CN1775994A - 等离子喷涂装置 - Google Patents

Abstract

对工件的一部分，例如燃气轮机压气机的叶片，在不需要对所述工件的任何部分进行屏蔽的前提下进行喷涂的等离子喷涂方法和装置。该装置包括具有阳极、阴极和用于在阳极和阴极之间产生电弧的电弧发生器的等离子装置。电弧气体发射器喷射惰性气体使其穿过电弧。电弧可被操作以使所述气体发生电离以产生等离子气流。粉末喷嘴延伸穿过阳极，并且粉末材料喷射到等离子流中以被传送到工件上。

Description

等离子喷涂装置

技术领域

本发明通常涉及一种用于喷涂工件的等离子喷涂装置，例如微等离子喷涂装置，以及使用这种装置的方法。

背景技术

等离子涂覆方法和装置都是已知的。例如，一种这样的方法和装置，它通过使等离子形成气体穿过喷嘴电极并使电弧形成电流在喷嘴电极和后电极之间穿过便形成了等离子排出流，从而将等离子火焰喷涂材料喷涂到基体上。这种方法包括将涂覆材料导入到等离子排出流中，同时使等离子排出流轴向穿过从所述喷嘴电极的出口处延伸的壁面罩，并形成等离子流的火焰罩。由此将涂覆材料施加到基体上。

在一个与涂覆各种部件，特别是航空和航天部件，例如燃气轮机和它们的部件相关的领域中，这种技术特别有利。例如，将材料涂覆到压气机叶片的叶根上以满足尺寸公差的要求，从而使压气机叶片与压气机转子和类似部件产生密封。就这点而言，已经通过采用各种现有的等离子喷涂工艺来施以由铜-镍、铝-铜和其它类似的组合材料组成的金属涂覆物。通常，涂覆工艺需要对工件不需要和/或不期望有材料涂覆到的区域进行屏蔽。此外，通常在专用的场所，例如燃气轮机制造厂或者修理店中对工件进行涂覆。由于涂覆设备较大并且不便于携带，同时喷涂的图案过于宽而不能精确地控制涂覆工艺，因此现有技术中的方法和装置需要将工件屏蔽并且在专用的场所内对工件进行涂覆。理想的是，改进喷涂装置的精度，从而不再需要进行屏蔽和类似操作，并且允许在现场进行手工喷涂修护。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种等离子喷涂装置，它用于对工件，例如燃气轮机压气机叶片的至少一部分进行涂覆。等离子装置包括阳极、阴极和用于在阳极和阴极之间产生电弧的电弧发生器。该装置包括电弧气体发射器，它用于将气体喷射到电弧内。电弧可操作地使气体发生电离以产生等离子气流。粉末供料器将粉末材料提供给等离子装置。粉末喷嘴通过导管与粉末贮存器相连。粉末喷嘴延伸穿过所述阳极，可以对其操作，以将粉末材料喷射到等离子气流中。

根据本发明的另一方面，提供了一种等离子喷射装置，它用于涂覆工件，例如燃气轮机压气机叶片的一部分。等离子装置包括阳极、阴极和用于在阳极和阴极之间产生电弧的电弧发生器。该装置包括将气体喷射到电弧中的电弧气体发射器。可操作电弧，以使气体发生电离，从而产生等离子气流。粉末供料器将粉末材料提供给等离子装置。从阴极外壳延伸并且终止于顶部处的电极包括沿着至少一部分长度方向轴线上的大致呈圆形的断面。一个从所述顶部朝阴极外壳延伸的成角度的表面形成于电极上。一个具有预定高度的基本上平坦的边缘限定了顶部的前边缘。

根据本发明的又一方面，提供了一种方法，此方法用于将粉末材料喷射到等离子气流中。一个粉末喷嘴被设置成穿过位于等离子装置内的阳极。将粉末材料从供料器输送到粉末喷嘴中。将粉末材料喷射到等离子气流中，然后再将其施加到工件上。

