等离子体喷涂装置和方法

专利名称：等离子体喷涂装置和方法
技术领域：
本发明属于等离子体喷涂技术领域。特别公开了等离子体发生装置和喷 涂可流动材料的方法。
背景技术：
等离子体喷涂装置在许多应用中(包括，例如与涂覆应用结合)被用于喷涂 不同的可流动材料，例如粉状材料(或简单粉末)。这样的装置通常包括阴极、 阳极和在所述阴极和所述阳极之间延伸的等离子体通道。在操作过程中，等 离子体发生气体被提供给该等离子体通道。在该阴极和该阳极之间形成的电 弧加热流过该等离子体通道的气体，从而形成等离子体流(有时被称为等离子 体流或等离子体喷流)。该等离子体流在该等离子体通道的末端通过阳极中的 出口流出该装置。已知几种不同类型的等离子体喷涂装置。这些类型可由可 流动材料导入(或注入)等离子体流的位置来表征。以下讨论涉及粉末喷涂装 置。然而，所属领域技术人员将理解，其他材料也可用于喷涂。
在一类装置中，粉末被导入等离子体流的阳极区域。在这种类型的一些 装置中，粉末是通过阳极中的入口被导入等离子体流中，如在例如美国专利
号3,145,287、 4，256，779和4,445,021中所公开的。在这种类型的其他装置中，
粉末是通过位于等离子体发生装置外的送料器来导入等离子体流中的，如在 例如美国专利号4,696,855中所公开的。通常，粉末通过大致垂直于等离子体 流 的方式^皮注射。与这类装置有关的一个优点是，当粉末被注入等离子体流中时，等离子 体流被充分形成，并具有某些已知特性，如温度、速度、能量等。这些特性 依赖于并可以由等离子体通道的内部几何形状、用于产生等离子体的气体的 性质、气体被提供的压力、阳极和阴极之间的电位差等来控制。在阳极区域 提供粉末的另 一 个优点是，等离子体流的形成不受粉末的影响。
然而，在阳极区域导入粉末也有缺点。典型的粉末具有不同尺寸的微粒。 当这样的粉末被注入等离子体流中时，具有较高动能的较重的微粒要比较轻 的微粒更快地到达等离子体流的中心。因此，较轻的微粒有可能到达等离子 体流中心、但却是位于远离阳极的等离子体流的较冷区域，或者较轻的微粒 还可能停留在等离子体流的外围而不能到达其中心。这将产生两个不希望的 效果。第一，因为相对于较轻的微粒而言，较重的微粒会经受更长时间的更 高温度，因此在等离子体中粉末的同质程度很低。较轻的微粒不能被充分加 热以便涂覆应用。第二，涂覆的分布不是均一的，并且一些徵粒可以完全错 过要被涂覆的表面，这将导致很差的材料效用。换句话说，粉末喷涂涂覆的 实现仅仅使用了部分被提供的粉末。这在使用昂贵的粉末时显得特别不利。 这一 问题可以通过使用具有相同质量的微粒的粉末来在某种程度上得到緩 解。但是，这样的粉末生产起来更加昂贵，并且使用这样的粉末并非对所有 应用而言都是可行的选择。
为了避免与大致垂直于等离子体通道的阳极区域注入粉末有关的问题， 尝试提供纵向粉末供应通道。粉末供应通道被布置在等离子体通道内，并且 在该装置的操作过程中由等离子体流包围。粉末供应通道的出口在等离子体 通道的阳极区域。这个布置在等离子体通道内的内部粉末供应通道防止等离 子体流被足够加热，并且其通常对等离子体流特性具有不希望的影响。与在阳极导入粉末有关的另一缺点是，需要大量能量以维持等离子体流 的高温和比功率(每单位体积的功率)，以便获得高度均匀的涂覆。相信引起这 一问题的原因在于，等离子体流的温度和速度分布在注入粉末的等离子体通 道的出口处实质上是抛物线的。因此，等离子体流的温度和速度梯度和热熵 与等离子体流的直径成反比。为了提高喷涂涂覆的均匀性，因而需要增加等 离子体流的直径，从而其需要大量的能量。
在第二类装置中，粉末被提供在阴极处等离子体通道的入口。在这些装
置中，电弧加热等离子体发生气体和粉末。阴极区域被认为是冷区，其允许 粉末被导入等离子体流的中心。第二类装置的例子在例如美国专利号
5,225,652、 5,332,885和5,406,046中公开。
当通过将等离子体发生气体提供给等离子体通道并用预定放电电流的电 弧加热气体来产生等离子体时，只有很小一部分的气体形成温度很高的等离 子体流的中心。剩余气体则流向靠近温度更低的等离子体通道的壁，形成等 离子体流的冷却层。该冷的粉末微粒影响等离子体流中等离子体的温度升高， 并且等离子体流周围的粉末再也不能达到预期的温度。由于等离子体流中的 这种温度分布，只有提供在等离子体通道的入口处的一小部分粉末能在等离 子体流的高温中心流动，并且由电弧充分加热。剩余^分末则在等离子体流的 冷却层中流动。这将使得粉末的加热不均匀，从而影响表面涂覆的质量。此 外，还存在粉末将等离子体通道阻塞的危险，这会对稳定的等离子体流所需 的条件产生不利影响。
通过提高气体和粉末的流动率来提高大量气体和粉末转移到等离子体通 道的中心部分是不切实际的选择。当气体和粉末的流动提高了，电流保持恒 定，电弧的直径减小，这恰恰使粉末沿等离子体通道壁累积在冷却层的问题恶化。另外，对于那些处于等离子体流中心的微粒而言，因为这些微粒的速 度提高了，它们在等离子体流中的时间减少。因此，如果电流保持恒定，则 在高温等离子体流中心的粉末量不会增加。但是，提高工作电流会引起与等 离子体喷涂装置的设计和运行有关的缺点。
