專利名稱：用于進行熱噴涂工藝的設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
熱噴槍被用于在基體上熱噴涂在高能流動物流中輸運的涂層的工藝中。熱噴涂還已稱為火焰噴涂、金屬化、高速氧燃料熱噴涂(H.V.O.F)和高速空氣燃料熱噴涂(H.V.A.F)。涂層材料通常為金屬、陶瓷或水泥型(Cement-type)材料。高能流動物流通常包括用于在高速下將涂層材料推進和輸運至基體標靶的燃燒氣體。涂層材料可以以聲音在環(huán)境空氣中的速度或更高的速度行進。
通過熱噴涂施加的涂層被認為主要通過由于涂層微粒在高速下與基體表面碰撞所致的機械粘結(jié)作用而粘附到基體上。還理論化的是，當涂層微粒撞擊基體時，以高速涂層微粒轟擊基體導致涂層微粒的一些動能轉(zhuǎn)化成熱。這種來自轉(zhuǎn)化的動能的熱被認為有助于將涂層材料連結(jié)到基體上，有時被稱作“微連結(jié)”。
通常通過燃料和氧化劑燃燒所致的高溫火焰噴射提供熱噴涂燃燒氣體，所述燃料和氧化劑的燃燒釋放熱量并產(chǎn)生高溫受壓氣體流。熱噴槍有時利用燃燒組分，或反應(yīng)物，例如氧氣和丙烷、氧氣和氫氣、氧氣和煤油以及煤油和空氣。燃料和氧氣源被注入燃燒區(qū)域內(nèi)，在所述區(qū)域中所述燃料和氧氣源在壓力和溫度下發(fā)生燃燒反應(yīng)以產(chǎn)生高溫受壓氣體流，所述氣體流被從燃燒區(qū)域中引導出來并進入高速流動物流內(nèi)。涂層材料，例如金屬、陶瓷或水泥，被引入流動物流內(nèi)。高溫受壓氣體被從燃燒區(qū)域引導出來且沿著流動噴嘴流動以將涂層材料微粒推進入標靶基體內(nèi)。通常情況下，在離開熱噴槍的高速流動物流中出現(xiàn)多個馬赫錐以表示高溫受壓氣體在幾倍于聲速的速度下朝向標靶基體行進。
然而，在熱噴槍操作的高溫條件下，熱損耗可較高。此外，燃料和氧氣消耗速度可較高，這增加了操作花費。因此，產(chǎn)生了對具有改進的操作效率的熱噴槍的需要。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施方案中，本發(fā)明包括用于熱噴槍的霧化器，其中所述霧化器包括布置在點火源周圍的多個霧化孔。
在一個實施方案中，本發(fā)明包括熱噴槍的燃燒室，其中所述燃燒室包括圓柱體部分、與所述圓柱體部分鄰接的漸窄錐形區(qū)域、和擴展錐形區(qū)域。所述圓柱體部分具有約1.3-約2的長度直徑比和出口，流體可流動通過所述出口以離開所述圓柱體部分。所述漸窄錐形區(qū)域具有內(nèi)壁，所述內(nèi)壁從所述圓柱體部分的所述出口向內(nèi)漸細以形成圓形噴嘴孔，所述圓形噴嘴孔具有約0.2-約0.350英寸的直徑。所述漸窄錐形區(qū)域包括至少兩個錐形部分，所述至少兩個錐形部分包括第一錐形部分，其中所述內(nèi)壁以約80°-約100°的錐角變窄，和第二錐形部分，其中所述內(nèi)壁以約40°-約60°的錐角變窄。所述擴展錐形區(qū)域與所述圓形噴嘴孔鄰接且所述擴展錐形區(qū)域的所述內(nèi)壁以約8°-約17°的錐角向外張開。
在另一個實施方案中，本發(fā)明包括用于將粉末注入離開熱噴槍中的燃燒室的排出流(exhaust stream)內(nèi)的互連器。所述互連器包括中空圓柱體，所述中空圓柱體具有包括第一部分和第二部分的至少兩個鄰接部分。所述第一部分的直徑與所述第二部分的直徑之比為約1.1-約1.3。所述互連器還包括通往所述第二部分的所述內(nèi)壁的至少兩個粉末進入口。所述粉末進入口以非相對方式進行布置。
在又一個實施方案中，本發(fā)明包括用于熱噴槍的圓管(barrel)，所述圓管具有中空中心膛，熱噴霧可流動通過所述中空中心膛。所述圓管包括朝向所述中心膛的所述徑向軸線聚斂的錐形入口部分、與所述錐形入口部分鄰接的圓柱形部分、和外張遠離所述中心膛的所述徑向軸線的錐形出口部分。所述圓柱形部分的長度至少是所述圓管的總長度的一半。
在又一個實施方案中，本發(fā)明包括用于熱噴槍的圓管，所述圓管具有中空中心膛，熱噴霧可流動通過所述中空中心膛，且所述圓管具有兩英寸或更少的總長度。所述圓管包括朝向所述中心膛的所述徑向軸線聚斂的錐形入口部分和與所述錐形入口部分鄰接的圓柱形部分。
