专利名称：用于动力喷嘴系统的改进的无堵塞的粉末喷射器的制作方法
技术领域：
本发明涉及动力喷射领域，本发明尤其涉及用于动力喷嘴系统的改进的粉末喷射器。该粉末喷射器克服了与先前的粉末喷射器有关的堵塞问题，同时改进了由动力喷射处理形成的涂层。
背景技术：
在1994年4月12日公布的由Alkimov等人提出的美国专利号5,302,414中，公开了一个利用超声的喷嘴和喷射技术，用具有颗粒尺寸从1到50微米的粉末颗粒来生产致密的连续层涂层的过程。该技术在本领域中作为动力喷射或冷动力气体喷射而被熟知。
该技术的要素记载在由TH.Van Steenkiste等人著的文章中，题为“KineticSpray Coaings”，发表在1999年1月10日的Surface and Coatings Technology的第111卷的62-71页上。该文讨论了生产具有低孔隙率、高粘附力、氧化物含量低以及热应力低的连续层涂层。该文描述了通过在加速气流中输送金属粉末，通过汇集-发散德拉瓦尔型喷嘴并将它们朝目标基底投射来生产涂层。由于牵制效应，这些颗粒在高速气流中被加速。所用的气体可以是各种各样的气体，包括空气、氮气、氦气或其他惰性气体。人们发现这些形成涂层的颗粒粘附到基底上前不熔化或热软化。提出这样的理论，这些颗粒在它们的动能转化成足够水平的热能和机械变形时粘附到基底。因此，人们相信，颗粒速度必须足够高以超过允许其在撞击基底时粘附的临界速度。这使得动力喷射完全不同于所有形式的热喷射。所有的热喷射系统具有共同的特征，即被喷射的材料在喷射装置中熔化，且该材料以熔融状态撞击基底。因此，所有用热喷射方法喷射的材料不论它们是粉末、固体状态的颗粒等在喷射过程中都经历了相变。
已经发现，在动力喷射过程中，当入口气体温度增加时，给定颗粒混合物的沉积效率增加了。增加入口气体温度减小了其密度并增加了其速度。气体速度大约随入口气体温度的平方根而变化。颗粒粘附到基底表面的实际机理当时还不是完全清楚。人们相信，颗粒必须在它们撞击到基底上之前超过临界速度以形成对基底的粘附。临界速度取决于颗粒的材料，较硬的材料趋向于具有较高的临界速度。人们相信，最初粘附到基底的颗粒破坏了基底材料上的氧化物壳层，从而允许随后在塑性变形颗粒和基底之间金属与金属键的形成。一旦最初的颗粒层在基底上形成，随后的涂层形成也涉及颗粒对颗粒的粘附。粘附过程不是由于颗粒在气流中熔化，因为颗粒的温度始终在其熔点以下。颗粒温度通常比气流温度低。这通常是因为颗粒在气流中的暴露时间比较短。
Van Steenkiste论文报导了由国家制造学中心(NCMS)进行以改进早期的Alkimnov过程和装置的工作。Van Steenkiste等人证明Alkimov装置和过程可以被修改，用大于50微米直至大约1 06微米的颗粒尺寸来生产动力喷射涂层。
修改过的用来生产如此大的颗粒尺寸的动力喷射连续层的过程和装置公开在美国专利号6,139,913和6,283,386中。该过程和装置将高压气体流加热到大约650℃并将其和颗粒流结合。受热气体和颗粒直接通过德拉瓦尔型喷嘴以产生在大约300m/s(米每秒)到大约1000m/s之间的颗粒出口速度。该被加速的颗粒直接针对目标基底并用足够的动能在目标基底上撞击以将颗粒粘附到基底的表面。使用的温度仍比使颗粒熔化或使所选颗粒热软化所需要的温度低很多。因此，在粘附以前以及粘附过程中都不发生相变。人们发现，每种类型的颗粒材料具有在该材料粘附到给定的基底前必须超过的临界速度。
