專利名稱：等離子線性電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及等離子噴涂，并且特別涉及用于改善的等離子噴涂涂層材料的等離子噴涂方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
等離子噴涂是一種通過等離子噴涂裝置向靶材表面上噴涂涂層材料來提供所需涂層的方法。在傳統(tǒng)的等離子噴涂裝置中，等離子體流離開陽極后，在陰極附近氣體的誘導(dǎo)漩渦將任何注入的涂層材料離心式射離等離子體流，降低施加在靶材表面的涂層材料的量。在一些等離子噴涂裝置中，離開陽極的等離子體流可以具有大于90°的粒子總體分布角(total particle pattern angle)。在這樣的設(shè)備中，該噴涂方法獲得的沉積效率可以低至25％。如此低的沉積效率導(dǎo)致更長的處理時(shí)間以及涂層材料的浪費(fèi)，從而使成本增加。
此外，傳統(tǒng)的等離子噴涂裝置可能會(huì)經(jīng)受高消耗損耗，要求頻繁更換由于與激發(fā)(ignite)等離子體的高能直流電弧持續(xù)接觸而損耗的部件。
所需要的是一種具有提高沉積效率與更長使用壽命的等離子噴涂方法及裝置。本發(fā)明滿足這些需求并也提供其他優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，等離子噴涂設(shè)備的陽極具有橫截面形狀非圓形的軸向孔(axial bore)用于在陽極內(nèi)使等離子體流線性流動(dòng)。等離子體流的線性流動(dòng)減小了其離開陽極后等離子體流的總粒子總體分布角，得到具有更高沉積效率和更短處理時(shí)間的等離子噴涂設(shè)備。由從氣旋性流到線性流的轉(zhuǎn)變而引起等離子體流的湍流(turbulence)減少了因用于形成等離子體的高能直流電弧而導(dǎo)致的陽極損耗，從而得到更長的陽極使用壽命。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，本發(fā)明是一種等離子噴涂設(shè)備，其包括用于形成等離子體的等離子室區(qū)域以及與等離子室區(qū)域耦合的喉道區(qū)域。喉道區(qū)域包括端面和軸向孔。軸向孔基本沿著喉道區(qū)域的縱軸方向形成，并且具有非圓形的橫截面形狀。在端面的軸向孔用于噴射等離子體流。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，本發(fā)明的等離子噴涂設(shè)備包括具有端面和軸向孔的喉道區(qū)域。軸向孔在喉道區(qū)域內(nèi)基本沿著喉道區(qū)域的縱軸方向形成。軸向孔具有多條凹槽，其中至少一部分是基本沿著喉道區(qū)域的縱軸方向形成的。在端面的軸向孔用于噴射等離子體流。
根據(jù)又一個(gè)實(shí)施方案，本發(fā)明的用于等離子噴涂設(shè)備的電極包括等離子室區(qū)域以及與等離子室區(qū)域耦合的喉道區(qū)域。喉道區(qū)域包括端面和軸向孔。軸向孔基本沿著喉道區(qū)域的縱軸形成。軸向孔用來噴射等離子體流。軸向孔具有至少一種橫截面形狀用以在等離子體流離開軸向孔前使等離子體流線性流動(dòng)。
本發(fā)明另外的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)將在下面的說明書中闡明，并且部分將由說明書顯而易見，或可以通過實(shí)踐本發(fā)明獲知。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)勢(shì)將通過在書面說明書、權(quán)利要求書及附圖中特別指出的結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)和獲得。
應(yīng)該理解上述的概要描述和下面的詳細(xì)描述都是示例性的和解釋性的，是用以進(jìn)一步說明要求保護(hù)的本發(fā)明。
附圖簡述附圖用于進(jìn)一步理解本發(fā)明并且引入構(gòu)成本說明書的一部分，本發(fā)明的示例性實(shí)施方案以及描述一起解釋了本發(fā)明的原理。在附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的等離子噴涂設(shè)備的簡圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一方面的等離子噴涂設(shè)備的近距離局部視圖；圖3A-3D說明了根據(jù)本發(fā)明幾個(gè)方面的等離子噴涂設(shè)備的橫截面局部視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的等離子噴涂設(shè)備的近距離局部視圖；圖5A和5B說明了根據(jù)本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方案的等離子噴涂設(shè)備的軸向孔；以及圖6A和6B是闡明根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)方面的等離子噴涂設(shè)備的性能優(yōu)勢(shì)的圖表。