在又一個實施方案中，本發(fā)明包括熱噴槍。本實施方案的所述熱噴槍包括具有布置在點火源周圍的多個霧化孔的霧化器。本實施方案的所述熱噴槍還包括燃燒室。所述燃燒室包括具有出口的圓柱體部分，流體可流動通過所述出口以離開所述圓柱體部分；與所述圓柱體部分鄰接的漸窄錐形區(qū)域；和與所述圓形噴嘴孔鄰接的擴展錐形區(qū)域。所述漸窄錐形區(qū)域具有內(nèi)壁，所述內(nèi)壁從所述圓柱體部分的所述出口向內(nèi)漸細以形成圓形噴嘴孔，且其中所述漸窄錐形區(qū)域包括具有不等錐角的至少兩個錐形部分。本實施方案的所述熱噴槍還包括用于將粉末注入離開所述燃燒室的排出流內(nèi)的互連器。所述互連器包括具有至少兩個鄰接部分的中空圓柱體，所述至少兩個鄰接部分具有直徑不相似的內(nèi)壁；和通往所述第二部分的所述內(nèi)壁的至少兩個粉末進入口。所述粉末進入口以非相對方式進行布置。本實施方案的所述熱噴槍進一步包括具有中空中心膛的圓管，熱噴霧可流動通過所述中空中心膛。所述圓管包括朝向所述中心膛的所述徑向軸線聚斂的錐形入口部分和與所述錐形入口部分鄰接的圓柱形部分。
在另一個實施方案中，所述熱噴涂方法包括將至少一種燃料流和至少一種氧化劑流引導至熱噴槍以形成熱噴霧，且引導所述熱噴霧靠在所述表面上以施加所述涂層。本實施方案的所述熱噴槍包括具有布置在點火源周圍的多個霧化孔的霧化器、熱噴槍的燃燒室、用于將粉末注入離開所述燃燒室的排出流內(nèi)的互連器和具有中空中心膛的圓管，熱噴霧可流動通過所述中空中心膛。本實施方案的所述燃燒室包括具有出口的圓柱體部分，流體可流動通過所述出口以離開所述圓柱體部分；與所述圓柱體部分鄰接的漸窄錐形區(qū)域，其中所述漸窄錐形區(qū)域具有內(nèi)壁，所述內(nèi)壁從所述圓柱體部分的所述出口向內(nèi)漸細以形成圓形噴嘴孔，且其中所述漸窄錐形區(qū)域包括具有不等錐角的至少兩個錐形部分；和與所述圓形噴嘴孔鄰接的擴展錐形區(qū)域。本實施方案的所述互連器包括具有至少兩個鄰接部分的中空圓柱體，所述至少兩個鄰接部分具有直徑不相似的內(nèi)壁；和通往所述第二部分的所述內(nèi)壁的至少兩個粉末進入口，其中所述粉末進入口以非相對方式進行布置。本實施方案的所述圓管包括朝向所述中心膛的所述徑向軸線聚斂的錐形入口部分和與所述錐形入口部分鄰接的圓柱形部分。
本發(fā)明具有多個優(yōu)點。一個優(yōu)點包括和公知裝置相比圓管載荷量的減少。圓管載荷是熱粉末粘結(jié)到所述圓管的壁部內(nèi)部上的工藝所用的術(shù)語。進一步地，所述裝置允許施加具有高硬度和強度的涂層。附加的優(yōu)點包括增加的粉末沉積效率和進料速度、減少的燃料和氧氣消耗以及更少的熱傳遞至所述基體。此外，更少的熱量傳給冷卻劑系統(tǒng)，因此可使用更小和更廉價的冷卻器。


圖1是用于進行熱噴涂工藝的設(shè)備的霧化器的示意橫截面?zhèn)纫晥D；圖2是用于進行熱噴涂工藝的設(shè)備的霧化器的示意橫截面端視圖；圖3是用于進行熱噴涂工藝的設(shè)備的燃燒室的示意橫截面?zhèn)纫晥D；圖4是用于進行熱噴涂工藝的設(shè)備的互連器的示意橫截面?zhèn)纫晥D；圖5是互連器的一個實施方案的示意橫截面端視圖；圖6是互連器的第二實施方案的示意橫截面端視圖；圖7是用于進行熱噴涂工藝的設(shè)備的圓管的示意橫截面?zhèn)纫晥D；和圖8是用于進行熱噴涂工藝的熱噴槍的示意橫截面?zhèn)纫晥D。
具體實施例方式
從如附圖所示的對本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的下列更具體的描述中將更易于理解本發(fā)明的前述和其它目的、特征和優(yōu)點，在所述附圖中相似的附圖標記在所有不同視圖中表示相同的部件。所述圖不必要是按比例的，相反重點被放在闡釋本發(fā)明的原理上。除非另外指出，所有百分比和份數(shù)是按重量計。
該裝置通常涉及熱噴涂。更具體而言，該裝置涉及熱噴槍的改進型設(shè)計。該裝置包括熱噴槍的改進型設(shè)計，所述改進型設(shè)計包括霧化器、燃燒室、互連器和圓管。構(gòu)造熱噴槍的各個部分的適當材料的實例包括銅、黃銅、鋼、鋁、不銹鋼、鎳基金屬合金、陶瓷、陶瓷合金及其組合。
該裝置包括將燃料和氧化劑注入燃燒室內(nèi)以使得它們緊密混合且以穩(wěn)定和連續(xù)的方式燃燒的霧化器。適當燃料的實例包括碳氫化合物氣體(例如，甲烷、乙烷、丙烷和丁烷)、氫氣和石油基燃料(例如燃油和煤油)。在一個實施方案中，燃料包括煤油。適當氧化劑的實例包括空氣、氧氣、過氧化氫和氧化亞氮。在另一個實施方案中，氧化劑包括氧氣。
在一個實施方案中，本裝置包括用于熱噴槍的霧化器，其中所述霧化器包括布置在點火源周圍的多個霧化孔。該裝置的一個實施方案如圖1所示，所述圖示出了霧化器70的示意橫截面?zhèn)纫晥D。霧化器70包括以火花塞72的形式存在的點火源和安裝組件76?；鸹ㄈ?2包括電極74。安裝組件76包括布置在電極74周圍的多個霧化孔78。
