专利名称：用于热喷涂的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于热喷涂的设备，并具体涉及一种便携式热喷枪，用于将含聚合物的涂层材料涂敷在基底上。
背景技术：
术语“热喷涂”指的是这样一种工艺，在该工艺中，当单个熔滴或者颗粒位于基底表面上时，加热并推动涂层材料的原料。借助于使用可燃气体或电弧，涂层材料被涂敷器(例如热喷枪)加热，并且被转变成熔融的、或者塑性熔滴或颗粒，在压缩气体的作用下，这些颗粒被推出喷枪外。当涂层材料颗粒撞到基底时，它们变平并形成附着在基底表面上的若干小薄片(“薄板(splat)”)。这些薄板冷却，并形成了具有叠层结构的涂敷的涂覆材料层。
已知各种类型的热喷枪。例如，Weidman的美国专利No.5,285,967公开了一种高速氧气-燃料(“HVOF”)热喷枪，用于将例如热塑性化合物、热塑性/金属合成物、或者热塑性/陶瓷合成物的熔融粉末合成物喷涂在基底上，从而在该基底上形成涂层。该喷枪包括HVOF火焰产生器，用于向流体冷却的喷嘴提供HVOF气流。气流的一部分被转移用于预热粉末，同时在喷嘴的下游位置处，将预热的粉末射入主气流中。在确定喷嘴界线的外罩中设有强迫通风源和真空源，用于冷却沉积在基底上之前的、处于飞行中的熔融粉末。
热喷枪一般使用氧气-燃料气体、空气-燃料气体、或者空气-液态燃料、氧气-液态燃料的混合物，或者电弧以及等离子体作为热媒来熔化这些单个的熔滴并将这些单个的熔滴推进到预备好的基底上。热喷涂装置属于下列一般热喷涂工艺类别的装置(1)线材燃烧；(2)粉末燃烧；(3)双线材电弧；(4)等离子-粉末；(5)高速氧气-燃料气体-粉末；(6)高速氧气-燃料气体-线材；(7)高速空气-液态燃料-粉末；(8)高速氧气-液态燃料-粉末；(9)爆炸火药(detonation gunpowder)；和(10)水炮-等离子(water cannon plasma)。通常热喷涂装置为线材燃烧喷涂、粉末燃烧喷涂、等离子喷涂和电弧喷涂的装置。
在线材燃烧喷涂工艺中，启动燃烧热源，并将呈线或者棒状的原料驱动到热媒中，在热媒中，压缩空气流将热源聚集在轴向进给的原料周围，从而将原料熔化成雾状，并将原料推动到基底上，以便于沉积涂层。
使用现有的线材燃烧喷涂技术喷涂聚合物材料已经进行了多次尝试，但是，当将需要使聚合线材雾化的空气压缩波定向以便将高温火焰直接冲击到原料材料上时，尝试并未成功，并从而消耗了所产生的雾化熔滴。与该装置有关的高温可以导致涂层脆化。在燃烧前，现有的线材燃烧技术使用虹吸塞(siphon plug)来混合氧气和燃料气体。这对于加工是一种复杂而又昂贵的元件。
在粉末燃烧喷涂工艺中，启动燃烧热源，并轴向地或者切向地将呈粉末状的原料引入传播的火焰中。借助于粉末加料器或者安装有喷枪的料斗来运送原料粉末材料。
已经使用了粉末燃烧喷涂工艺来涂敷聚合物材料，但是，火焰的温度消耗了50％或者50％以上的原料材料。另外，相对较高的温度可以烧掉随后涂敷的涂层并且/或者导致涂层脆化。在燃烧前，现有的粉末燃烧技术使用虹吸塞来混合氧气和燃料气体。这对加工是一种复杂而且昂贵的元件。燃烧粉末装置并不能产生对准并定向的压缩波，而且也不能提供在喷嘴体中冷却混合空气，以由此可以降低火焰温度。
在电弧喷涂工艺中，将具有相反极性的、相似或者不相似材料的两种原料线材进给到喷涂装置内，在该喷涂装置里，引导两种线材相互撞击，从而撞出电弧，导致原料材料迅速熔化。聚集的压缩空气流使熔融材料雾化，并将材料推进到基底上。电弧的产生源是MIG电焊整流器，在这种整流器中，正电荷被施加在一个原料材料上，而负电荷或者地电位则被施加在另一个原料线材上。
电弧需要呈线状的材料，该材料必须是导电的，因此电弧喷涂并不适合于作为喷涂塑料材料的手段。
在等离子粉末喷涂系统中，借助于使惰性气体通过由电极和喷嘴所形成的间隙之间，产生热源，其中电极和喷嘴处于一电位上。高伏特数、高频率、低安培数的电弧放电，桥接电极和喷嘴之间的间隙。这种低安培数的电弧使惰性气体部分离子化，并产生了用于低伏特数、高安培数电压的导电通路，从而完成电路。惰性气体从而被完全分离，膨胀，并高速离开喷嘴孔。在分离的气体重新结合期间，产生热量，用该热量来熔化被切向射入等离子火焰的原料材料粉末。火焰的速度将原料材料粉末推进到基底上。
等离子喷涂喷枪已被用来喷涂带有铝成分的高温聚酯，但意图是要烧掉一些聚合物材料。该装置的运行成本还限制了它作为用于经济的现场涂敷粉末涂料的装置。
