專利名稱：等離子體弧噴槍的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱噴鍍，特別涉及一種用于將金屬和陶瓷顆粒噴鍍到基底上的改進(jìn)的噴槍。
已發(fā)展了各種用于涂鍍由第一材料制成并帶有一層不同材料的基底的設(shè)備。這種設(shè)備包括等離子體弧噴槍，其中由等離子體流帶入加熱和加速細(xì)粒狀物質(zhì)。將等離子體流導(dǎo)向基底，從而在基底上沿積涂層顆粒。等離子體流通常是由電弧產(chǎn)生的。等離子體流可具有亞音速或超音速的速度?，F(xiàn)有技術(shù)中典型的等離子體弧噴槍見美國專利3,740,522；3,823,302；和4,127,760。
威斯康星州阿普萊頓的米勒熱公司(Mivler Themal lne.ofApldeton，Wisconsin)制造并向市場推入了一種型號為SG—100的商用等離子體噴槍。在

圖1和圖2中，標(biāo)號1為米勒公司生產(chǎn)的一種典型的SG—100型亞音速等離子體弧噴槍。等離子體弧噴槍1包括一后殼體3，一中心殼體5和一前殼體7。后殼體3，中心殼體5和前殼體7通常為管形并具有共同的縱軸線9?？赏ㄟ^中心殼體中的縱向延伸的孔11和后殼體中的配合螺紋(圖中未示)以及前殼體中的開出的對應(yīng)孔(圖中亦未示出)用合適的螺桿(圖中未示出)將后殼體，中心殼體和前殼體連接起來。用一穿過前蓋13中的對應(yīng)孔15的螺桿(圖中未示出)將前蓋13連接到前殼體上。
等離子體弧噴槍1的后殼體3和中心殼體5內(nèi)置有一陰極支承件16，其后端形成一裝配部19。陰極支承件16的外徑周圍有一槽30，它與中心殼體的內(nèi)表面配合形成一圓周方向的通道31。陰極支承件16的前端23上開有一孔以接納陰極組件25。陰極組件25包括一尖端29和一裝配部106。裝配部106的外表面107和相鄰的尖端29的外表面98之間形成一明顯的階梯104。
位于等離子體弧噴槍1的中心殼體5和前殼體7內(nèi)的是一管形陰板33。陰極33的縱軸線與軸線9同軸。陽極的內(nèi)部分為三個(gè)部分。內(nèi)前部35具有圓柱形內(nèi)表面36。內(nèi)中部37具有一截頭圓錐形內(nèi)表面38，其具有第一夾角。內(nèi)后部39具有一截頭圓錐形內(nèi)表面，該內(nèi)表面具有一小于第一夾角的第二夾角。陰極組件25的尖端29的尺寸和相對于陽極33的位置使得其端部40非常靠近陽極內(nèi)前部35和內(nèi)中部37的連接處44。兩個(gè)徑向孔41從內(nèi)前部35穿過陽極。
陰極支承件16的前端23和陽極33的后端45夾著一噴射器環(huán)47。該噴射器環(huán)47的外徑與中心殼體5的內(nèi)表面配合形成一環(huán)形通道53。穿過噴射器環(huán)的孔55連通環(huán)形通道53和位于噴射器環(huán)內(nèi)徑59和陰極組件25的外表面107之間的環(huán)形空間57。孔55的軸向中心線通常與噴射器環(huán)內(nèi)徑59正切。位于陽極33后端45的內(nèi)后部39的內(nèi)表面42的直徑大于噴射器環(huán)47的內(nèi)徑59。因此，在陽極的內(nèi)表面42和噴射器環(huán)的內(nèi)徑59之間存在一階梯69。
后殼體3中的一適當(dāng)?shù)目?圖中未示出)與中心殼體5中的孔58和環(huán)形通道53相連。一圖中未示出的附件與后殼體中的孔相連。該附件與初始?xì)怏w源相連。向附件供應(yīng)初始?xì)怏w使該氣體環(huán)形通道53，通過孔55流入環(huán)形空間57。由于噴射器環(huán)47中孔55的正線性，初始?xì)怏w以一角速度進(jìn)入環(huán)形空間57。初始?xì)怏w從環(huán)形空間流過圍繞陰極組件25的尖端29的陽極內(nèi)部39和37，穿過陽極內(nèi)前部35，并通過前蓋13中的孔60流出等離子體弧噴槍1。初始?xì)怏w的循環(huán)速度在陽極內(nèi)部產(chǎn)生渦流。
一附件62與前殼體7中的徑向孔64相連。通過前殼體孔64和陽極33中徑向孔41之一由附件62向陽極內(nèi)前部35中供入陶瓷或金屬粉末。當(dāng)氣體流過陽極內(nèi)部35時(shí)，將粉末帶入氣體流中。陰極支承件16的附件19與一冷卻水槽相連。第二冷卻水附件61焊接入前殼體7中的一口66。前殼體中的圖中未示出的合適的內(nèi)通道將口66與中心殼體5中的通道63和65相連。中心殼體通道65與環(huán)形通道31和陰極支承件16中的另一個(gè)通道67相連。通道67導(dǎo)致一附件19中的出口68。這樣，供入附件61的冷卻水穿過各個(gè)內(nèi)部通道66、63、65、31、67和68以冷卻等離子體弧噴槍1。
陰極支承件16的附件19和冷卻水附件61也用作電纜(圖中未示出)的連接件。當(dāng)通過附件向等離子體弧噴槍1供應(yīng)電能時(shí)，在陰極組件25的尖端29的端部40和陽極33之間產(chǎn)生電弧。理想地電弧與陽極的接觸點(diǎn)在初始?xì)怏w渦流的角速度的推動下繞陽極內(nèi)部圓周方向移動。電弧加熱流過陰極尖端的初始?xì)怏w，而產(chǎn)生一等離子體流。等離子體流加熱通過附件62進(jìn)入陽極內(nèi)前部35的粉末，并使粉末加速噴出等離子體弧噴槍1而從已知的方式沉積到基底上。典型地，等離子體弧噴槍的沉積效率為50％。
