加速。在真空等离子喷涂(其中喷涂设备在容器内侧在低环境压力下操作)的情况下，喷射发生在等离子体发生器的阳极/喷嘴内侧。该布局称为内部喷射。

图1示出具有内部喷射的现有技术的等离子体喷枪的示意。关于气体流动方向，上游us是指朝围绕阴极ca的等离子气体gf喷射的方向，且下游ds是指朝阳极/喷嘴出口的方向，该阳极/喷嘴出口在该示例中位于阳极an的下游端上。在该装置中，等离子弧a通过在阴极ca与阳极an之间施加来自粉末供应ps的电压来形成，其同时引导气流gf。弧a以任意运动在阳极轴线的方向上且在整个圆周上移动，但保持在粉末或悬浮物的喷射点pi的上游。粉末喷射端口p用来使呈粉末颗粒pp形式的粉末引入到等离子射流pj中。喷嘴包括冷却剂流cw，其作用允许冷却水冷却喷嘴。这在授予hislop的美国专利6,322,856中描述，该专利的公开内容明确地通过引用以其整体并入本文中。该工艺发生在低环境压力下，且称为低压等离子喷涂(lpps)或真空等离子喷涂(vps)。在ep专利2439306(该专利的公开内容明确地通过引用以其整体并入本文中)中描述的某些条件下，材料部分地或完全地传递到气相中。该工艺方案(regime)称为等离子喷涂物理气相沉积(ps-pvd)。

内部喷射还用于悬浮物等离子喷涂(sps)或溶液前体等离子喷涂(spps)中。这两个工艺可在大气中(大气压)以及在处于最低至例如授予hospach等的美国专利8,986,792中描述的那些压力的受控气氛下操作。

内部喷射允许热能从等离子体更有效地传递到所喷射的材料。这在其中所喷射的粉末材料(或悬浮物中的颗粒)带到气相中或破碎为纳米尺寸簇或必须去除溶剂的工艺中特别重要。在不约束等离子体-材料混合物的情况下，热传递将是不充分的，且导致低的处理效率和差的涂层特性。

这些lpps/vps/ps-pvd和sps/spps工艺在商业使用中主要施加mcraly合金、由陶瓷材料制成的热障涂层或致密的陶瓷层。例如，见handbookofthermalspraytechnology(热喷技术手册)，其公开内容明确地通过引用以其整体并入本文中。

由于此类装置中的阳极典型为水冷的，在材料喷射点下游以及喷射端口周围的位置处阳极壁上的材料有机会再冷凝或固化。沉积的材料可导致涂覆工艺损害或完全中断。材料粘附到阳极壁(和给料喷射器的出口)的现象称为堵塞。由堵塞所引起的最关键的事项为a)等离子射流的偏转，b)从阳极分离且找到其进入涂层方式的材料的嵌入(见handbookofthermalspraytechnology(热喷技术手册))，以及c)完全塞住喷射端口。

若干现有技术的装置起作用是经由在阳极外侧的等离子气流周围的气氛中喷涂时形成护罩(见由s.matthews题为shroudedplasmasprayofni-20crcoatingsutilizinginternalshroudfilmcooling(使用内部护罩膜冷却的ni-20cr涂层的护罩等离子喷涂)的文章(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s0257897214002679)、由s.yoon等题为tribologicalbehaviorofb4creinforcedfe-basebulkmetallicglasscompositecoating(b4c增强铁基大金属玻璃复合涂层的摩擦学性能)的文章(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s0257897210007279)、由j.li等题为effectofvapordepositioninshroudedplasmasprayingonmorphology,andwettabilityofthemetallicni20crcoatingsurface(护罩等离子喷涂中气相沉积对金属ni20cr涂层表面形貌和润湿性的影响)的文章(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s0925838817338926)以及ep2439306，其公开内容明确地通过引用以其整体并入本文中)，或在火焰周围进行火焰喷涂(见授予weidman的美国专利5,285,967，其公开内容明确地通过引用以其整体并入本文中)以保护所喷射的材料免遭周围环境(特别地在合金情况下免遭氧化或在塑料情况下免遭燃烧)。在所有那些工艺中，气体在安装到喷枪上的延伸部中喷射，且从而仅发生在材料喷射点的下游和喷枪的外侧且在等离子工艺情况下发生在阳极外侧。图2示意性地示出常规等离子体枪pg的示例，其使用护罩气流，该护罩气流沿护罩sh的内壁形成内部护罩气体膜isgf。装置结合粉末轨迹pt使用粉末喷射pj和护罩气体喷射isi来将粉末颗粒p转变为涂层材料。