在爆炸喷涂喷枪系统中，通过一串受控的爆炸，传播热源。借助与内燃机里的气门类似的装置，将氧气-燃料气体混合物喷射入腔室内。然而，该腔室在一端敞开，而且没有活塞。借助于与气门机构协调工作的火花塞，点燃氧气-燃料气体混合物。每秒钟重复多次加燃料并点燃的循环，所产生的爆炸波熔化了原料材料，并将原料材料推进到基底上。原料材料以粉末形式从粉末进给装置被运送。
爆炸喷枪较大，而且需要专用的房间。它不能在现场使用。爆炸喷枪被用来涂敷硬而致密的涂层，并且不适合于喷涂聚合物材料。
高速并不适合于涂敷聚合物材料，这是因为燃料和氧化媒介气体所需要的压力保证了较大的火焰和较高的温度。而且，非常高的速度对塑料熔滴有害。火焰温度可以降低所涂敷涂层的质量并使其脆化。而且，装置的高运行成本甚至阻止了它成为涂敷低成本聚合物材料的可行装置的可能性。
粉末进给器呈多种结构，但是，基本功能是运送呈粉末状的材料。这些结构是带有文氏管运送的流化床、带有文氏管运送的机械螺杆、带有文氏管运送的重力自流进料、带有文氏管运送的测量轮。需要粉末进给器将呈粉末状的材料从与所述设备分开来的材料源运送到各种设备中。这个设备可以是热喷涂装置、静电粉末喷枪、挤塑螺杆和注射模塑设备。在所有的情形中，必要的是运送精确测量的而且没有脉动的材料的进料器。这对于热喷涂粉末燃烧装置和静电喷枪而言是尤其必要的。
当前流化床文氏管粉末进给器技术不足以在热喷涂装置和静电粉末喷枪中使用。在静电喷枪和热喷涂设备中，喷嘴处用以将原料材料运送到基底上所需要的压力、速度和流动不同于产生真空和计量原料材料(喷涂率)所需要的压力、速度和流动。目前所用的设备对于计量和运送功能都使用相同的压力、速度和流动来源。这对两个单独的功能会产生危害。机械螺杆/文氏管和测量轮文氏管将这两种功能分开，但是它们会受到约束、磨损、以及来自于轮或者螺杆中不均匀进给的脉动的影响。
粉末喷涂设备经静电喷枪将聚合物/粉末喷涂材料运送到基底上。该喷枪将电荷施加在原料材料上，原料材料处于与所要涂层的基底不同的电荷。将被涂层的部件放置在炉中，从而熔化并固化电附着的聚合物材料。在这种技术的第二实施例中，将要涂层的基底放置在炉中，并将其加热到所要涂敷的聚合物材料的熔点之上。然后，将加热的部件浸入原料聚合物粉末的流化床中，由此与加热部件相接触的材料熔化，并沉积在基底上。
对于使用来说，这两个实施例都有限制。它们要求高能量成本来运行炉子。由于它们是工厂的固定设备，因而它们不能现场使用。能够被涂层的部件受可用的炉子的尺寸的限制。在静电设备的例子中，因为会影响电荷，金属和/或导电聚合物的某些组合可能会被排除在外。
如上所述，已尝试使用现有的热喷涂技术来涂敷呈粉末状的热喷涂聚合物材料，而且取得非常有限的成果。另外，已经生产了专用于涂敷聚合物粉末材料的设备。这些设备的热源是氧气-燃料气体或者丙烷空气混合气。它们的作用类似于通常的热喷涂粉末燃烧枪。然而，它们对聚合物材料的温度要求稍微胜于为金属和陶瓷材料设计的较高温度热喷涂燃烧粉末设备。
这些设备的效果存在限制。它们没有处理应对热媒中的颗粒速度和流量以及提供与喷枪的热输出一致的所测喷涂速率所要求的压力和流量的独立功能的要求。它们或者为所用的材料和热输出提供准确的喷涂速率，或者提供准确的速度和流动以实现适当的停留时间，或者对两者进行折衷。而且，这些设备所有的先前的实施例都使用虹吸塞气体混合装置。在丙烷空气混合气热源的例子中，火焰的化学计量的功能未与被用来提供原料材料的准确速度和流动的空气分开。当额外的空气被导入火焰中、以推进颗粒时，火焰的温度随着丙烷和氧气的适当混合而升高。在这些设备所有先前已知的实施例中，由于在火焰接触聚合物原料材料之前，它们不能应对冷却火焰的要求，所以火焰的温度过高。当聚合物原料材料与火焰接触时，这种高温导致该聚合物原料材料燃烧或者成了附加的燃料源。这由当聚合物材料被导入热媒中时所产生的明亮的橙色火焰显示出。原料材料的这种燃烧导致沉积率减小在50％以下。另外，它阻止了使用静电等级(5到160微米的范围)材料，这些材料可提供较均匀和光滑的涂层。这通常限制了流化床材料的装备，该材料在80到200微米的范围内，并运送较粗糙的涂层。由于现有设备的温度太高，它们不能应付对于压缩波的需要，从而影响到降低温度的热源到聚合物材料原料的有效传递。先前的实施例依赖于在涂敷聚合物原料材料之前将基底预热到400，以获得可用的沉积涂层。迄今为止，所有的技术都不能处理冷却空气或者压缩射流与喷嘴气体射流对准的重要性。最后，先前已知的设备在喷涂参数的范围和控制方面受限制。