已有的亞音速等離子體弧噴槍1已用于商業(yè)用途多年并提供了無數(shù)小時(shí)的滿意的服務(wù)。另一方面，它們也正在改進(jìn)。特別需要提高現(xiàn)在可獲得的沉積效率。
此外，在某些操作條件下，陰極組件25的尖端29和陽極33之間的電弧趨于鎖在陽極內(nèi)的一個(gè)特定點(diǎn)上，而不是圍繞陽極同部圓周方向連續(xù)地移動。靜止電弧使陰極表面凹陷。其結(jié)果影響了等離子體弧噴槍1的性能，使得陽極必須更換。已有陽極的典型使用壽命為大約40小時(shí)，因而需要增加陽極的使用壽命。
某此現(xiàn)有的等離子體弧噴槍的一個(gè)缺點(diǎn)涉及中央殼體，例如等離子體弧噴槍1的中央殼體5。中央殼體總是由電絕緣材料制成。在某些情況下，材料的尺寸將變得不穩(wěn)定。大氣濕度和冷卻水除了其它影響外；能在操作過程中引起中央殼體的尺寸改變。其結(jié)果，應(yīng)該只通過環(huán)形空間57和噴射器環(huán)47中的孔55進(jìn)入陽極內(nèi)部39的初始?xì)怏w，實(shí)際上通過噴射器環(huán)和陽極33的后端45以及陰極支承件16的前端23之間的連接處泄漏。結(jié)果是從等離子體弧噴槍的出口孔60噴出不穩(wěn)定的等離子體流。不穩(wěn)定的等離子體流對噴鍍工藝產(chǎn)生不利的影響。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種具有比現(xiàn)有技術(shù)噴槍高的質(zhì)量結(jié)構(gòu)和操作特性的等離子體弧噴槍。這是通過包括對穩(wěn)定的絕緣部件和長時(shí)間耐磨損的電極的裝置實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的等離子體弧噴槍包括一前殼體、一中央殼體和一后殼體。這三個(gè)殼體相互連接形成一剛性結(jié)構(gòu)。殼體內(nèi)有陰極支承件、陰極組件、噴射器環(huán)和陽極。流過噴射器環(huán)和陽極并穿過陰極組件的初始?xì)怏w由在陰極組件和陽極間延伸的電弧加熱成等離子體流。引入陽極內(nèi)部的等離子體流中的粉末狀陶瓷或金屬材料被帶入等離子體流以噴鍍到基底上。
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及用于中央殼體的玻璃纖維加強(qiáng)的“托倫”(TORLON)材料的使用。這種材料為電絕緣體，并實(shí)際上透不過濕氣和其它常壓的氣體。因而，絕緣的中央殼體在所有操作條件下具有尺寸穩(wěn)定性，從而利于高質(zhì)量等離子體噴鍍。
在本發(fā)明的速度相對較低的亞音速等離子體弧噴槍中，陽極由五個(gè)內(nèi)部段形成。即一具有第一圓柱形內(nèi)表面的前內(nèi)部段；一具有截頭圓錐形內(nèi)表面的第二內(nèi)部段，該內(nèi)表面具有一較低的第一夾角；一具有第二圓柱形內(nèi)表面的中內(nèi)部段；一具有截頭圓錐形內(nèi)表面的第四內(nèi)部段，該內(nèi)表面具有一比第一夾角小的第二夾角；以及一具有截頭圓錐形內(nèi)表面的后內(nèi)部段，該內(nèi)表面具有一小于第二夾角的第三夾角。仔細(xì)控制各陽極內(nèi)部段的縱向長度和各截頭圓錐形表面的三個(gè)夾角。陽極組件設(shè)計(jì)成使其尖端端部大致位于陽極中內(nèi)部段的縱向中點(diǎn)。
在亞音速等離子體弧噴槍操作過程中，初始?xì)怏w的流動具有渦流，并且氣體在存在于陰極組件尖端和陽極之間的電弧上施加一下游力。這種渦流初始?xì)怏w的力使弧延伸并在陽極的前內(nèi)部段和第二內(nèi)部段的連接處的環(huán)形線處附著到陽極上。
本發(fā)明的陽極的五段內(nèi)部段的突出優(yōu)點(diǎn)在于由于粉末顆?？稍诘入x子體流中停留較長時(shí)間，因而可大大地提高等離子體弧噴槍的沉積效率。另一個(gè)提高沉積效率的因素是陰極組件尖端位于陽極內(nèi)部。其結(jié)果是在任何一種操作條件下，本發(fā)明的等離子體弧噴槍的沉積效率都可比現(xiàn)有技術(shù)的噴槍的沉積效率至少提高15％。同時(shí)，本發(fā)明的陽極的使用壽命大約為現(xiàn)有技術(shù)中陽極使用壽命的三倍。
在本發(fā)明的一個(gè)修改例中，等離子體流的速度接近超音速，陽極具有三個(gè)內(nèi)部段一具有截頭圓錐形內(nèi)表面的中段，和分別具有圓柱形內(nèi)表面的前和后內(nèi)部段。陰極組件的尖端仔細(xì)地位于陽極之內(nèi)。
另外根據(jù)本發(fā)明，流過高速音速等離子體弧噴槍的初始?xì)怏w的氣體動力大大提高。為此，設(shè)計(jì)消除陰極組件外表面上所有的突然的階梯。此外，陰極后內(nèi)部段的內(nèi)徑和噴射器環(huán)內(nèi)徑之間的階梯被消除。其結(jié)果為一用于初始?xì)怏w的流線形的環(huán)形通道，該初始?xì)怏w被引入并具有一正切向速度分量。初始?xì)怏w以層流從噴射器環(huán)流束，并以受控制的渦流流過陰極組件尖端。
電弧接觸點(diǎn)總是圍繞由陰極前和中內(nèi)部段的圓柱形和截頭圓錐形內(nèi)表面的連接處形成的環(huán)形線移動。這樣，陽極的分子腐蝕沿環(huán)形線分布而不是集中于一點(diǎn)或數(shù)點(diǎn)。其結(jié)果與現(xiàn)有技術(shù)的陽極相比，大大提高了陽極的壽命。