所有的动力喷射系统使用粉末喷射器将要喷射的粉末颗粒注入喷嘴中，在喷嘴中这些颗粒粉末和气流一起混合，在气流中输送和加热，并由此它们被喷射到基底上。用来输送颗粒的气流熟知的是作为主要气体，以便与用来将颗粒注入喷嘴的喷射气流区分开来。在典型系统中用来获得在主要气流中输送的粉末的驱动力是喷射气流中比主要气流的压力高20到50psi的压力差。该主要气流的压力从200到500磅每平方英寸(psi)，更优选是280到350psi。典型地，主要气体加热到250到1000℃或更高以产生喷射颗粒所需的加速度。因此，粉末喷射器暴露于很高的温度，并将其自身加热到高温。该粉末喷射器包括喷射管，其实际上运载颗粒，通常由不锈钢制成。因为被主要气体加热，该喷射管经常由于喷射的颗粒而变得堵塞。这是一个很严重的问题，这些颗粒在被加热时会变得“发粘”。这些加热的颗粒会粘附在该喷射管的内壁，很多情况下该喷射管会在2到10分钟之内变得堵塞，这取决于要喷射的材料。因为这是一个自维护周期，其中通常不从周围温度加热的喷射器气流的流动一开始用来冷却喷射管。喷射器中需要足够的粉末气流以防止颗粒沉积在喷射管的内壁上。然而，因为它们的温度差，喷射气流速度高会使得主要气体的有效温度降低。这通常使得喷嘴的性能降低。因此，使用通过喷射管的高速气流来防止堵塞是不现实的。当颗粒沉积在喷射管的内壁时，喷射器的有效截面面积降低了，而且还限制了气流，这进一步减小了上述周期中的冷却效果。这样又提高了颗粒在喷射管内侧上的沉积速率，从而进一步减小了喷射气体的流动，最后使得喷射器完全堵塞。一旦喷射管堵塞，整个系统必须关闭，用新的喷射器替换，该堵塞的喷射器必须去掉堵塞物或丢弃。很明显，对动力喷射来说，为在工业设置中变成一个很有用的过程，克服这些限制是必要的。到现在还没有完全满意的解决方案。因此，开发一个系统，其中粉末喷射器甚至能够在高温下运行并且延长传统的“发粘的”材料的时间而不堵塞喷射管是十分有利的。
发明内容
在一个实施例中，本发明是用于动力喷嘴系统的粉末喷射器，该粉末喷射器包括喷射管和套管；该喷射管容纳在套管中并固定于套管；以及在套管的内径和喷射管的外径之间限定的气隙，其中该气隙为50到200微米。
图1是根据本发明的典型的动力喷射系统的示意图；图2a是具有现有技术的粉末喷射器的动力喷嘴的截面图；图2b是图1中所示的现有技术的粉末喷射器的展开图；图3a是未使用过的现有技术的粉末喷射管的出口端截面的SEM显微图；图3b是使用10分钟后现有技术的粉末喷射器的出口端截面的SEM显微图；图4是根据本发明设计的粉末喷射管套管的一个实施例的截面图；图5是根据本发明设计的粉末喷射管套管的另一个实施例的截面图；图6是根据本发明设计的粉末喷射管套管的另一个实施例的截面图；图7a示出了作为粉末喷射管套管的热导率的参数，在粉末喷射管的温度之上介于套管和喷射管之间的100微米气隙的理论影响；图7b示出了在喷射管上，在不同的位置，在喷射管温度之上，在粉末喷射管的出口端之外，延长粉末喷射管套管的理论影响；图7c示出了改变粉末喷射管套管的厚度对保持粉末喷射管冷却的能力的理论影响；图8a是根据本发明设计的、在使用数个小时之后粉末喷射管内部的横截面的SEM显微图；图8b是根据本发明设计的、在使用数个小时之后粉末喷射管出口端的横截面的SEM显微图；以及图9是根据本发明设计的粉末喷射管的另一个实施例的截面图。
具体实施例方式
首先参考图1，根据本发明，动力喷射系统通常示为10。系统10包括外壳12，在该外壳中设置了支撑台14和其他支撑装置。固定到台14的安装板16支撑工件夹具18，该工件夹具能在三维空间移动并能支撑由要涂覆的基底材料组成的合适工件。工件夹具18还能在系统10中馈送基底材料。外壳12包括具有未示出的至少一个气体入口，以及由合适的排气管道22连接到未示出的集尘器的气体出口20的包围壁。在涂覆运行期间，为了随后地清除，该集尘器连续地从外壳12吸取气体并收集包含在排出气体中的任何粉尘或颗粒。