發(fā)明詳述在下面的詳細(xì)描述中，列出了許多具體的細(xì)節(jié)用以提供對(duì)本發(fā)明的全面理解。然而，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而，顯而易見可以無需若干這些具體細(xì)節(jié)而實(shí)施本發(fā)明。在其他情況下，不再詳細(xì)說明熟知的結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以免不必要地使本發(fā)明不清楚。
參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的等離子體設(shè)備100包括第一電極如陽極101和第二電極如陰極102。加壓氣體103，包括例如氫(H)，氬(Ar)，氮(N)，氦(He)，或其任意組合，環(huán)繞經(jīng)過陰極102并穿過陽極101。在陰極102和陽極101之間形成高能直流電弧。來自電弧的電阻加熱使得惰性氣體103達(dá)到極高的溫度，離解并電離形成等離子體104。如下詳述，陽極101包括軸向孔110，其可以使等離子體流107沿軸向孔110的至少一部分基本成直線地流動(dòng)。高速及高溫的等離子體流107離開陽極101。粉末涂層材料106通過外部粉末注入器105注入等離子體流107，其中它被快速加熱并加速到高速。熔融的或熱軟化的涂層材料106由等離子體流107攜帶到靶109的表面，在那里快速冷卻形成所需的涂層108。
由于陽極101的線性設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)入x子體104通過陽極101的軸向孔110時(shí)，等離子噴涂設(shè)備100內(nèi)產(chǎn)生的惰性氣體103的誘導(dǎo)漩渦顯著減少。等離子體流107的線性流動(dòng)將注入的涂層材料106限制于更密集的分布中，當(dāng)它在等離子體流107中離開陽極101時(shí)減少了離心式噴射，從而使得粒子總體分布角θ 120比傳統(tǒng)等離子噴涂設(shè)備的小很多。該更小的粒子總體分布角θ120增加了等離子體流107中涂層材料106的濃度，并且因此提高了等離子噴涂設(shè)備的沉積效率。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，等離子體流107的粒子總體分布角θ小于約90°。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，等離子體流107的粒子總體分布角θ小于約50°。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，粒子總體分布角可以是0°至90°之間的任何數(shù)值。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，圖1中描述的陰極和陽極的標(biāo)號(hào)可以相反。在又一個(gè)實(shí)施方案中，粉末注入器可以位于陽極內(nèi)或等離子噴涂設(shè)備內(nèi)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，更詳細(xì)地說明根據(jù)本發(fā)明一方面的陽極101。陽極101包括用于形成等離子體的等離子室區(qū)域201，以及與等離子室區(qū)域201整體耦合的喉道區(qū)域202。等離子室區(qū)域201包括外壁290和內(nèi)壁292。外壁290是圓柱形的，且內(nèi)壁292是圓錐形的。內(nèi)壁292產(chǎn)生了具有第一端部294和第二端部296的室298。本發(fā)明不局限于圖2中所示的等離子室區(qū)域201的形狀，并且本發(fā)明的等離子室區(qū)域可采用各種形狀和結(jié)構(gòu)。
喉道區(qū)域202具有外壁280，端面203和軸向孔204。在這個(gè)例子中外壁280是圓柱形的，但它可以是任何形狀(例如，矩形的，多邊形的，橢圓形的，不規(guī)則的)。具有第一端部230和第二端部240的軸向孔204在喉道區(qū)域202內(nèi)基本沿喉道區(qū)域202的縱軸210形成，并且具有非圓形的橫截面形狀。在這個(gè)例子中，軸向孔204的第一端部230是等離子室區(qū)域201的第二端部296。軸向孔204的第二端部240位于喉道區(qū)域202的端面203上。軸向孔204在第二端部240(或在端面203)噴射等離子體流。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，軸向孔可以是孔、開口、或通道。