本發(fā)明的陰極相對陰極組件尖端的位置以及供初始?xì)怏w流過的流線形環(huán)形通道一起將產(chǎn)生一高速亞音速等離子體弧噴槍，它可先有的高速亞音速噴槍相比具有大大改善了的操作特性。具體地說，陽極的壽命大約為現(xiàn)有技術(shù)中陰極使用壽命的三倍。同時(shí)，沉積效率提高了。另一個(gè)改進(jìn)為更加流線形的初始?xì)怏w氣流以一種改進(jìn)的方式冷卻陰極組件尖端，從而陰極組件的壽命也提高了。
本發(fā)明的高速亞音速等離子體弧噴槍采用和低速噴槍同樣穩(wěn)定的用于中央殼體的材料。因而，由低速噴槍所獲得的在所有操作條件下的穩(wěn)定的等離子體流的有益的結(jié)果同樣也可由高速等離子體弧噴槍所獲得。
本發(fā)明的等離子體噴槍以與現(xiàn)有的噴槍相比增加的沉積效率而將涂層熱噴鍍到基底上。同時(shí)，本發(fā)明的等離子體噴槍在所有操作條件下均具有尺寸穩(wěn)定性并包含具有增加了的使用壽命的部件。
通過下面對本發(fā)明的詳細(xì)描述，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)，益處和特征將變得明顯。
圖1為一種典型的等離子體弧噴槍的前視圖；圖2為一現(xiàn)有技術(shù)的亞音等離子體弧噴槍的縱截面圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的速度相對較低的亞音速等離子體弧噴槍的縱截面圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的高速亞音速等離子體弧噴槍的縱截面圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的修改的高速亞音速等離子體弧噴槍的部分縱截面圖。
盡管下面的描述詳細(xì)和精確到使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，但這里公開的體現(xiàn)具體結(jié)構(gòu)的實(shí)施例僅起舉例說明本發(fā)明的作用。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。
參見圖3，圖中示出一包括本發(fā)明的亞音速等離子體弧噴槍。噴槍119特別用于將陶瓷和金屬顆粒熱噴鍍到基底(圖中未示)上。然而，應(yīng)理解本發(fā)明并不限于材料進(jìn)行涂鍍的應(yīng)用。
噴槍119的外表通常與前面圖1和2中所描述的等離子體弧噴槍相同。噴槍119包括一前殼體3′，一中央殼體121和一后殼體7′。這三個(gè)殼體3′，121、和7′通常為管形并具有各自的縱軸線。這三個(gè)殼體首尾相連以具有共同的縱軸線9′?？捎脠D中未示的螺桿將這三個(gè)殼體相連，這些螺桿的頭部位于前殼體中的相應(yīng)孔中，并穿過中間殼體中的孔(1′)旋入后殼體中開出的螺紋孔中。
殼體3′，121和7′內(nèi)為陰極支承件125噴射器環(huán)47′和陽極127。陰極支承件125保留在后殼體7′和中央殼體121的內(nèi)部。陰極支承件具有一前端23′，其后端制成一中空螺紋裝配件123。一陰極組件130通過一螺桿128旋入陰極支承件的前端23′。該陰極組件130包括尖端129。
陽極127保留在前殼體3′和中央殼體121內(nèi)。陽極通常為管形，并具有前端131和后端133。
噴射器環(huán)47′尖在陽極127的后端133和陰極支承件125的前端23′之間。噴射器環(huán)的外徑和中央殼體121的內(nèi)表面的一部分共同形成一環(huán)形通道53′。中央殼體中的通道58′連通環(huán)形通道53′和后殼體7′中的配合通道136。一氣體附件(圖中未示出)旋入該后殼體通道136中。該氣體附件與一惰性氣體例如氬氣或氦氣源相連。一系列孔55′延伸穿過噴射器環(huán)?？?55′通常相對噴射器環(huán)的內(nèi)直徑59為徑向。
一顆粒涂層材料源與前殼體3′中的口64′相連?？?4′通過適當(dāng)密封與陽極127中的徑向孔132?？?32延伸至陽極的內(nèi)部。
前蓋13′由穿過相對的孔15′的螺釘(圖中未示)固定到前殼體3′中。前蓋13′具有一中心通孔60′。
等離子體弧噴槍119包括若干條相互連通的內(nèi)通道以供冷卻水流過。冷卻水通過—徑向口66′進(jìn)入前殼體3′并通過陽極127中未出的適當(dāng)?shù)目v向通道流至蓋13′中的環(huán)形槽134。蓋槽134亦通過陽極中的其它通道與中央殼體121中的通道63′和65′相連。中央殼體通道65′通過一環(huán)形通道31′與陽極支承件125中的通道67相連。通道67與中空配件123中的出口通道68相通。這樣，通過口66′進(jìn)入噴槍中的冷卻水連續(xù)流過噴槍的內(nèi)部，并流出陰極支承件的出口通道68′。