在第三类装置中， 一部分等离子体通道由与阴极和阳极电绝缘的中间电 极形成。粉末被导入由中间电极形成的等离子体通道部分中的等离子体流中， 该中间电极一般地位于两个电极中间。因此，粉末既不被提供在等离子体通 道的入口处，也不被提供在等离子体通道的出口处。第三类装置的例子在例
如美国公开专利申请号2006/0091116A1中公开。
在美国公开专利申请号2006/0091116Al中公开的装置具有两个等离子体 通道段。位于粉末送料器上游的等离子体通道段由 一个或多个中间电极形成， 并用于创建等离子体流中的最佳条件。具体地，在操作过程中，等离子体被 加热到足以在等离子体通道的整个横截面上熔化粉末的温度。这消除了与粉 末微粒在等离子体流的冷却层中行进有关的问题，并且减小了当徵粒粘在等 离子体通道壁上而阻塞该通道的危险。位于粉末送料器下游的等离子体通道 段也是由一个或多个中间电极形成，并且用于获得等离子体流中高度同质和 温度的粉末徵粒，因而消除与在阳极处提供粉末有关的问题。通过控制下游 等离子体通道段的性质，例如形成该段的中间电极的长度和数量，从而获得 粉末的最佳条件。这些条件包括为了获得用于粉末材料和涂覆应用的具体结 合进行喷涂涂覆所需的粘着、结构和孔率所必需的速度和温度水平。然而， 因为等离子体流以及其所承载的粉末微粒的速度相对较低，则当它们流出该 装置时粉末微粒具有低的动能。
为了获得更高的粉末微粒速度， 一些喷涂装置使用节流部分。例如，所谓的冷喷涂或速度喷涂装置为携带粉末的较冷气体加压，之后使用节流部分 来将带有粉末的气体提速至高速。这样的装置利用粉末微粒的动能来涂覆。 本领域已知多种节流部分。简言之，它们被用于将气流的压力转换为速度。 节流部分首先用于喷气发动机，但是现在也用于等离子体发生装置。节流部 分的已知变化是超音速喷嘴(也称为德-拉伐尔喷嘴)，其能够将等离子体流加
速至超音速。美国专利申请号11/482,582公开了在多电极等离子体发生装置 中使用超音速喷嘴，该多电极等离子体发生装置用于切割、蒸发和凝结生物 组织。美国专利申请号11/482,582却不涉及用于喷涂应用的节流部分的特征，
例如有助于粉末的注射的等离子体流的静态压力下降以及使用纳米微粒用于 喷涂的能力。
使用节流部分的等离子体喷涂装置可以落入上述三类装置的任何一种 中。然而，由于它们使用节流部分，将分别对其进行讨论。美国专利公开号 2006/0108332中公开了在等离子体喷涂装置中使用节流部分。具体而言，该 公开揭示了基本位于最靠近阴极的等离子体通道的末端中的节流部分。在该 装置的操作中，在等离子体发生气体在临近阴极的加热腔中由阴极短暂加热 之后，气体通过该节流部分。该节流部分提高了气体的速度，在一些实施方 式中超过了声音的速度，并降低了气体的静态压力。当等离子体在等离子体 通道的某一点通过节流部分之后(在此处该等离子体达到其最大速度并具有最 小静态压力)，粉末被注入等离子体流中。然而，因为节流部分基本被布置在 等离子体通道的阴极端，则仅在等离子体流穿过节流部分时由电弧加热该等 离子体流。因此，当等离子体基本冷却时达到声音的速度。因为声音的速度 在高温时更高，等离子体发生气体获得的绝对速度则较低。由于较低速度， 等离子体不具有高功率密度。此外，因为在美国专利公开号2006/0108332中公开的装置中粉末被注入至阳极区域，则该装置显示通常与上述第一类装置 有关的局限性。
美国专利公开号2006/0037533公开了在热喷涂装置中使用节流部分。该 装置包括(l)用于加热气流(或等离子体流，在一些实施方式中)的加热模块，(2) 用于降低气流的静态压力并提高其速度的形成模块，(3)用于将粉末注入流中 的粉末进料模块，和(4)用于在流中携带粉末的桶状模块，从而粉末获得必要 的特性。该公开揭示了许多的执行加热模块的不同方式。例如，在一些实施 方式中，加热模块是燃烧型加热模块，其通过燃烧乙炔来加热气体。在气体 被加热到3,10(TC之后，该气体通到形成模块。在气流的速度和压力被形成模 块转换之后，粉末被注入粉末进料模块中的气流中。由气流携带的粉末微粒 在桶状模块中获得特定喷涂应用所需的性质。
美国专利公开号2006/0037533中公开了实施如多电极等离子体火炬的加 热部分的另一个实施方式。该等离子体火炬具有阴极、阳极和多个中间电极。 阳极和中间电极形成等离子体通道。该公开还揭示了节流部分，其不同于在 形成模块中的那个节流部分，且实质位于最接近阴极的等离子体通道的末端 中。在该加热模块的操作过程中，在等离子体发生气体在临近阴极的加热腔 中被阴极加热之后，等离子体发生气体通过该节流部分。该节流部分加速等 离子体流，在一些实施方式中超过声音的速度，并且降低气体的静态压力。