喷射系统10还包括能够给高压气镇罐26提供相当于3.4MPa(兆帕斯卡)，接近500磅每平方英寸(psi)的气压的气体压缩机24。该高压气镇罐26通过管线28连接到粉末加料器30和分离的气体加热器32。该粉末加料器30典型的是高压粉末加料器。该气体加热器32给动力喷嘴34提供高压加热气体，下面将描述该主要气体。除工件夹具18外或者不是工件夹具18，提供在三维空间能够移动的喷嘴34是可能的。该主要气体的压力设置为150到500psi。粉末加料器30将喷射粉末的颗粒与气体在预期的压力下混合，显然其高于主要气体的压力，并将颗粒混合物供应给喷嘴34。运行计算机控制35以控制供应给气体加热器32和粉末加料器30的气体的压力，其控制从气体加热器32排出的加热的主要气体的温度。有用的气体包括空气、氮气、氦气以及其他惰性气体。
图2是现有技术的喷嘴34和其与气体加热器32和高压粉末加料器30的连接的实施例的截面图。主要气体通道36将气体加热器32连接到喷嘴34。通道36与预混腔38连接，该预混腔将主要气体通过气体准直仪40引导到混合腔42中。该加热的主要气体的温度和压力通过通道36中的气体入口测温热电偶44和连接到混合腔42的压力传感器46监控。该主要气体具有一个总是不足以将喷嘴34中要喷射的任何颗粒熔化的温度。主要气体的温度可以从93到1000℃范围内变化。该气体的温度在其通过喷嘴34时迅速下降。实际上，即使其开始温度在550℃以上，在该气体离开喷嘴34时测得的温度可能是室温和低于室温。具有喷射管50的粉末喷射器48固定于喷嘴34，优选通过螺纹固定。
该喷射管50通过气体准直仪40延伸，出口端52凸出到混合腔42中。该喷射管50将颗粒64分散到混合腔42中，其中它们与加热的主要气体混合。喷射器48和喷射管50优选由不锈钢制成，并且优选喷射管的内径为0.4到3.0毫米。所用的不锈钢具有接近16.3(W/mK)的导热率。
腔42与德拉瓦尔型超声喷嘴54相连。喷嘴54具有进口锥管56，其直径减小至喉58。进口锥管56形成喷嘴54的会聚区域。从喉58开始的下游是出口端60，发散区域62限定在喉58和出口端60之间。进口锥管56的最大直径可以从0.5到20毫米内变化，优选7.5毫米。进口锥管56向着喉58变窄。喉58可以具有0.5到5.5毫米的直径，优选是3到2毫米。从喉58的下游到出口端60的喷嘴54的发散区域62可以具有各种各样的形状，但在优选实施例中其具有矩形截面形状。在出口端60，喷嘴54优选具有6到20毫米的长轴、2到6毫米的短轴的矩形形状。发散区域可以具有大约50毫米到大约500毫米的长度。
喷嘴54产生300m/s到1200m/s高的输送颗粒64的出口速度。该输送颗粒64在流动通过喷嘴54时获得动能和热能。本领域技术人员认识到，主要气流中颗粒64的温度取决于颗粒尺寸和主要气体的温度而发生变化。主要气体的温度定义为由热电偶44测得的加热高压气体的温度。主要气体的温度基于要喷射的材料的类型进行选择。硬的材料，其趋向于更难以喷射，而且相对沉积效率高，通常需要更高的主要气体温度。来自主要气体加热的颗粒64的温度低于颗粒64的熔点，由于动能和热能的转化，即使碰撞，原始颗粒64的固相也不会有改变，因此它们原始的物理性能没有改变。颗粒64本身总是处于其熔点以下的温度。从喷嘴54排出的颗粒64直接朝向要涂覆的基底的表面。
如上所述，当前喷射器48的问题是在喷射过程中，其趋向于被粉末颗粒64堵塞。该问题限制了较高的主要气体温度的使用，较高的主要气体温度经常被期望对于难以喷射的材料具有高的沉积效率。最重要的是，堵塞问题限制了在制造装置中利用动力喷射处理的能力，该制造装置需要喷射系统长时间的运行而不是频繁中断。动力喷射的通常用途是涂覆钎焊合金；这些特别容易使喷射管50堵塞。在本发明中作为测试材料使用的一种合金是重量百分比为78％Al、12％Zn和10％Si的合金。在以下所述的实验中，使用该合金，其颗粒尺寸范围为53到106微米。正如本领域普通技术人员可以理解的那样，在本发明中可以使用任何其他颗粒材料，尺寸范围可以从1到500微米。具有更加韧性的材料例如上述合金、铜以及铜合金，堵塞问题特别普遍。选择该特殊的合金是因为当其在充分沉积所需的温度进行喷射时，其趋向于在2到10分钟内堵塞喷射管50，因此是一种理想的测试粉末。
