热喷涂组件及其使用方法与流程

本发明整体上涉及热喷涂组件和其使用方法用于沉积材料到基底上，特别但不排他性地用于沉积硬质层到钢体上，例如用作采矿、钻地或道路铣削的工具。

背景技术：

国际专利申请公开号WO/2013/178550公开了一种制造包括用相对较硬材料层喷涂的钢基底(substrate)主体(body)的构件(construction)的方法。该方法可以包括提供一批含有铁(Fe)、硅(Si)和碳(C)源的颗粒，其中选择铁、硅的相对量使得铁、硅和碳的组合具有至多约1,280摄氏度的液相线温度(phase liquidus temperature)；并借助于热喷涂组件(thermal spray assembly)颗粒沉积到基底主体上。热喷涂工艺涉及以至少每秒约100摄氏度的平均加热速率将颗粒加热到至少约1,350摄氏度的温度，并且在与基底主体接触时以至少约每秒20摄氏度的平均速率将颗粒冷却至低于1,000摄氏度。

需要提供可用于具有相对低熔点的高效喷涂材料的装置和方法，以及用于热喷涂组件的颗粒和使用方法。

技术实现要素：

从第一方面来看，提供了一种热喷涂组件将前体材料(precursor material)转变成接合到基底主体的沉积材料层；其包括一种能够从等离子体喷嘴(plasma nozzle)产生等离子体射流(plasma jet)的等离子体焰炬(plasma torch)以及一种进料机构(feeder mechanism)，该进料机构可引导前体材料进入到正在使用的等离子体射流中，同时也能够在打开状态下能够提供进料孔(feeder orifice)；该进料机构包括一个分配室(distribution chamber)；其中分配室构造成引导围绕等离子体焰炬方位角移动的前体材料，其中多个偏转器结构被配置为用于使前体材料从分配室偏转并将其引导到引导室中，引导室构造成用于将前体材料引导到使用中的等离子体射流中。当热喷涂组件处于组装状态时，可称之为热喷涂设备(thermal spray device)。

其中在组装状态和非组装状态下对热喷涂组件设想了各种配置和组合，如下列出非限制性和非穷举性的示例。

在一些配置示例中，进料机构可包括可移动引导机构，并且构造成使得引导室能够将前体材料引导到进料孔，前体材料可以对引导机构的移动做出响应，通过进料孔从引导室移动，并以可变平均距离从等离子体喷嘴进入到等离子体射流中。

在一些配置示例中，偏转器结构可包括彼此空间隔开并且从分配室延伸到引导室的突出部(projection)。

在一些示例性配置中，偏转器结构可以配置成使得前体材料可以偏转到引导室中，在引导室内基本上均匀地方位角分布。

在一些配置示例中，热喷涂组件可包含至少两个能联接(couple)在一起的元件，其中一个元件包含等离子体焰炬，另一个元件包含有用于容纳等离子体焰炬的保持壳体；元件被协同地构造成使得当元件联接在一起时可形成所述的进料机构。

在一些配置示例中，进料机构可处于封闭状态，阻止前体材料进入等离子体射流。

在一些配置示例中，进料机构可以构造成使得前体材料的不同部分可以从会聚在等离子体射流上的多个方向同时被导入到等离子体区域中。

在一些配置示例中，引导室的体积可以在更靠近进料孔处会聚。

在一些配置示例中，引导室可以由相应的内主体和外主体的内锥面和外锥面限界，内锥面和外锥面限定相应的锥角，该锥角有4至10度的差异。

在一些配置示例中，当处于打开状态时，进料孔可具有环形形状，其围绕使用中的等离子体射流的轴向方位角延伸。

在一些配置示例中，热喷涂组件可用于等离子体转移电弧((plasma transferred arc，PTA)操作。

在一些配置示例中，引导机构可以配置成可操作以改变已通过进料孔的前体材料的路径。

在一些配置示例中，进料孔相对于等离子体焰炬的相对位置，和/或进料孔的形状和/或尺寸，可以根据引导机构的配置而改变。

在一些配置示例中，引导机构可以与进料孔相连(coterminous)，使得引导机构为进料孔提供可移动边界。

在一些配置示例中，引导机构可相对于等离子体焰炬轴向移动，其中轴线被使用中的等离子体射流的方向限定。

在一些配置示例中，引导机构可包含围绕等离子体焰炬方位延伸的可移动套筒。

在一些配置示例中，引导机构可进行配置使得进料孔可在其相对边界之间提供高达1毫米(mm)的轴向位移，轴向位移与使用中的等离子体射流的方向相对齐。

在一些配置示例中，进料机构可进行构造使得进料机构提供引导室的外边界，并且等离子体焰炬提供引导室的内边界。

在一些配置示例中，进料孔可作为引导机构的边界和等离子体焰炬之间的间隙。

在一些配置示例中，当热喷涂组件处于组装状态时，引导室可围绕等离子体焰炬方位角延伸。

尽管不希望受到特定理论的束缚，但是等离子体射流内的温度可能随着与等离子体喷嘴的轴向距离不同而改变，并且与等离子体喷嘴的合适平均距离，即前体材料导入到等离子体喷嘴的距离，在一定程度上取决于前体材料的熔点或共晶相温度。在一些示例中，前体材料可能是颗粒形式，例如粉末或者包含相应晶粒的聚集体的颗粒。前体材料可包括多种不同的材料，该材料可以由其中一种或者多种不同颗粒混合构成。