根據(jù)本發(fā)明，陽極127的內(nèi)部由五組成。一前段135具有圓柱形內(nèi)表面137。一第二內(nèi)部段139具有截頭圓錐形內(nèi)表面141，該內(nèi)表面的頂點(diǎn)指向第一內(nèi)部段135。前內(nèi)部段的圓柱形內(nèi)表面137和第二內(nèi)部段的截頭圓錐形內(nèi)表面141相交成第一環(huán)形線142。具有一帶圓柱形內(nèi)表面145的中內(nèi)部段。中內(nèi)部段143的圓柱形內(nèi)表面145與第二內(nèi)部段139的截頭圓錐形內(nèi)表面141相交成一第二圓環(huán)線146。一第四內(nèi)部段147具有一截頭圓錐形內(nèi)表面149，以及一后內(nèi)部段151具有一截頭圓錐形內(nèi)表面153。中內(nèi)部段143的圓柱形內(nèi)表面145與第四內(nèi)部段147的截頭圓錐形內(nèi)表面相交形成第三圓環(huán)線152。
陽極內(nèi)部段135，139，143，147和151的比例對于等離子體弧噴槍119的正常工作非常重要。考慮到陽極127沿軸線9′的縱向長度，第一段135的長度約為陽極總長度的15—25％，第二段139的長度約為總長度的5—10％，而中段第四段及后段的長度分別約為總長度的35—45％，5—10％，以及25—35％。同樣地，各截頭圓錐內(nèi)表面141，149和153的相對夾角也很重要。具體地說，截頭圓錐形表面141的夾角比截頭圓錐形表面149的夾角大約大2至4倍。接下來，截頭圓錐形內(nèi)表面149的夾角比陽極后內(nèi)部段151的截頭圓錐形內(nèi)表面大約大2—3倍。
為獲得亞音速等離子體弧噴槍119的意料不到的高的性能，必須仔細(xì)控制陰極組件130和陽極127的相對位置。陰極組件尖端129伸入陽極內(nèi)部是重要的，特別是陰極組件尖端129的端部150位于一距離為第三圓環(huán)線152至第二圓環(huán)線146間距離的大約55—65％的地方。其它重要的參數(shù)包括中內(nèi)部段表面145的直徑約大于前內(nèi)部段135的內(nèi)表面137直徑的1.5—2.5倍。另外，陽極中內(nèi)部段內(nèi)表面137的直徑約大于陰極組件尖端129直徑的1.5—2.5倍。
操作時(shí)，冷卻水通過焊入前殼體3′的口66′中的附件引入等離子體弧噴槍119內(nèi)。冷卻水流過噴槍中的各個(gè)內(nèi)部通道并從陰極支承件125的附件123流出。初如氣體通過通道58′和53′供至噴槍，并通過徑向孔55′供至環(huán)形空間57′。帶渦流的初始?xì)怏w從環(huán)形空間57′沿下游方向流過圍繞陰極組件尖端129的陰極127的內(nèi)部151，147和143。最后，氣體流過陰極內(nèi)部139和135并通過前蓋13′中的孔60′流出等離子體弧噴槍。
向噴槍供應(yīng)電能以在陰極組件130和陽極127之間產(chǎn)生電弧。為此目的，例如可通過將冷卻水引入噴槍的附件將直流電源導(dǎo)線與前殼體3′相連。一負(fù)電導(dǎo)線與陰極支承件125的中空配件123相連。電弧對從噴槍出來的初始?xì)怏w加熱并將其變成等離子體流。通過孔64′和132引入陽極內(nèi)部的涂層粉末被帶入等離子體流所并與等離子體流一起加速噴出等離子體弧噴槍。
本發(fā)明的一個(gè)突出的特點(diǎn)是電弧被控制在陰極組件130的尖端129的端部150和陽極內(nèi)部的第一圓環(huán)線142之間延伸，由于陽極內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)以及其與陰極組件的尺寸關(guān)系與現(xiàn)有技術(shù)陽極相比，陰極127的使用壽命增加了三倍是正常的。
作為包括本發(fā)明特征的噴槍119的一個(gè)例子，陽極127的沿軸線9的總的縱向長度為2.06英寸。陽極內(nèi)部第一內(nèi)部段135的長度為0.41英寸，第二內(nèi)部段139的長度為0.13英寸，中內(nèi)部段143的長度為0.77英寸，第四內(nèi)部段147的長度為0.18英寸，以及后內(nèi)部段的長度為0.56英寸。第二內(nèi)部段139的截頭圓錐形內(nèi)表面141的夾角為90度。第四內(nèi)部段147的截頭圓錐形內(nèi)表面149的夾角為30度。后內(nèi)部段151的截頭圓錐形內(nèi)表面153的夾角為12度。前內(nèi)部段135的內(nèi)表面137直徑為0.31英寸。中內(nèi)部段143的內(nèi)表面145的直徑為0.58英寸。陰極組件130的尖端129的端部150大約位于離陽極第三圓環(huán)線152距離為0.44英寸的地方。陰極組件尖端的直徑約為0.31英寸。
曾對采用了上述陽極127的等離子體弧噴槍119進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試，其中各種工作參數(shù)是變化的，給噴槍119加以電壓為35伏的900安倍的名義電流。初始?xì)怏w為每小時(shí)80立方英尺的氬氣。每小時(shí)8磅的涂層粉末由每小時(shí)10立方英尺的運(yùn)載氣體帶入初始?xì)怏w中。冷卻水以每分鐘8加侖的速度供入。對噴槍在經(jīng)受性能極限的極端條件下對其進(jìn)行測試。然而，陽極127可滿意地工作大約120小時(shí)。這個(gè)壽命是遠(yuǎn)高于現(xiàn)有技術(shù)中的陽極的大約40小時(shí)的使用壽命的另外，噴鍍粉末的沉積效率高達(dá)89％。與在相同條件下操作的典型的現(xiàn)有的等離子體噴槍的大約50％的沉積效率相比這是一個(gè)實(shí)質(zhì)性的提高。當(dāng)在操作參數(shù)恒定的生產(chǎn)條件下對噴槍進(jìn)行測試時(shí)，陽極可工作大約1,000小時(shí)。