图3a是未使用的喷射管50的出口端52的截面SEM(扫描电子显微镜)显微图。图3b是喷射管50的出口端52的截面SEM显微图，其示出了在主要气体温度为537℃时，正好使用10分钟后粉末颗粒70几乎完全堵塞。该测试粉末是如上所述Al一Zn-Si合金，在喷射器48上使用的压力为2.21MPa，而主要气体的压力为2.0MPa。出口端52趋向于是喷射管50的最热的部分。
图4是根据本发明设计的粉末喷射器48的一个实施例的截面图。现有技术的喷射器48通过将其插入喷射管50套管72而得到改进。在该实施例中，套管72通过粘结剂78在多个点固定于喷射管50。可以使用本领域熟知的任何高温粘结剂，因此不再描述。在套管72的内径和喷射管50的外径之间限定了气隙76。在该实施例中，喷射管50的出口端与套管72的端部74齐平。人们发现，出于很多原因需要气隙76。首先，其允许套管72热循环，在套管72中不出现裂缝。这是由于不同材料的热膨胀不匹配，由于热应力，紧密配合的套管72遭受更多的裂缝造成的。另外，如图7a所示，气隙76的出现，用参考线86示出，与参考线84所示的没有气隙的状态相比，套管72保持喷射管50的相对较低的壁温的能力增加了。优选地是，气隙76为25到200微米，更优选的是50到150微米。在该实施例中粘结剂78的作用是形成气隙76。套管72由具有比喷射管50的导热率低的材料制成，因此其使管50热绝缘。优选地是，套管72具有15.00W/mK或更小的导热率，优选是5.00W/mK或更小，最优选是2.00W/mK或更小。符合这些规范的材料包括某些陶瓷材料。优选地是，套管72由陶瓷材料或可加工的玻璃陶瓷材料制成。优选地是在大约500℃或更高的高温装置中使用的材料。一个特别有用的材料是可从Dow Corning得到的、可机械加工的玻璃陶瓷Macor。该材料具有1.46W/mK的导热率。如下是Macor的组分，所有组分以近似的重量百分比计46％SiO2；17％MgO；16％Al2O3；10％K2O；7％B2O3以及4％F。其很容易加工并且可以在高达800℃的高温下使用，仍保持其功能特性。也可以使用其他高温使用材料。套管72还可以通过本领域技术人员熟知的烧结或铸造过程形成。
图5是根据本发明设计的粉末喷射套管72的另一个实施例的截面图。在该实施例中，套管72包括其端部74附近的凹陷部分80。该喷射管50包括在其出口端52的扩张部分82。该扩张部分82容纳在凹陷部分80中并将套管72固定到喷射管50。与上述一样，该气隙76在喷射管50的外径和套管72的内径之间限定。该实施例执行简单而且耐用。
图6是根据本发明设计的粉末喷射管套管72的另一个实施例的截面图。
在该实施例中，套管72具有延伸超过喷射管50的出口端52的端部74。以下参考图7b进行讨论，将端部74延伸超过出口端52增加了套管72的冷却效果。
优选的是，端部74延伸超过出口端52的距离为喷射管50的直径的1到5倍。最优选的范围是喷射管50的直径的1到2倍。取决于套管72的长度和凹陷部分80的深度，可以实现与图5中所示的实施例相同的延伸。