在结合附图阅读下面对本发明的最佳实施例的描述时，本领域的普通技术人员不难看出本发明的其它应用。

附图说明

图1示意性地示出了本发明的微等离子喷涂装置的一个实施例和工件；

图2为根据本发明的教导所构造的微等离子喷涂装置的一个实施例的分解透视图；

图3为图2中所述电极的放大视图；

图4为图1中的微等离子喷涂装置的装配透视图，图中示出涂层正在被施加到工件上。

图5为一流程图，示出了等离子喷射涂覆工件的方法的一实施例。

下面的描述很容易被修改和替换，附图中描述了几个图示实施例，下面详细描述。然而，应该理解的是，这里并没有意于将本发明限制于所披露的特定形式中，而是正相反，意在于覆盖落入到正如由所附权利要求所限定的本发明的宗旨和范围内的所有修改、可替换的构造和等同物。

具体实施方式

现在参照图1，该图示出了等离子喷涂装置10的一个实施例，其中该喷涂装置由虚线框中的内容示意性地示出。在一般的情况下，等离子喷涂装置10包括一等离子枪12，等离子枪12具有电弧气体发射器14、一阳极16和一阴极18。电弧20产生于阳极16和阴极18之间。当电弧气体从电弧气体发射器14喷出并穿过电弧20时，便形成了等离子流21。粉末材料喷射器22将粉末材料分配到等离子流中，该等离子流将粉末材料输送到工件24上以在其上形成涂层。由装置所产生等离子流21的尺寸和/或该装置使用的功率决定该装置是否为微等离子喷涂装置。当等离子流21的尺寸较小和/或装置所使用的功率较低时，则将该装置为微等离子喷涂装置。图1示出了一种微等离子喷涂装置。

例如，粉末材料可在工件24上的所需位置处形成固体涂层，该涂层的厚度大约为0.0015-0.006英寸。涂覆的材料实际上可为任何金属、非金属或者金属间粉末，它包括上述材料和陶瓷基材料。

在操作中，电弧20产生在等离子枪12的阳极16和阴极18之间。电弧气体，例如，但是不局限于氩气，可被释放到形成于阳极16和阴极18之间的电弧20中。应该理解的是，在实际中，电弧气体可在产生电弧之前就被释放。电弧20使气体发生电离以产生等离子气流21。此电离过程将电子从电弧气体中去除，从而使电弧气体出现暂时不稳定的现象。当它重新稳定时，电弧气体被加热至大约20000°F至30000°F。在穿过电弧后等离子流快速冷却。

许多不同的实施例和结构变型可被构造以实施于本发明，下面仅描述其中一种可能的实施例。现在参照图2，这种等离子喷涂装置的分解视图再次由附图标记10表示。正如下面将要详细说明的那样，可以操作等离子喷涂装置10，以对工件进行涂覆，所述工件包括，但是并不限于燃气轮机(未示出)中至少一部分压气机叶片72。然而，应该理解的是，本发明的教导可以被用于涂覆无数其它的表面，包括飞行器、陆路交通工具、武器、航海船只和类似物上的那些表面。

在图示实施例中，等离子喷涂装置10包括前述的具有阳极16和阴极18的等离子枪12。图中还示出，阴极18包括绝缘体26，以及从其上延伸的电极28。阴极18还可包括与等离子枪12螺纹结合的螺纹30。阴极18还可包括O形密封圈32以对产生于阴极18和等离子枪12之间的边界面处的泄漏通道进行密封。

粉末材料喷射器22将粉材料34喷入等离子气流21中。粉末材料34在等离子流21中被加热并且被超塑化(super plasticized)，然后被置于压气机叶片72(参照附图4)上，在此处它发生冷却并且重新固化以形成涂层。粉末材料喷射器22包括粉末贮存器36，它用于盛装粉末材料34并且将粉末材料34供给到等离子流21中。贮存器36可以通过导管38，例如软管或类似物连接到等离子枪12上。导管38通过螺纹配合件39连接到粉末喷射器的喷嘴40上。粉末喷嘴40可穿过形成于阳极16内的孔42。粉末喷嘴40通过螺纹43与阳极16螺纹连接。

