專(zhuān)利名稱：具有內(nèi)通道套管的熱噴槍和用于這種槍的元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱噴槍?zhuān)绕渖婕坝糜谶@種槍中的噴射流的通道。
也稱作火焰噴涂的熱噴涂包括一種諸如金屬或陶瓷的熱熔材料的熱軟化和對(duì)著一要被涂覆的表面推進(jìn)顆粒型的軟化材料。加熱的顆粒撞擊所述表面，在所述表面這些顆粒被急冷并結(jié)合在其上。在一類(lèi)熱噴槍中，熱熔材料是以粉末形式供應(yīng)給槍。這種粉末一般由小顆粒組成，例如在100目的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩號(hào)(149微米)與約2微米之間的小顆粒。夾帶和傳送粉末的運(yùn)載氣體可以是燃燒氣體中的一種，也可以是諸如氮的惰性氣體，或者簡(jiǎn)單地是壓縮空氣。其它熱噴槍采用線材作為一噴涂材料源。
通過(guò)采用速度很高的氧氣和燃料的噴槍(HVOF槍)可以生產(chǎn)出質(zhì)量特別高的熱噴涂材料涂覆層。這類(lèi)槍有一內(nèi)燃燒腔，燃燒腔中有指向短的或長(zhǎng)的氣體蓋子(有時(shí)也稱噴嘴)的狹窄喉部的高壓燃燒流。粉末軸向或徑向地被送到燃燒腔或氣體蓋子進(jìn)行加熱，然后被燃燒流推進(jìn)到要涂覆的工件上。
美國(guó)專(zhuān)利Nos.4,417,421(授予Browning的)和5,148,986(授予Rusch的)揭示了HVOF槍的例子。HVOF槍中的粉末(或線材)噴涂材料一般在內(nèi)部引導(dǎo)到一噴射通道，有在通道壁上沉積所導(dǎo)致的堆積物的趨勢(shì)。這種堆積物會(huì)移位，使塊團(tuán)傳到涂覆層上，或使通道閉塞導(dǎo)致背壓和槍隨之失靈。美國(guó)專(zhuān)利No.5,165,705(授予Huhne的)通過(guò)應(yīng)用在燃燒腔中的一表面膜提出了這種沉積。在美國(guó)專(zhuān)利No.3,055,591(授予Shepard的)中，公開(kāi)了用于不同用途提高加熱的反射表面膜。在美國(guó)專(zhuān)利No.5,405,08(授予White的)中公開(kāi)了一種陶瓷流噴嘴，其中陶瓷噴嘴從流動(dòng)流的第一部分吸收熱量，然后把該熱量傳導(dǎo)到流動(dòng)流下游的第二部分。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的熱噴槍?zhuān)绕涫且环NHVOF槍?zhuān)@種槍中的噴射流通道中堆積的趨向減少。本發(fā)明的另一個(gè)目的是為這種槍提供一新穎元件，這種元件減少在槍的噴射流通道中的堆積趨向。
附圖
示出了本發(fā)明熱噴槍的一部分縱向剖面圖。
用一熱噴槍來(lái)實(shí)現(xiàn)前述和其它目的至少是部分目的，該熱噴槍包括一燃燒腔，把燃料氣體和助燃?xì)怏w射入燃燒腔的氣體裝置，一具有從燃燒腔延伸到出口端的通道的氣體蓋子，和把熱噴涂材料送到通道的進(jìn)料裝置。氣體蓋子包括一至少形成通道的重要部分的管狀內(nèi)部件和用來(lái)冷卻內(nèi)部件的冷卻裝置。冷卻裝置最好包括使液體冷卻劑在氣體蓋子中流動(dòng)與內(nèi)部件熱連通的液體裝置。內(nèi)部件由硬度至少為Rc65的導(dǎo)熱材料制成，這種材料最好是諸如鈷基體碳化鎢的金屬基體碳化物。燃料氣體在燃燒腔中燃燒時(shí)，含有精細(xì)分離的熱噴涂材料的噴射流推出出口端，同時(shí)在通道中基本上沒(méi)有堆積熱噴涂材料。
