專利名稱：冷氣體噴射不同強(qiáng)度和/或延展性的顆粒的方法和設(shè)備的制作方法
冷氣體噴射不同強(qiáng)度和/或延展性的顆粒的方法和設(shè)備
本發(fā)明涉及一種用于冷氣噴射的方法，在該方法中，將第一種顆粒和第 二種顆粒一起供入到一滯留室中，并通過連接在該滯留室之后的噴嘴使所述 顆粒連同承載氣體向有待涂敷的基質(zhì)加速運(yùn)動。其中，第一種顆粒變形并粘 附在基質(zhì)上而形成一涂層，比第 一種顆粒具有更高強(qiáng)度和/或更低延展性的第 二種顆粒則嵌入該涂層中。
上述方法例如已由美國專利申請US .2003/0126800A所公開。按照這種 方法，通過冷氣噴射使一種硬質(zhì)材料顆粒連同一種金屬材料顆粒沉積在渦輪 葉片的表面上。在此過程中，在15%-20%之間的硬質(zhì)材料顆粒成分被埋入冷 氣噴射時形成的金屬基體材料中。所述硬質(zhì)材料顆?；谄涓叩膹?qiáng)度和低的 延展性在所述基體材料中保持不變。這篇美國專利申請也說明了這樣一個事 實(shí)，即，由于冷氣噴射所輸入的動能不夠以及所述顆粒不具備足夠的延展性， 硬質(zhì)材料顆粒不能獨(dú)自粘附在有待涂敷的基質(zhì)表面上，因而硬質(zhì)材料的嵌入 速率不可能高到使硬質(zhì)材料的成分含量大于20。/。。更確切地說，所述硬質(zhì)材 料顆粒應(yīng)當(dāng)^L一同嵌埋到剛剛形成的金屬材料基體中，由此可間接通過具有 較低強(qiáng)度或較高延展性的材料成分確保粘附在所述表面上。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種冷氣噴射方法，利用該方法在采 用不同類型的顆粒時可將具有較高強(qiáng)度和/或較低延展性的顆粒以較高的層 份額置入所述涂層中。
上述技術(shù)問題按照本發(fā)明是這樣解決的，即，所述第一種顆粒在所述滯 留室的第 一 區(qū)域中供入，所述第二種顆粒在所述滯留室的第二區(qū)域中供入， 該第 一 區(qū)域比第二區(qū)域更靠近所述噴嘴。由此有利地使得原本基于其較高強(qiáng) 度和/或較低延展性而在高速率沉積方面存在問題的第二種顆粒在滯留室中 獲得更強(qiáng)的能量輸入。這種能量輸入主要通過預(yù)熱的冷氣噴射承載氣體實(shí) 現(xiàn)。因?yàn)樵诔休d氣體的分子和滯留室中的顆粒分子之間要進(jìn)行溫度平衡。顆 粒在滯留室中停留的越久，該溫度平衡就越強(qiáng)烈。由于供入第二種顆粒的第 二區(qū)域沿承載氣體的流向距離噴嘴較遠(yuǎn)，因而輸入第二種顆粒中的能量也越 多。由此可有利地改善沉積第二種顆粒的條件。如已表明的那樣，對較堅(jiān)硬或較小延展性的顆粒進(jìn)行輔助性加熱可以通 過不同的方式影響涂層過程。按照本發(fā)明的一擴(kuò)展設(shè)計(jì)，所述第二種顆粒可 以由一種脆性材料，尤其是陶瓷材料制成。作為陶資材料尤其可考慮碳化鵠， 這種材料優(yōu)選沉積在壓縮機(jī)或透平機(jī)的葉片上，以提高葉片的壽命。
在滯留室中輔助加熱脆性材料不會根本性地改變其特性。受熱的顆粒依 然顯示出允許以較高的嵌入率埋入一種延展性的基體中。這一點(diǎn)可以這樣來 解釋，即，第二種顆粒被用作熱能存儲體，其中，在將脆性顆粒埋置到所述 延展性基體中之時，所儲存的熱能可改善在第 一種和第二種顆粒之間的相互 作用。輸入所述脆性顆粒中的能量因此間接地提供給帶有延展性顆粒的涂層 結(jié)構(gòu)中。
按照本發(fā)明的另 一擴(kuò)展設(shè)計(jì)，第二種顆粒由 一種金屬或一種金屬合金制 成，該金屬或金屬合金在處于一轉(zhuǎn)變溫度之上時具有延展性，而當(dāng)?shù)陀谠摐?度時則為脆性，其中，所述第二種顆粒在所述滯留室中被加熱到呈延展特性。 當(dāng)通過預(yù)熱第二種顆粒成功地使得該第二種顆粒同樣有延展性時，則可有利 地實(shí)現(xiàn)這種顆粒的沉積，而不必將其埋置到另一種材料的基體材料中。由此 可有利地任意提高原本脆性材料的含量，因?yàn)?，不再需要包繞這種顆粒的另 一種涂層成分基體材料。這一點(diǎn)有利地導(dǎo)致借助冷氣噴射可沉積合金組成成 分更寬泛的顆粒。