在這個(gè)例子中，縱軸210基本位于喉道區(qū)域202的中心線。在另一個(gè)實(shí)施方案中，縱軸可以遠(yuǎn)離中心線。在又一個(gè)實(shí)施方案中，縱軸可以與端面203基本垂直或基本不垂直。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，喉道區(qū)域可以與等離子室區(qū)域非整體耦合，且喉道區(qū)域可以直接或間接地與等離子室區(qū)域耦合。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，軸向孔204包括多條基本沿著喉道區(qū)域202的縱軸形成的凹槽206。凹槽206可以如圖2所示一直延伸至軸向孔204的全部長度或只是軸向孔204的部分長度。例如，凹槽206可以從點(diǎn)A延伸至點(diǎn)B，其中點(diǎn)A是第一端部230和第二端部240之間的一點(diǎn)，而點(diǎn)B為第二端部240。凹槽206可以使用拉床、銑床、車床、或其它任何機(jī)械加工工具得到。凹槽206的效果、尺寸、數(shù)量和位置可以根據(jù)等離子噴涂設(shè)備的具體工藝要求而變化。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，軸向孔204具有一橫截面形狀用以等離子體流在第二端部240處離開軸向孔204之前使等離子體流線性流動(dòng)。等離子體流的線性流動(dòng)減少了等離子噴涂設(shè)備內(nèi)的氣體誘導(dǎo)漩渦，改善了等離子噴涂設(shè)備的沉積效率，其更全面的說明如下。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，陽極101包含銅(Cu)或鎢(W)。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，陽極101可具有大約2.5英寸的長度L和具有大約1.6英寸的外徑D。
參照?qǐng)D3A-3D，可見軸向孔的多種橫截面形狀適用于使等離子體流線性流動(dòng)。根據(jù)一方面，圖3A說明電極301具有軸向孔331，其橫截面形狀311由具有基本直線性形狀的多條凹槽321所確定。凹槽321在軸向孔331的壁上基本沿電極301喉道區(qū)域的縱軸形成。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，圖3B說明電極302具有軸向孔332，其橫截面形狀312由基本沿電極302喉道區(qū)域的縱軸在軸向孔332的壁上形成的基本V形的多條凹槽332所確定。如圖3B所示，電極的多種形狀均適用于本發(fā)明，包括但不局限于具有方形橫截面形狀的電極。
參照?qǐng)D3C和3D可見，本發(fā)明不局限于具有多條凹槽的軸向孔。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，圖3C說明電極303具有軸向孔333，其橫截面形狀313由用于使等離子體流線性流動(dòng)的三片相互重疊的基本圓形凸耳(lobe)所確定。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，圖3D說明電極304具有軸向孔334，其橫截面形狀314由用于使等離子體流線性流動(dòng)的四片相互重疊的基本圓形凸耳所確定。
圖3A-3D只舉例說明了本發(fā)明軸向孔許多可能的橫截面形狀中的少數(shù)幾個(gè)。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然，本發(fā)明的軸向孔的橫截面形狀可以是適用于使等離子體流線性流動(dòng)的任何非圓形形狀。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，非圓形的橫截面形狀可以一直延伸至軸向孔的全部長度或只延伸至軸向孔的部分長度。
現(xiàn)參照?qǐng)D4，更具體地說明根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案用于等離子噴涂設(shè)備的電極303。電極303包括等離子室區(qū)域401和與等離子室區(qū)域401耦合的喉道區(qū)域402。喉道區(qū)域402具有端面403和軸向孔404。具有第一端部430和第二端部440的軸向孔404基本沿喉道區(qū)域402的縱軸在喉道區(qū)域402內(nèi)形成，并具有非圓形的橫截面形狀313。軸向孔的第一端部430與等離子室區(qū)域401相耦合，且第二端部440位于端面403上。軸向孔404在第二端部440(或在端面403)噴射等離子體流。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，電極303可以通過電極303內(nèi)和/或其周圍的液體冷卻劑(未顯示)的流動(dòng)來冷卻。該液體冷卻劑可以是水、乙二醇和水的混合物、或其它適合的液體冷卻劑。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，軸向孔404具有非圓形的橫截面形狀313，其由用于在等離子體流離開軸向孔404之前使等離子體流線性流動(dòng)的多片相互重疊的基本圓形凸耳406所確定。