在一個實施方案中，包括電極和霧化孔的安裝組件的端部被插入燃燒室內(nèi)。圖2示出了包括電極和霧化孔的霧化器70的端部橫截面圖。霧化孔78以單個圓構(gòu)型被布置在電極74周圍。然而，本裝置中的霧化孔的確切構(gòu)型不限于單個圓。孔的多種構(gòu)型是適當?shù)?。在一些實施方案中，霧化孔以多個圓、以橢圓形式或任何其它對稱圖案形式被布置在點火源周圍。
在一個實施方案中，安裝組件包括約7和約12個之間的霧化孔。在另一個實施方案中，霧化孔分別具有約0.51-約1.19毫米(約0.02-0.047英寸)的直徑。在又一個實施方案中，霧化孔被放置成圍繞點火源。
該裝置還包括燃燒室，其中霧化混合物被燃燒以形成燃燒氣體。燃燒室具有至少三個不同部分，包括圓柱體部分、漸窄錐形區(qū)域和擴展錐形區(qū)域。
該裝置的一個實施方案如圖3所示，所述圖示出了燃燒室10。燃燒室10包括圓柱體部分2，所述圓柱體部分是具有在L0處的入口、在L1處的出口且直徑為D1的中空圓柱體區(qū)域。圓柱體部分2的出口(在L1處)與漸窄錐形區(qū)域4鄰接。在一個實施方案中，霧化器(圖3中未示出)被連接到圓柱體部分的入口上。在另一個實施方案中，圓柱體部分的內(nèi)壁具有約1.3-約2的長度直徑比(即|L1-L0|/D1)。在又一個實施方案中，長度直徑比為約1.4-約1.7。在又一個實施方案中，直徑D1為約38.1-約50.8毫米(約1.5-約2英寸)。
圓柱體部分2與漸窄錐形區(qū)域4鄰接。漸窄錐形區(qū)域4具有從圓柱體部分2的出口向內(nèi)漸細以形成圓形噴嘴孔6的內(nèi)壁。漸窄錐形區(qū)域的幾何形狀被構(gòu)造來提供高溫流體通過圓形噴嘴孔6的平滑過渡且減少了燃料微粒對燃燒室2的內(nèi)壁和圓形噴嘴孔6的撞擊。圓形噴嘴孔6具有直徑D3。利用標準可壓縮流量公式，直徑D3被選擇以控制燃燒室2的壓力以及排出的燃燒氣體的速度和溫度。在一個實施方案中，直徑D3為約5.08-約8.89毫米(約0.2-約0.35英寸)。
在一個實施方案中，漸窄錐形區(qū)域包括多個錐體。在圖3所示實施方案中的漸窄錐形區(qū)域4具有至少兩個鄰接錐形部分，包括第一錐形部分8(從L1至L2)和第二錐形部分12(從L2至L3)。第一錐形部分8以錐角α1漸窄直至室的內(nèi)壁具有直徑D2。第二錐形部分12與第一錐形部分8鄰接且具有以錐角α2漸窄直至室的內(nèi)壁形成具有直徑D3的圓形噴嘴孔6的內(nèi)壁。在一個實施方案中，錐角α1為約80°-約100°。在另一個實施方案中，錐角α1為約85°-約95°。在進一步的實施方案中，錐角α2為約40°-約60°。在又一個實施方案中，錐角α2為約45°-約55°。
在一個實施方案中，漸窄錐形區(qū)域包括多于兩個錐體，例如具有相繼遞減的錐角的三個、四個或五個錐形部分。在另一個實施方案中，至少兩個相繼錐形部分不是鄰接的，而是通過附加的圓柱形或近圓柱形區(qū)域被分開。
漸窄錐形區(qū)域4與擴展錐形區(qū)域14鄰接。擴展錐形區(qū)域14具有以錐角α3向外張開直至內(nèi)壁具有直徑D4的內(nèi)壁。在一個實施方案中，直徑D4為約7.62-約12.7毫米(約0.3-0.5英寸)。在另一個實施方案中，錐角α3為約8°-約17°。
在一些實施方案中，漸窄錐形區(qū)域和擴展錐形區(qū)域的一些或所有內(nèi)壁沿凸或凹曲線聚斂或發(fā)散。
該裝置還包括與燃燒室流體連通的互連器，其中所述互連器具有以非相對方式布置的至少兩個粉末進入口?；ミB器的一個目的在于將粉末材料注入燃燒氣體流內(nèi)。粉末材料被載體氣體推進至互連器。載體氣體和粉末材料的流被引導通過粉末進入口且進入燃燒氣體流內(nèi)。適當?shù)姆勰┎牧系膶嵗ń饘佟⒔饘俸辖?、碳化物、涂覆金屬的碳化物、陶瓷、水泥型材料及其組合。在一個實施方案中，粉末材料的微粒具有小于約55μm的平均微粒尺寸。在另一個實施方案中，對于碳化物材料而言，粉末材料的微粒具有約15μm-約40μm的平均微粒尺寸，且對于金屬材料而言，具有約22μm-約53μm的平均微粒尺寸。在進一步的實施方案中，粉末材料包含大量具有小于約11μm的尺寸的微粒。在又一個實施方案中，粉末材料包括大量具有小于約5μm的尺寸的微粒。適當?shù)妮d體氣體的實例包括惰性氣體(例如氦和氬)、氮氣、空氣、二氧化碳和活性氣體例如氫氣或碳氫化合物氣體(例如甲烷、乙烷、丙烷、丙烯和丁烷)。
互連器的一個實施方案在圖4中被示作互連器30?；ミB器30是具有至少兩個鄰接部分的中空圓柱體，所述兩個鄰接部分包括第一部分32，所述第一部分跨越從L5處的入口至L7的長度。第一部分32從L5至L6的長度具有直徑D5，所述直徑大于從L6至L7的長度的直徑D6。在一些實施方案中，直徑D5足夠?qū)捯岳缭试S插入熱噴槍的前面部分，例如燃燒室的出口部分。在其它實施方案中，直徑D6與插入前面部分的內(nèi)壁的直徑配合，以便在互連器的整個第一部分范圍內(nèi)提供一個連續(xù)的平的內(nèi)壁。在又一個實施方案中，直徑D6為約7.62-約12.7毫米(約0.3-0.5英寸)。