按照本發(fā)明的一特殊設(shè)計(jì)，所述滯留室中的承載氣體被加熱。為此可在 滯留室中設(shè)置例如一種可被力。熱的外壁。通過輔助性加熱所述滯留室中的承 載氣體可在承載氣體于噴嘴中膨脹降壓之前至少部分替代向第二種顆粒中 輸入能量。通過加熱本身也可實(shí)現(xiàn)將一定的熱能輸入第二種顆粒中。
本發(fā)明此外還涉及一種冷氣噴射設(shè)備。這種設(shè)備是眾所周知的并例如在
美國專利申請US2004/0037954A1中已/>開。這樣一種設(shè)備包括一個滯留室， 該滯留室有用于輸入承載氣體的輸入孔和用于輸入供涂層用的第一種顆粒 的第一輸入管。此外，沿承載氣體的流向看，在所述滯留室之后連接有一個 噴嘴，通過該噴嘴，所述承載氣體連同所述顆粒向一個有待涂敷的基體方向 加速膨脹。在此過程中，承載氣體絕熱冷卻，由此釋放出的能量轉(zhuǎn)換成對于 承載氣體以及用于涂層的顆粒的加速。
如已說明的那樣，不同強(qiáng)度和/或延展性的顆粒只能有限地實(shí)現(xiàn)沉積。 本發(fā)明要解決的另 一技術(shù)問題在于提供一種冷氣噴射設(shè)備，借助該設(shè)備
可形成涂層，其中，比第一種顆粒具有更高強(qiáng)度和/或更低延展性的顆粒(下面稱為第二種顆粒)有較高含量地埋置到該涂層內(nèi)。
上述技術(shù)問題按照本發(fā)明是這樣來解決的，即，在所述滯留室中設(shè)置一 第二輸入管，其中，第一輸入管通入所述滯留室的第一區(qū)域中，第二輸入管 通入所述滯留室的第二區(qū)域中，該第一區(qū)域比第二區(qū)域更靠近所迷噴嘴。所 述冷氣噴射設(shè)備適合于運(yùn)行如上詳細(xì)描述的方法，因?yàn)樵撛O(shè)備有兩個輸入 管，并以此方式可使第二種顆粒在滯留室中走過一個比第一種顆粒更長的路 程，由此可實(shí)現(xiàn)具有上述優(yōu)點(diǎn)的對于第二種顆粒的預(yù)熱。
按照本發(fā)明設(shè)備的另一有利設(shè)計(jì)，所述設(shè)備配備有一個加熱裝置，該加 熱裝置設(shè)置在所述滯留室上。由此可直接加熱所述滯留室的壁或所述滯留室 的內(nèi)部，從而將附加的熱量輸入第二種顆粒中或承載氣體中。
本發(fā)明的另 一擴(kuò)展設(shè)計(jì)規(guī)定，所述加熱裝置集成在所述滯留室的壁內(nèi)。 這樣帶來的優(yōu)點(diǎn)是， 一方面在滯留室內(nèi)腔中的流動狀況不受影響，另一方面 確保了加熱裝置到滯留室的室壁有較短的傳熱距離。
按照本發(fā)明設(shè)備的另一特別設(shè)計(jì)可由此得到，即，所述第一輸入管和/ 或第二輸入管在所述設(shè)備內(nèi)可被移動，從而可改變所述第一區(qū)域和/或所述第
二區(qū)域距所述噴嘴的距離。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于，通過改變所述顆粒沿承載氣 體流動方向的供入點(diǎn)，直接影響所述顆粒穿過滯留室流向噴嘴所必須走過的 行程長度，由于該行程對于可傳遞的熱量起決定性作用，從而可控制通過承 載氣體傳輸?shù)臒崃俊?br> 下面借助附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的其他細(xì)節(jié)，附圖中

圖1是按照本發(fā)明的 一種實(shí)施方式的冷氣噴射設(shè)備的橫剖面示意圖； 圖2是具有一轉(zhuǎn)變溫度的金屬在缺口沖擊試驗(yàn)中的隨溫度變化的特性曲 線圖表。
如美國專利申請US2004/00347954A1中所述， 一個冷氣噴槍l l作為冷氣
噴射裝置是一個熱噴射設(shè)備的核心部件。該冷氣噴槍ll主要由一個唯一的外 殼13以及在該外殼13中形成的一個拉法爾噴嘴14和一個滯留室15組成。在滯 留室15的區(qū)域內(nèi)，所述殼體13壁內(nèi)埋置有一個加熱線圈16，該加熱線圈對于 經(jīng)輸入孔17輸入滯留室15中的 一種承載氣體進(jìn)行加熱。
所述承載氣體穿過輸入孔17首先進(jìn)入滯留室15，然后通過拉法爾噴嘴14 離開滯留室15。在此過程中，在滯留室中的承載氣體可被加熱高達(dá)800。C。 通過一第二輸入管18a以及一第一輸入管19供入所述為涂層所設(shè)置的顆粒。所述加有顆粒的承載氣體經(jīng)由所述拉法爾噴嘴14的膨脹，由此使承載氣體冷 卻到在噴嘴口區(qū)域內(nèi)具有低于300。C的溫度。這種溫度降低源自于所述承載 氣體基本上絕熱的膨脹，該承載氣體在滯留室中具有例如30巴(bar)的壓力并 在噴嘴口外膨脹降壓到大氣壓。