一些装置，如在美国专利公开号2006/0091U6Al中所讨论的，被提供用 于注射不同的可流动材料。这一特点是一些等离子体喷涂应用所期望的。
因此，当前需要一种等离子体喷涂装置，其通过以下方式克服了当前已 知装置的局限性最大化装置的能量密度；能够控制在该装置的出口处等离 子体流携带粉末徵粒的动能和热能。具体地，需要一种等离子体喷涂装置和方法，其产生具有温度和速度的等离子体流，该温度和速度能通过应用相对 较低的压力来将一种或多种可流动材料注入等离子体流中，同时也能在等离 子体和可流动材料离开等离子体通道的时候控制该等离子体和可流动材料的 性质。

发明内容
本发明提供了一种等离子体发生装置，其包括阳极、阴极、以及在阴极 和阳极之间纵向延伸的等离子体通道。该等离子体通道具有在该装置阳极末 端处开口的出口和节流部分。 一部分等离子体通道由两个或多个中间电极和 阳极形成，该中间电极彼此电绝缘。该装置的节流部分将等离子体通道分为 高压部分和低压部分，该高压部分位于最接近阴极的节流部分的一侧，该低 压部分位于最接近阳极的节流部分的 一 侧。该节流部分的喷口的横切等离子 体通道的纵向方向的^f黄截面面积小于高压部分的最小横截面面积和低压部分 的最小横截面面积。在等离子体通道的低压部分，该装置也具有一个或多个 可流动材料注射器，所述可流动材料注射器包括具有入口的可流动材料腔和 可流动材料送料器，该可流动材料送料器将可流动材料腔与等离子体通道连 接起来。可流动材料送料器和可流动材料腔共同称为可流动材料注射器。
在等离子体喷涂装置中，等离子体通道的高压部分由至少一个但优选选 两个或多个中间电极形成。这使得到达节流部分的等离子体流被充分加热以 获得高度均匀的被注入等离子体流的给定的可流动材料(例如粉末)。等离子体 通道的低压部分由至少一个但优选两个或多个中间电极形成。这使得可流动 材料被注入等离子^f本流之后用于给定喷涂应用的可流动材料^皮充分加热。
在操作过程中，等离子体发生气体被供应给等离子体通道。当等离子体发生气体流过等离子体通道时，该气体4皮形成于阴才及和阳极之间的电弧加热。 电弧的温度升高导致气体电离和等离子体形成。在等离子体通道的高压部分 中的等离子体静态压力相对较高。当等离子体通过节流部分时，等离子体速 度压力升高而静态压力下降。速度压力升高可将等离子体流提速至超音速。 在最接近阳极的节流部分的末端，等离子体的静态压力为其最小值。可流动 材料被注入低压部分的等离子体流中，其中由于等离子体的低静态压力而需 要最小压力。
将可流动材料注入所述装置中得到高度均匀的可流动材料，因为等离子 体在通过高压部分时被充分加热。因为可流动材料载体气体与热的等离子体 混合，等离子体温度下降并低于可流动材料被注入之前的等离子体的温度。 对于一些喷涂应用而言，可能需要高温可流动材料微粒。当带有可流动材料 的微粒的等离子体的总流通过低压部分的剩余部分时，电弧加热等离子体， 这加热了孩i粒。
在一些实施方式中，该装置能够注入两种或多种可流动材料。在能够注 入两种可流动材料的示例性实施方式中，该装置包括第二可流动材料注射器。 该第二可流动注射器以能使在第二可流动材料被注入之前，被注入的第 一可 流动材料被充分加热的方式布置。同时，第二可流动材料注射器以这样一种 方式布置，即能使两种可流动材料的微粒在总流离开该装置之前为了给定喷 涂应用而4皮充分加热。在一些实施方式中，该装置可以包括其他可流动材料
注射器，前提是以下条件被满足(l)在给定可流动材料被注入等离子体流中 之前，等离子体和从给定可流动材料上游注入的所有可流动材料的微粒必须 被充分加热；以及(2)在某点时被注入所有可流动材料的微粒必须(i)在为了给 定喷涂应用离开该装置之前，或(ii)在注入另一种可流动材料之前被充分加热。注意，当在注入另一种可流动材料之前，不需要将可流动材料的微粒加热到等离子体流离开该装置时所需的温度，因为两种可流动材料的微粒在注入第二可流动材料之后均被加热。因此，本发明也提出了等离子体喷涂一种或多
种可流动材料的方法，其包括产生被加热到至少10,000。K的等离子体流，
之后提高等离子体流中被加热等离子体的速度压力并同时降低等离子体流中被加热等离子体的静态压力，此后一种或多种可流动材料被注入等离子体流中。在本发明的方法中，在每种可流动材料被注入之后，通过加热该等离子体流中的等离子体，在输出等离子体之前等将离子体流中的所有可流动材料的微粒加热到合适的温度。


图1表示了具有单个可流动材料注射器的本发明的装置的一个实施方式
的纵向横截面视图2表示了如图1所示的具有单个可流动材料注射器的本发明的装置的一个实施方式的视图的横切纵向横截面视图3表示了在与等离子体流反向的方向成夹角的送料器；
图4表示了在等离子体流的方向成夹角的送料器；
图5表示了具有多个可流动材料注射器的装置的实施方式的纵向横截面视图6表示了用于冷却节流部分的冷却系统的水分配器；以及