尽管已知了各种设备，但是依然有对改进设备的明显需要。这些改进包括更好地控制热源媒介；用于将热源中的材料速度和流动功能和材料计量(喷涂速率)功能分开的改进的材料运送；去掉虹吸塞混合装置；能够在接触聚合物原料材料之前冷却火焰温度；产生压缩波，以便有效的将降低温度的热源传递到聚合物原料材料上；对将冷却的混合空气与喷嘴火焰射流对准的需要；对将压缩波射流与喷嘴火焰射流对准的需要；能够喷涂较小微米的静电等级材料(5到160微米)，以便提高涂层均匀性和光滑度；能够在几乎不需要或者不需要预热基底的情况下涂敷聚合物涂层；能够涂敷聚合物材料，同时不将它作为燃料源消耗掉；能够获得接近100％的聚合物涂层的沉积率；在涂敷涂层时，借助于热喷涂装置，能够不破坏所涂敷的聚合物涂层或者降低涂层的质量；以及能够具有较大范围的喷涂参数并能控制这些参数。
发明内容
本发明涉及一种用于热涂敷塑料和粉末喷涂层的新型设备，并具体涉及一种用于将聚合物涂层材料涂敷到基底上的便携式热喷枪。材料呈粉末或者线状，并大致包括了所有已知的热塑性和热固性聚合粉末涂料，即环氧树脂、尿烷、尼龙、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚、丙烯酸树脂、乙烯树脂、PVC、碳氟聚合物、硅树脂、以及所包括的材料的混合物和多种组合物。一般而言，所有成粉末状的、在5微米到500微米之间范围内的聚合物材料都可在上述装置中使用。而且，被拉成线形或者能被拉成线形的所有聚合物材料都可在上述装置中使用。呈粉末或者线状的材料可以包括其它有机聚合物材料或者无机矿物或者金属材料，诸如陶瓷、硅石、石墨、碳以及所有呈粉末状的金属。金属材料可以呈下列形式铜、黄铜、青铜、钨以及碳化铬、不锈钢、铝、锌、锌/铝、铁以及所有单组分金属和可用于通常的热喷涂工业的合成物。杀菌剂、防污剂以及润滑材料也可以被包括在塑料聚合母体中。
下面参照附图描述各实施例，在附图中图1和2是本发明系统的概略图；图3是采用双文氏管的粉末进给系统的概略图；图4是示出本发明的喷枪设备的截面图；图5是示出喷枪体的截面图；图6是示出喷枪体的侧视图；图7是示出喷枪体的燃料和氧气通道的平面截面图；图8是示出喷枪体的空气通道的平面截面图；图9A、9B和9C分别是喷嘴的端视图、侧视图和侧面剖视图；图10是扩散环的侧面剖视图；图11是喷枪设备的概略端视图；图12A和12B分别是示出空气分配盖的端视图和侧视图；和图13是示出空气盖体的侧面剖视图。
具体实施例方式
本发明采用了涡流燃料-氧气混合器以及其它革新，用以提供一种具有高达100％的涂层材料沉积效率的便携式火焰热喷枪。它简单而且方便在现场使用，并在涂敷例如固体光滑表面涂层、或者多孔、或者粗糙表面涂层方面给予了用户较大的灵活性，用于任何所期望厚度的任何特定的聚合物涂层材料。
热涂敷的聚合物及粉末涂料喷涂系统包括喷枪，且独特的实施例包括新型和独特的粉末进给器以及受调节和受控供应空气、氧气以及丙烷。所要涂敷的聚合物材料被放在粉末进给器中，从而材料的进给速率受进给速率文氏管控制，且该聚合物材料在进给器内被导向材料运送文氏管，从而将所要涂敷的原料材料引导到喷枪，在喷枪中，该聚合物材料被熔化，并被推进到基底上，以便于涂敷。粉末进给器的控制取决于到流化腔室、材料进给速率文氏管和材料运送文氏管的受调节的压力和流动。喷枪受从粉末进给器所供来的材料速率的控制，并且受材料速率的独立的运送速度和流动的控制。另外，喷枪具有压力和流动受控的氧气和丙烷供应源，用作燃烧热源。压力和流动受控的空气供应源被引导到喷枪喷嘴的独特射流中，所述独特射流起到了在低温熔化的原料材料聚合物和燃烧火焰之间提供帘幕(curtain)的作用并且还起到了冷却燃烧火焰的作用。相同的空气被引导到压缩射流中，该压缩射流与喷嘴空气射流对准，使得将冷却的燃烧火焰冲击到原料材料上。这些射流形成了压缩波。在这个工艺中所产生的压缩波允许将热媒迅速地传递到所要熔化的热塑聚合物材料上。这种压缩波与压力锅相类似。但是，它是开放的而不是封闭的系统。该压缩波被集中在由聚合物线材或者粉末形成的轴周围，并具有远离腔室的向前动量。该系统允许迅速熔化原料材料，而不会烧掉细微的材料或者降低这些材料的质量。
该设备包括双涡流，该双涡流通过在同一点上、但是沿相反方向喷射氧气和丙烷而传播，从而在由扩散环体和喷枪体形成的第一级腔室内，氧气和丙烷预先混合，且富含氧气的涡流沿逆时针方向移动，而富含丙烷的涡流沿顺时针方向移动。该双涡流从喷射点沿着180度的相反方向移动，并进入相对的口中。在进入这些口后，富含氧气的涡流和富含丙烷的涡流被导向以便相交，并在由扩散环体和喷嘴杆形成的第二级腔室中完成燃烧气体的混合。然后，混合好的燃烧气体通过由喷嘴杆和扩散环形成的环形间隙，从而进入了由喷嘴体的背部、扩散环的表面、喷嘴杆和喷枪体形成的腔室中。然后，气体经喷嘴气体排出口离开喷嘴，从而传播燃烧火焰。这种气体混合方法是新的、新颖的和独特的。对于加工简单、易行，并且去掉了在所有其它燃烧热喷涂设备中所见的复杂的虹吸塞组件。由于存在双腔室和双涡流，因而它减轻了回火，这是因为对于维持燃烧，在涡流中且尤其是在速度增加时，气体从第一腔室通过口到第二腔室中，使得供应速率大于燃烧速率的情况中，难以出现回火。因此这种方法本质上是安全的。
