专利名称：具有横向注射器的等离子体喷枪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种等离子体发生器和使用此等离子体发生器的等离子体喷枪。
背景技术：
通常使用等离子体喷射以在基底上形成涂层。等离子体喷射大体包括产生电弧、 通过此电弧吹送等离子气体以产生很高温度、很高速度的等离子体流，接着将此等离子体流注入颗粒以便将它们喷射到基底上。通常，颗粒在至少部分地熔化于等离子体中，且因此能够充分地彼此附接并当冷却时能充分地附接到基底上。因此，此技术可以用于涂覆由金属、陶瓷、金属陶瓷、聚合物、有机材料或合成物制成的基底的表面，特别是涂覆由包括有机基体的合成物制成的基底的表面。此技术尤其用于涂覆具有各种形状、例如具有平面的或轴对称的几何形状，特别是圆柱形结构或复杂的几何形状的部件，，这些部件可能具有各种尺寸一唯一的限制是喷射离子的进入。目的可以是例如提供具有如下功能的表面，诸如耐磨性或改变摩擦系数、热障或电绝缘性。此技术还可以用于通过称为“等离子体形成”的技术制造大体积的部件。借助于此技术，因此可能涂覆厚度为几毫米、甚至超过IOmm的涂层。例如在WO 96/18283、US 5406046、US 5332885、WO 01/05198 或 WO 95/35647 或 US 5420391中描述了等离子体喷枪、或等离子管。工业用途的等离子体喷枪的性能参数可以为如下-高喷射生产率，该高喷射生产率由每单位时间沉积的材料量限定；-高沉积效率，该高沉积效率由沉积的材料量和注入到等离子体流中的材料量之间的以重量百分比计的比率限定；_涂层最大质量，特别是具有产生均勻且可再生的、具有高的材料流速的涂层的能力；-最小耗能；-使可能的维护时间最少，且使两次连续的维护操作之间的时间间隔可能最大；-降低由阴极材料的损失带来的污染。本发明的一个主题是提供一种至少部分地满足这些标准的等离子体喷枪。
发明内容
为此，本发明提供一种等离子体发生器，该等离子体发生器包括-阴极和阳极，所述阴极沿轴线X延伸，所述阴极和所述阳极被安置成使得在电压作用下在腔内、在所述阳极和所述之间能产生电弧；和-用于注射等离子气体的装置，所述装置包括注射管道，所述注射管道通过注射孔通向所述腔。在第一主要实施方式中，下述两者之间的比率R小于3. 2，优选地小于2. 5和/或大于0. 5
-具有所述阳极和所述阴极之间的最小径向距离的轴向位置pAC与所述注射孔的轴向位置Pi之间的轴向距离X ；和-阴极的在所述位置pAe的下游的腔区域内的最大横向尺寸D。，所述位置pA。的下游的所述腔区域称为“电弧腔”。在第二主要实施方式中，如下两者之间的比率R’小于3. 5，优选地小于3. 0和/或大于1. 2 -所述阴极的下游端的轴向位置Pc和所述注射孔的轴向位置间的轴向距离 X，；和-阴极在电弧腔内的最大横向尺寸D。。在第三主要实施方式中，如下两者之间的比率R”小于2. 5，且优选地大于1. 25 -所述注射孔的径向距离yi;所述注射孔的径向距离由轴线X和所述注射孔的中心之间的最小距离限定；-阴极的在所述电弧腔内的最大横向尺寸D。。无论所考虑的是哪一个主要实施方式，发明人观察到根据本发明的等离子体发生器能够实现非常高产率且高效率的沉积，且耗电量有限和由阴极产生的污染有限。特别地，当等离子气体绕阴极旋转形成涡流时，第三主要实施方式提供极好的性能。无论所考虑的是哪一个主要实施方式，优选地，根据本发明的等离子体发生器还可以包括其他主要实施方式的一个或多个特征。此外，还可以具有如下可选特征中的一个或多个-在所述注射装置的所有注射孔中，前述注射孔具有最远下游轴向位置或是具有最远下游轴向位置的注射孔之一；-所述轴向距离χ优选地小于25mm，优选地小于18mm和/或优选地大于5mm，特别地大约13mm的轴向距离χ是非常合适的；-所述轴向距离χ，优选地小于30mm，优选地小于25mm和/或优选地大于9mm，甚至大于15mm，特别地大约20mm的轴向距离χ’是非常合适的；-径向距离yi优选地小于27mm，优选地小于20mm甚至小于15mm，和/或优选地大于6mm、甚至大于10mm，大约12mm的距离y是非常合适的；-将所述轴向位置pAe与所述阳极的最远下游点的轴向位置Pa间隔开的所述轴向距离χ”优选地小于60mm，优选地小于50mm和/或优选地大于30mm，特别地大约45mm的距