可提供一种在组装状态下使用所公开的热喷涂组件的方法(换句话说，使用所公开的热喷涂设备的方法)，该方法包括提供能够在温度小于1300摄氏度下融化的前体材料，并且通过流动的载流体将前体材料导入到进料机构；配置可移动引导机构使得前体材料进入等离子体射流可以足够远离等离子体喷嘴，使得前体材料在等离子体射流中熔化时不粘附到热喷涂设备上。

在一些示例中，引导机构可包含一个套筒，该套筒围绕等离子体焰炬所有方向延伸并且可相对于等离子体焰炬轴向移动，进料孔可以作为环形轴向间隙，其边界与套筒的边界相连，使得轴向间隙可对套筒的轴向移动做出响应而是可变的；并且其中前体材料能够在1000和1300摄氏度的温度下熔化；并且方法可包括配置套筒使得进料孔的轴向间隙在0.2至0.5mm以内。

在一些示例中，混合的前体材料可以在不低于约800或1000摄氏度下熔化。如果前体材料的熔点太低，则存在着材料可能在等离子体射流内蒸发并且在热喷涂工艺中产生损失的风险。在一些示例中，(混合)前体材料能够在至多约1300摄氏度、低于1280摄氏度或至多约1200摄氏度的温度下熔化。

在一些示例中，前体材料可适于硬质材料层沉积到钢体上，硬质层具有至少800HV10的维氏硬度；前体材料通过热喷涂到钢体上而转变成硬质材料。

在一些示例中，前体材料可包含以下的混合，铁(Fe)、硅(Si)、碳源(C)和包含金属碳化物材料的晶粒的混合，其中对Fe、Si和C的相对量进行选择，使得Fe、Si和C的混合物具有最多约1300摄氏度、低于1280摄氏度或至多约1200摄氏度的液相线温度。

该方法可以包括使用公开的示例性热喷涂设备将材料喷涂到含有钢或由钢组成的工具的主体上。例如，工具主体可以是用于路面降解(pavement degradation)或采矿(mining)的截齿(pick)，或用于钻入岩石中的钻头(drill bit)。在一些示例中，工具主体可以用于一些其他在使用中有磨损或腐蚀风险的工具或部件。通常，该方法可包含将相对较硬质层沉积到磨损部分上。

在一些示例，前体材料适于沉积在硬度大于包含在主体中的钢的硬质材料层上。沉积材料可形成能够降低使用的工具主体的腐蚀速率和/或机械磨损的层。

附图说明

图1显示了使用中热喷涂组件处于组装状态的一个实施方案的示意性截面图；

图2显示了等离子体转移电弧(PTA)热喷涂组件处于组装状态的一个实施方案的示意性侧视图；

图3显示了图2中使用中的等离子体转移电弧(PTA)热喷涂组件的实施方案的示意性截面图A-A；

图4A显示了在封闭状态下热喷涂组件处于组装状态的一个实施方案的示意性截面图；图4B显示了在使用中的热喷涂组件处于打开状态的示例；

图5显示了热喷涂组件处于部分未组装状态的热喷涂组件的示意性侧面透视图元素；

图6显示了示例性热喷涂组件的示例性进料机构的一部分的示意性侧视透视图；

图7和图8显示了用于道路铣削或采矿的示例性挖掘工具，每个挖掘工具设置有一个示例性的保护层；

图9显示了示例性颗粒的硬度的数量频数分布(number frequency distribution)的曲线图；

图10显示了多种示例性混合的第一和第二批颗粒的照片；和

图11显示了利用热喷涂组件进行沉积的示例性材料的扫描电子显微(SEM)图像。

具体实施方式

参照图1，显示了一个示例性热喷涂组件10(以组装状态显示，定义为热喷涂设备10)将前体材料60转变成接合到基底主体(未显示)的沉积材料的层；其包括等离子体焰炬20和进料机构30，其构造成使得等离子体焰炬20能够产生等离子体射流进入到等离子体区域50，该组件被使用中等离子体射流占据，并从等离子体喷嘴28延伸。进料机构30能够将前体材料60引导进入等离子体区域50中。进料机构30能够在处于打开状态下(如图1所示)时提供进料孔70，其包括一个引导室34和一个可移动引导机构32。该进料机构30可以构造成使得引导室34能够引导前体材料60进入到进料孔70，前体材料60通过从引导室34移动，进入到等离子体区域50，前体材料60对引导机构32的移动做出响应，以可变平均距离从等离子体喷嘴28进入到等离子体区域50。

进料孔70的配置是可变的，使得前体材料60可以选择性地进料到等离子体区域50内的任何不同的区域中，前体材料60与等离子体喷嘴28具有各自不同的平均轴向距离(图1描述了一个示例区域80)。换句话说，前体材料60可在距离等离子体焰炬20的喷射端12以选定的轴向距离处进料到等离子体区域50的一个区域80，等离子体射流从等离子体焰炬20通过等离子体喷嘴28发射。在一些配置示例中，纵轴L可以由等离子体焰炬20的圆柱形轴线、等离子体射流(在使用中)、等离子体喷嘴28、引导机构32或进料机构30所形成的喷孔40，或这些特征功能中的多个同轴配置功能所限定。例如，纵轴可与喷孔40和等离子体焰炬20同轴。