图7表示了用于冷却阳极和其他中间电极的冷却系统的水分配器。
具体实施例方式
图l和图2表示了根据本发明的等离子体喷涂装置的一个实施方式。图1和图2所示的实施方式是具有单个可流动材料注射器的粉末喷涂装置。然而，应当理解，这是一个示例性实施方式，且不意味着将本发明的范围限制为粉末的使用或单个可流动材料或单个注射器的使用。为了本发明的目的，"可流动材料"的表述定义为压力下在导管中流动的任何材料。可流动材料包括但不
限于液体、气体、或者由流体承载的固体材料的微粒。本发明中的术语"粉末"应被理解为可以由流体(例如，气体)携带的很小的材料微粒；为此，"粉末"
是可流动材料。可流动材料的另一变化是粉末微粒例如纳米微粒的溶液，所
述微粒例如在已知为悬浮先驱液等离子体喷涂(SPPS)的喷涂技术中使用的液
体先驱液中。在操作过程中，这样的溶液被雾化并且作为可流动材料注入等离子体流中。
图1表示了该装置的纵向横截面。虽然以下讨论涉及的是粉末的使用，但是应当理解，也可以使用任何其他类型的可流动材料。在图1的实施方式
中，套管2、可流动材料組件60、垫圈56和套管48形成了等离子体喷涂装置的外表面。在这个实施方式中，等离子体喷涂装置是圆柱形的，并且所有的元件是环形并被同轴布置。但是，在其他实施方式中，等离子体喷涂装置可以不是圆柱形的，并且可以使用不同的内部或外部几何形状。该等离子体喷涂装置包括布置在阴极支撑件6中优选由含镧的钨制得的阴极4和阳极8 。绝缘元件10围绕离阳极8最远的阴极4的 一部分以及围绕阴极支撑件6的一部分。绝缘元件10提供了阴极4的热绝缘和电绝缘。
环形中间电极12、 14、 16、 18、 20、 22和24以及阳极8形成等离子体通道26。等离子体通道26具有在最靠近阴极4的末端的入口 32，以及距离阴极4最远的末端处的出口(或开口)34。环形绝缘件36、 38、 40、 42和44位于中间电极12、 14、 16、 18、 20、 22和24之间，并且提供了相邻中间电极之间的电绝缘。环形绝缘件46位于中间电极24和阳极8之间，并且拔—供了
他们之间的电绝全彖。
离阳极8最远的中间电极12形成环绕阴极尖30的等离子体腔28。等离子体腔28连接到等离子体通道32的入口。空间61为等离子体发生气体提供了通向等离子体腔28的通道。
图2表示了横切如图1所示的纵向横截面的纵向横截面。图2表示了等离子体通道的部分。中间电极18形成了节流部分80。节流部分80将等离子体通道26分成两个部分高压部分82和低压部分84。高压部分82由一个或多个中间电极形成。优选地，高压部分82由两个或多个中间电极形成。在图1和图2所示的实施方式中，等离子体通道26的高压部分82由三个中间电极12、 14和16形成。高压部分具有的长度应足以保证当粉末被注入等离子体中时等离子体具有足以在整个等离子体通道26的横截面上将粉末熔化的温度。
低压部分84由至少一个但优选是两个或多个中间电极形成。在图1和图2所示的实施方式中，低压部分84由三个中间电极20、 22和24形成。低压部分84具有的长度应足以保证被等离子体携带的粉末微粒被加热到给定喷涂应用所需的温度。
节流部分80具有沙漏形状。节流部分80的最窄部分是喷口 86，该喷口86将节流部分分为收敛部分88和发散部分90。在优选实施方式中，节流部分80是超音速喷嘴，已知为德-拉伐尔喷嘴。(为了清楚起见，在本发明中，除非特别说明，否则词組"横截面面积"指的是"横切等离子体通道26的纵向的横截面面积"。)喷口 86的横截面面积小于(a)高压部分82的横截面面积，和(b)低压部分84的横截面面积。在优选实施方式中，高压部分82的横截面面积小于或等于低压部分84的橫截面面积。在其他实施方式中，高压部分82的横截面面积大于低压部分84的横截面面积。
在操作过程中，在等离子体喷涂装置的初始启动之后，阴极4和阳极8
之间的电弧被维持。等离子体通道26中的等离子体发生气体从入口 32流向出口34。电孤加热等离子体发生气体引起等离子体发生气体的电离，从而产生等离子体。等离子体穿过等离子体通道26的方向，即从入口32到出口34的方向，被称为等离子体流的方向。
等离子体发生气体在压力下通过空间61被提供给等离子体通道26的入口 32。等离子体的总压力由速度压力和静态压力组成。在本说明书的上下文中，速度压力是指沿等离子体通道推动等离子体流的压力，静态压力是指施加在等离子体通道壁上的等离子体的压力。等离子体的速度压力正比于等离子体流速度的平方。反过来，等离子体流的速度正比于等离子体的速度压力的平方根。当等离子体进入收敛部分88，等离子体的速度压力升高，因为质量流量比(每单位时间的质量)是常数。在喷口 86处，等离子体通道的横截面面积最小，等离子体速度变成跨音速的，马赫为l，称为阻流的情形。当发散部分90中的横截面面积增大，等离子体继续扩展，从而等离子体的静态压力降低而等离子体的速度压力提高。在发散部分90中，等离子体流的速度提高到超音速，马赫>1.0。此时，在发散部分90中，等离子体的静态压力降低。等离子体的总压力基本保持恒定。