互連器30還包括第二部分34，所述第二部分跨越從第一部分32在L7處的出口至互連器30在L8處的出口的長度且具有內(nèi)壁，所述內(nèi)壁具有大于直徑D6的直徑D7。在一些實施方案中，D7與D6之比為約1.1-約1.3。互連器30包括通往第二部分34的內(nèi)壁的至少兩個粉末進入口36。更大的直徑D7使得在粉末進入口36的開口處產(chǎn)生負壓區(qū)域。該負壓區(qū)域增強了粉末材料向燃燒氣體流內(nèi)的注射。
如圖4的實施方案中所示，從直徑D6至D7的過渡部分相當陡峭且接近90°。然而，在一些實施方案中，互連器中從直徑D6至D7的過渡不那么陡峭。例如，過渡部分可以是非直角或曲線，其中所述角度和曲線導致內(nèi)壁直徑的擴展，以使得在粉末進入口的開口處產(chǎn)生負壓區(qū)域。
互連器的粉末進入口以非相對方式被布置在第二部分的內(nèi)周周圍，以使得沒有兩個口彼此直接分開180°。該布置防止多股載體氣體和粉末微粒流直接撞擊在第二部分的內(nèi)部中。圖4示出了一個實施方案，其中兩個粉末注射口36放置在第二部分的周邊周圍彼此成直角。圖6示出了另一個實施方案，其中三個粉末注射口36被放置在第二部分的周邊周圍成兩個相繼的60°角度。
在一個實施方案中，粉末注射口被放置成處于與第二部分的內(nèi)壁不垂直的角度，以使得載體氣體/粉末材料流以相對于流動軸線的非90°角度被注入燃燒氣體流中。在另一個實施方案中，粉末進入口從垂直狀態(tài)傾斜約10°的角度，因此，載體氣體/粉末材料流以在相對于流動軸線約80°至約90°的上游或下游角度進入燃燒氣體流內(nèi)。在又一個實施方案中，粉末進入口傾斜以使得以相對于流動軸線沿下游方向約10°和沿上游方向約1°之間的角度將粉末注入燃燒氣體流內(nèi)，因此載體氣體/粉末材料流以在沿上游方向89°或沿下游方向80°之間的角度進入燃燒氣體流內(nèi)。在一些實施方案中，粉末進入口以一定角度傾斜以使得導致載體氣體/粉末材料流除了沿半徑或直徑之外沿一些軌跡進入互連器內(nèi)部。例如，該角度可導致載體氣體/粉末材料流沿穿過互連器內(nèi)部的弦的軌跡流動。
該裝置還包括用于將燃燒氣體、載體氣體和粉末材料的組合流引導到濃縮點的圓管。
該裝置的一個實施方案在圖7中被示作對圓管50的闡釋。圓管50具有中空中心膛，熱噴霧可流動通過所述中空中心膛，所述中空中心膛在L9處的入口處開始且在L12處的出口處終止。在一些實施方案中，圓管的總長度(即|L12-L9|)為約25.4-約304.8毫米(約1-約12英寸)。在其它實施方案中，圓管的總長度為約25.4-約203.2毫米(約1-約8英寸)。
圓管50包括錐形入口部分52，所述錐形入口部分為在L9處的圓管50的入口處開始且在L10處終止的錐形部分。錐形入口部分52的內(nèi)壁以角度α4朝向中心膛的徑向軸線聚斂。在一些實施方案中，角度α4為約1.5°-約3°。在其它實施方案中，角度α4為約1.5°-約2.5°。
圓管50還包括與錐形入口部分52鄰接的圓柱體部分54。圓柱體部分54是從L10延伸至L11且具有直徑D8的中空圓柱體。在一些實施方案中，直徑D8為約6.35-約15.24毫米(約0.25-約0.6英寸)。在其它實施方案中，圓柱體部分的長度(即|L11-L10|)至少是圓管的總長度的一半。
圓管50包括錐形出口部分56，所述錐形出口部分為在L11處的圓柱體部分54的出口處開始且在L12處的圓管50的出口處終止的錐形部分。錐形出口部分56的內(nèi)壁以角度α5外張遠離中心膛的徑向軸線。在一些實施方案中，角度α5為約0.5°-約5°。在其它實施方案中，角度α5為約0.5°-約1.5°。
在一些實施方案中，圓管的錐形出口部分被省略。在其它實施方案中，圓管的總長度為兩英寸或更少且錐形出口部分被省略。在一些實施方案中，錐形入口部分或錐形出口部分的內(nèi)壁沿凸或凹曲線聚斂或發(fā)散。
裝置的一個實施方案被示于圖8中，所述圖示出了熱噴槍100的橫截面?zhèn)纫晥D。熱噴槍100包括霧化器102(從L13延伸至L15)、燃燒室104(從L14延伸至L20)、互連器106(從L19延伸至L22)和圓管108(從L21延伸至L25)。霧化器102形成了燃燒室104的一端且被放置成使得火花塞110的電極(圖8中未示出)和霧化孔(圖8中未示出)被放置在燃燒室104內(nèi)部。燃燒室104的擴展錐形區(qū)域112從L18延伸至L20，其中從L19延伸至L20的部分被插入互連器106的第一部分內(nèi)。圓管108還被附接到互連器106上。