在图1所示的特定示例中，引导机构32可为可移动的保持壳体，其构造成容纳取决于喷射端12的等离子体焰炬20的一部分。壳体32可相对于等离子体焰炬20轴向移动，并且进料孔70的排布可响应于保持壳体32沿着纵轴L通过喷孔40的移动，并且与使用中的等离子体射流50对齐而可变的。由进料孔70限定的区域响应于保持壳体32的移动而变化，进料孔70的轴向长度可响应于保持壳体32的移动而变化。例如，进料孔70可以在0和0.5毫米之间调整变化；0毫米的距离对应于未显示在图1中的热喷涂组件10的封闭状态，其中保持壳体32接触等离子体焰炬20并阻止前体材料60被进料到等离子体射流中。在该示例中，进料孔70围绕等离子体区域50沿所有方向周向延伸，进料机构30能够使前体材料60沿着围绕等离子体区域50所有方向的会聚方向延展的方位角引入到等离子体射流50中。

如图1所示，在围绕等离子体焰炬20和保持壳体32之间形成引导室34，沿周向延伸的等离子体焰炬20保持壳体。保持壳体32包括与等离子体焰炬的锥形外表面23间隔开的锥形内表面33，在其两者之间形成了引导室34。保持壳体32和等离子体焰炬20沿着纵轴L基本上同轴。在一些示例中，由保持壳体32的内锥形表面33限定的锥角可大于由等离子体焰炬20的锥形外表面23限定的锥角，并导致它们之间的引导室34随着靠近进料口70而变得更窄。

图2显示了示例性热喷涂组件处于组装状态的一个侧视图；其包括等离子体焰炬20和可移动保持壳体32(在该示例中为引导机构)，等离子体焰炬20的一部分(在图2中不可见)被容纳在由保持壳体32形成的协作构造的空腔内。入口孔31A被配备用于颗粒前体材料引入到进料机构中，并随后其输送到由等离子体焰炬20产生的等离子体射流(未示出)中从而产生射流90，该射流90包含有从热喷涂组件10的喷涂端12的喷孔40喷射的材料和等离子体。

图3示意性地示出了用于将材料沉积到基底100上的等离子体转移电弧(PTA)热喷涂组件的操作，其中在阴极24和周围的阳极29以及基底100之间建立电势差。在所示的特定示例中，等离子体焰炬20的一部分位于由可移动保持壳体32(在该示例中为引导机构)形成的空腔内，构造为使得保持壳体32的内表面31与等离子体焰炬20的外表面23间隔开以提供导向室34，颗粒前体材料60可通过该导向室34向由处于打开状态的进料机构30提供的进料孔70输送，并最终进入使用中的导向等离子体50A和转移等离子体50B。等离子体焰炬20和保持壳体32构造成使得进料孔70位于等离子体焰炬20的等离子体喷嘴28(其也可以称为“收缩形喷嘴”)附近。等离子体喷嘴28和喷孔40可以是同轴的，使得在收缩形喷嘴28附近产生的导向等离子体50A可以伸入(或通过)喷孔40并朝向基底主体100。

等离子体焰炬20可以包括中心阴极24和等离子体喷嘴28，其中中心阴极24可以包括钨(W)金属，等离子体喷嘴28至少部分包围阴极24并且限定阴极24位于腔室27的至少一部分当中，阴极24和等离子体喷嘴28构造成使其可以在它们两者之间产生电弧。在使用时，惰性气体25，例如氩气(Ar)经过阴极24朝向等离子体喷嘴28流动。阴极24、等离子体喷嘴28和腔室27构造成使得惰性气体25可被电离，并且等离子体喷嘴28附近产生引导等离子体射流50A，引导等离子体射流50A从腔室27向外喷射进入到喷孔40中并朝向基底100。当热喷涂组件定位在足够靠近基底100并且完成操作条件时，生成转移等离子体射流50B，转移等离子体射流50B在阴极24和基底100之间延伸，喷射超过喷孔40。导向等离子体射流50A内部的温度可为大约15000摄氏度，转移等离子体射流50B内的温度可为大约3000至大约4000摄氏度。通常，等离子体射流50A和50B随着等离子体射流中的轴向位置的不同，即与等离子体喷嘴28的轴向距离不同，其内部温度有所变化。

通常，前体材料60可为颗粒形式，并很可能被选择使其可通过热喷涂操作转变成沉积到基底100上的材料。前体材料60被引入到热喷涂组件中并被输送到引导室34中，在引导室34中，其可以沿着会聚路径朝进料孔70进一步被输送，并最终被输送到在使用中等离子体射流50B。会聚在等离子体射流50B上的前体材料60的流量通常是可控的。在本文所述的，颗粒的流量可以根据每单位时间通过平面的颗粒数量来表示，并包括颗粒的速度和空间密度的方面。被注入到等离子体射流50B的前体材料60的流量受到由区域的影响，该区域是由进料孔70、载气内前体材料60的密度和朝向等离子体射流50B的前体材料60的速度限定的。前体材料60的速度可通过载流体的流速和引导室34的会聚构造来控制。

当前体材料60注入等离子体射流50B中时，它们的温度非常快速地升高，从而可能允许前体材料经历相变和化学反应，对于要沉积到基底100上的期望材料，以上工艺可能是必要的。材料的射流90可以相对高的速度从热喷涂组件朝基底100喷射。当材料撞击基底100时，其可能倾向于“溅射(splat)”到基底上，开始冷却，并且根据反应和相变动力学，形成固态的期望材料，并连接到基底100上。

控制以下参数可能是重要的，例如颗粒的组成和机械性能、载流体的流速、载流体内的颗粒的数量密度、注入等离子体的颗粒的流量、阴极和阳极与基底之间的电势差、导向和转移等离子体电弧的电流、惰性气体的流速、颗粒在等离子体焰炬和进料孔周围方位角的分散、以及引导室的构造。