离X”是非常合适的。-在轴向位置pAC的阴极和阳极之间的最小径向距离yAC与电弧腔内的阴极的最大横向尺寸Dc之间的比率R”’优选地小于1. 25，优选地小于0. 5且优选地大于0. 1，优选地大于0. 2，特别地大约为0. 3的比率R”’是非常合适的；及-注射装置包括多个注射孔，对于任一注射孔，关于所述比率R、R’及R”和关于所述距离X、X’、X”及y的条件中的至少一个、优选地所有条件都是真的。所述注射装置是根据本发明的如下文描述的注射装置。所述阴极的自由端包括圆锥形部分，优选地，所述圆锥形部分具有尖形或圆形形状。此圆锥形部分的顶角δ优选地大于30°，优选地大于40°和/或小于75°，优选地小于60°。圆锥形部分沿阴极的轴的长度优选地大于3mm和/或小于15mm，优选地小于 8mm。此圆锥形部分的最大直径(在其底部)优选地大于6mm，优选地大于8mm和/或小于 14mm，优选地，小于10mm。优选地，圆锥形部分的自由端是圆形的，此端的曲率半径优选地大于Imm禾口 /或小于4mm。所述阴极包括紧接圆锥形部分上游的圆柱形部分。优选地所述圆柱形部分的长度大于5mm，优选地大于8mm和/或小于50mm，优选地小于25mm，更优选地小于20mm，优选地小于15mm。优选地，圆柱形部分具有圆形横截面和大于4mm的直径，所述直径优选地大于 6mm,优选地大于8mm和/或小于20mm，优选地小于14mm，更优选地小于10mm。优选地，圆柱形部分的直径基本等于所述圆锥形部分的最大直径，使得所述圆柱形部分自所述圆锥形部分连续延伸。优选地，所述阴极包括优选地紧靠所述圆柱形部分上游的截锥形部分。优选地，所述截锥形部分尽可能远地延伸到腔的后面(图2中标记的59)，在该腔内产生电弧。优选地， 此截锥形部分的顶角Y大于10°，优选地大于30°和/或小于90°，优选地小于45°。截锥形部分的长度可以大于5mm和/或小于15mm。优选地，截锥形部分的最大直径大于6mm， 优选地大于IOmm和/或小于30mm，优选地小于20mm，更优选地小于18mm，和/或所述截锥形部分的最小直径大于4mm，优选地大于6mm，优选地大于8mm和/或小于20mm，优选地小于 14mm，更优选地小于10mm。优选地，此最小直径等于圆柱形部分的直径，使得截锥形部分延长了圆柱形部分。在一个实施方式中，圆锥形部分的长度小于圆柱形部分的长度。特别地，圆锥形部分的长度和圆柱形部分的长度之间的比率可以大于0. 5和/或小于1。在一个实施方式中，圆柱形部分的长度基本等于截锥形部分的长度。优选地，阴极包括圆柱形部分，圆柱形部分优选地具有圆形截面，优选地圆柱形部分由圆锥形部分同轴地延长到电弧腔。更优选地，所述阴极包括由圆柱形部分同轴地延长的截锥形部分，所述圆柱形部分优选地具有圆形横截面，优选地圆柱形部分由圆锥形部分同轴地延长到电弧腔。优选地，所述阴极包括截锥形部分，且至少一个、优选地所有注射孔位于剖切所述截锥形部分的一个或多个横向平面内。在一个实施方式中，所有的注射孔位于同一横向平面内。此横向平面可以被安置成例如与所述截锥形部分的底部之间的距离在所述截锥形部分的长度的30%到90%之间，优选地在所述截锥形部分的长度的40%到70%之间。所述阴极是吹弧等离子体阴极，优选地是杆形热阴极。在一个实施方式中，所述阴极是整体部分，即由单一材料形成。在另一实施方式中，所述阴极包括由钨制成的杆和铜部分，由钨制成的杆插入铜部分中。所述腔包括上游的圆柱形部分和/或中间聚合部分(沿着下游方向聚合)和/或下游圆柱形部分。具体地，所述中间聚合部分可以是截锥形或可以包括多个截锥形部分，特别是两个同轴地彼此延长的截锥形部分(即在这些截锥形部分的过渡区没有台阶)。优选地，第二截锥形部分的上游的第一截锥形部分的顶角V1大于所述第二截锥形部分的顶角 Ψ2。特别地，顶角1^在50°到70°之间。特别地，顶角Ψ2可以在10°到20°之间。