对于大多数的热喷工艺，特别是等离子喷涂工艺，径向给料喷射置于喷枪外侧，以避免材料在喷枪的喷嘴和出口上积聚，但该布置可改进。对于低于100毫巴(且尤其是低于5毫巴)的工作压力下的基于粉末的喷涂真空工艺，喷涂羽流一旦它离开约束的阳极就径向扩展，其使外部喷射不可行。在基于悬浮物或基于溶液的喷涂工艺的情况下，大部分的传递能量被吸收，主要以蒸发溶剂。结果，为了具有更有效的熔化给料的工艺，材料的喷射在阳极内侧完成。在该位置处，由于来自阳极壁的约束，等离子体更致密且更缓慢，导致与具有粉末材料外部喷射的喷涂系统相比更长的停留时间和更高的热传递速率。

一些等离子喷涂系统为给料使用轴向喷射系统，以允许内部喷射到更致密、更热的等离子体中。然而，该设计经受两个缺点。第一是喷射器暴露于更加高的热通量，导致材料在喷射器本身上(在出口处或还在喷射器内侧更深处)积聚的可能性增加。第二是使用某些等离子参数方案或等离子气体成分，从热气体或等离子射流生成的流是湍流，导致材料沉积在阳极壁上。

因为等离子射流在喷嘴出口处从射流轴线的径向扩展，真空型等离子喷涂工艺需要具有材料的内部喷射。喷射相对于等离子射流径向地朝等离子射流进行，且可具有相对于射流轴线在45°至135°的角度之间上游或下游的方向。可选地，喷射也可具有在0与20°之间的径向涡旋，允许粉末材料径向地但稍微偏离等离子射流的轴线中心地喷射。

在悬浮物型等离子喷涂和溶液前体等离子喷涂中，该工艺在大气中或在处于最低至几毫巴压力的受控气氛下进行。在后一情况下，等离子体枪和系统放置到受控气氛室中，其中气体成分和压力可在给定压力下设置和调节。用于这些应用的典型阳极设计通常不包括任何护罩形成气体入口。然而，大气热喷工艺(比如大气等离子喷涂(aps)、火焰喷涂(fs)或电弧丝喷涂)利用由放置在喷涂装置上的延伸部或延伸喷嘴所生成的护罩气体。它们特征为护罩气体入口，该护罩气体入口位于给料喷射的下游，以便用惰性气体(比如氮、氩或类似物)填充包含涂层材料的气体射流周围的体积，以保护喷涂材料免遭周围空气(特别是氧)。在该情况下，采用喷射的护罩气体使得它不影响喷枪内侧的热气流和材料通量。

然而，上文提到的现有技术的公开内容都未描述使用本文中示出类型的阳极来提供有利的益处。

技术实现要素：

本发明的实施例包括一种等离子体喷嘴，该等离子体喷嘴包括布置成与热喷枪接合的喷嘴本体，其中该喷嘴本体包括：轴向通孔，其具有上游输入孔口和下游喷嘴出口；至少一个材料喷射器，其定位在上游输入孔口与喷嘴出口之间，所述至少一个材料喷射器构造成将给料引入到通过轴向通孔的气流中；以及至少一个气体喷射器，其构造成将护罩气流引入到轴向通孔中，且可位于所述至少一个材料喷射器的上游的位置处。

至少一个气体喷射器可为喷嘴本体的壁中的开口，且至少一个材料喷射器为喷嘴本体的壁中的开口。

至少一个气体喷射器可为喷嘴本体的壁中的开口，其具有比所述至少一个材料喷射器的直径小的直径或尺寸。

至少一个气体喷射器可为第一开口，且至少一个材料喷射器为第二开口，且其中第一开口布置在由第二开口的直径的3倍所限定的半圆形区域中，且该区域的半径从第二开口的中心轴线延伸。