等離子體弧噴槍119的一個(gè)重要特征是中央殼體121由特殊的穩(wěn)定絕緣材料制成。盡管現(xiàn)有技術(shù)的噴槍的中央殼體也是由絕緣材料制成的，但用于現(xiàn)有技術(shù)噴槍中的材料在操作中并不具有所需的使現(xiàn)有技術(shù)的噴槍令人滿意地工作的充分穩(wěn)定性。
為解決不穩(wěn)定的中央殼體影響現(xiàn)有技術(shù)的等離子體弧噴槍的問題，噴槍119的中央殼體121由阿莫可公司(Amxo Corporation)銷售的309。玻璃纖維加強(qiáng)的“托倫”(TORLON)材料制成。這種材料不能透過濕氣，并在噴槍的所有操作條件下保持穩(wěn)定，因而有助于提高本發(fā)明的壽命的沉積效率。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，等離子體流速度接近超音速的亞音速等離子體噴槍可獲得大大提高的陽極壽命和沉積效率?，F(xiàn)參照圖4，由帶尖端157的陰極組件155噴射器環(huán)159和陽極16組成的組件154如圖所示形成高速亞音速等離子體弧噴槍的一部分。高速亞音速噴槍的其余部分包括殼體和附件基本上與前面參照圖3所描述的噴槍119的各部件相同。組件154的陰極組件155，噴射器環(huán)159和陽極161具有各自的縱向軸線且同軸，其共同軸線由標(biāo)號162表示。
使用組件154的高速亞音速噴槍的絕緣中央殼體由與圖3所示噴槍119的中央殼體相同的穩(wěn)定的玻璃纖維加強(qiáng)的“托倫”(TOR—LON)材料制成。陰極組件155包括一旋入一與前述噴槍119的陰極支承件125相同的陰極支承件164中的螺桿166。噴射器環(huán)159可與等離子弧噴槍119的噴射器環(huán)47′相同，但噴射器環(huán)159具有圖中未示的正切向入孔，而不是噴射器環(huán)47的徑向孔55′。
通常，圖4中組件154的陽極161的外輪廓168與圖3中噴槍119的陽極127的外輪廓相同。陽極161的內(nèi)部制成沿縱向軸線162的三個(gè)段一前段163，一中段165和一后段167。前內(nèi)部段163具有圓柱形內(nèi)表面169，在陽極下游端172中有一對應(yīng)孔170。中內(nèi)部段165具有截頭圓錐形內(nèi)表面171，其頂點(diǎn)指向前內(nèi)部段。前內(nèi)部段圓柱形內(nèi)表面169與中內(nèi)部段的截頭圓錐形內(nèi)表面171沿第一圓環(huán)線174相交。后內(nèi)部段167具有圓柱形內(nèi)表面173，該內(nèi)表面173與中內(nèi)部段的內(nèi)表面171沿一第二圓環(huán)線176相交。
在圖4所示的高速亞音速等離子體弧噴槍的結(jié)構(gòu)中，三個(gè)陽極內(nèi)部段163、165和167的沿縱向軸線162的相對長度如下。前內(nèi)部段的除對應(yīng)孔170之外的縱向長度為沿縱向軸線162的陽極總長度(除對應(yīng)孔170外)的大約35％至45％之間。中段165的長度約為陽極總長度的30—40％，而后段167的長度約為陽極總長度的20—30％。截頭圓錐形表面171的最佳夾角約為25—35′。后內(nèi)部段圓柱形表面173的直徑最好為大于前內(nèi)部段表面169直徑的1.5—3倍。陰極組件155的尖端157具有一直徑大約大于陽極前內(nèi)部段163內(nèi)徑的35—45％的圓柱形表面189。
陰極組件155的尖端157的端部179的位置對于具有組件154的亞音速等離子體弧噴槍的適當(dāng)?shù)男阅芊浅Ｖ匾?。尖端端?79必須位于陽極161的中內(nèi)部段165內(nèi)。具體地說，尖端端部的位置位于從第二圓環(huán)線176至第一圓環(huán)線174之間的距離的大約65—75％處時(shí)將很好地工作。
陽極161的一個(gè)產(chǎn)生非常令人滿意結(jié)果的例子如下。陽極沿縱向軸線162的除對應(yīng)孔170之外的總長度為2.06英寸。前內(nèi)部段163的除對應(yīng)孔170之外的縱向長度約為0.83英寸，其內(nèi)徑為0.31英寸。中內(nèi)部段165的截頭圓錐形表面171的夾角為30°，其縱向長度為0.70英寸。后段167的內(nèi)徑為0.69英寸，其縱向長度為0.53英寸。陽極組件155的尖端157的端部179位于從圓環(huán)線176距離為0.48英寸的位置。
為了進(jìn)一步提高具有高速亞音速組件154的等離子體弧噴槍的性能，初始?xì)怏w在一流線型環(huán)形通道中從噴射器環(huán)159流至陽極前內(nèi)部163、為此，陽極后內(nèi)部段圓柱形表面173的直徑等于噴射器環(huán)159的內(nèi)徑。因而消除了以前的高速亞音速等離子體弧噴槍155在噴射器環(huán)的內(nèi)徑和陽極后內(nèi)部段的內(nèi)徑之間的階梯。另外，陰極組件155制成一流線形外形。陰極組件包括一裝配段180，其圓柱形表面181的直徑略小于噴射器環(huán)159的內(nèi)徑175。陰極組件裝配部180的圓柱形表面181的下游，也即圖4中的右側(cè)有一系列用于將陰極組件旋入陰極支承件164中的平坦部分85。裝配段平坦部分185的下游為一截頭圓錐形表面187。