该设备包括对准销，该对准销允许压缩射流与火焰射流和火焰冷却喷嘴空气射流对准。在一个实施例中，空气盖体中的压缩射流沿盖空气盖体的半径线与喷嘴中的火焰冷却射流对准，并沿着喷嘴中的半径线。这允许被冷却的燃烧气体冲击并压缩原料材料。在该设备的另一个实施例中，压缩射流沿着由喷嘴中的火焰射流和空气分配盖中的压缩射流形成的半径对准。这个实施例允许更高温度的热气体冲击在原料材料上，但是在所有其它的方式中，对于刚在上面描述的内容，操作和功能上类似。空气分配盖中的压缩射流借助于嵌入喷枪体中的对准销相对于喷嘴火焰射流或者冷却喷嘴空气射流定向，并穿过扩散件，进入喷嘴体，从而喷嘴固定到位，同时相对于喷枪体定向和固定冷却射流和火焰射流。在喷枪体中有第二对准销，其使空气分配盖对准。该空气分配盖优选地具有两个对准的孔，这两个孔允许所要与喷嘴中的冷却空气射流或者喷嘴中的火焰射流对准的压缩射流定向。没有已知的热喷涂装置包括了这个对准特征。该特征独特而且新颖。非常重要的是保证设定的参数不随着喷枪组件的任意对准而变化。而且，没有已知的粉末燃烧热喷涂设备使用压缩波射流来实现将热迅速传递到粉末原料材料上。本发明的设备不仅压缩热火焰气体，而且还提供了冷却空气射流，该冷却空气射流起到了热火焰和低熔点的聚合物涂层材料之间的帘幕的作用。
该设备包括新的、独特的并且新颖的火焰冷却喷嘴空气射流。这些射流在喷嘴中处于随后连续的火焰射流之间的中间位置，并且同心地比火焰射流更靠近用于材料原料的排出口。这种布置在火焰射流和涂层材料之间提供了空气帘幕，使得涂层材料并不直接与火焰射流的高温燃烧气体接触。本实施例使来自火焰射流的热气体在与材料原料接触之前被冷却。没有已知的热喷涂设备包括了这个特征。
独立控制用于氧化燃料气体的含氧气流和用于喷嘴冷却的空气气流避免了具有对氧化和材料冷却均使用单个气流源的缺点。也就是说，如果对燃料气体氧化和涂层材料均使用相同的气流，则足够多增加用于冷却的空气流量以便于冷却可能会导致空气的化学计量过多，熄灭了燃料气体火焰。而另一方面，将空气流量保持在空气/燃料比的可燃限制内可能会造成未充分冷却涂层材料。这又会造成低熔点聚合物过热并烧焦，从而阻止它们作为涂层材料使用。本发明的设备和系统避免了这个问题。
借助于喷嘴的材料排出口，该设备提供了在喷枪前部独立控制原料材料进入热源中的速度和流动。对于所有的粉末热喷涂设备，尤其是用于低熔点的可燃聚合物原料材料的热喷涂设备，这种独立运送是必要的。聚合物原料材料呈粉末状是可燃的。当它们与火焰接触时，它们可以作为额外的燃料源。至少为了这个原因，对于所期望的进给速率，至少供应的速度必须大于原料材料的燃烧速率。然而，涂层材料在加热带中的停留时间必须足够以便将热媒传递到原料材料上，以使得所有的颗粒被适当地熔化。没有已知的现有热喷涂设备具有这种独立的必要功能。所有现有的粉末燃烧热喷涂装置使用相同的速度和流动来建立喷涂速率，并将其传递到喷枪的前部进入热媒中。所需要的喷涂速率和所需要的速度和停留时间是两个不一致的功能，它们必须被分开。借助于新的、独特的并且新颖的粉末进给器，我们的实施例具有了这个特征。
如上所述，该设备包括新的、独特的且新颖的粉末进给器。这种流化床粉末进给器允许将材料进给速率和进入热媒中的材料速度和流动的功能分离开。这是借助于将两个文氏管发生器(与一个相反)的独特组合而实现的。第一个是材料进给速率文氏管，其被调节成控制将原料材料运送到敞开联结中的第二文氏管时的速率。该敞开联结使第二文氏管抽真空并提供独立于第一文氏管的所期望的速度和流动的流动。当不要求材料流动时，第二文氏管继续起作用。这种连续的速度和流动与对于所要喷涂的原料材料在喷枪前部处所需要的运送和停留时间相匹配。这种连续的速度和流动保证了材料进给软管不会在该软管的弯折处聚集材料原料粉末，聚集会造成背压和波动。当需要材料时，第一文氏管将粉末从粉末进给器料斗中吸出，并在第二文氏管的真空口中射入所期望的量。第一文氏管的流动和速度总是比第二文氏管的低。在材料进给软管中没有机会产生背压。没有波动，且非常精确的无脉动材料流被运到热媒中。所有其它现有的流化床文氏管粉末进给器设备依赖于一个文氏管将测定速率的原料材料运送到热喷涂装置、静电粉末喷枪、注射模塑机、挤压机或者大批材料处理运送中。从而，运送空气或者气体媒介的速度和流动取决于期望的材料被运送到具体设备中时的速率。单文氏管的概念具有所期望材料的运送脉动、波动、阻塞以及速率不一致的问题。这样的原因是在将材料吸出并射入材料原料运送软管中时，软管内出现材料并聚集，导致背压，阻止了空气流入文氏管中并且减小了真空度。软管内的材料必须在重新建立真空和运送新材料之前从减小的流量中流出。这个循环重复，并且材料流量总是从非常多变化到非常少或者没有。