所述第二輸入管19在一個距所述噴嘴很近的區(qū)域內(nèi)通入所述滯留室內(nèi)。 所述噴嘴在本申請的范圍內(nèi)是所述冷氣噴槍的這樣一個部段，這一部段的橫 斷面首先變窄，接著重新變寬(參見附圖標(biāo)記14標(biāo)示的腔室)。所述冷氣噴槍 的用作滯留室的區(qū)段用附圖標(biāo)記15標(biāo)示。從圖l中可清楚地看到，所述與滯 留室圓柱狀區(qū)段相連的錐狀區(qū)段既可以屬于滯留室15又可以屬于噴嘴14。這 是因?yàn)樵跍羰液蛧娮熘g的流動狀況相互過渡。在此，與所述圓柱狀區(qū)段 相連的錐狀壁段剛開始時還有一個這么大的橫斷面，使得較早些時的流動狀 況與滯留室內(nèi)的流動狀況相應(yīng)，也就是說，所述承載氣體和顆粒只是在明顯 變窄的錐狀區(qū)域內(nèi)才出現(xiàn)顯著的加速運(yùn)動。因此，所述第二輸入管19也通入 該錐狀區(qū)域中，以便所供入的顆粒盡可能沒有時間遲滯地在所述明顯用作噴 嘴14的區(qū)段中加速。
所述第 一輸入管18a通入所述滯留室15的與所述噴嘴14相背的區(qū)段中， 這樣一來，所供入的顆粒必須穿過整個滯留室并在此過程中主要被承載氣體 加熱。通過所述輸入管18a， 19的兩個供入點(diǎn)，形成了用于供入第一種顆粒 22的第 一 區(qū)域20和用于供入第二種顆粒23的第二區(qū)域21 。這在圖1中僅示意 表示出。第一種顆粒22和第二種顆粒23然后相互混合地存在于所述在噴嘴中 產(chǎn)生的冷卻氣體射流24中，并在一個基質(zhì)25上沉積形成涂層26。
也可替代所述輸入管18a設(shè)置另 一種可軸向移動的輸入管18b。通過沿圖 示雙向箭頭所示方向的移動，所述供入點(diǎn)21靠近或遠(yuǎn)離噴嘴14。由此可使冷 氣噴槍11與各種應(yīng)用情況以及為預(yù)熱顆粒23所必需的熱量相適配。
在圖2中簡略地示出了具有轉(zhuǎn)變溫度To的金屬隨溫度變化的特性曲線。 坐標(biāo)軸X軸表示溫度T，坐標(biāo)軸Y軸表示在所謂的缺口沖擊試驗(yàn)中測得的缺口 沖擊功Av。在缺口沖擊試驗(yàn)中， 一缺口試樣承受一沖擊應(yīng)力(例如按德國工 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DINEN 10045)。所述金屬的特性可根據(jù)斷裂特性分為三個區(qū)段。在 區(qū)段I中進(jìn)行的是脆斷，因?yàn)榻饘僭诘蜏貢r失去其延展特性。在區(qū)段III中， 金屬呈延展性并因此發(fā)揮金屬原本公知的機(jī)械特性。在區(qū)段I和III之間有區(qū) 段II。在該區(qū)段II中出現(xiàn)所謂的既有脆性又有延展性因素的混合斷裂。從圖2200880001982.9
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中的點(diǎn)劃線所示可了解到，在區(qū)段n中，測算缺口沖擊功時有較大的散差， 這是因?yàn)樵诮M織中的狀況比較混亂。在區(qū)段i和m中可更精確地求出缺口沖 擊功的值。所述轉(zhuǎn)變溫度Tt)因此是一個不能精確求出的值。 具有轉(zhuǎn)變溫度的典型金屬有下列這些
具有體心立方晶格的金屬(未制成合金的或低合金的鋼，鉻，鉬)，具有 六方晶格的金屬(鋁)。
例如未制成合金的其中碳的質(zhì)量含量超過0.6%的鋼就具有在100-200°C
之間的轉(zhuǎn)變溫度，因此特別適合于本發(fā)明的方法。另一實(shí)施例是借助冷氣噴 射形成銅-鉻合金。此外，也可給渦輪葉片涂覆涂層，其中，例如碳化鎢作
為硬質(zhì)材料與MCrAlY合金一起沉積形成涂層。
附圖標(biāo)記列表11顆粒l
12顆粒2
14噴嘴
15滯留室
16加熱線圈
17輸入孔
18a， 18b輸入管
19輸入管
20第一區(qū)域
21第二區(qū)域
22第一種顆粒
23第二種顆粒
25基質(zhì)
26涂層
權(quán)利要求