在一較佳方面，氣體蓋子還包括一由內(nèi)部件和一金屬的外部件構(gòu)成的噴嘴元件。內(nèi)部件附在外部件內(nèi)并與之熱接觸，外部件直接與流動(dòng)的流體冷卻劑接觸。銅或銅合金特別適用于外部件。
還可通過(guò)用于這種槍的噴嘴元件來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各目的。噴嘴元件包括由硬度至少為Rc65的導(dǎo)熱材料制成的內(nèi)部件，這種材料最好是一種金屬基體碳化物。噴嘴元件有一貫穿的中心通道，內(nèi)部件至少形成槍氣體蓋子的中心通道的重要部分。噴嘴元件構(gòu)造成作為氣體蓋子的一個(gè)元件的插入件，使通道從燃燒腔延伸到出口端，以便噴射流通過(guò)通道，使得內(nèi)部件與流體冷卻劑熱連通。
一種采用本發(fā)明的熱噴槍類(lèi)似于上述美國(guó)專(zhuān)利No.5,148,986所描述的熱噴槍。根據(jù)本文所陳述的內(nèi)容來(lái)改變噴槍。參閱附圖，一熱噴槍10包括一其上安裝一氣體蓋子14的圓筒形氣體本體(即氣體用本體)12。通過(guò)噴槍的一傳統(tǒng)閥部分(圖未示)可獲得來(lái)自一壓縮燃料源的氣體燃料，并且從諸如壓縮空氣或最好是氧氣的壓縮源獲得一種助燃?xì)怏w。諸如在氣體蓋子中環(huán)流的額加空氣是可選擇的，但在本實(shí)施例中不是必需的。
氣體本體12包括一支承件13。用一噴嘴螺母24把噴嘴部件16、一中間部件18和后面部件20同軸夾持在一起。噴嘴部件延伸到氣體蓋子14，該蓋子14與噴嘴部件一起形成一燃燒腔26。氣體蓋子有一從燃燒腔延伸到出口端30的中心通道28。對(duì)本發(fā)明來(lái)講有利的是，氣體蓋子和其通道是細(xì)長(zhǎng)的，使得通道的長(zhǎng)度與最小的直徑之比一般在5與25之間。通道的后面，即靠近噴嘴16的向前收縮的部分32延伸到一縮頸34，由此形成燃燒腔。噴嘴氣體蓋子的朝前收縮部分32相對(duì)于噴槍的中心軸線35的傾斜角度最好在5°與15°之間，例如12°。氣體蓋子通道28的伸長(zhǎng)為熱噴涂粉末提供加熱和加速的延長(zhǎng)區(qū)域。(在本文和權(quán)利要求書(shū)中所用的“朝前”或“朝前地”指朝噴槍的出口端，“后面”、“朝后”或“朝后地”指朝相對(duì)端。而“內(nèi)部”指朝軸線，“外部”指離開(kāi)軸線)。
氣體蓋子14是一個(gè)組件，該組件包括一在一圓筒形外部體40內(nèi)的管狀噴嘴元件38，在管狀噴嘴元件38與圓筒形外部體40之間有用于冷卻的水或其它流體最好是液體的槽路42。一具有螺紋45的前部保持件44把一圓筒形導(dǎo)流管46固定在外部體內(nèi)，以起引導(dǎo)流道的作用。一流體傳遞件48包圍部分外部體。該傳遞件有一流體入口50和出口(圖未示)，和一對(duì)相連的與外部體配合形成的環(huán)形流道49，該外部體內(nèi)也有一對(duì)相連的徑向管道51，所有這些都相連以幫助水在槽路中流通。用一些合適的O形圈密封槽路。外部體通過(guò)螺紋54連接于氣體本體12，并通過(guò)其上的一臺(tái)肩53卡住元件38。