陰極組件155的尖端157具有圓柱形表面189。尖端157的圓柱形表面的下游為一截頭圓錐形表面191。表面191的頂端形成尖端157的球形端部179。通過使組件裝配段180的截頭圓錐形表面187與尖端圓柱形表面189相交可獲得組件154的最佳性能。即，裝配段截頭圓錐形表面187和尖端的圓柱形表面189沿圓環(huán)線193相交。這樣，在裝配段圓柱形表面181和尖端部179之間就沒有階梯或其它橫截面的突然變化。
操作時(shí)，初始?xì)怏w通過噴射器環(huán)159中的圖中未出的切向孔引入組件154。初始?xì)怏w以控制的下游渦流的方式流過噴射器環(huán)的內(nèi)徑175和陰極組件155的裝配段180的外表面181之間的環(huán)形空間195。初始?xì)怏w作為渦流連續(xù)流過截頭圓錐形表面187，圓柱形表面189和尖端157的截頭圓錐形表面191。
在陽極161和陰極組件155的尖端157之間產(chǎn)生電弧。具體地說，電弧從尖端179延伸到陽極內(nèi)部的第一圓環(huán)線174。初始?xì)怏w的渦流作用與陽極內(nèi)部段163、165和167的最佳構(gòu)造相結(jié)合使得電弧的接觸點(diǎn)繞圓環(huán)線174連續(xù)移動。其結(jié)果，陽極的分子腐蝕繞線174均勻分布。電弧發(fā)射點(diǎn)的持續(xù)變化使陽極161比現(xiàn)有技術(shù)中的陽極磨損率降低。當(dāng)初始?xì)怏w流過電弧時(shí)，它被加熱成等離子體流。從陽極161中的孔197送入的涂層粉末被帶入等離子體流中。
陰極組件155和陽極161的結(jié)構(gòu)特征的結(jié)合提供了一種和現(xiàn)有技術(shù)中的速度相同的等離子體弧噴槍相比具有提高的沉積效率和較長的陽極使用壽命的高速亞音速等離子體弧噴槍。此外，由于陰極組件155的流線形構(gòu)造而導(dǎo)致的提高的氣體功能增加了對尖端157的冷卻。因此，組件154的另一個(gè)好處是增加了尖端的壽命。因而，上述結(jié)構(gòu)特征的結(jié)合提供了一種具有性能顯著改善的高速亞音速等離子體弧噴槍。
現(xiàn)在參照圖5，組件199亦適合于高速亞音速等離子體弧噴槍。組件199通常與結(jié)合圖4所描述的用于等離子體弧噴槍的組件154相似。與圖2中所示噴槍1的中央殼體相似的絕緣中央殼體用于組件199。
組件199包括一噴射器環(huán)200，一流線型陰極組件201和一陽極203。陰極203的內(nèi)部具有一前段205和一對應(yīng)孔207。前內(nèi)部段205的長度為陽極除對應(yīng)孔207外的縱向總長度的大約35—45％。陽極中內(nèi)部209的長度為陽極縱向總長度的大約20—30％。后部段211的縱向長度為陽極總的縱向長度的大約30—40％。前內(nèi)部段205和后內(nèi)部段211各具有圓柱形內(nèi)表面213和215。中內(nèi)部段209具有一截頭圓錐形內(nèi)表面217，該內(nèi)表面的夾角約為35—45°。前段內(nèi)表面213和中段內(nèi)表面217相交于一第一圓環(huán)線219。中內(nèi)部段內(nèi)表面和后內(nèi)部段內(nèi)表面相交于一第二圓環(huán)線220。后內(nèi)部段內(nèi)表面的直徑約比前內(nèi)部段內(nèi)表面直徑大1.5至3倍。陽極后內(nèi)部段211的內(nèi)表面215的直徑與噴射器環(huán)200的內(nèi)直徑202相同。
陰極組件201具有一裝配段204，在某些平坦部分223和裝配段前端224之間為截頭圓錐形表面221。尖端227的圓柱形表面225從截頭圓錐形表面221伸入陽極中段209內(nèi)。陰極尖端227終止于截頭圓錐形表面229和一圓形端部231。尖端端部231位于從第二圓環(huán)線220至第一圓環(huán)線219間的縱向距離的大約85—95％之間的距離處。尖端圓柱形表面225具有和陽極前內(nèi)部段205的內(nèi)表面213大致相同的直徑。尖端圓柱形表面225伸入陽極中內(nèi)部段209中。
下面為成功的組件199的一個(gè)例子。陽極203的除對應(yīng)孔207外的總長度為2.06英寸，前內(nèi)部段205長度為0.83英寸，中央內(nèi)部段209的長度為0，52英寸，而后內(nèi)部段211的長度為0.71英寸。截頭圓錐形表面211的夾角為40°。前內(nèi)部段內(nèi)表面213的內(nèi)徑為0.31英寸，后段內(nèi)表面215的內(nèi)徑為0.69英寸。從陰極組件201的尖端227的端部231至圓環(huán)線219的距離為0.05英寸。
具有上面描述的組件199的等離子體弧噴槍在35伏和900安培條件下操作。初始?xì)怏w為以每小時(shí)80立方英尺的速度供入的氬氣。每小時(shí)8磅的涂層粉末由以每小時(shí)10立方英尺速度供應(yīng)的承載氣體帶入。冷卻水流為每分鐘8加侖。陽極203的壽命大于現(xiàn)有技術(shù)中的高速亞音速等離子體弧噴槍的三倍以上。另外，陰極組件201的壽命延長了，且沉積效率至少比現(xiàn)有技術(shù)的高速亞音速噴槍高出15個(gè)百分點(diǎn)。