等离子体的速度压力和等离子体流的速度在最接近阳极8的节流部分80的末端处达到其最大值。相反，等离子体的静态压力在最接近阳极8的节流部分80的末端处达到其最小值。等离子体在其经过节流部分80时所经历的物理过程是等熵的，这也就意味着等离子体的熵不会改变。实际上，节流部分80相对于在高压部分82中所观测到的压力而言提高了等离子体的速度压力并降低了等离子体的静态压力。
因此，高压部分82由以下表征(l)等离子体的高静态压力，优选为5-100Bar的范围；(2)等离子体的低速度压力，以及(3)等离子体流的低速。高压部分中的等离子体流的平均温度优选为10-20° kK。如果氩被用作等离子体发生气体，等离子体的电场优选为5-50V/mm。高压部分中的等离子体的功率密度优选为0.5-10 kW/mm3的范围。
当等离子体进入节流部分80的收敛部分88，等离子体的温度优选为10-20°kK。当等离子体离开节流部分80的发散部分卯，等离子体的温度优选降到8-13° kK。在最接近阳极8的发散部分90的末端处的等离子体的速度优选为l-10km/s,具有1.2-3的范围的马赫数。在发散部分90中的等离子体的压力优选为l-5Bar范围。
低压部分84由以下表征(l)等离子体的低静态压力，优选接近大气压力，(2)等离子体的高速度压力，和(3)导致高平均粉末速度优选为400-l，000m/s的等离子体流的高速。等离子体流的平均温度优选为10-15。kK的范围。平均粉末温度是粉末的熔化温度。在低压部分84中的等离子体的电场优选为1-10V/mm。在低压部分84中的等离子体的功率密度优选在0.2-0.8 kW/mm3的范围。
在图2中所示的实施方式中，粉末通过两个粉末入口 94和95进入等离子体喷涂装置。在其他实施方式中，可以使用不同数量的粉末入口。粉末入口 94和95连接到粉末腔96。粉末腔96被布置成围绕中间电极18，并且有助于粉末微粒沿该装置的周围均匀分布。粉末送料器98将粉末腔96连接到等离子体通道26。在优选实施方式中，粉末送料器98在最接近节流部分80的低压部分84的末端处连接到等离子体通道26。在其他实施方式中，粉末送料器98能在沿低压部分84中的等离子体通道26的其他点处将等离子体通道 26连接到粉末腔96，前提是粉末微粒在等离子体通道26中待足够多的时间 来获得所需特征，例如温度、速度和均匀性。
在优选实施方式中，送料器98是狭长切口。在其他实施方式中，粉末送 料器98可以作为连接粉末腔96和等离子体通道26的多个通道来实现。在其 他实施方式中，粉末送料器98可以是连通粉末腔96与等离子体通道26的任 意孔或多个孔。图1和图2表示了狭长切口 98垂直于该装置的轴的实施方式。 然而，这一 角度无法对于所有类型的粉末产生粉末微粒在等离子体中的最佳 分布。如上所述，对于高质量涂覆而言，粉末微粒优选为在等离子体流中均 匀分布。使用图1和图2中所示的实施方式来喷涂具有较重微粒的粉末可能 导致来自不同方向的微粒在离子体通道26的中心碰撞。使用图1和图2中所 示的实施方式来喷涂具有较轻微粒的粉末可能导致微粒在其能均匀到达等离 子体流的中心之前被等离子体流推向等离子体通道的壁。为了获得粉末微粒 的更均匀的分布，送料器98可以成一定夹角。图3表示了实施方式，其中送 料器98与等离子体流相反的方向形成夹角。该实施方式可理想地用于具有更 轻微粒的粉末。图4表示了实施方式，其中狭长切口 98与等离子体流的方向 形成夹角。该实施方式可理想地用于具有更重微粒的粉末。
如上所述，等离子体通道26中的等离子体由在阴极4和阳极8之间产生 的电弧加热。在优选实施方式中，进入节流部分80的等离子体的温度是 10,00()OK或更高。当等离子体通过高压部分82时，上述温度升高。进入节流 部分的等离子体的温度将取决于高压部分82的特性，特别是其长度，这依赖 于用于形成高压部分82的中间电极的几何形状和数量。
当粉末被注入等离子体通道26中，其由冷却承载气体运送。因为冷却承载气体与被加热等离子体混合，在等离子体流中的等离子体的温度显著降低， 并变得比在粉末被注入之前的等离子体温度还要低。对于一些涂覆应用而言，
在等离子体流中的等离子体必须在粉末被注入之后在低压部分84中被加热， 致使粉末微粒在离开装置的出口 34时达到所需温度和高度均匀性。建立在阴 极4和阳极8之间的电弧加热沿低压部分84流动的带有被注入粉末的微粒的 等离子体。在优选实施方式中，从出口 34处离开该装置的等离子体的温度为 10,000° K或更高。粉末微粒的温度取决于粉末微粒待在等离子体流中的时间， 这由低压部分84的长度控制。 一些类型的粉末微粒，例如纳米微粒，如果被 暴露在被加热等离子体的温度并且之后保持在该温度一段时间则蒸发。在低 压部分84中的等离子体的超音速使这样的微粒在不蒸发的情况下熔化到所需 稠度。然而，应当注意，因为从等离子体到粉末微粒的动能的非理想转移， 粉末微粒以比等离子体流中的等离子体的速度低的速度行进。对于给定类型 的粉末而言，在低压部分84中的粉末微粒被加热到的温度，以及该微粒横穿 低压部分84所花费的时间可以由形成低压部分84的中间电极的几何形状和 数量控制。