中間部件18夾持在支承件13中的一相應(yīng)的孔內(nèi)。中間部件和有關(guān)的元件配有多個(gè)O形圈56以保持氣密的密封。中間部件18中有一第一環(huán)形槽53，該圓環(huán)槽與至少一個(gè)(例如8個(gè))從其朝向前面的、弧形地分開(kāi)設(shè)置的縱向通道55(圖中示出一個(gè))相連。中間部件18還有一個(gè)在第一槽53前面的第二環(huán)形槽57。另外至少一個(gè)(例如8個(gè))弧形地分開(kāi)設(shè)置的縱向通道58從第二槽指向前面，與第一通道55弧形地分開(kāi)設(shè)置，并在第一通道55的外面。兩組通道55、58通到噴嘴部件16后面部分的各自的環(huán)形空隙60、62中。
多個(gè)弧形地分開(kāi)設(shè)置的管子64(例如8個(gè))壓配進(jìn)噴嘴部件16中，使得這些管子從一環(huán)形空隙62往前收斂。多個(gè)來(lái)自其它空間60的類(lèi)似鉆孔66與管子弧形地交錯(cuò)。管子把燃料、孔把氧氣分別輸送到噴嘴面部69附近的環(huán)形混合區(qū)域68。燃料混合物從該區(qū)域噴射到進(jìn)行燃燒的燃燒腔26，從而形成一通過(guò)中心通道28的高壓、高速的燃燒產(chǎn)物流。
前述的例子示出了一種用來(lái)把燃料和氧氣送入燃燒腔的裝置。實(shí)際裝置對(duì)本發(fā)明不是關(guān)鍵，它可以是傳統(tǒng)的，或者根據(jù)需要而定。例如，氣體流道可以形成為一對(duì)同心的環(huán)形氣體通道。在其它實(shí)施例中，燃料和氧氣進(jìn)一步在氣體本體后面一虹吸塞(siphon plug)或類(lèi)似物中混合。另外方式每一種氣體可直接導(dǎo)入燃燒腔，而不用先混合。
一用于熱噴涂粉末的具有中心流道73的管子72從后面部件20延伸到噴嘴16，再通過(guò)噴嘴16到燃燒腔。中心流道配合入后面部件20中的軸向流道74，軸向流道74依次與支承件13中的又一流道75連接。流道75再與來(lái)自粉末供料器77的一軟管76連通(借助傳統(tǒng)的噴槍接頭)。來(lái)自諸如壓縮空氣或氮?dú)獾膲嚎s氣體源的運(yùn)載氣體夾帶來(lái)自供料器的粉末。粉末供料器是傳統(tǒng)的或所需的類(lèi)型，但必需能夠輸送壓力足夠高的運(yùn)載氣體，以便把粉末通過(guò)粉末流道輸送到燃燒腔26。
供給燃燒腔的氣體應(yīng)該具有較高的壓力，最好至少是五個(gè)大氣壓的壓力，以便高速運(yùn)行。用諸如一火花裝置使可燃燒的混合物在燃燒腔中傳統(tǒng)般地點(diǎn)燃，使得燃燒過(guò)的氣體混合物以?shī)A帶粉末的音速或超音速流方式噴出出口端。燃燒的熱量將加熱軟化或熔化粉末材料，或至少以足夠高的速度推進(jìn)粉末，在一物體上沉積噴涂層。
根據(jù)本發(fā)明，氣體蓋子14的噴嘴元件38包括一由硬度至少為Rc65的導(dǎo)熱材料制成的內(nèi)部件80。這種材料最好是以金屬為基體的碳化物，使材料具有較高的硬度和導(dǎo)熱率。碳化物本身最好是碳化鎢、碳化鉻、碳化硼、碳化鈦或碳化硅?；w金屬應(yīng)該至少是碳化物和基體總重量的3％，并且最好是耐熱金屬，較有利的是純鎳或純鈷或其合金，例如在鎳中鉻的重量占20％，這種合金能提高耐熱或其它性能。與鈷基體結(jié)合的碳化鎢尤其適用。碳化鎢可以燒結(jié)或澆鑄成所含的鈷重量約在3％至20％范圍例如6％鈷的工具級(jí)碳化物。用于此用途的其它合適的碳化物和基體金屬有鎳基體碳化鎢、鎳鈷合金基體碳化鈷、鎳基體碳化硼、鎳基體碳化鈦和鎳基體碳化硅。