参照图4A和4B，处于组装状态的示例性热喷涂组件(换句话说，热喷涂设备)可以通过由M表示的其中一个方向调整保持壳体32的位置(在图示示例中为可移动引导机构)，从而使得该组件处于封闭状态，如图4A所示，或者打开状态，如图4B所示。在其它配置示例中，保持壳体32可以在其它方向上移动，例如旋转和/或横向移动。保持壳体32可相对于等离子体喷嘴28移动，其位置能够调整朝向或远离等离子体喷嘴28和等离子体焰炬20的外表面23，从而减小或增加引导室34的体积和颗粒前体材料向使用中等离子体射流的可能流量。热喷涂组件可配备有调节机构(未示出)来进行该调节。

如图4A所示的封闭状态下，，可处在引导室34中的颗粒前体材料(未示出)不能退出引导室34并朝喷孔40和等离子体区域(未示出)移动。在图4A所示的例子中，可以通过调节保持壳体32的位置来实现，使得保持壳体32的内表面33的至少一部分与接近喷孔40的等离子体焰炬20的外表面23的至少一部分邻接(abut)，从而将它们之间的空间基本上减小到零。在图4A所示的特定示例中，保持壳体32的内表面33和接近喷孔40的等离子体焰炬20的外表面23都是基本上锥形的，每个锥形限定稍微不同的锥角，前者大于后者的锥角，相差2θ。在一些示例中，2θ可以为大约7.4度，θ可以为3.7度。换句话说，引导室34可朝喷孔40会聚。在封闭状态下，这些相互会聚的锥形表面33,23可以在喷孔40附近彼此邻接。当进料机构处于如图4B所示的打开状态时，引导室34朝喷孔40的变窄效果可加速和聚焦前体材料的流量。

在如图4B所示的打开状态下，保持壳体32已被调整到一个位置，使得其内表面33进一步远离等离子体焰炬20的相应外表面23。因此，在这些表面23,33之间，以它们间的最窄间隔，靠近喷孔40和等离子体区域(未示出)配备有进料孔70。进料孔70允许前体材料从引导室34出来并进入等离子体区域，在使用中等离子体射流(在PTA设备中，这是转移等离子体)存在该等离子体区域中。在所示的示例中，进料孔70的形状通常为圆柱形并与等离子体焰炬20同轴。因此，可通过相对于等离子体焰炬20轴向移动保持壳体32来控制在使用中到达等离子体区域的前体材料的流量,并由此通过改变由保持壳体32的内表面33的一部分形成的进料孔70的下端的位置来改变进料孔70的面积和轴向间隔。

在一些示例中，可通过流体载体介质(例如Ar气体)将前体材料连续地引入到热喷涂组件中，其中前体材料可以在其中分散和悬浮。前体材料和载流体可以通过进料机构中进行分布，将前体材料在引导室34内方位角地分散，从而围绕喷孔40和使用中的等离子体射流方位角地分布。保护气体室39通过围绕使用中等离子体射流的多个孔提供气体，用于屏蔽等离子体射流和从空气中的氧气喷射的材料。

参照图5和图6，一个示例中热喷涂组件可包含第一、第二、第三和第四元件20,120,130,140，其中第一元件由等离子体焰炬20组成。第一元件20可连接第二元件120，第二元件120包含上壳体空腔122,上壳体空腔122可通过从取决于等离子体焰炬20的连接端12A的螺纹连接组件连接。第三元件130可包括用于容纳等离子体焰炬20的相对喷射端12的下壳体空腔132，并且第三元件130可构造成第二元件120的壳空部分124。换句话说，第二元件120的一部分124可在其内侧上“夹在”等离子体焰炬20和在其外侧上“夹在”下外壳体空腔132的壁之间。第四元件140，其包括冷却机构和/或保护气体供应机构，第四元件可构造成可容纳第三元件130的一部分，并包围等离子体焰炬20的喷射端12。

当组装时进料机构可包括第一、第二和第三元件20，120，130的某些特征功能，可通过这些元件之间的联通空间形成的通道或腔室来运输该前体材料。例如，第二元件120可包括一个圆周通道，当容纳在第三元件130的壳体空腔132内，这限定一个分配室36的一部分，这便形成了分配室36的边界。分配室36能围绕等离子炬20基本上方位角地引导前体材料。多个相互隔开的偏转器结构38，其围绕等离子炬20方位角地配置，邻近分配室36并以第二壳体120的径向突起的形式使循环前体材料60C偏转到偏转通道37中，并将偏转的前体材料62大致轴向地引导到引导室中。第三元件130可包括用于引入前体材料和一种载流体进入分配室36的一个入口孔31A，和出口孔31B，出口孔31B用于在可能重新使用的工艺中允许载流体和潜在的一些前体材料从热喷涂组件逸出。

在使用中，前体材料60A和载流体可被引入分配室36，并被引导到分配室36内循环，作为循环的前体材料60C。在分配室36内前体材料60C的循环效果很可能使前体材料66C基本上均匀一致地分布在等离子炬20(方位角)周围。一些循环的前体材料60撞击偏转器结构38的侧面，并在偏转通道37内沿大致轴向路径62输送，进入引导腔(在图5和图6中未示出)。如果偏转器结构38，和随后的偏转通道38，被配置以规则的间距间隔围绕等离子炬20所有方向，前体材料60C可能会被引入到同样规则隔开间隔的引导室中。导向室内的前体材料的流量沿周向均匀性可能取决于偏转器结构38的宽度和数量,偏转器结构38如果数量越多，充填越密集，前体材料可能在引导室分布的越均匀。