涂覆纳米微粒存在其它问题。具体地，由于纳米微粒的质量小，因此即 使在低压部分84中的等离子体流的较低静态压力下，它们仍不能获得足够的 动量来实现等离子体流的理想渗透。对于这样的纳米微粒而言，等离子体喷 涂装置的各种实施方式可以使用SPPS。因为SPPS，被注入等离子体流的可 流动材料是纳米微粒在液体先驱液中的雾化溶液。当该雾化溶液被注入等离 子体流中时，先驱液被快速蒸发，将纳米微粒留在等离子体流中以被加热和 力口速。
再参考图2，在操作过程中，所有元件，但特别是阳极8和形成节流部分80的中间电极18被加热。为了中间电极18的冷却，冷却剂(优选是水)通过 /V 口 "f疋1六。々、-卩"'J估T丙丁1个'/厄W、J力1口J工》Tb辽？从1口J々、力卩1!SL1IL UJ 。沐1口J々、
却剂通道65优选地在喷口 86的横截面上连接到圓形冷却剂通道66(如图1所 示)，其中圆形冷却剂通道66围绕中间电极18。冷却剂随后在与等离子体流 相反的方向上流过与圓形通道66相连的另 一 纵向冷却剂通道67 。冷却剂通过 出口 68流出该装置。冷却剂分配器15,在图6中分别示出，与其它元件一起， 形成了冷却剂通道65 、 66和67 。阳极8的冷却剂系统是类似的。冷却剂，优 选是水，通过入口70进入该装置。冷却剂之后在等离子体流的方向上流过纵 向冷却剂通道71。然后，冷却剂在圆形通道72中流过阳极(如图1所示)。之 后，冷却剂在与等离子体流相反的方向上流过另一纵向通道73，并再从出口 74流出该装置。冷却剂分配器17,在图7分别示出，与其它元件一起，形成 冷却剂通道71、 72和73。在一些实施方式中，相同的冷却剂被用于冷却阳极 8和中间电极18。在另一实施方式中，不同的冷却剂^皮用于冷却阳极8和中 间电极18。
图5表示了具有两个可流动材料注射器的等离子体喷涂装置的一个实施 方式。在这个实施方式中，如上述第一个实施方式所述，高压部分82由相同 的中间电极12、 14、 16以及相同的绝缘件36、 38和40形成。低压部分84 由中间电极20、 22、 24、 140、 142、 144，阳极8，和绝缘件42、 44、 46、 152、 154、 156形成。在送料器98和送料器128之间的等离子体通道160的部分由 至少一个、但优选为两个或多个中间电极形成。在图5所示的实施方式中， 部分160由三个中间电极20、 22和24形成。送料器128和阳极8中的开口 34之间的等离子4本通道162的部分也由至少一个、但优选为两个或多个中间 电极形成。在图5所示的实施方式中，部分162由三个中间电极140、 142、144和阳极8形成。通常，在具有两个或多个可流动材料注射器的实施方式中，
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再参考图5，部分160和162具有冷却系统。如图所示，每个部分具有它 自己的冷却系统。依照以上描述，冷却系统包括入口70，通道71、 73、 72(未 在图5中示出)，和用于冷却中间电极146的出口 74。依照以上描述，使用类 似冷却系统冷却电极8，所述冷却系统包括入口 130,通道131、 132，围绕阳 极的通道(未在图5中示出)，和出口 134。在具有两个或多个可流动材料注射 器的实施方式中，对于在每对相邻送料器之间形成等离子体通道部分的每組 电极，可存在冷却系统。这些冷却系统可使用不同的冷却剂，并且可彼此独 立操作。
在具有多个可流动材料注射器的实施方式中，相应的送料器可以以相同 方式、也可不以相同方式形成夹角。例如，在图5的实施方式中，送料器98 和送料器128都垂直于等离子体流的方向。在另一些实施方式中， 一个送料 器可以与等离子体流的方向形成夹角(如图4所示)，而另一个送料器可以与等 离子体流相反的方向形成夹角(如图3所示)。在一些其它实施方式中，两个送 料器可以在相同方向上形成不同的夹角。
图5所示的实施方式的操作类似于上述图1和2所示的实施方式的操作。 实际上，送料器128上游的操作均基本相同。在操作过程中，在第一可流动 材料已经通过送料器98被注入等离子体流中之后，由等离子体携带的第 一可 流动材料的微粒横穿等离子体通道的低压部分。在第一可流动材料的微粒已 经被加热到合适温度的点，第二可流动材料通过送料器128被注入等离子体 流。送料器128连接到第二可流动材料腔126。第二可流动材料通过入口 124 和125被提供给第二可流动材料腔126。由等离子体携带的第二可流动材料的微粒横穿等离子体通道的其它部分，并通过阳极8的开口 34流出。