總之，現(xiàn)在可更充分地實(shí)現(xiàn)亞音速等離子體弧噴槍的結(jié)果和優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的等離子體弧噴槍的絕緣中央殼體在所有的操作條件下均可提供等離子體流的穩(wěn)定性。這種所需的結(jié)果來自用纖維加強(qiáng)的“托倫”(TORLON)材料制造絕緣中央殼體。除了絕緣中央殼體的較好的性能外，還可認(rèn)識到陽極和陰極組件的結(jié)構(gòu)可大大提高其相對于現(xiàn)有技術(shù)噴槍的使用壽命及涂層粉末的沉積效率。性能改善發(fā)生在具有相對較低和較高亞音速的亞音速等離子體弧噴槍中。
因而，很明顯根據(jù)本發(fā)明提供了一種完全滿足前述目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)的等離子體弧噴槍。上面借助特定實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，很顯然對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員針對前面的描述可作出各種改型、替換和變化。因而，應(yīng)認(rèn)為這些改型，替換和變化均落入所附權(quán)利要求書的精神和較寬的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.用于亞音速等離子體弧噴槍的制品，包括一管形陽極，該陽極具有前后端，一外表面，一內(nèi)部和一縱軸線，陽極內(nèi)部制成前，第二，中第四和后部段，前和中內(nèi)部段分別具有圓柱形內(nèi)表面，第二，第四和后內(nèi)部段分別具有截頭圓錐形內(nèi)表面。
2.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于a.該制品具有沿縱向軸線在其前后端之間的總的縱向長度；b.前內(nèi)部段沿制品縱向軸線的長度為制品總長度的大約15—25％；c.第二內(nèi)部段沿制品縱向軸線的長度為制品總長度的大約5—10％；d.中內(nèi)部段沿縱向軸線的長度為制品總長度的大約35—45％；e.第四內(nèi)部段沿縱向軸線的長度大約為制品總長度的55—10％。f.后內(nèi)部段沿縱向軸線的長度大約為制品總長度的25—35％。
3.用于亞音速等離子體弧噴槍的制品，包括一管形陽極，該陽極具有前后端，一外表面，一內(nèi)部和一縱軸線，陽極內(nèi)部制成前，第二，中、第四和后部段前和中內(nèi)部段分別具有圓柱形內(nèi)表面，第二，第四和后內(nèi)部段分別有截頭圓錐形內(nèi)表面，其中a.制品后內(nèi)部段的截頭圓錐形內(nèi)表面具有一第一夾角；b.制品第四內(nèi)部段的截頭圓錐形內(nèi)表面具有一第二夾角，該夾角大約比第一夾角大2—3倍；c.制品第二內(nèi)部段的截頭圓錐形內(nèi)表面具有一第三夾角，該夾角大約比第二夾角大2—4倍。
4.用于亞音速等離子體弧噴槍的制品，包括一管形陽極，該陽極具有前后端，一外表面、一內(nèi)部和一縱軸線、陽極內(nèi)部制成前，第二，中、第四和后內(nèi)部段，前和中內(nèi)部段分別具有圓柱形內(nèi)表面，第二，第四和后內(nèi)部段分別具有截頭圓錐形內(nèi)表面，其中a.制品沿其縱向軸線的總長度約2.06英寸；b.制品前內(nèi)部段沿制品縱向軸線的長度約為0.41英寸；c.制品第二內(nèi)部段沿制品縱向軸線的長度約為0.13英寸；d.制品中內(nèi)部段沿制品縱向軸線的長度約為0.77英寸；e.制品第四內(nèi)部段沿縱向軸線的長度約為0.18英寸；f.制品后內(nèi)部段沿縱向軸線的長度約為0.56英寸；g.第二內(nèi)部段的截頭圓錐形內(nèi)表面的夾角約為90°；h.第四內(nèi)部段的截頭圓錐形內(nèi)表面的夾角約為30°；i.后內(nèi)部段的截頭圓錐形內(nèi)表面的夾角約為12°。
5.如權(quán)利要求1的制品，其特征在于，中內(nèi)部段的內(nèi)直徑大約比第一內(nèi)部段的內(nèi)徑大1.5—2.5倍。
6.一高速亞音速等離子體弧噴槍，包括a.一通常管形的陽極，它具有一縱向軸線，一外部表面，一內(nèi)部、和前后端部，陽極內(nèi)部在靠近陽極前端限定出一前段，靠近后端限定出一后段，一中段位于前后內(nèi)部段之間，前后內(nèi)部段各自具有圓柱形內(nèi)表面，而中內(nèi)部段具有一截頭圓錐形內(nèi)表面；b.一具有與陽極縱向軸線同軸的縱向軸線的陰極支承件；c.一陰極組件，包括一裝配段和一尖端，尖端的端部位于陽極中內(nèi)部段中，尖端與陽極后內(nèi)部合作形成一第一環(huán)形空間；d.一置于陰極支承件和陽極的后端之間的噴射器環(huán)，該噴射器環(huán)具有一與陰極組件裝配段配合形成一與第一環(huán)形空間共軸的第二環(huán)形空間的內(nèi)直徑；e.用于保持陽極，陰極支承件和噴射器裝置為一裝配件的殼體裝置；f.第一通道裝置，用于通過殼體裝置和噴射器環(huán)向第二環(huán)形空間供應(yīng)初始?xì)怏w，以使氣體流至第一環(huán)形空間和陽極前內(nèi)部段；g.第一附件裝置，用于向陽極和陰極組件供給電能，以在陽極內(nèi)部的陽極和陰極組件之間產(chǎn)生電弧，從而將流過陽極內(nèi)部的初始?xì)怏w加熱形成等離子體流；h.第二通道裝置，用于向陽極內(nèi)部供應(yīng)涂層粉末，涂層粉末在這里被帶入等離子體流并被加速而排出陽極內(nèi)部；以及i.用于向陰極支承件，陽極和殼體裝置供應(yīng)冷卻流體的冷卻裝置。