尽管上述特征它们自身是新的、独特的且新颖的，但是它们在一块起作用的合作关系提供了真正能够有效地涂敷聚合物和粉末涂层原料材料的设备，接近100％的沉积率，而不会降低原料材料、被涂敷的涂层或者基底的质量。
现在参照图1，显示了一种涂层涂敷系统10，其使用本发明的热喷枪来涂敷涂层材料。该涂层涂敷系统10包括便携式热喷枪100，该喷枪100与压缩空气流的供应源A、燃料气体F(如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙炔等)、氧气的供应源O和涂层材料的供应源CM相连接。喷枪100优选地包括把手110，以便方便手动使用。如这里所用的，术语“氧气”包括纯氧和具有至少和空气一样多的氧成分的含氧气体混合物。涂层材料呈粉末状，这些粉末的颗粒大小优选地在从约5微米到约500微米的范围内。当系统处于运行时，涂层材料粉末被空气流流化，且空气和涂层材料颗粒都被供应到热喷枪100中，以便于将涂层12涂敷在基底14的表面上。
涂层材料可以是能够熔化而质量不会显著降低的任何热塑性聚合物材料。这类热聚合物包括、但不限于聚乙烯(低密度和高密度的)、聚丙烯(低密度和高密度的)、聚氨酯(低密度和高密度的)、尼龙(例如，尼龙6、尼龙11)、尼龙共聚物、EVA、EEA、ABS、PVC、PEEK、PVDF、PTFE(例如，特富龙)以及其它氟碳聚合物、聚碳酸脂、丙烯酸、聚醚、聚酯、环氧树脂、硅树脂以及它们的化学和/或物理的组合物。涂层材料中的另外的组分可以包括作为单独的粉末或者覆层粉末的金属(例如，锌、铝、锌铝合金、铁金属合金、铜以及铜合金等)、陶瓷、碳、石墨或者功能性组分，诸如染色剂、导电材料(例如，用于电磁屏蔽)、荧光剂或者磷光材料、防污剂、反射材料、雷达波吸收材料、UV保护器、杀菌剂等。
涂层材料所要涂敷的基底14可以是多孔的或者不是多孔的材料(例如，钢、铝)、木材、软木、玻璃、陶瓷、固态或者发泡聚合物材料、含纸材料、沥青材料、石膏、水泥、混凝土、石头、或者能够接纳涂层的任何其它材料。用于热喷涂涂层的各种应用包括下列事物的喷涂或者涂层桥、船、飞行器、地面移动车辆、建筑物、高速路或者其它类型的标记、路标、海洋环境中的各种结构，诸如船坞或者码头；和含聚合物涂层材料的喷涂应用适合的其它任何操作。
A、F、O和CM用的所有供应输入都具有独立控制流动速率和/或压力的装置，以便于允许热喷枪操作员进行调节。涂层材料在热喷枪出口和所要涂层的基底表面之间的独立流动速率的变化和/或飞行距离的变化可以产生出光滑的表面涂层，或者粗糙的表面涂层，或者如所期望的、各种不同的物理涂层特征。
现在参照图2和3，涂层涂敷系统包括双文氏管系统，用于控制涂层材料从涂层材料供应源CM到热喷枪100的进给。更具体地说，来自压缩空气源CA的空气被分成了独立受控的气流A、B、C和D。如上所述，气流A被直接连接到热喷枪100。气流B为受控制的流化床空气供应源。气流C为受控制的材料进给速率空气供应源。气流D为受控制的材料运送空气供应源。
涂层材料供应源CM包括料斗20，在该料斗20中，涂层材料颗粒的床23被容纳并支撑在多孔的流化床支撑板22上。从流化床空气供应气流B来的压缩空气被引导通过流化床空气供应导管24进入支撑板22下的压力通风室中。压缩空气上升通过支撑板22并使颗粒床23流化。
来自气流C的压缩空气被引导通过导管25进入第一文氏管26，并穿过该文氏管的轴向通道27。流化的涂层材料颗粒经入口29被吸入该通道27中，并被引导进入第二文氏管30中。口21用以平衡料斗20的内部和外部之间的压力。入口28作为材料虹吸口和/或空气虹吸口使用。
来自材料运送气流D的压缩空气被引导进入第二文氏管30的空气喷射喷嘴31中。从第一文氏管排出的涂层材料颗粒或者通过虹吸口28被抽取的空气被引导通过第二文氏管的轴向通道32，并例如通过柔性管形导管、管道或者其它合适的装置被送到热喷枪100。