在一個實施方案中，該裝置還包括熱噴槍，所述熱噴槍包括熱噴槍的燃燒室、用于將粉末注入離開燃燒室的排出流內(nèi)的互連器和具有中空中心膛的圓管，熱噴霧可流動通過所述中空中心膛。本實施方案的燃燒室包括具有出口的圓柱體部分，流體可流動通過所述出口以離開圓柱體部分；與圓柱體部分鄰接的漸窄錐形區(qū)域，其中漸窄錐形區(qū)域具有內(nèi)壁，所述內(nèi)壁從圓柱體部分的出口向內(nèi)漸細以形成圓形噴嘴孔，且其中漸窄錐形區(qū)域包括具有不等錐角的至少兩個錐形部分；和與圓形噴嘴孔鄰接的擴展錐形區(qū)域。本實施方案的互連器包括具有至少兩個鄰接部分的中空圓柱體，所述至少兩個鄰接部分具有直徑不相似的內(nèi)壁；和通往第二部分的內(nèi)壁的至少兩個粉末進入口，其中所述粉末進入口以非相對方式進行布置。本實施方案的圓管包括朝向中心膛的徑向軸線聚斂的錐形入口部分和與錐形入口部分鄰接的圓柱形部分。
本發(fā)明還包括用于將涂層施加到基體表面上的熱噴涂方法。在一個實施方案中，所述方法包括使至少一種氧化劑與至少一種燃料燃燒以形成燃燒氣體流、引導粉末進入燃燒氣體流內(nèi)以形成熱噴霧和引導熱噴霧靠在表面上以施加涂層。
在一個實施方案中，燃料和氧化劑在連接到霧化器上的燃燒室內(nèi)部燃燒。在另一個實施方案中，燃料是煤油且氧化劑是氧氣。
在一個實施方案中，燃燒過程始于首先將低流量的氧氣(例如約19.8標準立方米/小時(約700標準立方英尺/小時))引導至裝備有作為點火源的火花塞的霧化器。氧氣流動通過霧化器且通過多個霧化孔進入燃燒室內(nèi)。隨后電流被送至火花塞，且低流量的燃料被引導至霧化器(例如約1.9L/hr或更低(約0.5gal/hr或更低))。燃料流動通過霧化器并進入燃燒室。當霧化燃料的濃度達到可燃范圍時，通過火花塞的電極點燃燃燒室中的燃料和氧氣的霧化混合物。所得的火焰從電極向外行進通過混合物且在由恰在布置在電極周圍的霧化孔外部的霧化混合物的剪切效應(yīng)形成的低速渦流區(qū)域中穩(wěn)定。該熱再循環(huán)渦流區(qū)域保持熱氣體且用作其后的燃燒過程的連續(xù)點火源?；鸹ㄈ碾娏麟S后被切斷。通過火花塞進行的初始點火過程利用低流量以使得點火時產(chǎn)生的初始壓力升高足夠低，以便不會有害地影響燃料和氧化劑的流動。該低流量還用以減少燃燒過程的初始階段產(chǎn)生的噪聲。在燃燒過程已初始化后，氧化劑和燃料的流量增加至正常操作水平。氧化劑和燃料的正常操作水平隨所使用的燃料和氧化劑類型以及具體應(yīng)用的需求而變化。在一個實施方案中，正常操作水平下的氧化劑流量為約34標準立方米/小時或更低(約1,200標準立方英尺/小時或更低)。在另一個實施方案中，正常操作水平下的燃料流量為約15.9L/hr或更低(約15.9L/hr或更低)。在又一個實施方案中，正常操作水平下的燃料流量為約20.8L/hr或更低(約5.5gal/hr或更低)。在一個實施方案中，霧化燃料、霧化氧化劑或來自霧化孔的燃料和氧化劑的霧化混合物的線性速度至少為約225m/s。在另一個實施方案中，從霧化孔中出來的線性速度為約330m/s。
在一些實施方案中，一部分霧化孔僅引導氧化劑進入燃燒室內(nèi)，而另一部分則引導燃料進入燃燒室內(nèi)。在其它實施方案中，霧化孔引導氧化劑和燃料進入燃燒室。
在一個實施方案中，燃燒過程產(chǎn)生燃燒氣體，所述燃燒氣體從燃燒室的圓柱體部分流入燃燒室的漸窄錐形區(qū)域內(nèi)。漸窄錐形區(qū)域的幾何形狀減少了未燃燒燃料微粒對內(nèi)壁的撞擊，由此減少了燃燒過程中產(chǎn)生的煤煙和碳積聚的量。漸窄錐形區(qū)域的幾何形狀還提供了高溫高速燃燒氣體的平滑流動。燃燒氣體通過漸窄錐形區(qū)域的圓形噴嘴孔并進入擴展錐形區(qū)域內(nèi)。
在一個實施方案中，燃燒氣體從燃燒室的擴展錐形區(qū)域流入互連器的第一部分內(nèi)。燃燒氣體隨后流入互連器的第二部分內(nèi)。在第二部分中，通過粉末進入口的兩股或多股載體氣體流將粉末釋放入燃燒氣體流內(nèi)以形成熱噴霧。被引導通過每個進入口的粉末量隨噴涂工藝的需求而變化。在一個實施方案中，通過每個進入口的載體氣體流速為約0.57-約0.68標準立方米/小時(約20-約24標準立方英尺/小時)。在另一個實施方案中，通過每個進入口的載體氣體流速為約0.28-約0.42標準立方米/小時(約10和約15標準立方英尺/小時)。在一個實施方案中，通過每個進入口的粉末流速小于約9.1kg/hr(約20lbs/hr)。在又一個實施方案中，通過每個進入口的粉末流速為約4.54kg/hr-約6.81kg/hr(約10-約15lbs/hr)。