第一开口可包括与第二开口的中心轴线以相同量间隔的多个开口。

第一开口可包括与第二开口的中心轴线以不同量间隔的多个开口。

第二开口可包括多个开口。

喷嘴还可包括至少一个下游气体喷射器，其定位在所述至少一个材料喷射器的下游。

至少一个下游气体喷射器可包括相对于轴向通孔的中心轴线以一方位角定位的多个下游气体喷射器。

喷嘴本体可为阳极。

喷嘴本体可为热喷枪的阳极。

本发明还包括一种热喷枪，该热喷枪包括上文描述的等离子体喷嘴。

本发明还包括一种热喷枪等离子体喷嘴，该热喷枪等离子体喷嘴包括阳极，该阳极包括：轴向通孔，其具有上游输入孔口和下游喷嘴出口；至少一个材料喷射器开口，其定位在上游输入孔口与喷嘴出口之间，所述至少一个材料喷射器开口构造成将给料引入到通过轴向通孔的气流中；以及至少一个气体喷射器开口，其构造成将护罩气流引入到轴向通孔中，且位于所述至少一个材料喷射器开口的上游的位置处，其中至少一个气体喷射器开口在直径上小于至少一个材料喷射器开口。

至少一个气体喷射器开口可布置在由至少一个材料喷射器开口的直径的3倍所限定的半圆形区域中，且该区域的半径从至少一个材料喷射器开口的中心轴线延伸。

至少一个气体喷射器开口可包括与至少一个材料喷射器开口的中心轴线间隔的多个开口。

至少一个气体喷射器开口可包括与至少一个材料喷射器开口的中心轴线以不同量间隔的多个开口。

本发明还包括一种热喷枪等离子体喷嘴，该热喷枪等离子体喷嘴包括阳极，该阳极包括：轴向通孔，其具有上游输入孔口和下游喷嘴出口；至少一个材料喷射器开口，其定位在上游输入孔口与喷嘴出口之间，所述至少一个材料喷射器开口构造成将粉末给料引入到通过轴向通孔的气流中；以及至少一个气体喷射器开口，其构造成将惰性护罩气流引入到轴向通孔中，且位于所述至少一个材料喷射器开口的上游的位置处，其中至少一个气体喷射器开口在直径或尺寸上小于至少一个材料喷射器开口。

至少一个气体喷射器开口可布置在由至少一个材料喷射器开口的直径或尺寸的3倍所限定的半圆形或弧形区域中，且该区域的半径从至少一个材料喷射器开口的中心轴线延伸。

至少一个气体喷射器开口可包括与至少一个材料喷射器开口的中心轴线间隔的多个开口。

至少一个气体喷射器开口可包括与至少一个材料喷射器开口的中心轴线以不同量间隔的多个开口。

本发明还包括一种制造上文描述类型中任一种的等离子体喷嘴的方法，其中方法包括将至少一个气体喷射器开口布置在至少一个材料喷射器开口的上游，且在由至少一个材料喷射器开口的直径的3倍所限定的半圆形区域中，且该区域的半径从至少一个材料喷射器开口的中心轴线延伸。

本发明还包括一种使用上文描述类型中任一种的等离子体喷嘴的方法，其中方法包括在经由至少一个材料喷射器开口引入粉末时通过至少一个气体喷射器开口引入惰性气体，该至少一个气体喷射器开口位于至少一个材料喷射器开口的上游，且在由至少一个材料喷射器开口的直径的3倍所限定的半圆形区域中，且该区域的半径从至少一个材料喷射器开口的中心轴线延伸。

本发明的实施例还包括阳极和/或具有阳极的喷嘴，其防止材料在阳极中材料喷射端口附近和其下游积聚。这通过喷射与材料喷射附近和其下游的等离子射流的总气流相比少量的气体来实现。喷射区域可从接近于喷射点上游延伸到阳极出口。这形成气体薄层，该气体薄层沿阳极壁流动，且其防止材料沉积在阳极内侧。