使用单独受控的第一和第二文氏管提供了优良的涂层工艺的控制性能。而且，双文氏管系统克服了与单文氏管系统有关的问题，即速度慢、材料阻塞以及不期望的脉动运行，与材料的平稳流动相反。应当指出上述的用于材料运送的双文氏管系统(图2和3)可用于需要流化粉末材料的受控供应的对任何分配设备或者用于任何通常目的的材料供应。而且，尽管这里所述的系统以压缩空气作为运动的流体，但是在上述的双文氏管系统中，根据什么适合于任何期望的目的，可以使用任何压缩气体(例如，氮气、诸如氦气或者氩气的惰性气体、氧气、二氧化碳等)。
现在参照图4到8，喷枪体120为细长部件，优选地由铝合金或者任何其它合适的金属做成。轴向通道122适合于接收压缩空气和涂层颗粒的流体流并远端地将它们朝空气喷枪100的排出端部引导。氧气流通过氧气供应通道121被纵向和远端地输送，并接着穿过氧气运送通道125，该运送通道125朝出口136成角度，与喷枪体的轴线X形成角度α。燃料气体F通过燃料气体供应通道124(图7)被纵向地运送，然后穿过燃料气体运送通道127，该运送通道127朝共用的氧气-燃料气体出口136成角度，优选地也与喷枪体的轴线X形成角度α。角度α的范围优选地在从约30°到约80°之间，更优选地在从约40°到50°之间，但是当认为合适时，可以采用这些范围外的角度。由于氧气运送通道125和燃料气体运送通道127的成角度的定向，因而在下述的涡流气体混合腔室115(图4)中形成了双涡流。氧气沿一个圆形方向流动，而燃料气体沿相反的方向流动，从而提供了氧气和燃料气体的旋转混合。压缩空气通过空气供应通道123被纵向地并远端地输送，然后通过空气运送通道126，该运送通道126随后分支为倾斜的通道126a和126b(图8)中，这两个通道终止于喷枪体的远端表面137。
喷枪体120的远端包括喷嘴座128，其为凹槽，该凹槽的结构和尺寸被设置成接纳喷嘴150的近端部分。扩散件座133为凹槽，其结构和尺寸被设置成接纳扩散环140。孔131的结构和尺寸被设置成接纳对准销111，在扩散环140和喷嘴150被安装在它们相应的座133和128中时，该对准销111保持了这些组件的静止位置。螺纹部分135适合于空气盖体190的旋合连接。喷枪体120的远端部分还包括大致圆筒形的远端延伸的安装表面134，用于安装空气分配盖170。
现在参照图9A、9B和9C，喷嘴150包括大致圆筒形体，其具有近端杆部151a和远端凸缘部151b。杆部151a适合于被接纳在喷枪体的喷嘴座128中。O形环159a、159b座于相应的周向凹槽151e中，并在喷嘴150的圆周外围151c周向地延伸，从而提供了气体密封和固定座。O形环159c被定位在杆151a的近端部分周围。
喷嘴150具有供流化涂层材料和载送气体移动通过的轴向通道152。通道152包括具有恒定直径的部分152a和向外喇叭形张开的远端部分152b。
凸缘部151b包括多个通道155，这些通道155沿喷嘴的长度方向(即平行于轴的方向)定向，以便于燃料气体和氧气从其中通过。通道155包括近端部分155a，其具有相对较宽的横截面；和远端部分155b，其具有相对较窄的横截面。
凸缘部151b的通道154是成角度的以致具有径向部分154a和沿长度方向延伸部分154b。通道154在凸缘部151b的圆周外围151c上的开口处允许空气进入并在喷嘴的远端表面151d处将空气排出。
凹槽153适合于接纳对准销111。
喷嘴150的独特构造使得能够充分控制火焰、空气和涂层材料流动，允许空气帘幕来保护涂层材料颗粒使之免于在过多的热量下质量下降。更合适地，提供了足够的热量来熔化颗粒，然后颗粒被喷射在基底表面上。
参照图9A和9B，可以看到，通道155和154的远端出口一般以交替、或者交错方式设置在喷嘴的远端表面151d周围，成相应的同心圆形布置。然而，空气通道154的出口同心地更接近涂层材料通道152一个距离D，从而提供了置于氧气-燃料气体火焰的高温燃烧气体和涂层材料流之间的空气帘幕。因此，使涂层材料充分地被加热，导致熔化，但是并未被燃料火焰射流烧焦，或者降低质量。距离D可以是适合于这里所述的任何目的的任何距离，并且一般可在从约0.1毫米到5.0毫米的范围内，但是在合适时，可以采用该范围外的距离。
现在参照图10，扩散件140包括环形体141，其具有供喷嘴的杆部151a通过的轴向开口142。周向壁141a和近端面对的环形壁141b一起至少部分地限定了用于混合燃料气体和氧气的涡流气体混合腔室115。对准孔144适合于接纳对准销111，该对准销111纵向设置通过对准孔144，接着进入如上述的喷嘴的凹槽153中。侧面开口143允许从涡流气体混合腔室115的燃料氧气混合物进入第二涡流混合腔室116(图4)中，该第二涡流混合腔室116至少部分地由扩散环的远端面对环形表面146(图10)和喷嘴凸缘部151b的近端面对表面156(图9B、9C)限定出。如上所述，本发明的设备所提供的双涡流混合防止了回火，并提供了喷枪的稳定工作，以及其它的好处。