術(shù)語(yǔ)“導(dǎo)熱”是指合理的導(dǎo)熱性，不一定象某些金屬那么好，但不同于熱絕緣。套管的最終功能是傳熱，相當(dāng)好地去掉套管中的熱量，以便套管保持相對(duì)的冷，最好低于260℃(500°F)。
在一較佳實(shí)施例中，噴嘴元件38還包括一金屬的管狀外部件82。如上所述的由一種硬的導(dǎo)熱金屬制成的內(nèi)部件80作為一套管附加在外部件內(nèi)，并與該外部件熱接觸。外部件的外表面與槽路42中的流動(dòng)水或其它流體冷卻劑直接接觸。套管80作為碳化物或類(lèi)似物質(zhì)的插入件其厚度至少為0.75mm，并通常達(dá)約8mm，例如1.6mm厚。套管可壓配、銅焊或類(lèi)似方式固定在外部件內(nèi)。另外，可取方式是將外部件澆鑄在套管上。套管80應(yīng)與外部件82緊密接觸，以便傳導(dǎo)由燃燒腔產(chǎn)生的和通過(guò)通道的噴射流所攜帶的熱量。外部件應(yīng)該是一種良好的導(dǎo)熱體，最好是紫銅、黃銅或其它優(yōu)質(zhì)銅合金。在本結(jié)構(gòu)中，外部件的后端32形成通道的起始收斂部分，以界定燃燒腔。在碳化物插入件形成通道的其余部分之前，外部件中的通道直部84從燃燒腔延伸。插入件應(yīng)使通道光滑延伸，而沒(méi)有干擾流動(dòng)的顯著棱邊。套管雖然不一定在通道的整個(gè)長(zhǎng)度上延伸，但應(yīng)至少位于可能有噴涂材料堆積的地方，而且可向后延伸到燃燒腔。
本結(jié)構(gòu)允許包括本發(fā)明的內(nèi)部件的噴嘴元件38替代熱噴槍中一磨損的或損壞的元件。這樣一種元件也適用于諸如在前述的美國(guó)專(zhuān)利No.5,148,986中所示類(lèi)型的熱噴槍中的已有技術(shù)的元件。
還可使用其它結(jié)構(gòu)。例如，通道28可朝外端擴(kuò)張，以提高超聲流的發(fā)育，如在此援引作為參考的上述美國(guó)專(zhuān)利No.4,416,421。在另一個(gè)例子中，內(nèi)部件80可構(gòu)造成與冷卻流體直接接觸的自支承件形式的噴嘴元件，因此沒(méi)有外部件。雖然可冷卻的內(nèi)部件特別適用于一細(xì)長(zhǎng)的氣體蓋子和通道，但也可用于一較短的氣體蓋子中，例如在上述的美國(guó)專(zhuān)利No.5,148,986中有關(guān)圖4所揭示的類(lèi)型。一短氣體蓋子基本上只由一外部件和一內(nèi)部件所形成，其中暴露于空氣的外表面構(gòu)成一冷卻裝置以提供足夠的冷卻。在另一個(gè)實(shí)施例中，可用從外部件朝外延伸至環(huán)境空氣、或進(jìn)入一冷卻流或與噴射過(guò)程一起使用的空氣幕(shroud air)中的多個(gè)葉片來(lái)替代液體冷卻，從而獲得空氣冷卻。
一般用適合本發(fā)明的任何傳統(tǒng)或所需的方式引入噴涂材料。如圖所示或用更遠(yuǎn)的管子73，可軸向送進(jìn)粉末入燃燒腔26或通道28。另外，可通過(guò)一在熱噴槍的軸線35附近的一環(huán)小孔(圖未示)來(lái)噴射粉末。用另一個(gè)替換方法，噴涂材料可以傳統(tǒng)的方式徑向地送進(jìn)通道中。雖然描述了用于一種粉末熱噴涂材料的本發(fā)明，但它也可與一種噴射線材類(lèi)材料的槍、尤其是使用短的空氣蓋子的槍一起使用。