参照图7，一个示例性用于采矿的挖掘工具(pick tool)400，其包括一个钢基底405和熔合到钢基底405上的硬面层406。硬面层可通过公开的热喷涂设备沉积到钢基底405上。挖掘工具400可包括具有一个冲击点(strike point)404硬质合金尖端(cemented carbide tip)402，并接合到钢基底405。在一些示例的尖端402可包括金刚石材料如PCD材料或碳化硅键合的金刚石材料。硬面层406可被配置围绕硬质合金尖端402，以防止该钢基底405在使用中的磨料磨损。例如在使用中破裂岩层包括煤或钾盐岩石材料硬面层很可能降低钢基底405的磨损，显著地降低挖掘工具400过早失效的风险。

参照图8，一个示例性用于路面铣削的挖掘工具500包括设置有孔的钢支架505和冲击尖端504，冲击尖端504通过收缩配合或压配合入孔中，接合到硬质合金基底502。硬面层506可被熔合到钢支架505，被配置围绕孔以保护钢支架主体505不受到使用中的磨损。硬面层可使用所公开的热喷涂设备，通过等离子体转移电弧(TPA)的热喷涂方法沉积到钢支架505上。冲击尖端504可包括一个接合至硬质碳化钨基底的PCD结构。

热喷涂设备及其相对硬质层材料沉淀到钢体上的非限制性示例应用在下面进行更详细地描述。

第一批总重量200千克(kg)颗粒的制备如下：

a.混合：144千克具有平均颗粒尺寸0.8微米的碳化钨(WC)、30千克具有平均颗粒尺寸1微米铁(Fe)粉、15千克具有平均颗粒尺寸1到2微米的碳化铬(Cr3C2)粉末、6千克硅(Si)粉末和4千克石蜡，并通过磨碎机(attritor mill)使用乙醇(alcohol)作为研磨介质，将粉末一起研磨三小时，使混合在一起，和多个具有800千克总质量的烧结碳化钨球，以提供前体材料浆料(slurry)。干燥浆料以提供混合粉末，并破碎团聚体(agglomeration)以提供松散粉末。

b.第一次制粒(granulation)：粉末在旋转鼓中滚动制粒，与粘合剂材料结合，然后过筛以提供一批颗粒，其具有平均尺寸约75至约225微米，以提供多个“生(green)”颗粒(换句话说，通过粘合剂材料将含有粉末晶粒的颗粒聚结在一起)。

c.初步热处理：生颗粒置于石墨盒中，并加热至1020℃的温度。对于基本上不发生液相烧结的材料，该温度足够低；对于基本上要除去的所有粘合剂材料而言，该温度足够高，并且粉末具有足够程度的固相烧结，以使颗粒具有足够的强度去便于处理。

d.第二次制粒：在热处理之后，颗粒过筛以选择一批颗粒，其直径为约75至225微米。

e.烧结热处理：然后所选的颗粒再次放入石墨盒中并在1160摄氏度的温度下在真空中烧结45分钟，以允许颗粒基本上液相烧结并提供烧结颗粒。在烧结工艺中，虽然一定量的碳化铬(Cr3C2)可能分解，但是仅有相对少量的碳化钨可溶解到粘合剂材料中。虽然不希望受到特定假设的约束，但是潜在地基本上所有的碳化铬(Cr3C2)可以溶解在液态粘合剂材料中，并且混合碳化物材料其包含铁族金属(例如铁或钴)、铬和碳，该混合碳化物材料可在材料的凝固期间产生结晶。溶解的碳化钨的量可能约为5至8％(质量)，对应于至多约1.5至2.5％(原子)，其可能基本上不影响粘合剂材料的熔化温度。如果颗粒含有比它们实质上更多的铁，则颗粒明显熔化的风险很高，导致在烧结热处理结束时铁基材料产生较大的、坚硬的聚集体，这使聚集体很难破坏从而提供第一批颗粒。但是，如果颗粒中的铁太少时，就出现了材料的不充分液相烧结，颗粒很可能缺乏足够的强度。例如，如果尝试为热喷涂工艺提供和使用仅仅一批颗粒，避免引入另外一批富铁颗粒的需求，则颗粒需要包含约69％(质量)铁，取代本示例中使用的15％(质量)，这导致可能产生较硬的、基于铁的主体，该主体不可行地难以制粒。

f.第三次制粒：烧结颗粒在氩气(Ar)50巴的压力下热等静压(hot iso-statically pressed,HIP)，得到致密主体(compacted body)。然后破碎致密主体，通过筛分选择尺寸为约60至180微米的颗粒，以提供第一批颗粒。

第一批颗粒(其也可以称为“第一颗粒”)基本上缺乏铁，其在热喷涂和成功融合它们到基底主体是不可行的，即使主体含有钢。虽然理论上可以将缺乏铁的第一颗粒喷涂到基底上而不引入额外包含铁的颗粒，但使用存在于钢板中的铁，在其上喷涂颗粒，这样做所需的能量可能非常高。