本发明的实施例包括阳极和/或具有阳极的喷嘴，其中在阳极中产生的气体护罩像屏蔽物那样作用且保护阳极壁免遭所喷射的材料。结果，该构造防止给料在阳极壁上积聚。这导致阳极寿命增加，延长操作时间，且允许喷涂工艺更长的连续操作，而没有中断和涂层质量上的偏差。

新颖的设计可用于热喷工艺(诸如lpps、vps、ps-pvd、sps和spps)中。在阳极内侧(特别地位于粉末喷射端口的上游)的不同护罩气体入口的位置是有利的，且未用于常规系统中。

对使用常规系统的那些(具有如下常见预期：此类构造将使所产生的护罩气体限制从粉末端口去向热气体或等离子体的颗粒流，从而降低熔化或蒸发所喷射给料的效率)，本发明将并非看似直觉所得。其次，在喷射的护罩气体处于室温的情况下，在等离子射流处于最多达20000k的温度时，可不利地在喷嘴或阳极内侧生成湍流，其可使颗粒流从轴向方向偏转。

然而，实验观察示出了，在常规阳极的情况下，涂层积聚开始于在粉末端口周围的再冷凝和/或液相形成。这是由于如下事实：作为粉末的给料具有某一尺寸分布，且喷射到来自粉末端口的载气的冷气体和热等离子气体(诸如等离子射流)的混合物中。阳极的冷壁、湍流和粉末端口处的强温度梯度允许涂层材料在粉末端口周围积聚。然而，当某人将用于供应护罩气体的至少一个入口放置在本发明的阳极中粉末端口附近(特别是上游)时，这将通过产生其中给料无法沉积的气体薄膜来限制在阳极壁上粉末端口周围的该积聚。可控制护罩气体的气流的类型和量以及上游的精确位置，以允许限制如之前描述的在粉末端口上游引入冷气体的负面影响，但同时将减小给料在粉末端口上游积聚的机会。可采用在粉末端口径向周围和下游的护罩气体喷射的额外构造来完全停止在喷涂系统的较长操作期间材料积聚的形成。

实验数据和数字模拟还示出了，以本发明的方式使用护罩气体可起到将粉末颗粒朝热气体或等离子射流的中心引导和浓缩且进入最热区的作用，且所喷射的护罩气体因此沿阳极壁形成冷气体的薄膜。特别地，在粉末端口的上游喷射护罩气体可起到防止在粉末端口上游再冷凝和/或液体形成的作用。该最佳构造归因于来自喷射的护罩气体、喷射的载气、粉末颗粒以及这些较冷气体连同由等离子气体产生的较热气流的混合物的在喷嘴内侧存在的不同流速。

本发明的护罩生成气流的气体入口可布置在粉末喷射所位于的阳极的区段中。粉末材料可从一个或若干粉末端口喷射。护罩气体入口所应定位的可能且最佳的区可在粉末端口的上游以及在粉末端口朝阳极出口之间的下游。通过一个或若干护罩气体入口的总气流可为通过粉末端口喷射的总载气流的50%与150%之间。喷射的护罩气体可为任何惰性气体，特别是氩或氦，但也可为双原子气体，诸如氮。护罩气体可与用来喷射粉末颗粒的载气相同或不同。护罩气体入口的直径或尺寸与粉末端口的直径或尺寸相比可在20%与120%之间，特别地在20%至80%之间，优选地在20%至50%之间。

布置在喷嘴/阳极壁中的粉末喷射端口(以及气体喷射器端口i)可为圆形或非圆形的，诸如卵形或椭圆形(例如，斜椭圆形)，其中伸长端沿上游/下游的方向定向。在此类情况下，某人可通过平均直径或开口尺寸来限定其。备选地，某人可将此类开口限定为具有限定为开口较大距离的直径。备选地，某人可通过其开放区域来限定开口，可将此用作其尺寸。除了圆形、卵形或椭圆形，用于端口的形状可具有其它形状，诸如大体上矩形、方形、三角形等。