优选地，所述腔包括自上游到下游接连的、同轴的上游圆柱形部分、中间聚合部分和下游圆柱形部分。优选地，上游圆柱形部分的长度大于5mm和/或小于40mm，优选地，小于20mm。优选地，中间聚合部分的长度大于IOmm和/或小于80mm，优选地小于40mm且优选地大于20mm和/或小于30mm。优选地，下游圆柱形部分的长度大于IOmm和/或小于80mm， 优选地小于40mm且优选地大于20mm和/或小于30mm。优选地，上游圆柱形部分的直径大于10mm，优选地大于15mm和/或小于70mm，优选地小于40mm，优选地小于30mm。中间聚合部分的最大直径(底部)大于15mm和/或小于40mm，优选地小于25mm。 优选地，上游圆柱形部分的直径大于所述中间聚合部分的最大直径，使得这两部分之间具有台阶。中间聚合部分的最小直径大于4mm，优选地大于5mm和/或小于20mm，优选地小于 12mm，优选地小于9mmο下游圆柱形部分的直径大于4mm，优选地大于5mm和/或小于20mm，优选地小于 12mm,更优选地小于9mm。更优选地，中间聚合部分的最小直径基本等于下游圆柱形部分的直径，使得下游圆柱形部分可以连续地延伸中间聚合部分。上游圆柱形部分的长度大于阴极的截锥形部分的长度。更优选地，上游圆柱形部分的长度和中间聚合部分的长度之和大于腔内的阴极的长度。在一个实施方式中，阴极的自由端基本延伸到沿所述腔的中间聚合部分的一半。特别地，阴极的自由端自中间聚合部分的底部的距离在中间聚合部分的长度的30%到70% 之间，优选地在中间聚合部分的长度的40 %到60 %之间。本发明还涉及一种等离子气体注射装置，所述注射装置设置成使得产生围绕所述阴极的涡流，特别是围绕延伸到电弧腔的所述阴极的下游部分的涡流。根据本发明的注射装置还可以包括如下特征中的一个或多个-所述注射装置安置在阴极的延伸到所述电弧腔的部分的上游。特别地，所述注射装置可以安置在腔的上游端；-所述注射装置包括至少一个注射管道。优选地，所述注射装置包括至少四个注射管道，甚至至少8个注射管道；-注射管道的所述注射孔的直径优选地大于0.5mm和/或小于5mm，优选地大约是 2mm ；-注射管道安置成使得所述注射轴在径向平面内的投影与轴线X成角α，所述径向平面穿过所述注射管道的注射孔的中心，所述角α大于10°，大于20°且小于70°或小于 60° ；-注射管道安置成使得，在装配位置，所述注射轴在穿过所述注射管道的所述注射孔的中心的横向平面内的投影与位于所述横向平面内且穿过所述轴线X及所述注射孔的中心的半径成角β，所述角β小于45°，优选地小于30°和/或大于5°，优选地大于 10°，甚至大于20°，在该装配位置所述注射装置集成到具有轴线X的等离子体发生器内；_多个注射管道，优选地所有注射管道具有相同的χ和/或X’和/或α和/或 β值；-所述注射装置为环形，优选地沿横向平面延伸，所述环的轴为轴线X；及-所述注射装置包括多个围绕轴线X等角度分布的注射孔。
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本发明还涉及一种等离子体喷枪，所述等离子体喷枪包括-根据本发明的等离子体发生器；和-用于将待喷射的材料注入等离子体流的部件，所述等离子体流由所述等离子体发生器产生。所述注射待喷射的材料的部件可以通向等离子体发生器内部，且特别地通向电弧腔内，或通向等离子体发生器外部，特别是电弧腔的出口。所述注射待喷射的材料的部件可以安置成使得沿在径向平面(穿过所述轴线X) 内延伸且与垂直于轴线X的平面成角θ的轴注射所述待喷射的材料，所述角θ的绝对值小于40°，小于30°，小于20°，小于15°的角是非常合适的。相对于所述等离子体流，所述注射管道可以向内旋转(如图8所示，负的角θ )，向外旋转(正的角θ )，或垂直于等离子体发生器的轴线Χ(如图1所示，θ =0)。