1.一種用于冷氣噴射的方法，在該方法中將第一種顆粒(22)和第二種顆粒(23)一起供入到一滯留室(15)中，并通過連接在該滯留室(15)之后的噴嘴(14)使所述顆粒(22，23)連同承載氣體向有待涂敷的基質(zhì)(25)加速運(yùn)動，其中，所述第一種顆粒(22)變形并粘附在所述基質(zhì)(25)上而形成一涂層(26)，比所述第一種顆粒(22)具有更高強(qiáng)度和/或更低延展性的所述第二種顆粒(23)則嵌入該涂層(26)中，其特征在于，所述第一種顆粒(22)在所述滯留室(15)的第一區(qū)域(20)中供入，所述第二種顆粒(23)在所述滯留室(15)的第二區(qū)域(21)中供入，該第一區(qū)域(20)比第二區(qū)域(21)更靠近所述噴嘴(14)。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述第二種顆粒(23)由一種 脆性材料、尤其是陶瓷材料制成。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二種顆粒(23)由一種 硬質(zhì)材料，尤其是碳化鎢(WoC)制成，并且用于壓縮機(jī)或透平機(jī)的葉片作為 基質(zhì)被涂層。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述第二種顆粒(23)由一種 金屬或金屬合金制成，該金屬或金屬合金在處于一個轉(zhuǎn)變溫度之上時有延展 性，在處于該轉(zhuǎn)變溫度之下時則為脆性，其中，所述第二種顆粒(23)在所述 滯留室(15)中被加熱到有延展性。
5. 如權(quán)利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述滯留室(15) 中的承載氣體^皮加熱。
6. —種用于冷氣噴射的設(shè)備，其包括- 一個滯留室(15),該滯留室有用于輸入承載氣體的輸入孔(17)和用于 輸入供涂層用的第一種顆粒(22)的第一輸入管(19)，- 一個連接在所述滯留室(15)之后的噴嘴(14),其特征在于， 在所述滯留室(15)中設(shè)置一第二輸入管(18a, 18b)，其中，所述第一輸入管(19)通入所述滯留室(15)的第一區(qū)域(20)中，所述第二輸入管(18a, 18b) 通入所述滯留室(15)的第二區(qū)域(21)中，該第一區(qū)域(20)比第二區(qū)域pi)更靠 近所迷噴嘴(14)。
7. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，所述滯留室(15)配備有一個加熱裝置。
8. 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所述加熱裝置集成在所述滯留室(15)的壁內(nèi)。
9.如權(quán)利要求6至8之一所述的設(shè)備,其特征在于，所述第一輸入管(19) 和/或第二輸入管(18a， 18b)在所述設(shè)備內(nèi)可被移動，從而可改變所述第一區(qū) 域(20)和/或所述第二區(qū)域(21)距所述噴嘴(M)的距離。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種冷氣體噴射不同強(qiáng)度和/或延展性的顆粒的方法和一種適合于實(shí)施該方法的冷氣體噴射設(shè)備(11)。為了使相對于另一種顆粒(22)有更高強(qiáng)度和/或更低延展性的一種顆粒(23)有較高含量，本發(fā)明建議，將這種顆粒(23)供入到所述冷氣噴射設(shè)備的滯留室(15)內(nèi)的一個距離噴嘴較遠(yuǎn)的區(qū)域(21)內(nèi)。因此，這種顆粒(23)有利地必須在滯留室(15)內(nèi)經(jīng)過較長的距離并因而被預(yù)熱。由此可改善這種顆粒(23)在基質(zhì)(25)上的沉積。尤其是具有可在脆性和延展性之間轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)變溫度的金屬通過所述預(yù)熱而具有延展性，從而簡化這種金屬顆粒的沉積。
文檔編號C23C24/08GK101605922SQ200880001982
公開日2009年12月16日 申請日期2008年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月9日
發(fā)明者尤維·派瑞茲, 海克·希維, 阿克塞爾·阿恩特, 雷蒙德·烏爾里克 申請人:西門子公司