現(xiàn)參照?qǐng)D5A，說明了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的等離子噴涂設(shè)備軸向孔的示例圖。軸向孔510可包括第一端部530和第二端部540。第一端部530可與等離子室區(qū)域直接或間接耦合。第二端部540可位于噴射等離子體流的等離子噴涂設(shè)備喉道區(qū)域的端面。軸向孔510可進(jìn)一步包括基本沿縱軸520的第一圓錐形部分512、圓柱形部分514、以及第二圓錐形部分516。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，位于第一端部530處的軸向孔510的直徑可為大約1英寸，位于圓柱形部分514處的軸向孔510的直徑可為大約5/16英寸，以及位于第二端部540處的軸向孔的直徑可為大約3/4英寸。軸向孔510的長度為大約2.5英寸。
現(xiàn)參照?qǐng)D5B，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案說明了軸向孔的另一個(gè)示例圖。軸向孔550包括例如由凹槽555所確定的非圓形的橫截面形狀。軸向孔550進(jìn)一步包括第一端部560、第二端部580、以及第一端部560與第二端部580之間的兩個(gè)區(qū)域590和592。在區(qū)域590內(nèi)，凹槽555與縱軸570基本不平行。在區(qū)域592內(nèi)，凹槽555與縱軸570基本平行。在另一個(gè)實(shí)施方案中，軸向孔550可包括其它非圓形橫截面形狀(如重疊的瓣輪)。
本發(fā)明不局限于圖2和5A所示的軸向孔的形狀，并且軸向孔的截面尺寸和形狀可沿軸向孔而改變。例如，根據(jù)本發(fā)明的一方面，在一點(diǎn)處的軸向孔截面尺寸可不同于沿軸向孔上另一點(diǎn)處的軸向孔截面尺寸。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在一點(diǎn)處的軸向孔橫截面形狀可不同于沿軸向孔上另一點(diǎn)處的軸向孔橫截面形狀。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，橫截面形狀和/或截面尺寸可沿軸向孔的部分長度或沿軸向孔的全部長度連續(xù)變化。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，橫截面形狀和/或截面尺寸可沿軸向孔在一點(diǎn)或多點(diǎn)處突然變化。
現(xiàn)轉(zhuǎn)向圖6A和6B，以圖表形式總結(jié)了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的處理速度和沉積效率上的優(yōu)勢(shì)。對(duì)總結(jié)在圖6A和6B，和下表1中的分析，根據(jù)本發(fā)明的一方面以線性陽極噴涂圓柱管形狀的靶。由等離子噴涂設(shè)備噴涂的粉末涂層材料為100-140目的硅粉末，其中有8％重量比的170-325目的鋁。使用傳統(tǒng)的非線性陽極，將圓柱管沿它的全部長度環(huán)繞它的圓周涂覆了9mm的涂層材料。這個(gè)過程需要12.62小時(shí)并消耗了119,789克粉末涂層材料而給該管增加了28,116克涂層材料，即具有23.47％的沉積效率。使用本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的具有線性陽極的等離子噴涂設(shè)備，對(duì)另一個(gè)圓柱靶管施加同樣的9mm保形涂層只用9.25小時(shí)，且過程只消耗79,370克粉末涂層材料而給該管增加了28,418克涂層材料，即具有35.8％的沉積效率。
同樣地，為沿另一個(gè)圓柱靶管的長度施加6mm的圓周涂層，傳統(tǒng)的非線性陽極的等離子噴涂設(shè)備平均需要8.5小時(shí)并消耗大約75,000克粉末涂層材料。相反，用根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的線性陽極的等離子噴涂設(shè)備以35.8％的沉積效率只需要6.23小時(shí)且只消耗48,150克涂層粉末來完成同樣的任務(wù)。
表1
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，由于在線性軸向孔和線性陽極的等離子室區(qū)域的交接處湍流增大，線性陽極的損耗比傳統(tǒng)的、非線性陽極上的損耗少很多。這種由等離子體從氣旋性流到線性流轉(zhuǎn)變而引起的湍流，用來防止在線性陽極與陰極之間形成的高能直流電弧附著(adhere)于線性陽極的某一個(gè)特定區(qū)域或地方，從而使線性的陽極經(jīng)受的損耗是顯著少于傳統(tǒng)的非線性陽極，因此顯著延長了線性陽極的使用壽命。在根據(jù)本發(fā)明一方面的線性陽極中，使用線性陽極噴涂79,370克涂層材料后的損耗為使用傳統(tǒng)陽極等離子噴涂119,789克后的損耗的大約25％-50％。