阅读随后的、关于附图的详细的描述，本发明的其它特征、优点将更加清楚，其中图1示出根据本发明的实施方式的等离子体喷枪的纵向剖面；图2示出图1的细节；图3a示出应用于图1的等离子体喷枪中的等离子气体注射装置的纵向剖面，图3b 示出应用于图1的等离子体喷枪中的等离子气体注射装置的横向剖面(沿图3a示出的面 A-A)；图7a示出应用于根据图6的等离子体喷枪的变型的等离子气体注射装置的纵向剖面，且图7a和图7b分别示出此装置沿图7a示出的面A-A和面B-B的横向剖面；图4、图5、图6和图8示出根据本发明的等离子体喷枪的变型的纵向剖面；图9示出优选实施方式的阴极；图10示出优选实施方式的阳极。在不同的附图中，使用相同的附图标记表示相同或类似的元件。为非限制性说明的目的提供详细的描述和附图。
具体实施例方式定义在本说明书中，术语“上游”和“下游”是相对于等离子气体流的流向来使用。“横向平面”是垂直于轴线X的平面。“径向平面”是含有轴线X的平面。术语“轴向位置”理解为表示沿轴线X的位置。即，通过点在轴线X的垂直投影给定该点的轴向位置。将阳极和阴极之间最小径向距离的轴向位置pAe规定为横向平面在轴线X上的位置，在该位置阳极和阴极之间的距离最小。此径向距离(即在横向平面中测量的径向距离) 称为“最小径向距离”且表示为如图2所示的yA。。如果阳极和阴极间的距离在多个横向平面内最小，则位置PAe表示最远上游平面的位置。
“腔”是自出口的孔延伸的空间，通过该出口等离子体自所述等离子体发生器离开等离子体发生器内部。腔包括上游的注入等离子气体的“膨胀腔”和产生电的“电弧腔”。位置Pac的横向平面被认为标记膨胀腔和电弧腔之间的界限。仅考虑阴极的延伸进电弧腔的部分来测量电弧腔内阴极的最大横向尺寸D。。如在本发明的优选实施方式中，阴极包括延伸进电弧腔的具有圆形横截面的圆柱形部分，该圆柱形部分以形成点的圆锥形部分为末端，此横向尺寸对应于阴极的圆柱形部分的直径。措辞“包括”理解为表示“包括至少一个”，除非有相反指示。详细说明现在参照图1。等离子体喷枪10通常包括等离子体发生器20和用于将待喷射的材料注入由等离子体发生器20产生的等离子体流中的部件21。等离子体发生器20包括阴极22和阳极24，阴极22沿轴线X延伸，阳极24安置成使得在由电源28产生的电压作用下，在腔26中能产生电弧E。等离子体发生器20还包括用于将等离子气体G注入腔26中的注射装置30。等离子体发生器还可以包括在注射装置30的上游的用于调节等离子气体的压力和压力均衡的腔。等离子体发生器20最后包括用于保护其它部件的本体34。本体34容纳有固定阴极22的阴极支架36、固定阳极24的阳极支架38和电绝缘本体40，电绝缘本体40置于一方面含有阴极支架36及阴极22的组件和另一方面含有阳极支架38及阳极24的组件之间，使得含有阴极支架36及阴极22的组件与含有阳极支架38 及阳极24的组件彼此电绝缘。本体34通常由两个外壳34’和外壳34”形成，环绕阳极支架、阴极支架和注射装置紧密安装两个外壳34’和外壳34”，如图1所示。优选地，本体34是整体部件。特别地， 在一个实施方式中，注射装置和阳极支架是整体部件，例如图8所示。有利地，整体部件可能提高部件相对于喷枪的轴线的中心校准，且使得更容易组装和拆卸该喷枪。优选地，电绝缘本体40由能够承受来自等离子体的辐射的材料组成。用于电绝缘的该装置的特性还可以根据局部温度来选择。例如，如图8所示，可以将降低热阻的绝缘部分41置于不直接暴露于等离子体的区域中。阴极支架36和阳极支架38分别与阴极22和阳极24具有相同的电势。然而，阴极22和阳极24通常是由铜和钨形成的耗材，而阴极本体36和阳极本体38通常是由铜合金形成。电源28的“ + ”端子和“_”端子分别直接连接或间接连接到阳极24和阴极22。通常电源28能够在阳极和阴极间产生高于40V和/或低于120V的电压。图2以轴线X的杆的形状示出阴极22，该阴极22包括自上游到下游接连的、同轴的直径渐减的截锥形部分45、圆形横截面的圆柱形部分46和具有圆形顶端的圆锥形部分 48。在一个实施方式中，圆柱形部分的直径大于5mm、大于6mm和/或小于11mm、小于 10mm，大约8mm的直径是非常适合的。圆柱形部分46的直径，表示为Dc，称为“阴极的直径”，且优选地是约8mm。后文中，阴极22的下游端50的轴向位置指pc。