第二部分的內(nèi)壁的增加的直徑產(chǎn)生了負壓(例如亞大氣壓力)區(qū)域，所述負壓區(qū)域增強了粉末從粉末進入口向燃燒氣體流的流動。粉末進入口的非相對布置減少了與將粉末流引入至燃燒氣體流相關(guān)聯(lián)的湍流。非相對布置還減少了撞擊熱噴槍內(nèi)壁的粉末量，由此減少了圓管載荷。
在一個實施方案中，熱噴霧流從互連器的第二部分流出且流入圓管的錐形入口部分內(nèi)。內(nèi)壁在錐形入口部分中的聚斂導致更高的溫度、更高的壓力和更低速的熱噴霧流。熱噴霧流隨后流動通過圓管的圓柱體部分。如果圓管不具有錐形出口部分，那么熱噴霧通過圓管的圓柱形部分離開噴槍并被施加到進行涂覆的基體上。
如果圓管確實具有錐形出口部分，那么熱噴霧離開圓管的圓柱體部分且進入錐形出口部分。熱噴霧由于發(fā)散的內(nèi)壁而在錐形出口部分中擴展。該擴展用以增加熱噴霧的速度，且因此增加被噴涂的粉末微粒，而同時減少其壓力和溫度。降低的溫度還減少了圓管載荷、圓管腐蝕或二者。熱噴霧隨后離開噴槍且被施加到進行涂覆的基體上。由錐形出口部分產(chǎn)生的更低的溫度減少了傳遞至進行噴涂的基體的熱量。
在一些實施方案中，通過冷卻系統(tǒng)從熱噴槍的一些或所有部分上除去熱。在另一些實施方案中，冷卻系統(tǒng)使用水作為熱傳遞流體。在又一些實施方案中，水流至冷卻劑系統(tǒng)的流速小于約37.9L/min(約10gal/min)。在另一些實施方案中，水在小于約48.9℃(約120°F)的溫度下離開冷卻系統(tǒng)。在又一些實施方案中，水在約15.6℃至約34.4℃(約60°F至約94°F)的溫度下離開冷卻劑系統(tǒng)。在一些實施方案中，冷卻劑系統(tǒng)使用冷卻器以冷卻熱傳遞流體。
在一個實施方案中，本發(fā)明還包括用于將涂層施加到表面上的熱噴涂方法。在一個實施方案中，熱噴涂方法包括將至少一種燃料流和至少一種氧化劑流引導至霧化器以形成霧化混合物，其中霧化器包括布置在點火源周圍的多個霧化孔。霧化混合物被燃燒以形成燃燒氣體流。粉末被引導入燃燒氣體流內(nèi)以形成熱噴霧。熱噴霧被引導靠在表面上以施加涂層。
在另一個實施方案中，熱噴涂方法包括使燃燒室中的至少一種燃料和至少一種氧化劑燃燒以形成燃燒氣體流，其中燃燒室包括具有出口的圓柱體部分，燃燒氣體流可流動通過所述出口以離開圓柱體部分；與圓柱體部分鄰接的漸窄錐形區(qū)域，其中漸窄錐形區(qū)域具有內(nèi)壁，所述內(nèi)壁從圓柱體部分的出口向內(nèi)漸細以形成圓形噴嘴孔，且其中漸窄錐形區(qū)域包括具有不等錐角的至少兩個錐形部分；和與圓形噴嘴孔鄰接的擴展錐形區(qū)域。粉末被引導進入燃燒氣體流內(nèi)以形成熱噴霧。熱噴霧被引導靠在表面上以施加涂層。
在又一個實施方案中，熱噴涂方法包括將燃燒氣體流引導至互連器，其中互連器包括具有至少兩個鄰接部分的中空圓柱體，所述至少兩個鄰接部分包括第一部分和第二部分，其中第一部分的直徑與第二部分的直徑之比為約1.1-約1.3；和通往第二部分的內(nèi)壁的至少兩個粉末進入口，其中粉末進入口以非相對方式進行布置。粉末被引導進入燃燒氣體流內(nèi)以形成熱噴霧。熱噴霧被引導靠在表面上以施加涂層。
在一個實施方案中，熱噴涂方法包括引導熱噴霧通過圓管，其中熱噴霧包括燃燒氣體流和粉末。圓管包括朝向中心膛的徑向軸線聚斂的錐形入口部分和與錐形入口部分鄰接的圓柱形部分。在另一個實施方案中，圓柱形部分的長度至少為圓管的總長度的一半。在又一個實施方案中，圓管包括外張遠離中心膛的徑向軸線的錐形出口部分。熱噴霧被引導靠在表面上以施加涂層。
在另一個實施方案中，熱噴涂方法包括將至少一種燃料流和至少一種氧化劑流引導至熱噴槍以形成熱噴霧和引導熱噴霧靠在表面上以施加涂層。本實施方案的熱噴槍包括具有布置在點火源周圍的多個霧化孔的霧化器、熱噴槍的燃燒室、用于將粉末注入離開燃燒室的排出流內(nèi)的互連器和具有中空中心膛的圓管，熱噴霧可流動通過所述中空中心膛。本實施方案的燃燒室包括具有出口的圓柱體部分，流體可流動通過所述出口以離開圓柱體部分；與圓柱體部分鄰接的漸窄錐形區(qū)域，其中漸窄錐形區(qū)域具有內(nèi)壁，所述內(nèi)壁從圓柱體部分的出口向內(nèi)漸細以形成圓形噴嘴孔，且其中漸窄錐形區(qū)域包括具有不等錐角的至少兩個錐形部分；和與圓形噴嘴孔鄰接的擴展錐形區(qū)域。本實施方案的互連器包括具有至少兩個鄰接部分的中空圓柱體，所述至少兩個鄰接部分具有直徑不相似的內(nèi)壁；和通往第二部分的內(nèi)壁的至少兩個粉末進入口，其中所述粉末進入口以非相對方式進行布置。本實施方案的圓管包括朝向中心膛的徑向軸線聚斂的錐形入口部分和與錐形入口部分鄰接的圓柱形部分。