在所有布置中，应存在可位于粉末端口上游的至少一个护罩气体入口。应存在位于半径最大为粉末端口周围粉末端口直径或尺寸3倍的区域中的至少一个上游入口。额外的护罩气体入口可放置在上游，在相对于整个圆周上的粉末端口在长度上最大为粉末端口直径或尺寸3倍的区域中。在粉末端口的下游，它们可在整个圆周上位于粉末端口与阳极出口之间的任何距离处。当某人比较最小直径和最大直径时，护罩气体入口的直径可不同达100%。至少一个气体入口放置在其中的区域可表征为区域a或第一区域。其中额外入口可以以不同的布置和未限定的数量放置的区域可表征为区域b或第二区域。典型地，真空型系统中的粉末端口直径或尺寸在0.5与5mm之间，特别地在1至3mm之间。实际示例证明了，在0.5与1.5mm之间(优选地在0.75与1mm之间)的护罩气体入口直径可提供最佳的结果。类似于粉末喷射端口，护罩气体的喷射相对于主要过程气流可具有轴向和径向的不同方向，引发某一涡旋效应，以遵循或抵消主要过程气流的流动和/或涡流。

附图说明

包括附图以提供对本发明的进一步理解，且将附图并入该说明书中并构成该说明书的一部分。附图示出本发明的实施例，且连同描述用来解释本发明的原理。图中：

图1示出采用粉末材料在阳极内侧的内部喷射的现有技术的vpsf4喷枪；

图2示出采用内部护罩气体膜的现有技术布置；

图3示出可用来实施本发明的阳极的区段的截面，且示出各种位置和区域尺寸；

图4a和图4b示出根据本发明的一个非限制性实施例的阳极的区段的截面。图4b的截面是示意性的且相对于图4a的截面正交地截取；

图5a和图5b示出根据本发明的另一非限制性实施例的阳极的区段的截面。图5b的截面是示意性的且相对于图5a的截面正交地截取；

图6a和图6b示出根据本发明的另一非限制性实施例的阳极的区段的截面。图6b的截面是示意性的且相对于图6a的截面正交地截取；

图7a和图7b示出根据本发明的另一非限制性实施例的阳极的区段的截面。图7b的截面是示意性的且相对于图7a的截面正交地截取；以及

图8示出示例性粉末端口，该粉末端口带有由不同直径的斜椭圆形粉末喷射器开口所限定的弧形区域。

具体实施方式

以下详细描述作为示例而非作为限制来示出本公开内容的原理。该描述将清楚地使本领域技术人员能够制造和使用本公开内容，且描述本公开内容的若干实施例、改变、变型、替代和使用，包括目前认为是执行本公开内容的最佳方式。应理解的是，图是本公开内容的示例性实施例的图解和示意性表示，且不限制本公开内容，也不必按比例绘制。

通过结合附图考虑的以下描述，将理解作为本公开内容的特征的关于其结构和操作方法的新颖特征连同其另外的目的和优点，其中本公开内容的实施例作为示例示出。然而，要明确理解的是，图仅出于图示和说明的目的，且它们不意在作为对本公开内容的限制的定义。

在以下描述中，将参照附图描述本公开内容的各种实施例。根据需要，本文中论述本公开内容的详细实施例；然而，应理解的是，所公开的实施例仅为可以以各种和备选的形式体现的本公开内容的实施例的示例。附图不必按比例，且一些特征可扩大或缩小以示出特定构件的细节。因此，本文中公开的特定结构和作用细节不被认为是限制性的，而是仅作为教导本领域技术人员不同地采用本公开内容的代表性基础。

本文中示出的细节仅作为示例且出于说明性论述本公开内容的实施例的目的，且是为了提供被认为是本公开内容原理和构思方面最有用且容易理解的描述的内容来呈现的。在该方面，不去试图比基本理解本公开内容所必要示出的更详细地示出本公开内容的结构细节，使得该描述结合图使本公开内容的形式可如何在实施中体现对本领域技术人员显而易见。