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阴极22可以由可选地掺有掺杂物的钨制成，相对于钨的逸出功该掺杂物降低了阴极金属的逸出功。特别地，钨可以掺有氧化钍和/或氧化镧和/或二氧化铈和/或氧化钇。有利地，相对于纯钨阴极，这样可能增加在金属熔点下的电流密度或降低工作温度几百摄氏度。阴极可以由或可以不由单一材料制成。例如，图8中阴极22包括由有掺杂物或没有掺杂物的钨制成的杆22”和由铜制成的、用于固定到阴极支架的部分22’。阳极24呈沿轴线X的套管形式，阳极24的内表面54包括连续的、自上游到下游的截锥形部分56和圆形横截面的圆柱形部分58。和阴极相同，阳极可以由或可以不由单一材料制成。为减少由等离子体柱的弧根引起的对阳极的腐蚀，阳极的内表面54的至少部分且特别地起始弧区的下游(位于截锥形部分56处)由难熔的导电金属制成，优选地由钨制成。阳极的圆柱形部分58的内表面还可以使用涂层或例如由钨制成的套管57保护， 如图8所示。阳极24的轴向位置配置成使得阴极的圆柱形部分46的部分以及圆锥形部分48 设置成对着截锥形部分56，即在腔26的由截锥形部分56径向地界定的空间内。在图1所示的实施方式中，轴向位置pAe与阴极22的圆柱形部分46和圆锥形部分 48之间的接合处基本齐平。腔26包括自上游到下游的接连的膨胀腔26，和电弧腔26”，膨胀腔26，自腔26的背部59轴向地延伸直到位置pAC，接着电弧腔26”自位置pAC轴向地延伸直到位置pA的出口孔60，出口孔60由阳极的下游端界定，且等离子体通过该出口孔60离开等离子体发生器。优选地，出口孔60的直径大于4mm，优选地，大于5mm和/或小于15mm，优选地，小于 9mm。腔26可以通过喷嘴通向出口孔60，优选地该喷嘴沿轴线X延伸且该喷嘴的直径可以如图4所示根据考虑的横截面的位置变化，或可以如图1所示不变。在图3a和图3b中更详细地示出的注射装置30，被安置且定位成使得产生绕阴极 22的圆柱形部分46，甚至是绕阴极22的圆锥形部分48旋转的气体流。优选地，注射装置 30呈沿轴线X的环的形式。此环的侧壁刺穿有8个基本直线的注射管道72。各注射管道72通过注射孔74通向环的内部。注射孔74的中心限定了此注射孔的轴向位置Pi和径向距离yi。注射管道72的横截面基本是圆筒形的且直径D在0. 5mm到5mm之间。轴线X与任一个注射孔的中心之间的径向距离yi不变。优选地，径向距离yi大于 IOmm和/或小于20mm，大约12mm的径向距离是非常合适的。注射孔74位于同一横向平面P内(在横截面A-A内)。它们都具有相同的直径 D、相同的轴向位置p( = Pi)和相同的径向距离y( = Yi) ο注射管道74沿注射轴Ii朝环的轴开口。如图3a所示，在穿过注射孔74的中心的径向平面中，注射轴Ii的投影与轴线X成45°的角a。在穿过注射孔74的中心的横向投影平面中，注射轴Ii与通过轴线X及所述注射孔74的中心的半径成25°的角β，如图3b所示。
注射装置30安置在膨胀腔26，内。阴极22和阳极24之间的最小径向距离的轴向位置Pac与最远下游平面P内的注射孔74的位置ρ之间的轴向距离表示为χ。χ与阴极22的圆柱形部分46的直径^之间的比率R表示为R(R = pAc/Dc)。在图1或图2的实施方式中，χ大约是15mm且比率R大约是 1. 88 ο阴极22的下游端50的轴向位置pc与位置ρ之间间隔的轴向距离表示为χ’。X’ 与阴极的直径D。之间的比率表示为R’(R’=x’/De)。在图1或图2的实施方式中，χ’约等于20mm且比率R，是2. 5。最终，轴线X和注射管道72之间的径向距离y与阴极22的直径Dc之间的比率表示为R”(R” = y/Dc)。在图1或图2的实施方式中，y约等于13mm且比率R”约等于1. 63。不限制于一个理论，发明人已经观察到当比率R、R’和R”中的至少一个如本发明中所限定，则等离子喷枪的性能特别好，尤其当等离子气体注入阴极的上游，且特别地注入使得能够绕阴极旋转时。为此目的，使用根据本发明的注射装置已被示出特别有利。根据本发明，非常接近阴极的下游端注入等离子气体。