某些设计的改变的效果可以通过使用计算流体动力学(CFD)计算机程序FLUENT来模拟，该程序可以从Fluent公司得到。在动力喷射过程中控制稳定状态流动和热转化处理的因素是质量、动量以及能量守恒定律。该Fluent CFD代码可以根据动量和能量处理在气相和颗粒之间的相互作用。为解释气流中的湍流，使用k-ε湍流模型。该模型在由B.E.Launder和D.B.Spalding著的“TheNumerical Computation of Turbulent Flows，Computer Methods in Applied Mechanicsand Engineering”，3，1974，PP 269-289中发现。产生轴对称模型以模拟粉末喷射管50附近的气流和热转化。由于边界条件，在喷嘴34入口规定了0.0163kg/s的质量流率和590℃的主要气体温度。对于喷射器48，使用0.003kg/s的粉末流率和80℃的粉末气流温度。在喷嘴34壁规定防滑条件。气隙76设置为100微米。用来共轭热转化的计算模型可以预示喷射器50的温度、该Macor套管72和喷射管50附近的气体温度。在该模型中使用的材料性能在以下的表1中给出。
表1
图7a示出了为模拟有或没有100微米气隙76的影响，喷射器温度与套管材料的导热率的关系图。图7a中参考线84表示没有气隙76的情况，参考线86表示有100微米气隙76的情况。可以看出，如预期的那样，套管材料的导热率越低，喷射器温度越低。另外，气隙76的出现还有助于在所有的导热率下降低喷射器温度。因此，气隙76在保护喷射管50不受高温影响是有益的。
图7b中示出了如图6所示，将套管72端部74延长到喷射管50的出口端52外，距离为喷射管50的直径的1.2倍对喷射管50温度的影响，所示用FLUENT程序计算。注意，横轴是喷射管50的标准化长度。参考线88表示如图4中所示的套管72，其中该套管72端部74与喷射管50的出口端52齐平。参考线90表示如图6中所示的套管72，其中套管72端部74延伸超过喷射管50的出口端52的距离为喷射管50的直径的1.2倍。首先，可以看到，当其进一步进入喷嘴34时，喷射管50温度上升了。其次，当端部74与出口端52齐平时，在很接近出口端52的地方温度显著上升。通过参考线90示出了延伸套管72的显著效果。在该延伸的实施例中，在出口端52附近温度实际上下降了。
图7C还是用FLUENT产生。目的是测试套管壁厚对由Macor制成的套管的冷却效果的测试。参考线92表示0.5毫米壁厚，参考线94表示1.1毫米壁厚，参考线96表示1.7毫米壁厚。正如从图中看到的那样，在该系统中为Macor增加超过0.5毫米的壁厚几乎没有什么影响。这是因为当Maco的壁厚增加时，暴露在周围高温主要气体的Macor的表面积也增加了。因此，通过暴露的表面积热转化率超过了由增加Macor的壁厚而引起的热绝缘的影响。
图8a和图8b是根据图5设计的喷射管的截面的SEM显微图，其中套管72包括凹陷部分80，喷射管50包括扩展部分82。该喷射管50与上述的Al-Zn-Si合金在593℃温度下使用4小时。图8a来自内部，可以看到内部98没有粘附到喷射管50的颗粒。图8b取自出口端100，可以看到少数颗粒102粘附到喷射管50的内部。这是对图3b的鲜明的比较，在图3b中只是在很低的温度下运行10分钟。图8a和8b示出了本发明的套管72的好处。示出了随后对壁超过100小时的测试，根据本发明，当其与套管72耦合时，其中喷射管50的效率没有降低。
图9示出了本发明的另一个实施例。在该实施例中，喷射管50以非共轴的方式将粉末64喷射到混合腔中，这样其没有经受高温。套管72还可以结合在喷射管50的周围。另外，延伸的粉末/气体调节腔106包含在混合腔42和德拉瓦尔喷嘴54之间。该交换腔106有助于输送粉末64。优选地是，交换腔106的纵向长度L为20到1000毫米。当为涂覆成型需要高的颗粒温度时，延长的粉末/气体调节腔106可以通过加热炉、加热盘管或其它未示出但在本领域熟知的加热装置进行加热。在这些涉及高温的情况下，也可以用可选冷却盘管104来保持合适的喷射管50的温度。