除非上下文另外清楚地指示，否则如本文中使用的单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数对象。例如，引用“粉末材料”还将意指除非特别排除，否则可存在一种或多种粉末材料的混合物。如本文中使用的，不定冠词“a”指示一个以及多于一个，且不一定使它指称的名词限于单数。

除了另外所指示的，否则用于说明书和权利要求书中的表示数量的所有数字应理解为在所有示例中均由用语“约”修饰。因此，除非相反地指示，否则在说明书和权利要求书中阐述的数字参数是近似值，取决于试图由本公开内容的实施例获得的期望特性，该数字参数可不同。至少，且不应视为试图将等同原则的应用限于权利要求书的范围，应根据有效数字的数量和普通的舍入约定来解释每个数字参数。

另外，该说明书内的数字范围的列举认为是该范围内的所有数字值和范围的公开内容(除非另外明确地指示)。例如，如果范围是从约1到约50，认为该范围包括例如1、7、34、46.1、23.7，或该范围内的任何其它值或范围。

如本文中使用的，用语“约”和“大约”指示所讨论的量或值可为指定的特定值或在其附近的某一其它值。大体上，表示某一值的用语“约”和“大约”意在表示该值的±5%以内的范围。作为一个示例，短语“约100”表示100±5的范围，即从95至105的范围。大体上，当使用用语“约”和“大约”时，可预期的是，可在指示值的±5%的范围内获得根据本公开内容的类似结果或效果。

如本文中使用的，用语“和/或”指示可存在所述组的全部或仅一个元素。例如，“a和/或b”应意指“仅a，或仅b，或a和b两者”。在“仅a”的情况下，该用语还涵盖没有b的可能性，即“仅a，而没有b”。

用语“至少部分地”意在表示以下特性在某一程度上或完全实现。

用语“基本上”和“基本”用来表示以下特征、特性或参数完全(全部)实现或满足，或在很大程度上未不利地影响预期结果。

如本文中使用的，用语“包括”意在为非排他性的和开放式的。因此，例如，包括化合物a的组合物可包括除了a以外的其它化合物。然而，用语“包括”还涵盖“基本由……构成”和“由……构成”的更严格的含义，使得例如“包括化合物a的组合物”也可(基本)由化合物a构成。

除非特别相反地声明，否则本文中公开的各种实施例可单独使用且可以以各种组合使用。

现在将参照图3来描述本发明，图3示出阳极an的区段的截面，其具有位于阳极an的壁w中的具有直径“d”的粉末入口或喷射端口p。端口p可以以类似于图1中示出的方式延伸穿过壁w。标有字母a的半圆形区域示出一个区域，在该区域中可放置一个或多个护罩气体入口，这些气体入口将位于端口p附近。粉末端口p周围的区域a位于端口p的上游，且由端口p的直径“d”的3倍的直径来限定。第二较大区域b也可包括额外的可选气体入口，且从上游位置“x”延伸到下游位置“y”。例如，在lpps和ps-pvd类型的系统中，共同的粉末端口p直径“d”为3mm。因此，在此类应用中，至少一个气体入口(未示出)应置于区域a的上游，该区域a由直径为9mm的半圆限定。在粉末端口p的上游，可将额外的气体入口放置在9mm区域a内，且也可在端口p的上游或下游以及半圆区域a外侧(即，在区域b中)放置一个或多个额外的气体入口。

图4a和图4b示出阳极an的实施例的两个正交截面，该阳极an包括图3的区域a中的5个气体入口i，其与粉末端口p等距且紧邻粉末端口p。在此类布置的情况下，避免载气材料在粉末端口p周围的积聚。在此类布置的情况下，通过所有气体入口开孔i的总护罩气体相对于通过阳极an的载气流可有50%至150%之间的不同。优选地，通过入口i以低于载气流的100%的流量提供气流。此外，在喷涂条件是用于lpps(其中材料汽化)中的那些条件的情况下，某人应注意到，过高的护罩气流可导致非期望的再冷凝。与用来产生等离子气体射流的气流相比，载气和护罩气体的流量可为10%到30%。载气流也可在若干粉末端口喷射器或端口p以及覆盖气体入口i中分流。典型地，总载气流可在5与60nlpm(每分钟标准升)之间。它们也可在20与50nlpm之间，且优选地在25与40nlpm之间。在另一方面，通过入口i的护罩气流可设置在5与80nlpm之间，典型地在20与75nlpm之间，且优选地在25与40nlpm之间。