现有技术中的阳极通常采用铜-钨合金制成并且它在等离子喷涂装置10中具有非常有限的使用寿命——大约为10到20分钟。铜和其它类似金属具有低于阳极操作温度的熔化温度。这些金属会发生熔化并且使阳极16的边缘发生熔化并沿着阳极的上边缘出现气蚀现象。为了产生高质量的涂层，阳极的边缘必须保持相当的锋利度。为了获得这些效果，已经研发了一种商业上的纯烧结钨材料以产生更为结实的阳极。对采用由烧结钨材料制成的阳极进行了测试，结果发现较现有技术中的阳极而言显著地提高了抗腐蚀性能。在阳极16中采用商业上的纯钨已将阳极16的使用寿命提高至大约10到20小时之间。

位于等离子枪12的前壁48上的喷嘴罩46对喷嘴插入物50(nozzle insert)进行支承并且允许电极28延伸穿过形成于喷嘴罩46内的中心孔52。喷嘴插入物50可通过螺纹连接在喷嘴罩46的端部上。屏蔽气体盖54位于喷嘴罩46的上方。绝缘体56位于屏蔽气体盖54和喷嘴罩46之间从而使屏蔽气体盖54与喷嘴罩46电绝缘。屏蔽气体盖54可被压配合于喷嘴罩46上并位于绝缘体56的上方。屏蔽气体盖54包括若干用于允许屏蔽气流经此处并使电弧气体与外界大气隔绝的通孔58。形成于屏蔽气体罩54内的中心孔60允许高速率的电弧气体穿过并且进入到电弧内。

冷却流体，例如水或者类似物可以用于冷却等离子枪12。冷却流体通过冷却流体软管62被输送到等离子枪12中。冷却流体流经等离子枪12内的内部通道(未示出)，流经进口通道64，进入到阳极保持器66内并且又通过出口通道68流回。在等离子枪12操作期间，冷却流体降低了阳极16的温度。冷却流体的流量大约为每分钟1.0-1.5加仑。第二导管70可以与等离子枪12相连。第二导管用于将电能、电弧气体和/或屏蔽气体提供给等离子枪12。

现在参照图3，在放大视图中示出了阳极18的电极28。电极28可以具有圆形的断面，例如其直径大约为1/16英寸，然而其它尺寸的确也是可行的。电极28可以包括一个锥形顶部65，例如通过A角度的机加工形成一基本上平的上表面67。角度A可以在0到90度之间，但是在一个实施例中，此角度A可以大约在8到10度之间。然后将顶部65的远端加工成所需高度为B的平面。在一个实施例中，高度B可在0.008到0.010英寸之间。对于可变尺寸的电极而言，高度B可被定义为大约是电极的直径或者宽度的10％到20％之间。电极可由任何可导电的材料制成，例如铜合金，但是已发现由含钍钨制成是有利的。

现在参照图4，它示出，压气机叶片72的局部区域，例如叶根74可被喷涂以粉末材料34。将等离子气流21朝要被涂覆的压气机叶片72的那部分进行导向。等离子枪12以极低的功率——大约在0.5千瓦到2.5千瓦之间的功率下操作。等离子枪12的低功率输出比现有技术中的涂覆方法显著地降低了流入到压气机叶片72的热量。由涂覆过程产生的压气机叶片72的最大表面温度大约为200°F。由于高热量梯度所引起的局部应力不存在，这种低功率输出和所导致的叶片72上的低温允许等离子枪12在不扭曲压气机叶片72的情况下将粉末材料34施加到压气机叶片72的薄壁区域上。

等离子枪12可以宽度大约为2mm的窄条施加涂覆材料。这就允许甚至是在采用手持工具的情况下，进行精确的表面涂覆。窄条涂覆基本上消除了对压气机叶片72不需要喷涂的区域进行屏蔽或者施以其它覆盖的需要。由喷嘴开口的尺寸来控制窄条的喷涂图案。手持类型的等离子枪12可喷涂即使是处于已安装条件下例如已安装在发动机之类中的部件。

等离子装置10的电弧气流量可大约为每分钟1.5到3升，虽然其它的流量也的确是可行的。正如上面所声明的，电弧气体和屏蔽气体通常为氩，但是也可采用任何本领域技术人员知道的适当的惰性气体。对于常规应用来说，屏蔽气体的流量可大约为每分钟2到4升。