现在参照图11，概略的端视图示出了从氧气供应通道121和燃料气体供应通道124的流动，离开共用出口136并流经第一涡流气体混合腔室115，然后通过扩散件140中的侧面开口143，并进入第二涡流气体混合腔室116中，从该第二涡流气体混合腔室116进入并流过喷嘴150的燃料氧气通道155。
现在参照图12A和12B，空气分配盖170包括环形体171和轴向通道172。将对准销112(图4)接纳在空气分配盖170(图12B)的凹槽173中，以对准空气分配盖和喷枪体120，并将空气分配盖固定在喷枪体120上。空气分配盖包括多个径向口174，用以引导空气从第一环形空气流动腔室117(图4、11)到第二环形空气流动腔室118(图4)，空气从该第二环形空气流动腔室118被引导进入并通过喷嘴的孔154。空气通过空气运送通道126a和126b(图11)进入第一空气流动腔室117。喷气孔175向内成角度，并且在压缩空气从其中通过并被射入火焰时，提供了压缩波。
参照图13，空气盖体190包括大致环形的部件191，其具有轴向通道192。该空气盖体190的内表面193包括螺纹部分195，用于与喷枪体的螺纹部分135(图6、7)旋合。第一环形空气流动腔室117至少部分地由该空气盖体的内表面193和空气分配盖170(图12B)的外表面176限定出。
在操作中，涂层材料在喷枪的排出端穿过氧气-燃料气体的火焰，在火焰中，涂层材料被熔化成熔滴。火焰是喷射火焰，其借助于由朝设备轴线向内成一角度引导的压缩空气所提供的压缩波而形成。通过喷嘴排出的空气流提供了一个热“缓冲”，以防止涂层材料颗粒在过热作用下降低质量。分别控制燃料供应源F、氧气供应源O、压缩空气A和用于涂层材料供应源CM的第一及第二文氏管26和30，使用户能够优越地控制喷涂工艺。可以使用多种涂层材料，且效率和涂层质量优异。
尽管上述描述包含了很多细节，但是这些细节不应当被认为是本发明的限定，而是仅作为本发明优选实施例的示例。在如所附权利要求限定的本发明的范围和要旨内，本领域技术人员将了解很多其它的
权利要求
1.一种热喷涂系统，包括(a)喷枪涂敷器，其提供了用于将涂层材料喷射通过焰区的降低的温度带射在基底上，该喷枪涂敷器包括喷枪体，其具有供涂层材料从其中通过的轴向导管，该喷枪体包括燃料气体供应导管、氧气供应导管和压缩空气导管；和安装在该喷枪体远端部分上的组件，该组件包括喷嘴，该喷嘴具有多个第一通道，用于将氧气-燃料气体混合物流在远端喷射到焰区中，以提供高温燃烧气体；并具有多个第二通道，用于将压缩空气流远端地喷到焰区中，以提供降低的温度带，该组件还包括空气分配盖，该空气分配盖具有多个口，用于在朝该喷枪体的轴线向内成角度的方向并朝焰区将压缩气体远端地排出，以提供压缩波，以便于使涂层材料迅速熔化；和(b)用于将涂层材料供应到所述喷枪涂敷器的装置。
2.如权利要求1所述的热喷涂系统，其中，所述组件还包括第一环形腔室，用于旋涡式混合燃料气体和氧气；和第二环形腔室，用于旋涡式混合从该第一环形腔室流过来的燃料气体和氧气。
3.如权利要求1所述的热喷涂系统，其中，所述喷嘴具有供涂层材料从其中通过的轴向通道、近端杆部和远端凸缘部，该凸缘部包括以交替方式布置的所述多个第一和第二通道，所述第一通道纵向延伸通过所述凸缘部，且所述第二通道分别具有若干径向定向部分和纵向定向部分，其中该径向定向部分带有设置在该凸缘部的圆周外围上的若干入口开口。
4.如权利要求3所述的热喷枪喷涂系统，其中，所述第一通道具有以大致圆形布置设置在所述喷嘴的远端表面处的相应远端出口，且所述第二通道的纵向定向部分终止于以大致圆形布置设置在所述喷嘴的远端表面处的相应远端出口，该第二通道的出口的圆形布置与所述第一通道的出口的圆形布置同心并且小于该第一通道的出口的圆形布置。
5.如权利要求1所述的热喷涂系统，其中，用于供应涂层材料的装置包括涂层材料颗粒的流化床；第一文氏管装置，用于将涂层材料颗粒流从该流化床运到压缩空气中；第二文氏管装置，用于接收来自该第一文氏管装置的涂层材料颗粒流，并将该涂层材料颗粒流运到所述喷枪涂敷器中，其中，所述第一和第二文氏管装置中的每一个都由压缩空气各自的单独气流独立控制。
6.如权利要求5所述的热喷涂系统，其中，所述涂层材料包括热塑性或者热固性聚合物材料。