在送料器98和128之间的部分160的长度取决于第 一可流动材料的特性。 所述长度受到用于形成部分160的中间电极的数量和几何形状的控制。当第 二可流动材料被注入等离子体流，其微粒与第一可流动材料的微粒一起被等 离子体流中的等离子体加热。在送料器128与阳极8的开口 34之间的部分162 的长度取决于第二可流动材料的特性。所述长度受到用于形成部分162的中 间电极的数量和几何形状的控制。选择部分162的长度，从而第二可流动材 料的微粒(与第一可流动材料的微粒一起被加热)在它们到达阳极8的开口 34 时获得特定喷涂应用所需的特性。选择部分160和162的长度的总和，以便 第一可流动材料的微粒在它们到达阳极8的开口 34时获得特定喷涂应用所需 的特性。应当注意，第一可流动材料的微粒在部分160中被加热，之后他们 在送料器128连接到等离子体通道26的区域中被冷却，再后他们在部分162 中被再次加热(与第二可流动材料的微粒一起)。部分160的长度可以由部分 160和162的长度的总和以及部分162的长度确定。在具有多于两个可流动材 料注射器的实施方式中，不同部分的长度可以相同方式确定。
本发明的装置可被用于不同于等离子体喷涂涂覆的其它应用中。例如， 一个可能的应用是等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。简言之，化学气相 沉积(CVD)是沉积薄膜的方法，其中微粒被加热和推进到将被涂覆的表面，且 由于它们的高能量，在将被涂覆的表面上发生化学反应并形成薄膜。使用CVD 的一个应用是沉积金刚石膜。为了在表面上获得金刚石膜的沉积，必须在表 面上创建金刚石生长所需的条件。等离子体发生装置可以被用于创建这样的 条件。氩等离子体，例如，经受10,00(fK或更高的温度。在这一温度下，氬 和一 些经被分解为原子氢和原子碳。等离子体流朝向表面加速原子氢和原子碳，在该表面上原子碳(在某些前体的存在下)开始形成金刚石膜。使用具有单 个可流动材料注射器的实施方式将烃和氢与阴极分开，之后防止阴极腐蚀， 并且同时保证该两种气体在被加热的离子体中待了足够多的时间来完全分解 为元素微粒。
CVD的重要因素是金刚石在其中生长的层的厚度，被称为边界层。该边
界层的厚度确定了金刚石膜的生长率，理想地，该膜应该尽可能地薄。该层 的厚度与等离子体流的速度的平方根成反比，该等离子体流被用于递送该元 素微粒。用节流部分将等离子体加速至超音速因此有利于形成更薄的边界层。 本发明的该装置的实施方式也可以用于解构固体、液体和气体形式的有 害材料或废物。例如，等离子体发生装置的实施方式可以被整合至废物管理 系统或机动车辆排气系统。在高温下，有机材料被热解。然后，在系统的更
冷部分中，元素^:粒和离子可以在快速石威骤冷法之前重新混合以形成简单分 子。最终产品包括由氩、二氧化碳和水蒸气組成的气体，以及无机钠盐的水 溶液。
也可以将解构有害材料和废物的功能与CVD组合。例如，当使用该装置 的实施方式时，解构腔可以包括衬底支撑物，其中可以从元素碳中生成金刚 石。
具有多个可流动材料注射器的装置的实施方式使该装置可以用于具有单 个可流动材料的装置的实施方式不适用的应用中。
对于 一 些涂覆应用，例如用于涂覆涡轮部分的热障涂覆(TBC)，必须具有 两层涂覆顶涂层和粘合涂层。该粘合涂层是必要的，因为被涂覆金属的热 膨胀系数与顶涂层不相匹配，该顶涂层通常是陶瓷的。该粘合涂层首先被应 用于将被涂覆的金属表面。该粘合涂层作为顶涂层和金属表面之间的粘合层。为了更好地粘合以及产生更厚的涂覆，使用已知为分级功能涂覆(Graded Functional Coating)的方法。使用分级功能涂覆，两种粉末被注入等离子体流。 然而，被注入粉末的相对量随时间变化。在涂覆过程的开始阶段，只注入用 于形成粘合涂层的粉末。慢慢地，增加用于形成顶涂层的粉末的量，并同时 减少用于形成粘合涂层的粉末的量。最后，只提供用于形成顶涂层的粉末。 用于形成两层涂层的粉末具有非常不同的属性，例如微粒大小、熔点等。使 用具有单个可流动材料注射器的装置的实施方式要求为两种不同的粉末优化 该装置的参数。即使找到满意的参数，这样的装置的性能也未必是最理想的。
使用具有多个可流动材料注射器的装置可以产生实现喷涂两种粉末的最 佳条件的装置。例如，参照图5所示的装置的实施方式，用于形成顶陶瓷层 的粉末比用于形成粘合层的粉末具有更高的熔点。因此，用于形成顶层的粉 末通过入口 94和95被提供给上游可流动材料注射器。用于形成粘合涂层的 粉末通过入口 124和125被提供给下游可流动材料注射器。各个部分160和 162的长度可以被配置成保证两种粉末在流出阳极8的出口 34之前在等离子 体通道26中保持最佳时间，然后在最佳温度下从出口 34流出该装置。