雖然已參照各個(gè)附圖和實(shí)施方案具體描述了本發(fā)明，應(yīng)該理解這些只是為了說明性目的并且不應(yīng)理解為限制本發(fā)明的范圍?？梢杂性S多其它方法實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以不脫離本發(fā)明的精神和范圍對(duì)本發(fā)明進(jìn)行許多變化和改動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種等離子噴涂設(shè)備，其包括用于形成等離子體的等離子室區(qū)域；以及與等離子室區(qū)域耦合的喉道區(qū)域，該喉道區(qū)域具有端面和軸向孔，軸向孔基本沿喉道區(qū)域的縱軸方向形成，軸向孔具有非圓形的橫截面形狀，軸向孔在端面處用于噴射等離子體流。
2.如權(quán)利要求1的等離子噴涂設(shè)備，其中軸向孔包括基本沿喉道區(qū)域的至少部分縱軸形成的多條凹槽。
3.如權(quán)利要求2的等離子噴涂設(shè)備，其中多條凹槽具有基本直線性的形狀。
4.如權(quán)利要求1的等離子噴涂設(shè)備，其中軸向孔具有由多片相互重疊的基本圓形凸耳所確定的橫截面形狀。
5.如權(quán)利要求4的等離子噴涂設(shè)備，其中相互重疊的基本圓形凸耳的數(shù)量為3。
6.如權(quán)利要求1的等離子噴涂設(shè)備，其中非圓形橫截面形狀沿至少一部分軸向孔延伸。
7.如權(quán)利要求1的等離子噴涂設(shè)備，其中在沿軸向孔一點(diǎn)處的軸向孔截面尺寸不同于在沿軸向孔另一點(diǎn)處的軸向孔截面尺寸。
8.如權(quán)利要求1的等離子噴涂設(shè)備，其中在沿軸向孔一點(diǎn)處的軸向孔的非圓形橫截面形狀不同于在沿軸向孔另一點(diǎn)處的軸向孔的非圓形橫截面形狀。
9.如權(quán)利要求1的等離子噴涂設(shè)備，其中在等離子體流從軸向孔噴射之前，等離子體流的流動(dòng)為線性。
10.如權(quán)利要求1的等離子噴涂設(shè)備，其中，由于等離子體流線性流動(dòng)造成等離子體中的湍流，用于形成等離子體的高能直流電弧在等離子噴涂設(shè)備的部件上造成的損耗減少。
11.如權(quán)利要求1的等離子噴涂設(shè)備，其中等離子體流在從軸向孔噴射之后具有小于大約50°的粒子總體分布角。
12.如權(quán)利要求1的等離子噴涂設(shè)備，其進(jìn)一步包括第一電極和第二電極，第二電極包括等離子室區(qū)域和喉道區(qū)域。
13.一種等離子噴涂設(shè)備，其包括具有端面和軸向孔的喉道區(qū)域，軸向孔基本沿喉道區(qū)域的縱軸方向在喉道區(qū)域內(nèi)形成，軸向孔具有多條凹槽，多條凹槽中的至少一部分基本沿喉道區(qū)域的縱軸方向形成，軸向孔在端面處用于噴射等離子體流。
14.如權(quán)利要求13的等離子噴涂設(shè)備，其中多條凹槽具有基本直線性的形狀。
15.如權(quán)利要求13的等離子噴涂設(shè)備，其中多條凹槽的一部分延伸至端面。
16.如權(quán)利要求13的等離子噴涂設(shè)備，其中在等離子體流從軸向孔噴射之前，等離子體流的流動(dòng)為線性。
17.一種用于等離子噴涂設(shè)備的電極，該電極包括等離子室區(qū)域；以及與等離子室區(qū)域耦合的喉道區(qū)域，該喉道區(qū)域具有端面和軸向孔，軸向孔基本沿喉道區(qū)域的縱軸形成，軸向孔用于噴射等離子體流，軸向孔具有至少一種橫截面形狀用于在等離子體流離開軸向孔之前使等離子體流線性流動(dòng)。
18.如權(quán)利要求17的用于等離子噴涂設(shè)備的電極，其中軸向孔包括多條在軸向孔壁上形成的凹槽，其中多條凹槽中的至少一部分基本平行于喉道區(qū)域的縱軸形成。
19.如權(quán)利要求17的用于等離子噴涂設(shè)備的電極，其中軸向孔具有由多片相互重疊的基本圓形凸耳所確定的橫截面形狀。
20.如權(quán)利要求17的用于等離子噴涂設(shè)備的電極，其中軸向孔包括第一端部和第二端部，第一端部與等離子室區(qū)域耦合，第二端部位于端面，橫截面形狀至少從第一端部與第二端部之間的一點(diǎn)延伸至第二端部。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種等離子噴涂設(shè)備。該等離子噴涂設(shè)備包括用于形成等離子體的等離子室區(qū)域以及與等離子室區(qū)域耦合的喉道區(qū)域。喉道區(qū)域具有端面和軸向孔。軸向孔是基本沿喉道區(qū)域的縱軸形成的，并具有非圓形的橫截面形狀。端面的軸向孔用于噴射等離子體流。軸向孔可包括基本沿喉道區(qū)域的縱軸形成的多條凹槽。軸向孔的橫截面形狀可以任選地由多片相互重疊的基本圓形凸耳確定。在等離子體流從軸向孔噴射之前，等離子體流線性流動(dòng)。在等離子體流離開軸向孔之后，等離子體流具有小于大約50°的粒子總體分布角。
文檔編號(hào)H01J37/08GK1970822SQ200610087698
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月23日
發(fā)明者查爾斯·雷蒙德·瓊斯, 賈森·詹姆斯·舍林 申請(qǐng)人:黑羅伊斯公司