7.如权利要求6所述的热喷涂系统，其中，所述聚合物材料选自由下列物质构成的组环氧树脂、聚氨酯、尼龙、聚酯、聚碳酸脂、聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸类聚合物、PVC树脂、碳氟聚合物、EVA、PEEK、PVDF、硅树脂以及它们的化学的或者物理的组合物。
8.如权利要求5所述的热喷涂系统，其中，所述涂层材料包括锌、铝、锌铝合金、铁金属合金、铜、铜合金或者陶瓷。
9.如权利要求5所述的热喷涂系统，其中，所述涂层材料包括着色剂、导电材料、荧光材料、磷光材料、防污剂、反射材料、雷达吸收材料或者UV保护器。
10.如权利要求5所述的热喷涂系统，其中，所述涂层材料的颗粒大小在从约5微米到约500微米的范围内。
11.如权利要求1所述的热喷涂系统，其中，所述涂层材料呈线材的形式。
12.如权利要求1所述的热喷涂系统，其中，所述喷枪涂敷器为便携式的，并且包括把手。
12.一种热喷枪涂敷器，包括喷枪体，其具有供涂层材料从其中通过的轴向导管，该喷枪体包括燃料气体供应导管、氧气供应导管和压缩空气导管；和安装在该喷枪体远端部分上的组件，该组件包括喷嘴，该喷嘴具有多个第一通道，用于将氧气-燃料气体混合流远端地喷射到焰区中，以提供高温燃烧的气体；并具有多个第二通道，用于将压缩空气流远端地喷到焰区中，以提供降低的温度带，其中，该组件还包括第一环形腔室，用于旋涡式混合燃料气体和氧气；和第二环形腔室，用于旋涡式混合从该第一环形腔室流过来的燃料气体和氧气。
13.如权利要求12所述的热喷枪涂敷器，其中，所述组件还包括空气分配盖，该空气分配盖具有多个口，用于在朝该喷枪体的轴线向内成角度的方向并朝焰区将压缩气体远端地排出，用以提供压缩波。
14.一种用于用涂层材料涂敷基底的方法，该方法包括(a)提供热燃烧气体的焰区；(b)将压缩空气喷到该焰区中，以提供降低的温度带；(c)将压缩空气以一角度引入该焰区，以提供压缩波；(d)将涂层材料喷射通过所述降低的温度带，并喷射在所述基底上。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述基底是金属、木材、软木、玻璃、陶瓷、聚合物、含纸材料、或者沥青材料。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述涂层材料含有聚合树脂。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述涂层材料为颗粒材料，该颗粒材料的大小在从约5微米到约500微米的范围内。
18.如权利要求15所述的方法，其中，提供焰区的所述步骤包括燃烧作为气流环被导入焰区的氧气-燃料气体混合物。
19.如权利要求18所述的方法，其中，将压缩空气喷到焰区中以提供降低的温度带的步骤包括喷出压缩空气流环，该压缩气流环与所述氧气-燃料气体流环同心，但是置于热燃烧气体和涂层材料之间。
20.一种用于供应粉末材料的装置，其包括容纳在壳体内的粉末材料颗粒的流化床；第一文氏管，用于将粉末材料颗粒流从该流化床运到压缩空气中；第二文氏管，用于接收来自该第一文氏管装置的粉末材料颗粒流，并喷出该粉末材料颗粒流，其中，所述第一和第二文氏管中的每一个都由压缩空气各自的单独气流独立控制。
21.如权利要求20所述的装置，其中，所述粉末材料包括热塑性或者热固性聚合物材料。
22.如权利要求21所述的装置，其中，所述聚合物材料选自由下列物质构成的组环氧树脂、聚氨酯、尼龙、聚酯、聚碳酸脂、聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸类聚合物、PVC树脂、碳氟聚合物、EVA、EAA、ABS、PEEK、PVDF、硅树脂以及它们的化学的或者物理的组合物。
23.如权利要求20所述的装置，所述涂层材料包括锌、铝、锌铝合金、铁金属合金、铜、铜合金、陶瓷、碳或者石墨。
24.如权利要求20所述的装置，其中，所述粉末材料包括着色剂、导电材料、荧光材料、磷光材料、防污剂、反射材料、雷达吸收材料、杀菌剂或者UV保护器。
25.如权利要求20所述的装置，其中，所述粉末材料颗粒的大小在从约5微米到约500微米的范围内。
全文摘要
一种用于将颗粒材料热喷涂在基底上的系统，其包括喷枪设备，该喷枪设备具有双涡流腔室用于混合燃料气体和氧气。该设备提供了喷射火焰，该喷射火焰由压缩空气所形成的压缩波产生。双文氏管控制流化涂层材料颗粒的流动，以便将涂层材料平稳地并受控地运送到喷枪。
文档编号B05B7/20GK1867409SQ200480029634
公开日2006年11月22日 申请日期2004年9月27日 优先权日2003年10月9日
发明者托马斯·加德尔加 申请人:埃克希姆公司