7.一高速亞音速等離子體弧噴槍，包括a.一通常管形的陽極，它具有一縱向軸線，一外部表面，一內(nèi)部、和前后端部，陽極內(nèi)部在靠近陽極前端限定出一前段，靠近后端限定出一后段，一中段位于前后內(nèi)部段之間，前后內(nèi)部段各自具有圓柱形內(nèi)表面，而中內(nèi)部段具有一截頭圓錐形內(nèi)表面；b.一具有與陽極縱向軸線同軸的縱向軸線的陰極支承件；c.一陰極組件，包括一裝配部和一尖端，尖端的端部位于陽極中內(nèi)部段中，尖端與陽極后內(nèi)部合作形成一第一環(huán)形空間；d.一置于陰極支承件和陽極的后端之間的噴射器環(huán)，該噴射器環(huán)具有一與陰極組件裝配部配合形成一與第一環(huán)形空間的第二環(huán)形空間的內(nèi)直徑；e.用于保持陽極，陰極支承件和噴射器裝置為一裝配件的殼體裝置；f.第一通道裝置，用于通過殼體裝置和噴射器環(huán)向第二環(huán)形空間供應(yīng)初始?xì)怏w，以使氣體流至第一環(huán)形空間和陽極前內(nèi)部段；g.第一附件裝置，用于向陽極和陰極組件供給電能，以在陽極內(nèi)部的陽仍和陰極組件之間產(chǎn)生電弧，從而將流過陽極內(nèi)部的初始?xì)怏w加熱形成等離子體流；h.第二通道裝置，用于向陽極內(nèi)部供應(yīng)涂層粉末，在這里涂層粉末被攜帶入等離子體流并被加速而排出陽極內(nèi)部；以及i.用于向陰極支承件，陽極和殼體裝置供應(yīng)冷卻流體的冷卻裝置，其中ⅰ.陽極前內(nèi)部段的內(nèi)表面與陽極中內(nèi)部段的內(nèi)表面在一第一圓環(huán)線處相交。ⅱ.陽極中內(nèi)部段的內(nèi)表面與陽極后內(nèi)部段的內(nèi)表面在一第二圓環(huán)線處相交；ⅲ.陰極組件尖端的端部位于從第二圓環(huán)線至第一圓環(huán)線之間的距離的大約85—95％處；ⅳ.陽極前段沿陽極前后端之間的縱向軸線的縱向長度大約為前后端間總的陽極長度的35—45％；ⅴ.陽極中內(nèi)部段沿陽極前后端間的縱向軸線的縱向長度約為前后端間總長度的20—30％；ⅵ.陽極后內(nèi)部段沿陽極前后端間縱向軸線的縱向長度約為前后端間陽極總長度的30—40％。
8.在高速亞音速等離子體弧噴槍中用作陽極的制品，包括一管形陽極，該陽極具有一外表面，一內(nèi)部和一縱向軸線，內(nèi)部制成為前、中和后內(nèi)部段，前和后內(nèi)部段分別具有圓柱形內(nèi)表面，而中內(nèi)部段具有截頭圓錐形內(nèi)表面。
9.在高速亞音速等離子體弧噴槍中用作陽極的制品，包括一管形陽極，該陽極具有一外表面，一內(nèi)部和一縱向軸線，內(nèi)部制成為前、中和后內(nèi)部段，前和后內(nèi)部段分別具有圓柱形內(nèi)表面，而中內(nèi)部段具有截頭圓錐形內(nèi)表面，其中，a.制品沿其縱向軸線具有一總的縱向長度；b.制品前內(nèi)部沿制品縱向軸線的長度大約為制品總長度的35—45％；c.制品中內(nèi)部段沿制品縱向軸線的長度約為制品總長度的20—30％；d.制品后內(nèi)部段沿制品縱向軸線的長度約為制品總長度的30—40％。
10.在高速亞音速等離子體弧噴槍中用作陽極的制品，包括一管形陽極，該陽極具有一外表面，一內(nèi)部和一縱向軸線，內(nèi)部制成為前、中和后內(nèi)部段，前和后內(nèi)部段分別具有圓柱形內(nèi)表面，而中內(nèi)部段具有截頭圓錐形內(nèi)表面，其中，a.陽極在其前后端之間沿其縱向軸線的總的縱向長度約為2.06英寸；b.陽極前內(nèi)部段沿縱向軸線的長度約為0.83英寸；c.陽極中內(nèi)部段沿陽極縱向軸線的長度約為0.52英寸；d.陽極后內(nèi)部段沿陽極縱向軸線的長度約為0.71英寸；e.陽極中內(nèi)部段的截頭圓錐形內(nèi)表面的夾角約為40°。
11.如權(quán)利要求8的制品，其特征在于，陽極后內(nèi)部段的內(nèi)表面的直徑比陽極前內(nèi)部段內(nèi)表面的直徑大約大1.5—3倍。
全文摘要
一種和現(xiàn)有技術(shù)中噴槍相比具有較高的沉積效率和較長的陽極和陰極壽命的改進(jìn)的等離子體弧噴槍。本發(fā)明的噴槍包括一由玻璃纖維加強(qiáng)的“托倫”(TORLON)材料制成的殼體，從而可在所有操作條件下保持尺寸穩(wěn)定。本發(fā)明噴槍的陰極尖端位于陽極內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢?，以使電弧接觸點(diǎn)沿陽極內(nèi)一圓環(huán)線連續(xù)移動，從而減小了陽極的磨損。改善的氣體動態(tài)冷卻了陰極尖端，從而增加了陰極的使用壽命。
文檔編號B05B7/22GK1115693SQ94109498
公開日1996年1月31日 申請日期1994年8月10日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月11日
發(fā)明者達(dá)爾·E·克威姆, 雷·W·西爾貝 申請人:米樂·特邁爾公司