盡管已結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實施方案對本發(fā)明進行了具體示出和描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解可在其中做出形式和細節(jié)的多種變化，而不會偏離所附權(quán)利要求所包括的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種熱噴槍，包括A)具有布置在點火源周圍的多個霧化孔的霧化器；B)熱噴槍的燃燒室，其中所述燃燒室包括i)具有出口的圓柱體部分，流體可流動通過所述出口以離開所述圓柱體部分；ii)與所述圓柱體部分鄰接的漸窄錐形區(qū)域，其中所述漸窄錐形區(qū)域具有內(nèi)壁，所述內(nèi)壁從所述圓柱體部分的所述出口向內(nèi)漸細以形成圓形噴嘴孔，且其中所述漸窄錐形區(qū)域包括具有不等錐角的至少兩個錐形部分；和iii)與所述圓形噴嘴孔鄰接的擴展錐形區(qū)域；C)用于將粉末注入離開所述燃燒室的排出流內(nèi)的互連器，其中所述互連器包括i)具有直徑不相似的內(nèi)壁的至少兩個鄰接部分的中空圓柱體；和ii)通往所述第二部分的所述內(nèi)壁的至少兩個粉末進入口，其中所述粉末進入口以非相對方式進行布置；和D)具有中空中心膛的圓管，熱噴霧可流動通過該中空中心膛，其中所述圓管包括i)朝向所述中心膛的徑向軸線聚斂的錐形入口部分；和ii)與所述錐形入口部分鄰接的圓柱形部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱噴槍，其中所述霧化器中的所述多個霧化孔包括7至12個注射器口，其中每個注射器口具有約0.02-約0.047英寸的直徑，且其中所述點火源包括至少一個火花塞。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱噴槍，其中所述燃燒室包括A)具有約1.3-約2的長度直徑比且具有出口的圓柱體部分，流體可流動通過所述出口以離開所述圓柱體部分；B)與所述圓柱體部分鄰接的漸窄錐形區(qū)域，其中所述漸窄錐形區(qū)域具有內(nèi)壁，所述內(nèi)壁從所述圓柱體部分的所述出口向內(nèi)漸細以形成圓形噴嘴孔，所述圓形噴嘴孔具有約0.2-約0.350英寸的直徑，且其中所述漸窄錐形區(qū)域包括至少兩個錐形部分，所述至少兩個錐形部分包括i)第一錐形部分，其中內(nèi)壁以約80°-約100°的錐角變窄；和ii)第二錐形部分，其中內(nèi)壁以約40°-約60°的錐角變窄；和C)與所述圓形噴嘴孔鄰接的擴展錐形區(qū)域，其中所述擴展錐形區(qū)域的內(nèi)壁以約8°-約17°的錐角向外張開。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱噴槍，其中所述圓柱體部分具有約1.4-約1.7的長度直徑比，其中所述圓柱體部分具有約1.5-約2英寸的直徑，其中所述第一錐形部分以約85°-約95°的錐角變窄，其中所述第二錐形部分以約45°-約55°的錐角變窄，且其中所述擴展錐形區(qū)域向外張開至直徑為約0.3-約0.5英寸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱噴槍，其中所述互連器包括A)具有至少兩個鄰接部分的中空圓柱體，所述至少兩個鄰接部分包括第一部分和第二部分，其中所述第一部分的直徑與所述第二部分的直徑之比為約1.1-約1.3；和B)通往所述第二部分的所述內(nèi)壁的至少兩個粉末進入口，其中所述粉末進入口以非相對方式進行布置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的互連器，其中所述第二部分具有在所述第二部分的周邊周圍且分開至少約90°的兩個粉末進入口，或其中所述第二部分具有三個進入口且每個部分被取向以便在所述第二部分的所述周邊周圍其中一個進口與其它兩個進入口至少分開約60°，且其中至少一個所述進入口以約80°至約90°的角度止于所述內(nèi)壁或其中至少一個所述進入口以約90°的角度止于所述內(nèi)壁。