在本例子中，氣體蓋子的內(nèi)端形成與噴射燃燒氣體的噴嘴的表面配合的燃燒腔。在其它情況下，本發(fā)明可與一個(gè)在槍體中的而與氣體蓋子分開(kāi)的燃燒腔相結(jié)合，如在上述的美國(guó)專(zhuān)利No.4,416,421所公開(kāi)的那類(lèi)槍。在那種情況下，噴射流的通道包括一連接入燃燒腔的正交部，硬的內(nèi)部件在正交部之后的噴嘴部分中。
已經(jīng)知道本發(fā)明的具有細(xì)長(zhǎng)氣體蓋子的熱噴槍可以長(zhǎng)期運(yùn)行噴射氧化鋁、具有25％鉻的鎳合金、鎳-鉻-硼-硅自熔化合金和以鎳-鉻合金為結(jié)合劑的碳化鉻。這種噴涂進(jìn)行時(shí)基本上不會(huì)在通道中聚集熱噴涂材料。這個(gè)已顯示出顯著改進(jìn)優(yōu)于沒(méi)有這樣一種套管的類(lèi)似熱噴槍?zhuān)矁?yōu)于在中心通道中鍍鉻的槍。
雖然已結(jié)合具體的實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，但納入落在本發(fā)明的基本精神中的和所附的權(quán)利要求范圍之內(nèi)的各種改變和變型對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練技術(shù)人員來(lái)講是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明將僅受所附的權(quán)利要求或其等同權(quán)利要求所限制。
權(quán)利要求
1.一種熱噴槍包括限定一燃燒腔的腔室裝置，把燃料氣體和助燃?xì)怏w噴射到燃燒腔的氣體裝置，一具有從燃燒腔延伸到一出口端的通道的氣體蓋子，和把熱噴涂材料送到通道的進(jìn)料裝置，其特征在于，氣體蓋子包括一至少形成通道的重要部分的管狀內(nèi)部件和用來(lái)冷卻內(nèi)部件的冷卻裝置，內(nèi)部件由硬度至少為Rc65的導(dǎo)熱材料制成，這樣，燃料氣體在燃燒腔中燃燒時(shí)，含有精細(xì)分離的熱噴涂材料的噴射流推出出口端，同時(shí)在通道中基本上沒(méi)有堆積熱噴涂材料。
2.如權(quán)利要求1所述的熱噴槍?zhuān)涮卣髟谟?，冷卻裝置包括用來(lái)使液體冷卻劑在與內(nèi)部件熱連通的氣體蓋子中流動(dòng)的液體裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的熱噴槍?zhuān)涮卣髟谟?，氣體蓋子還包括一由內(nèi)部件和一金屬的外部件構(gòu)成的噴嘴元件，內(nèi)部件附加在外部件內(nèi)并與之熱接觸，外部件直接與流動(dòng)的流體冷卻劑接觸。
4.如權(quán)利要求3所述的熱噴槍?zhuān)涮卣髟谟?，?nèi)部件由一種金屬基體碳化物制成。
5.如權(quán)利要求4所述的熱噴槍?zhuān)涮卣髟谟?，碳化物從包括碳化鎢、碳化鉻、碳化硼、碳化鈦和碳化硅的一組材料中選擇，基體的金屬是鎳、鈷或其合金。
6.如權(quán)利要求5所述的熱噴槍?zhuān)涮卣髟谟冢獠考摄~或銅合金制成。
7.如權(quán)利要求3所述的熱噴槍?zhuān)涮卣髟谟?，外部件由銅或銅合金制成。
8.如權(quán)利要求1所述的熱噴槍?zhuān)涮卣髟谟冢瑑?nèi)部件由一種金屬基體碳化物制成。