根据相关的法规标准描述了本发明，因此该描述是示例性的，而不是用来限制。对公开的实施例进行改进和修改对本领域技术人员来说是显而易见的，并且在本发明的范围内。因此，由本发明提供的合法保护的范围只能通过研究以下权利要求才能确定。
权利要求
1.一种用于动力喷嘴的粉末喷射器，所述粉末喷射器包括喷射管和套管；所述喷射管容纳在所述套管内并且固定于所述套管；以及限定在所述套管的内径和所述喷射管的外径之间的气隙，其中所述的气隙是25到200微米。
2.如权利要求1所述的粉末喷射器，其特征在于，形成所述套管的材料的材料的热导率小于形成该喷射管的材料的热导率。
3.如权利要求1所述的粉末喷射器，其特征在于，形成所述套管的材料的热导率为15.00W/mK或更小。
4.如权利要求1所述的粉末喷射器，其特征在于，形成所述套管的材料的热导率为5.00W/mK或更小。
5.如权利要求1所述的粉末喷射器，其特征在于，所述套管由可加工的陶瓷材料形成。
6.如权利要求4所述的粉末喷射器，其特征在于，所述可加工的陶瓷材料包括SiO2、MgO、Al2O3、K2O、B2O3和F。
7.如权利要求4所述的粉末喷射器，其特征在于，所述的套管通过烧结或铸造形成。
8.如权利要求1所述的粉末喷射器，其特征在于，所述套管由能够在至少400℃的温度下连续使用的材料形成。
9.如权利要求8所述的粉末喷射器，其特征在于，所述套管由能够在至少500℃的温度下连续使用的材料形成。
10.如权利要求1所述的粉末喷射器，其特征在于，所述套管由陶瓷材料形成。
11.如权利要求1所述的粉末喷射器，其特征在于，所述喷射管通过粘结剂固定于所述套管。
12.如权利要求1所述的粉末喷射器，其特征在于，所述喷射管具有出口端并且所述喷射器的所述出口端与所述套管的末端齐平。
13.如权利要求1所述的粉末喷射器，其特征在于，所述套管具有末端，该末端延伸超过所述喷射管的出口端。
14.如权利要求13所述的粉末喷射器，其特征在于，所述套管的所述末端延伸超过所述喷射管的出口端一距离，该距离为所述喷射管直径的1到5倍。
15.如权利要求13所述的粉末喷射器，其特征在于，所述套管的所述末端延伸超过所述喷射管的出口端一距离，该距离为所述喷射管直径的1到2倍。
16.如权利要求1所述的粉末喷射器，其特征在于，所述套管具有带有凹陷部分的末端，并且所述喷射管具有带有扩展部分的出口端，所述扩展部分容纳在所述凹陷部分中，从而将所述喷射管固定到所述套管。
17.如权利要求1所述的粉末喷射器，其特征在于，还包括围绕所述套管部分冷却的冷却盘管。
18.如权利要求1所述的粉末喷射器，其特征在于，所述气隙是25到200微米。
19.如权利要求1所述的粉末喷射器，其特征在于，所述气隙是50到150微米。
全文摘要
本发明涉及一种改进的动力喷嘴系统。该喷嘴包括改进的粉末喷射器，该粉末喷射器具有喷射管以及套管，其中喷射管容纳在套管内并固定于套管。该粉末喷射器还包括限定在套管的内径和喷射管的外径之间的气隙，其中该气隙是50到200微米。该改进的喷射器能够喷射各种各样的粉末材料，该粉末材料包括硬的“粘性的”粉末，其延长时间周期也不会堵塞，而在相似的喷射条件下，以前的设计在数分钟之内就完全堵塞。该改进的喷射器设计成可以使用较高的主要气体温度以获得改进的涂层结构和沉积效率。最重要的是，该改进设计成可使用具有宽范围粉末材料的动力喷射系统，其在制造装置中不存在由于粉末喷射器堵塞而引起的中断的问题。
文档编号C23C24/00GK1943876SQ200610143759
公开日2007年4月11日 申请日期2006年10月8日 优先权日2005年10月4日
发明者Z·赵, B·A·吉利斯皮, T·韩, J·S·小罗森, M·J·伊里什 申请人:德尔菲技术公司