图5a和图5b示出阳极a'n的另一实施例，该阳极a'n具有一个或多个粉末喷射端口p'和多个气体入口i'。在该情况下，空气入口i'位于图3的区域a中，在与粉末端口p'的不同距离处。在端口p'的下游，布置额外的空气入口i'，且相对于粉末端口p'处于另一个方位角，其中一些入口i'位于图3的区域b中。该实施例设计成生成气体护罩，该气体护罩遵循所喷射的载气的扩散。除了在阳极壁和材料/等离子射流之间形成保护性气体护罩，该构造还导致喷射的粉末材料朝阳极轴线偏转到最高等离子体温度的区中。数字模拟指示，这将改进从热等离子射流到粉末颗粒的热传递，这相对于材料沉积对比喷射的材料量，带来更高的效率。尤其在ps-pvd喷涂(其中粉末材料传递到气相中)的情况下，与缺少护罩空气入口的经典阳极设计相比，较大部分的粉末材料将汽化。与前面的实施例一样，区域a中的入口i'的作用是防止材料在粉末喷射端口p'周围最关键区中积聚。然而，在该实施例中，位于区域b中的入口i'用于防止材料在阳极壁中积聚。

图6a和图6b示出阳极a''n的另一实施例，该阳极a''n具有一个或多个粉末喷射端口p'和多个气体入口i''。在该情况下，一些空气入口i''位于图3的区域a中，在与粉末端口p''的不同距离处。在端口p''的下游，布置额外的空气入口i''，且这些相对于粉末端口p''处于另一个方位角，其中一些入口i''位于图3的区域b中。另外，一个或多个空气入口i''位于相对于粉末端口p''以一定方位角布置的空气入口i''之间的区域b中，且这些形成围绕粉末端口p''的大体上圆形的气体入口''组。该实施例还设计成生成气体护罩，该气体护罩遵循所喷射的载气的扩散。除了在阳极壁和材料/等离子射流之间形成保护性气体护罩，该构造还导致喷射的粉末材料朝阳极轴线偏转到最高等离子体温度的区中。认为该布置可改进从热等离子射流到粉末颗粒的热传递，这相对于材料沉积对比喷射的材料量，可带来更高的效率。尤其在ps-pvd喷涂(其中粉末材料传递到气相中)的情况下，与缺少护罩空气入口的经典阳极设计相比，较大部分的粉末材料将汽化。与先前的实施例一样，区域a中的入口i''用于防止材料在粉末喷射端口p''周围的最关键区中积聚。然而，在该实施例中，位于区域b中的入口i'被认为是起到防止材料在阳极壁中积聚的作用。

图7a和图7b示出具有一个或多个粉末喷射端口p'''和单个弧形气体入口i'''的阳极a'''n的另一实施例。在该情况下，弧形空气入口i'''位于图3的区域a中，其中端部部分位于与粉末端口p'''不同的距离。在端口p'''的下游，可以以类似于先前实施例的方式布置额外的气体入口i'''(图7中未示出)。该实施例也可设计成生成气体护罩，该气体护罩遵循所喷射的载气的扩散。除了在阳极壁和材料/等离子射流之间形成保护性气体护罩，该构造还导致喷射的粉末材料朝阳极轴线偏转到最高等离子体温度的区中。认为该布置可改进从热等离子射流到粉末颗粒的热传递，这相对于材料沉积对比喷射的材料量，可带来更高的效率。尤其在ps-pvd喷涂(其中粉末材料传递到气相中)的情况下，与缺少护罩空气入口的经典阳极设计相比，较大部分的粉末材料将汽化。与先前的实施例一样，区域a中的伸长弧形入口i'''用于防止材料在粉末喷射端口p'''周围的最关键区中积聚。