第一颗粒的尺寸分布使得d(10)值为90微米，中值尺寸(d(50))为141微米，d(90)尺寸为221微米(换句话说为10％、50％和90％的颗粒的直径尺寸分别小于或等于90、141和221微米)。随机选择五个颗粒的样品用于破坏性机械测试。每个颗粒放置在一个刚性平台和将一个刚性板以恒定速度缓慢压在颗粒上，从而用尽可能少的50毫牛顿(millinewton,mN)和最大为2000牛顿(N)的增加的力压缩它，直到颗粒破裂。由于颗粒的机械性能可能取决于颗粒的尺寸，所以测试的颗粒直径尺寸为125至160微米。平均141±14微米直径。测定颗粒的破坏载荷(failure load)为6.0±2.3牛顿(N)，并且考虑到颗粒的负载变形(loading deformation)，颗粒的抗压强度(compressive strength)为402.6±187.9兆帕(MPa)。图10中颗粒的数量频率N分布作为维氏硬度H(HV10)的一种图形展示。用于制造颗粒的方法成功地制造了相对坚硬、致密和强大的颗粒。

第二批颗粒包含有由以被提供水雾化法(water atomisation)制备的市售的铁晶粒(特别是，使用了赫格纳斯^TMABC100.30)，提供第二批颗粒，并筛分以提取落入在约60至180微米的尺寸范围内的晶粒。第二批铁颗粒的抗压强度没有测定，因为水雾化导致颗粒的形状不规则(如果第二颗粒通过气体雾化的机构已被制成，它们很可能比较接近球形以及它们的抗压强度可被测量；第二批颗粒的流动性很可能在一定程度上也会得到增强)。

第一和第二颗粒以75:25的质量比混合在一起，以提供一批混合的颗粒，其含有总体约35％质量的铁。图10显示了第一批颗粒200和第二批颗粒的的混合的显微照片。第一和第二批颗粒中的每种颗粒的组成总结在表1中。混合的颗粒适合于热喷涂，其在焊接容易性和硬度两个方面具有良好的平衡。

表1

然后借助于如以上描述参照图4A和4B的示例性的等离子体转移电弧(PTA)热喷涂设备混合的颗粒喷涂到钢板上，从而在其上沉积相对硬且耐磨的材料层。钢板为100毫米(mm)长，60毫米宽，10毫米厚。调节保持壳体32相对于等离子体焰炬20的轴向位置，使得进料孔70在保持壳体32和等离子体焰炬20之间限定0.2毫米至0.4毫米的轴向间隙。PTA热喷涂设备的其它操作参数如表2中所概述。

表2

沉积层的厚度为约3毫米(mm)，且具有1000±100维氏单位的硬度。图11示出了层的微观结构的显微照片。它包括在基质(matrix)304内的树枝状η相(dendritic eta-phase)碳化物相302，小碳化钨(WC)晶粒和基于铁(Fe)的基质，该基质采用以纳米级晶须(nano-scale whisker)和纳米级圆盘(nano-scale disc)形式沉淀的纳米级η相碳化物的纳米晶粒进行强化。

使用ASTMG65试验测量沉积层的耐磨性，并与三种不同等级的钴-硬质碳化钨(Co-WC)材料比较，其材料包含8、10和15质量百分数(％)的钴(Co)。在该试验中，使用包含上述各种级别的硬质合金的三个机床刀片(machine tool insert)来加工在上述示例中沉积在钢板上的材料层。当包含8％质量百分比钴的工具用于加工沉积层时，从工具和层中除去基本上相同体积的材料(约3.8立方毫米)，表明如上示例沉积的材料的耐磨性与该等级的硬质合金材料相当。从包含10和15质量百分比％钴(Co)的硬质合金等级中去除的体积分别为9.1立方毫米和12.2立方毫米，表明包含在该层中的材料显著比这些等级更加耐磨损。

在第二示例中，与上述第一示例中的15％质量百分比相比，铁(Fe)的相对含量增加至20％质量百分比，用于制造第二示例中的颗粒的前体材料包含20％质量百分比的铁、13％质量百分比的碳化铬(Cr3C2)、3％质量百分比的硅和约64％质量百分比的碳化钨晶粒。尽管有可能在第二示例中制造和热喷涂第一颗粒，但是基本上更难以破碎在烧结热处理步骤中产生的烧结聚集体。

在第三示例中，与上述第一示例中的15％质量百分比相比，铁(Fe)的相对含量减少至10％质量百分比，用于制造第二示例中的颗粒的前体材料包含10％质量百分比的铁、6.67％质量百分比的碳化铬(Cr3C2)、3％质量百分比的硅和80％质量百分比的碳化钨晶粒。尽管相对更容易破碎在烧结热处理中产生的烧结聚集体，但是实质上更难以达到颗粒的密度。

在第四示例中，如第一示例中所述的第一和第二颗粒以60:40的比例(与第一示例中的比率为75:25相反)混合，因此导致基本上更大量的铁被包含在被热喷涂的混合前体材料中。这会导致基本上更软的沉积层。

在第五示例中，如第一示例中所述的第一和第二颗粒以90:10的比例(与第一示例中的比率为75:25相反)混合，因此导致基本上更少量的铁被包含在被热喷涂的混合前体材料中。在一些情况下，这可能导致基本上更软的沉积层。然而，基底的确切组成以及其在与所沉积的材料接触时可能熔化的程度。

在一些示例中，钢基底可以相对小和/或薄，并且在热喷涂工艺中需要使用相对低水平的功率，以避免或降低损坏钢的风险。在这种情况下，来自钢的熔融铁族金属不可能有效地与喷涂材料反应，并可能使用相对较高比例的第二批颗粒(包含铁族金属)。