当等离子气体到达电弧时，穿过此短距离的等离子气体的喷射流几乎没有变慢且等离子气体还被冷却。因此等离子气体保持高粘性， 该高粘性能更容易地保持和延长电弧且因此能够使等离子体发生器的功率增加。此外，气体绕阴极的旋转还有利于使电极的磨损受到限制。优选地，等离子气体G是选自氩气和/或氢气和/或氦气和/或氮气的气体，在图 2中以箭头F示出该等离子气体的流动。等离子体发生器20还包括冷却装置，该冷却装置能够冷却阳极24和/或阴极22 和/或阴极支架36和/或阳极支架38。特别地，这些冷却装置可以包括用于循环优选为湍流态的冷却剂(例如水)的装置，流体的限定此湍流态的雷诺数优选地可能高于3000，更优选地高于10000。特别地，轴线X的冷却腔76可以容纳在阳极支架38中，使得冷却剂能在阳极24 附近循环。如图8所示，冷却装置还可以为本体34、阳极以及阴极共有。在示出的实施方式中，除等离子体发生器20外，等离子体喷枪10还包括注射部件 21，注射部件21安置成使得将待喷射的颗粒注射到腔26的出口孔60附近。通常使用的所有注射部件可以设想在电弧腔内部或外部。因此，用于注射待喷射的颗粒的部件不必在等离子体发生器的外部而可以集成到等离子体发生器中，如图5所示。在图1所示的实施方式中，注射部件21安置成使得至少部分待喷射的材料沿相对横向平面P’成约0°的角θ的轴朝向轴线X注射。在图8中，角θ大约是15°。图9示出阴极22的变型。阴极22包括由钨制成的杆22’和铜部分22”，由钨制成的杆22’插入铜部分22”。可看到阴极的上游部分22a和下游部分22b分别用于延伸出腔26和延伸进腔 26(例如自图2中看出)。在余下的描述中，仅描述了下游部分22b。下游部分22b的自由端由具有圆形顶端的圆锥形部分82形成。此端的曲率半径大于Imm且小于4mm。此圆锥形部分的顶角δ约45°。圆锥形部分82的沿阴极的轴的长度 L82大于3mm且小于8mm。此圆锥形部分的最大直径D82 (在其底部)大于6mm且小于10mm。
阴极22包括紧接圆锥形部分82的上游的、直径等于D82的圆形横截面的圆柱形部分84。此圆柱形部分84的长度L84大于5mm且小于15mm。阴极还包括紧接圆柱形部分84上游的截锥形部分86。此截锥形部分86的顶角 Y大于30°且小于45°。截锥形部分86的长度L86大于5mm且小于15mm。截锥形部分86 的最大直径D86大于6mm和/或小于18mm。所述截锥形部分86的最小直径基本等于D82，因此截锥形部分86将圆柱形部分84延长。优选地，阴极被安置成使得在工作中，至少一个、优选地所有的注射孔位于剖切所述截锥形部分86的横向平面Pi内。在一个实施方式中，此平面位于自截锥形部分86的底部的间距“ζ”处，间距“ζ”在截锥形部分86的长度L86的30%到90%之间。图10示出了阳极24的变型。此阳极包括第一部分24a和第二部分24b，第一部分 24a由铜或铜合金形成，第二部分24b由钨或钨合金形成。第二部分24b插入第一部分24a 使得采用第二部分24b限定腔26的下游部分，腔26向上游圆柱形部分26a的下游延伸，上游圆柱形部分26a采用虚线画出且由注射装置30限定。特别地，第二部分24b用于限定电弧腔。腔26的下游部分包括连续的、自上游到下游的中间聚合部分26b(沿下游方向聚合)和下游圆柱形部分26c。中间聚合部分26b包括同轴延伸且彼此加长的第一截锥形部分26b’和第二截锥形部分26b”。第二截锥形部分的上游的第一截锥形部分26b’的顶角F1大于所述第二截锥形部分26b”的顶角Ψ2，顶角1^在50°到70°之间，顶角￥2在10°到20°之间。上游的圆柱形部分26a的长度L26a在5mm和20mm之间。中间聚合部分26b的长度L26b大约是24mm。第一截锥形部分26b，的长度L26b,在2mm和IOmm之间，例如大约是5mm。下游的圆柱形部分26c的长度L26e在20mm和30mm之间。上游的圆柱形部分26a的直径D26a大于10mm，且小于30mm。中间聚合部分26b的最大直径D26b (底部)大约是18mm。