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱噴槍，其中所述圓管包括A)朝向所述中心膛的徑向軸線聚斂的錐形入口部分；B)與所述錐形入口部分鄰接的圓柱形部分，其中所述圓柱形部分的長度至少為所述圓管的總長度的一半；和C)外張遠離所述中心膛的徑向軸線的錐形出口部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱噴槍，其中所述聚斂入口部分具有約1.5°至約3°的錐角或其中所述聚斂入口部分具有約1.5°至約2.5°的錐角，其中所述圓管具有約1至約12英寸的長度或其中所述圓管具有約1至約8英寸的長度，其中所述錐形出口部分以約0.5至約5°的錐角外張遠離所述中心膛的徑向軸線或其中所述錐形出口部分以約0.5°至約1.5°的錐角外張遠離所述中心膛的徑向軸線，且其中所述圓柱體部分具有約0.25至約0.6英寸的內(nèi)徑或其中所述圓柱體部分具有約0.25至約0.5英寸的內(nèi)徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱噴槍，其中所述圓管包括A)朝向所述中心膛的徑向軸線聚斂的錐形入口部分；B)與所述錐形入口部分鄰接的圓柱形部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱噴槍，其中所述聚斂入口部分具有約1.5°至約3°的錐角或其中所述聚斂入口部分具有約1.5°至約2.5°的錐角，且其中所述圓柱體部分具有約0.25至約0.6英寸的內(nèi)徑或其中所述圓柱體部分具有約0.25至約0.5英寸的內(nèi)徑。
11.一種用于將涂層施加到表面上的熱噴涂方法，所述方法包括A)將至少一種燃料流和至少一種氧化劑流引導至熱噴槍以形成熱噴霧，其中所述熱噴槍包括i)具有布置在點火源周圍的多個霧化孔的霧化器；ii)熱噴槍的燃燒室，其中所述燃燒室包括1)具有出口的圓柱體部分，流體可流動通過該出口以離開所述圓柱體部分；2)與所述圓柱體部分鄰接的漸窄錐形區(qū)域，其中所述漸窄錐形區(qū)域具有從所述圓柱體部分的所述出口向內(nèi)漸細以形成圓形噴嘴孔的內(nèi)壁，且其中所述漸窄錐形區(qū)域包括具有不等錐角的至少兩個錐形部分；和3)與所述圓形噴嘴孔鄰接的擴展錐形區(qū)域；iii)用于將粉末注入離開所述燃燒室的排出流內(nèi)的互連器，其中所述互連器包括1)具有直徑不相似的內(nèi)壁的至少兩個鄰接部分的中空圓柱體；和2)通往所述第二部分的所述內(nèi)壁的至少兩個粉末進入口，其中所述粉末進入口以非相對方式進行布置；和iv)具有中空中心膛的圓管，熱噴霧可流動通過所述中空中心膛，其中所述圓管包括1)朝向所述中心膛的徑向軸線聚斂的錐形入口部分；和2)與所述錐形入口部分鄰接的圓柱形部分；和B)引導所述熱噴霧靠在所述表面上以施加所述涂層。
12.熱噴槍的部件部分，所述部件選自A)具有布置在點火源周圍的多個霧化孔的霧化器；B)燃燒室，包括i)具有約1.3-約2的長度直徑比且具有出口的圓柱體部分，流體可流動通過所述出口以離開所述圓柱體部分；ii)與所述圓柱體部分鄰接的漸窄錐形區(qū)域，其中所述漸窄錐形區(qū)域具有內(nèi)壁，所述內(nèi)壁從所述圓柱體部分的所述出口向內(nèi)漸細以形成圓形噴嘴孔，所述圓形噴嘴孔具有約0.2-約0.350英寸的直徑，且其中所述漸窄錐形區(qū)域包括至少兩個錐形部分，所述至少兩個錐形部分包括a)第一錐形部分，其中內(nèi)壁以約80°-約100°的錐角變窄；和b)第二錐形部分，其中內(nèi)壁以約40°-約60°的錐角變窄；和iii)與所述圓形噴嘴孔鄰接的所述擴展錐形區(qū)域，其中所述擴展錐形區(qū)域的內(nèi)壁以約8°-約17°的錐角向外張開；C)互連器，包括i)中空圓柱體，所述中空圓柱體具有包括第一部分和第二部分的至少兩個鄰接部分，其中所述第一部分的直徑與所述第二部分的直徑之比為約1.1-約1.3；和ii)通往所述第二部分的所述內(nèi)壁的至少兩個粉末進入口，其中所述粉末進入口以非相對方式進行布置；D)圓管，包括i)朝向所述中心膛的徑向軸線聚斂的錐形入口部分；ii)與所述錐形入口部分鄰接的圓柱形部分，其中所述圓柱形部分的長度至少是所述圓管的總長度的一半；和iii)外張遠離所述中心膛的徑向軸線的錐形出口部分。
全文摘要
熱噴槍的改進型設(shè)計包括霧化器(70、102)、燃燒室(10、104)、互連器(30、106)和圓管(50、108)。還包括用于對基體進行熱噴涂的方法。一種用于對基體進行熱噴涂的方法包括將至少一種燃料流和至少一種氧化劑流引導至具有改進型設(shè)計的熱噴槍以形成熱噴霧且引導所述熱噴霧靠在所述表面上以施加涂層。
文檔編號B05B1/00GK1816398SQ200480019035
公開日2006年8月9日 申請日期2004年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月2日
發(fā)明者V·塞多夫, R·托爾普 申請人:普萊克斯 S.T.技術(shù)有限公司