在其它示例中，钢基底可以相对较大，因此，有可能在热喷涂工艺中采用相对高水平的功率。在这种情况下，更高的功率可能导致来自钢的熔融铁族金属在基底上形成，其可与喷涂材料有效地进行反应。由于更高的热喷涂功率，更大的基底也不太可能由于加热的增加而显著变形。在这种情况下，可以使用相对较低比例的第二批颗粒(包含铁族金属)。

通常，第一和第二批颗粒的混合(其中第二批颗粒包含或由铁族金属如铁或钴组成)可以根据被涂布的基底形状、尺寸和组成进行调整。如果在基底表面上提供过多的熔融铁族金属，则涂层可能不够硬。例如，如果包含或由铁族金属组成的颗粒的比例太高，或者如果由于过高的热喷涂功率而导致基底的熔化过多，则可能出现过量的铁族金属。

所公开的示例性配置、颗粒和方法中的至少某些的各种潜在方面将进行简要讨论。

在一些示例中，热喷涂组件可用于将转变的前体材料喷涂到基底上并在其上沉积一层材料，其中该层可包含具有与基底的基本不同性质的材料。例如，该层可以比基底(其可包含钢)更硬或更耐磨损。例如，颗粒可以包含化学元素，化学化合物、陶瓷晶粒或合金，其中至少一些可以注入使用中等离子体中时发生相互化学反应或发生相变，并且在等离子体中在相对短的时间内经受非常高的温度，通过等离子体射流输送到基底表面，并相对快速地冷却到基本上较低的温度。当注入等离子体中时，颗粒内的反应和相变可非常快开始发生，导致在等离子体焰炬和基底之间产生一种或多种中间材料，其具有基本上不同于颗粒和沉积材料的特性。

某些公开的示例性热喷涂组件可具有可以减少或基本消除前体或中间材料附着并可能阻塞喷孔的风险。当该前体或中间材料可能倾向于在相对低的温度下至少部分熔化的情况下，这种风险可能更大。因此，所公开的示例性热喷涂组件可能更适合与包含具有相对低的共晶温度(eutectic temperature)(即对应于构成材料的特定质量比的相对低的最低熔点)的混合前体材料的颗粒一起使用。在一些示例中，喷孔被附着材料堵塞或扭曲的风险可以通过调节引导室和进料孔，从而控制入射到等离子中的前体材料颗粒的流量。在一些示例中，这可以通过相对于等离子体焰炬轴向地和/或径向地移动保持壳体来实现。因此，当用于喷涂这种材料时，所公开的热喷涂组件可以延长工作寿命。

某些公开的示例性的热喷涂组件可降低前体材料的某些组分降解的风险，例如通过氧化或在高温条件下等离子体内其他潜在的不希望发生的可能的化学反应。例如，碳化钨(WC)晶粒降解的风险(如暴露于等离子体的高温中使晶粒的尺寸显著减少)，可以大幅减少。

尽管不希望受到特定理论的限制，进料孔的调整，例如通过移动保持壳体，可具有改变等离子体内的前体材料颗粒流量的平均轴向位置的效果。例如，当该前体材料包含有可能在相对低的温度下熔融，或者为了降低前体材料降解的风险，进料孔可被调整，使得一个较高比例的(或基本上全部)前体材料颗粒流向具有相对较低温度的等离子体的区域。

此外，所公开的示例性颗粒分布机构还可能具有降低喷孔被附接材料阻塞或变形的风险，该连接材料由于颗粒在导向室内方位角地足够均匀地分布，并且在等离子体周围。

所公开的热喷涂组件的其它方面可包含在相对长的时间段内提高材料沉积的均匀性，减少操作中的等离子体和导频电流(pilot current)，使得有可能沉积相对薄的层(4-5毫米)并且根据需要改变参数；增加粉末向等离子体射流的递送速率(以每单位时间的质量计)，使得在单次操作中沉积高达7至8毫米的层的操作变得可行。公开的示例性热喷涂组件和使用所公开的示例性颗粒的热喷涂或激光熔覆(laser cladding)的方法可能具有以下方面：具有至少约30厘米(cm)的横截面尺寸的相对大的基底和/或具有相对复杂形状的主体，可用保护材料相对有效地涂布，特别但不排他性地用于防止磨损或腐蚀性磨损。有可能提供具有相对均匀的厚度和质量的涂层。

公开的示例性热喷涂组件，其包含一个公开的圆周分配室、偏转机构、引导室和一个可调节进料孔。该热喷涂组件可能具有显著降低孔堵塞的风险以及增加基底材料的有效沉积的概率的方面。

所公开的示例性方法可以具有导致非常有效的紧密地焊接到主体上的硬面结构的方面，并且所公开的主体可以在使用中具有改进的耐磨性能。

用于磨损保护层的热喷涂沉积的某些前体材料可以具有在混合使用时具有相对低的熔点(低共晶相温度)，至多约1300摄氏度，低于1280摄氏度或至多约1200摄氏度的，这可能增加对其热喷涂的难度并降低对其热喷涂的效率。提供呈多于一批颗粒形式的前体材料，其中每批颗粒包含不同的组成或其它特性，其可具有允许混合物和颗粒的某些性质，例如它们的熔点和流动行为，以上特性可被用于选择热喷涂设备的进料机构内的增强行为。附加地或替代地，它可以具有调高制造颗粒效率或易于颗粒生产的方面。