上游的圆柱形部分的直径D26a大于中间聚合部分的最大直径D26b，使得在这两部分之间具有台阶80。中间聚合部分26b的最小直径d26b大于4mm且小于9mm。下游的圆柱形部分26c的直径等于d26b。优选地，上游的圆柱形部分26a的长度L26a大于阴极的截锥形部分86的长度L86。 更优选地，上游的圆柱形部分26a的长度与中间聚合部分26b的长度之和(L26a+L26b)大于腔26内阴极22的长度L22b。当阴极22以其工作位置安装在由阳极24限定的腔26内，阴极的自由端优选地基本延伸到沿腔的中间聚合部分的中间。根据本发明的等离子体喷枪的工作类似与现有技术的等离子体喷枪的工作。电源 28在阴极22和阳极24之间产生电压使得产生电弧E。接着通过阴极22的下游端50的上游的注射装置30以通常高于301/min且低于1001/min的流速、在高于0°C且低于50°C的温度下且在低于10巴的绝对压力下注射等离子气体G。当等离子气体流朝向出口孔60进入腔26，等离子气体G的流绕阴极22旋转。等离子气体G通过穿过电弧E，在非常高的温度下、通常在高于8000K，甚至高于10000K的温度下转换成等离子体。等离子体流基本沿轴线X，以通常高于400m/s且低于800m/s的速度离开腔26。同时，将待喷射的材料以颗粒形式通过注射部件21注入等离子体流。特别地，待喷射材料可以是矿物质、金属和/或陶瓷和/或金属陶瓷粉末，甚至是有机粉末，或可选地是液体，例如为待喷射材料的悬浮液或溶液。接着此材料由等离子体流携带且被加热，甚至由等离子体的热量熔化。当等离子体喷枪10指向基底时，材料因此对着此基底喷射。在冷却期间，材料凝固且附着到基底上。^M为解释的目的提供如下示例，如下示例并不限制本发明的范围。将类似于图8所示的等离子体喷枪的两个等离子体喷枪Tl和T2与市售的两个喷枪、即传统的“F4”喷枪和最新一代的三阴极喷枪相比较。两个现有技术的喷枪的操作条件 (电参数、等离子气体的组分、粉末注射流速、喷射距离)对应于制造商建议的额定条件或对应于被认为是更好的条件。等离子体喷枪Tl和T2的操作条件选定成使得获得最好的性能。如下的表1对照了测试的等离子体喷枪的技术特征和测试条件。两个市售的等离子体喷枪具有通向等离子喷枪的背面的用于注射等离子气体的孔。因此由根据本发明的用于等离子气体的注射装置限定的尺寸参数没有应用于这两个等离子体喷枪。表权利要求
1.一种等离子体喷枪，包括-等离子体发生器，所述等离子体发生器包括阴极(22)和阳极(24)，所述阴极(22)沿轴线X延伸，所述阴极和所述阳极被安置成使得在电压的作用下在腔(26)内、在所述阳极和所述阴极之间能产生电弧；和用于注射等离子气体的装置(30)，所述装置(30)包括注射管道(72)，所述注射管道 (72)沿注射轴(Ii)通过注射孔(74)通向所述腔；_用于将待喷射的材料注入等离子体流的部件，所述等离子体流由所述等离子体发生器产生；所述等离子体喷枪的特征在于，-所述注射孔的径向距离(Yi)与所述阴极的在位置PAe下游的所述腔的区域内的最大横向尺寸(Dc)之间的比率R小于2. 5，其中所述注射孔的径向距离定义为轴线X和所述注射孔的中心之间的最小距离； 所述位置Pac表示所述阳极和所述阴极之间的最小径向距离的轴向位置；并且 -所述注射轴(Ii)在横向平面内的投影与位于所述横向平面内、且穿过所述轴线X及所述注射孔的中心的半径成小于45°的角β，所述横向平面穿过所述注射管道的所述注射孔的中心。
2.如前述权利要求所述的等离子体喷枪，其中所述注射轴(Ii)在径向平面内的投影与轴线X成大于10°且小于70°的角α，所述径向平面穿过所述注射管道(72)的注射孔的中心。
3.如前述权利要求中任一项所述的等离子体喷枪，其中所述角β大于5°。
4.如前述权利要求中任一项所述的等离子体喷枪，其中 -所述角α大于20°且小于60° ；和/或-所述角β小于30°。
5.如前述权利要求中任一项所述的等离子体喷枪，其中，所述注射孔是所述注射装置的所有注射孔中的具有最远下游轴向位置(Pi)的注射孔或者是具有最远下游轴向位置 (Pi)的注射孔之一。