粉末喷射端口p、p'、p''或p'''以及气体喷射器端口或入口i、i'、i''和i'''可为圆形或非圆形的，诸如卵形或椭圆形(例如，斜椭圆形)，其中伸长端沿上游/下游的方向定向。图8示出斜椭圆形粉末端口p的示例。在此类情况下，可通过平均直径或通过开口的尺寸来限定端口p。备选地，可将此类开口限定为具有直径，该直径限定为开口的较大距离(基于使用主轴)，即，图8中的较大的竖直箭头r1。在限定区域a时，可使用竖直箭头r1来确定区域a(表示图8中较大的半圆所覆盖的区域)的距离d1的3倍，或可使用水平箭头r2(基于使用短轴)来确定区域a(表示图8中较小的半圆所覆盖的区域)的距离d2的3倍。在此类非圆形的开口或端口p的情况下，本发明考虑使用任一种选择。备选地，可通过其开放区域来限定开口或端口p，且这可将此用作其尺寸。除了圆形、卵形或椭圆形，用于端口的形状可具有其它形状，诸如大体上矩形、方形、三角形等。

本发明的护罩生成气流的空气入口i、i'、i''和i'''可布置在粉末喷射端口p、p'、p''和p'''所在的阳极an、a'n、a''n和a'''n的区段中。粉末材料可从一个或若干粉末端口喷射。护罩气体入口所应定位的可能且最佳的区可在粉末端口的上游以及在粉末端口和朝阳极出口之间的下游。通过一个或若干护罩气体入口的总气流可为通过粉末端口喷射的总载气流的50%与150%之间。喷射的护罩气体可为任何惰性气体，特别是氩或氦，但也可为双原子气体，诸如氮。护罩气体可与用来喷射粉末颗粒的载气相同或不同。与粉末端口p、p'、p''和p'''的直径相比，每个护罩气体入口i、i'、i''和i'''的直径可在20%与120%之间，特别地在20%至80%之间，优选地在20%至50%之间。

在所有布置中，应存在可位于粉末端口上游的至少一个护罩气体入口。应存在位于半径最大为粉末端口p、p'、p''或p'''周围粉末端口直径或尺寸3倍的区域中的至少一个上游入口。相对于整个圆周上的粉末端口，可在最大为粉末端口直径或长度尺寸的3倍的区域中，在上游放置额外的护罩气体入口i、i'、i''或i'''。在粉末端口的下游，它们可在整个圆周上位于粉末端口p、p'、p''或p'''和阳极出口之间的任何距离处。当比较最小直径和最大直径时，护罩气体入口i、i'、i''或i'''的直径或尺寸可不同达100%。至少一个气体入口放置在其中的区域可表征为区域a或第一区域(见图3)。其中额外入口可以以不同的布置和未限定的数量放置的区域可表征为区域b或第二区域(见图3)。典型地，真空型系统中的粉末端口的粉末端口直径在0.5与5mm之间，特别地在1至3mm之间。实际示例证明了，在0.5与1.5mm之间(优选地在0.75与1mm之间)的气体入口i的护罩气体入口i、i'、i''或i'''直径可提供最佳的结果。类似于粉末喷射端口p、p'、p''或p'''，经由入口i、i'、i''或i'''的护罩气体的喷射相对于主要过程气流可具有轴向和径向的不同方向，引发某一涡旋效应，以遵循或抵消主要过程气流的流动和/或涡流。

此外，至少因为本文中以使某人能够制造和使用本发明的方式来公开本发明(诸如为了简单或有效，借助于特定示例性实施例的公开内容)，在没有本文中未特别公开的任何额外的元件或额外的结构的情况下可实施本发明。

注意，前述示例仅为了解释目的提供，且绝不看作是限制本发明。虽然参照示例性实施例描述本发明，要理解的是，本文中使用的词语为描述和说明的词语，而非限制的词语。可在如目前声明和修正的所附权利要求书的范围内进行改变，而不在其方面脱离本发明的范围和精神。虽然本文中参照特定器件、材料和实施例来描述本发明，本发明不意在限于本文中公开的细节；相反，本发明延伸到所有作用上等同的结构、方法和使用，诸如在所附权利要求书的范围内的那些。