磨损保护材料能够通过热喷涂沉积在某些主体上的示例中，磨损保护材料包括铁族金属例如铁(Fe)、铬(Cr)、硅(Si)和碳(C)，并且前体材料可以具有至多约1300摄氏度，低于1280摄氏度或至多约1200摄氏度的共晶相温度。如果单一批颗粒用于热沉积材料层，每一个包含材料混合的颗粒表现出至多约1300摄氏度，低于1280摄氏度或至多约1200摄氏度的共晶相温度，铁族金属的量可以是相对高的，有可能对颗粒制造潜在地引起挑战。过高的铁族含量可能增加混合的前体材料可能在颗粒制造的过早阶段熔化的风险，这使得破碎通过凝固的铁族金属固结在一起的产生的坚硬固化的聚集体变得非常困难。制备包含基本上较少的铁族金属的第一批颗粒，该第一批颗粒最终需要提供给等离子体射流，可以显著降低这种风险并使其更容易将热处理的前体材料制粒。然而，如果用于制备第一批颗粒的混合物含有太少量的铁族金属，则在制造颗粒的阶段制备的材料的聚集体强度可能太低，并且难以制造足够强的颗粒。如果使用太少的铁族金属制备第一批颗粒，则颗粒的制造可以更容易和/或更有效。铁族金属的缺陷可以通过以下手段进行弥补，将包含铁族金属或由铁族金属组成的第二批颗粒引入到热喷涂设备的进料机构中，使得来自两批或所有批颗粒存在于等离子体中，并能够彼此接触和熔融。第二批颗粒可以由市售的尺寸合适的铁族金属晶粒组成。

如果前体晶粒或颗粒足够大，则该前体材料可倾向于更均一地流动并且可预见地通过进料机构，可能会减少在角落或细小空间中的残留的风险。如果晶粒或颗粒太大，它们不可能通过进料机构的各种孔、通道和腔室，并可能导致堵塞。如果多于一批颗粒的尺寸分布和平均尺寸基本上不同，则颗粒可以具有不同的流动特性，比如因此可能不以相似的速率通过进料机构，并且颗粒到达等离子体射流的相对量可能不如期望的或可能是不规则的。

下面简要解释本文使用的某些术语和概念。

如本文所述的，热喷涂工艺包括用材料层涂布主体，其中通过将前体材料(其也可以称为涂层前体或“原料(feedstock)”)加热而产生的熔融相材料喷涂到表面上，从而将涂层材料沉积到主体的表面上。原料材料可以通过各种方式进行加热，如等离子体或电弧、或化学手段。一般来说，热喷涂可能在高沉积速率下在相对大的面积上提供约20微米至几毫米(取决于工艺和原料)的相对厚的涂层。前体材料可以是颗粒形式，并且其被加热到熔融或半熔融状态，并且熔融或半熔融材料的细分的(也称为“雾化(atomised)”)液滴(droplet)朝将被涂布的主体方向被加速。涂层可能来自于液滴在主体上的积聚，其凝固为多个扁平晶粒，其可以称为薄片(lamellae)。各种操作参数可能影响涂层的性质，包括前体材料的组成、形式和物理性质、等离子体气体组成和流速、能量输入、焰炬和基底之间的距离(其也可以被称为偏移距离)和基底的冷却。

在电弧等离子体喷涂方法中，可以通过电弧放电(arc discharge)和适当的气体通过在阳极和阴极之间的离子化而产生从等离子体焰炬发出的高温等离子体射流。等离子体内的温度可能改变并可能超过约10000摄氏度。包含前体材料的原料可以是粉末或颗粒的形式，并通过一个进料机构输送到电弧等离子体。钨电极可以位于等离子体焰炬的腔室内，并且可以迫使惰性气体流过电极并通过收缩形喷嘴的孔，产生延伸通过该孔的等离子体射流。可以围绕收缩形喷嘴引入保护气体，以保护等离子体射流免受环境大气的影响。原料颗粒可以分散在惰性载气中，例如氩(Ar)中，并被引导到等离子体射流中。其它热喷涂方法包括爆炸喷涂(detonation spraying)、电弧喷涂(wire arc spraying)、高速氧-燃料涂层喷涂(high velocit oxy-fuel coating spraying,HVOF)。

在等离子体转移电弧(PTA)工艺中，可以在中心电极和含有铜的周围水冷喷嘴之间产生“引导电弧(pilot arc)”，并且可以在电极和被涂布的主体之间产生“转移电弧(transferred arc)”。在PTA工艺中通过引导电弧的氩(Ar)气的电离可以达到相对高的等离子体电弧密度，引导电弧通常在热喷涂操作期间永久燃烧。可以通过“节流(throttling)”增加转移电弧的温度，以获得具有约8,000至18,000摄氏度的等离子体柱(plasma column)，并且如果转移电弧等离子体射流包含金属，例如含有钢，则可导致主体的表面区域熔化。电弧点火设备可能用于在接近收缩形喷嘴的阴极和阳极之间产生火花，使得当气体流过收缩形喷嘴，产生导向等离子体(也可称为“非转移电弧(non-transferred arc)”)。引导电弧在阴极和基底之间形成低电阻路径，以便于随后产生转移电弧。可以根据焰炬、粉末和应用，可以调节PTA操作参数，从而以1至13千克每小时(kg/h)的速率提供具有约1到至少约3毫米厚度的层。

如本文所使用的，硬面结构是例如，但不限于接合到基底以保护基底免受磨损或耐受腐蚀的层的结构。硬面结构显示出比基底基本更大的耐磨性，并且可以冶金熔合到基底。