6.如前述权利要求中任一项所述的等离子体喷枪，其中所述注射孔的径向距离(yi)小于27mm且大于6mm0
7.如前述权利要求中任一项所述的等离子体喷枪，其中所述注射装置(30)安置在所述阴极和所述阳极之间的最小径向距离的位置Pac的上游。
8.如前述权利要求中任一项所述的等离子体喷枪，其中所述阴极包括截锥形部分 (86)，且所述注射孔位于剖切所述截锥形部分的横向平面(P)内。
9.如前述权利要求中任一项所述的等离子体喷枪，其中所述阴极包括截锥形部分 (86)，且所有注射孔位于剖切所述截锥形部分的一个或多个横向平面(P)内。
10.如权利要求8或9所述的等离子体喷枪，其中所述横向平面安置成与所述截锥形部分(86)的底部的距离在所述截锥形部分(86)的长度的30%到90%之间。
11.如前述权利要求中任一项所述的等离子体喷枪，其中所述轴向位置PAe与所述阳极的最远下游点的轴向位置(Pa)之间的轴向距离χ”大于30mm。
12.如前述权利要求中任一项所述的等离子体喷枪，其中所述轴向位置pAe与所述阳极的最远下游点的轴向位置(Pa)之间的轴向距离χ”小于60mm。
13.如前述权利要求中任一项所述的等离子体喷枪，其中如下两者间的比率R小于3. 2 -所述阳极和所述阴极之间的最小径向距离的轴向位置Pac与所述注射孔的轴向位置 (Pi)之间的轴向距离X;和-所述阴极的在所述位置PAe的下游的所述腔的区域内的最大横向尺寸(De)。
14.如前一权利要求所述的等离子体喷枪，其中所述轴向距离χ大于5mm且小于25mm。
15.如前述权利要求中任一项所述的等离子体喷枪，其中如下两者间的比率R’小于3. 5 -所述阴极的下游端的轴向位置Pc和所述注射孔的轴向位置(Pi)之间的轴向距离X’；和。-所述阴极的在所述位置PAe的下游的所述腔的区域内的最大横向尺寸(D。)，在所述位置Pac，所述阳极和所述阴极之间具有最小径向距离。
16.如前一权利要求所述的等离子体喷枪，其中所述轴向距离χ’大于9mm且小于30mm。
17.如前述权利要求中任一项所述的等离子体喷枪，其中在所述位置pAe所述阳极和所述阴极之间的最小径向距离yAC与所述阴极的在所述位置Pac的下游的所述腔的区域内的最大横向尺寸(Dc)之间的比率R”小于1.25，其中在所述位置pAC，所述阳极和所述阴极之间具有最小径向距离。
18.如前述权利要求中任一项所述的等离子体喷枪，其中所述注射装置包括多个注射孔，对于任一注射孔，关于所述比率R、R’及R”和关于所述距离χ、χ’、χ”及yi的条件中的至少一个符合。
19.如前述权利要求中任一项所述的等离子体喷枪，包括单个阴极和/或单个阳极。
20.如前述权利要求中任一项所述的等离子体喷枪，其中所述阴极(22)为沿着轴线X 的杆的形式，所述阴极(22)包括直径渐减的截锥形部分(45)、具有圆形横截面的圆柱形部分(46)和具有圆形顶端的圆锥形部分(48)，所述截锥形部分、所述圆柱形部分和所述圆锥形部分自上游到下游连续且同轴。
全文摘要
本发明涉及一种等离子体喷枪，包括等离子体发生器和用于将待喷射的材料注入由等离子体发生器产生的等离子体流的部件，等离子体发生器包括阴极和阳极(24)，阴极沿轴线X延伸，阴极和阳极布置成使得通过电压在腔(26)内在阳极和阴极之间产生电弧，等离子体发生器还包括等离子气体注射装置(30)，注射装置包括注射管道(72)，其沿注射轴(Ii)通向腔内的注射孔(74)；等离子体喷枪的特征在于由轴线X和注射孔的中心之间的最小距离限定的注射孔的径向距离(yi)与在位置pAC的下游的腔区域内的阴极的最大横向尺寸(DC)间的比率R″小于2.5，其中pAC表示阳极和阴极之间的径向互相占用最多处的轴向位置；以及注射轴(Ii)在横向平面内的投影与在横向平面内延伸、且穿过轴线X及注射孔的中心的半径成小于45°的角β，横向平面穿过注射管道的注射孔的中心。
文档编号H05H1/34GK102349355SQ201080011875
公开日2012年2月8日 申请日期2010年3月12日 优先权日2009年3月12日
发明者多米尼克·比利埃, 阿兰·阿利芒 申请人:法商圣高拜欧洲实验及研究中心