9.如權(quán)利要求8所述的熱噴槍?zhuān)涮卣髟谟冢蓟飶陌ㄌ蓟u、碳化鉻、碳化硼、碳化鈦和碳化硅的一組材料中選擇，基體的金屬是鎳、鈷或其合金。
10.如權(quán)利要求9所述的熱噴槍?zhuān)涮卣髟谟?，碳化物從包括鈷基體碳化鎢、鎳基體碳化鎢、鎳鈷合金基體碳化鈷、鎳基體碳化硼、鎳基體碳化鈦和鎳基體碳化硅的一組材料中選擇。
11.如權(quán)利要求10所述的熱噴槍?zhuān)涮卣髟谟?，碳化物是鈷基體碳化鎢。
12.如權(quán)利要求1所述的熱噴槍?zhuān)涮卣髟谟?，通道是?xì)長(zhǎng)的。
13.如權(quán)利要求12所述的熱噴槍?zhuān)涮卣髟谟?，通道的直徑基本上不變?br> 14.如權(quán)利要求12所述的熱噴槍?zhuān)涮卣髟谟冢ǖ莱隹诙藬U(kuò)張。
15.一種用于熱噴槍的噴嘴元件，所述槍內(nèi)有一燃燒腔，把一種燃料氣體和一種助燃?xì)怏w噴射到燃燒腔進(jìn)行燃燒的氣體裝置，送進(jìn)一熱噴涂材料結(jié)合燃燒形成一噴射流的進(jìn)料裝置，和一從燃燒腔延伸并包括用來(lái)使液體冷卻劑在其中流動(dòng)的液體裝置的氣體蓋子，在其特征在于，噴嘴元件包括一個(gè)由硬度至少為Rc65的導(dǎo)熱材料制成的內(nèi)部件，噴嘴元件有一貫穿的中心通道，而內(nèi)部件至少形成通道的重要基本部分，噴嘴元件構(gòu)造得能插入氣體蓋子，使通道從燃燒腔延伸到一出口端，以便噴射流從中通過(guò)，還被構(gòu)造得使內(nèi)部件與流體冷卻劑熱連通。
16.如權(quán)利要求15所述的元件，其特征在于，內(nèi)部件由一種金屬基體碳化物制成。
17.如權(quán)利要求15所述的元件，還包括一與內(nèi)部件熱接觸的金屬外部件，外部件構(gòu)造成與氣體蓋子中的流體冷卻劑直接接觸。
18.如權(quán)利要求17所述的元件，其特征在于，外部件由銅或銅合金制成。
19.如權(quán)利要求17所述的元件，其特征在于，內(nèi)部件由一種金屬基體碳化物制成。
20.如權(quán)利要求19所述的熱噴槍?zhuān)涮卣髟谟冢蓟飶陌ㄌ蓟u、碳化鉻、碳化硼、碳化鈦和碳化硅的一組材料中選擇，基體的金屬是鎳、鈷或其合金。
21.如權(quán)利要求20所述的元件，其特征在于，碳化物從包括鈷基體碳化鎢、鎳基體碳化鎢、鎳鈷合金基體碳化鈷、鎳基體碳化硼、鎳基體碳化鈦和鎳基體碳化硅的一組材料中選擇。
22.如權(quán)利要求21所述的元件，其特征在于，碳化物是鈷基體碳化鎢。
23.如權(quán)利要求22所述的元件，其特征在于，外部件由銅或銅合金制成。
全文摘要
一種用于熱噴槍的氣體蓋子具有一從燃燒腔延伸到一出口端的噴射通道，一種熱噴涂材料被送到該通道中。氣體蓋子的噴嘴元件由與諸如銅的、與流體冷卻劑接觸的金屬外部件熱接觸的管狀內(nèi)部件制成。內(nèi)部件由一種硬的導(dǎo)熱材料制成，這種材料最好是諸如鈷基體碳化鎢的金屬基體碳化物。
文檔編號(hào)C23C4/12GK1167658SQ9711315
公開(kāi)日1997年12月17日 申請(qǐng)日期1997年5月16日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月17日
發(fā)明者威廉·P·魯施 申請(qǐng)人:塞澤·麥脫苛(美國(guó))股份有限公司