为了图解和it明，已经在前述内容中描述了本发明的实施方式。在此并 非是穷举的或是将本发明限制为所公开的精确形式。本领域技术人员很容易 进行许多的变型和改变。为了最好地解释本发明的原则以及实际应用而选择 和描述这些实施方式，因而使得本领域的其他技术人员能够理解本发明。可 以预期适于特定应用的不同实施方式和变型。而本发明的保护范围应由所附 权利要求及其等价物来确定。
权利要求
1、等离子体发生装置，包括a.阳极；b.阴极；c.等离子体通道，其在所述阴极至所述阳极之间纵向延伸，并且具有在所述阳极末端开口的出口，一部分所述等离子体通道由彼此绝缘的两个或多个中间电极与所述阳极形成；所述等离子体通道包括节流部分，所述节流部分将所述等离子体通道分为i.位于与所述阴极最接近的节流部分的一侧的高压部分，所述高压部分由所述中间电极中的至少一个形成，ii.位于与所述阳极最接近的节流部分的一侧的低压部分，所述节流部分的喷口具有横切所述等离子体通道的纵向的横截面面积，所述横截面面积小于(1)所述高压部分的横切所述等离子体通道的纵向的最小横截面面积，和(2)所述低压部分的横切所述等离子体通道的纵向的最小横截面面积；d.一个或多个可流动材料注射器，每个注射器包括i.具有入口的可流动材料腔；以及ii.将所述可流动材料腔在所述等离子体通道的所述低压部分连接到所述等离子体通道的可流动材料送料器。
2、 如权利要求l所述的等离子体发生装置，其中所述高压部分由两个或多个中间电^L形成。
3、 如权利要求l所述的等离子体发生装置，其中所述低压部分由一个或多个中间电极形成。
4、 如权利要求2所述的等离子体发生装置，其中所述低压部分由两个或 多个中间电极形成。
5、 如权利要求3所述的等离子体发生装置，其中所述节流部分是超音速喷嘴。
6、 如权利要求3所述的等离子体发生装置，其中所述高压部分的横切所 述等离子体通道的纵向的最小横截面面积小于或等于所述低压部分的横切所 述等离子体通道的纵向的最小横截面面积。
7、 如权利要求3所述的等离子体发生装置，其中所述节流部分由中间电 才及形成。
8、 如权利要求7所述的等离子体发生装置，还包括冷却所述阳极的装置。
9、 如权利要求8所述的等离子体发生装置，还包括与用于冷却所述阳极 的装置分开的用于冷却形成节流部分的中间电极的装置。
10、 如权利要求3所述的等离子体发生装置，其中每个所述可流动材料 进料器包括以下方向中的一个(a)垂直于所述等离子体通道的纵向，(b)朝向 所述阳极的夹角，和(c)背向所述阳极的夹角。
11、 如权利要求3所述的等离子体发生装置，其中在任意一对相邻进料 器之间的所述等离子体通道的部分由两个或多个中间电极形成。
12、 等离子体喷涂一种或多种可流动材料的方法，包括a. 产生等离子体流；b. 加热所述等离子体流中的等离子体到至少10,000°K;c. 在加热所述等离子体之后，增大所述等离子体流中被加热等离子体的 速度压力，并同时减小所述等离子体流中被加热等离子体的静态压力；d. 在减小所述等离子体流中被加热等离子体的静态压力之后，将一种或 多种可流动材料注入所述等离子体流中；e. 在每种可流动材料被注入后，通过加热所述等离子体流中的等离子体 从而加热所述等离子体流中所有可流动材料的微粒；以及f. 输出获得的被加热的微粒和等离子体。
13、 如权利要求12所述的方法，还包括在增大所述速度压力的同时增大 所述等离子体流中的等离子体的速度。
14、 如权利要求13所述的方法，其中在所述等离子体流中的等离子体的 速度被增大至超音速。
15、 如权利要求12所述的方法，其中至少执行加热微粒的步骤直到至少 一种可流动材料的 一 些微粒达到预定温度。
16、 如权利要求12所述的方法，其中至少一种可流动材料被注入的量随时间变化。
17、 如权利要求12所述的方法，其中所述可流动材料的至少一种是纳米微粒先驱溶液。
18、 如权利要求12所述的方法，其中所述可流动材料的至少一种是氢和 烃的混合物。
19、 如权利要求12所述的方法，其中所述可流动材料的至少一种是(a) 废物和(b)有害材料之一。
20、 如权利要求19所述的方法，还包括，对于至少一种可流动材料而言， 将所述可流动材料分解为包含碳的两种或多种元素。
全文摘要
本发明公开了用于等离子体喷涂的装置和方法。该装置包括阴极、阳极、由阳极和中间电极形成的等离子体通道、和一个或多个可流动材料注射器。等离子体通道具有节流部分，其将该等离子体通道分为由至少一个中间电极形成的接近阴极的高压部分和接近阳极的低压部分。在操作过程中，等离子体发生气体由保持在阴极和阳极之间的电弧加热，以形成等离子体。当等离子体通过节流部分时，等离子体的速度增大到超音速，而同时等离子体的静态压力下降。可流动的材料被注入在低压部分中流动的等离子体中。在可流动材料中的微粒由等离子体加热，并且生成的被加热微粒和等离子体从等离子体通道的出口被输出。
文档编号H05H1/24GK101653047SQ200780052471
公开日2010年2月17日 申请日期2007年2月2日 优先权日2007年2月2日
发明者尼克莱·苏斯洛夫 申请人:等离子体技术有限公司