在通过粉末喷射器22喷射到等离子气流21之前，粉末材料34由粉末贮存器36保存。可以每分钟大约为1至30克的速率将粉末材料34传输给工件。等离子枪12通常在从大约为1.5至6.5英寸的距离处对工件进行喷涂，但是所述距离也可根据喷涂应用场合的需要而进行变化。等离子喷涂枪12相对于工件的取向角度是不受限制的，这是因为加压的粉末供给系统采用运送气体来输送并将粉末材料34供给到等离子流21中，并不象现有技术中的系统那样依靠重力。

压缩的运送气体，例如惰性气体流经粉末喷射器22。运送气体可以输送粉末材料34，正如本领域公知的。运送气体将以任意的取向角度度流经粉末喷射器22，因此并不需要依靠重力将粉末材料34输送到等离子流21中。等离子流21相对于粉末喷射器22提供文丘里效应。穿过粉末喷射器22的等离子流21的高速流速产生了低压区，此区域增大了运送气体和粉末材料34通过粉末喷射器22的流速。

由于低能量的输出，因此等离子喷射枪12产生较低的噪音级，该噪音级在40到70分贝之间，由此使装置10适用于手持操作。目前的美国政府的法规要求，当环境噪声达到85分贝时要求保护听力。等离子喷涂装置10可以手持或者可固定在夹具(未示出)上，此夹具例如由计算机来控制。

在一个实施例中，电流的余量从阳极16传递给粉末喷射器22。此剩余的电流可以使粉末材料34的预热发生，以使粉末材料进入到等离子流21之前便于对粉末材料34进行软化。

现在参照图5，它示出了一幅方框图，此图对等离子喷涂装置10的操作和等离子喷涂过程进行了大致的说明。最初，在方框80处，从喷嘴插入物50放出电弧气体。如方框82所述，等离子喷枪12的阳极16和阴极18之间产生电势差，使此电势差穿过电弧气体。氩气被引导，穿过该电位差，形成等离子流21。在方框84处，将粉末材料34喷射到等离子流21中。在方框86处，等离子流将粉末材料34加热至“超塑化”状态，从而当将其施加到工件上时，使其具有可延展性。在方框88处，将粉末材料34施加到的基体上而不用屏蔽。然后粉末材料34发生冷却并且固化成位于基体上的硬质涂层。

虽然在前面的正文中出现了对本发明的一些实施例进行了详细说明，应该理解的是，本发明的法律范围由本专利结尾处出现的权利要求书限定。由于对每一可能的实施例都进行说明是不切实际的，因此，如果可能的话这些详细的说明应该被解释为是示范性的，而不是描述本发明每一可能的实施例。可以采用目前的技术或者本申请的申请日后所研发的技术来实现数个可替换的实施例，而这些实施例仍然落入到定义了本发明的权利要求的范围之内。

Claims (56)

1.一种用于涂覆工件的等离子喷涂装置，包括：一阳极、一阴极和一用于在阳极和阴极之间产生电弧的电弧发生器；

一喷嘴，该喷嘴将电弧气体释放到电弧内，此电弧可被操作以使所述气体发生电离以产生等离子气流；

供料器，该供料器穿过阳极以将粉末材料提供给等离子装置。

2.如权利要求1所述的等离子喷涂装置，其中等离子喷涂装置为微等离子喷涂装置。

3.如权利要求1所述的等离子喷涂装置，其中供料器采用运送气体来输送粉末材料使其通过粉末喷嘴。

4.如权利要求1所述的等离子喷涂装置，还包括粉末贮存器，它用于在将粉末材料喷射到等离子气流之前保存该粉末材料。

5.如权利要求4所述的等离子喷涂装置，其中粉末贮存器和供料器被组合成一个装置。

6.如权利要求1所述的等离子喷涂装置，其中阴极包括电极，该电极具有从阴极外壳延伸的第一端和终止于顶部的第二端，该电极可被操作以传导电流。

7.如权利要求6所述的等离子喷涂装置，其中电极在沿着至少长度方向的轴线的一部分上包括基本上呈圆形的断面。

8.如权利要求6所述的等离子喷涂装置，其中电极形成有从顶部向阴极外壳延伸的所需表面角度。

9.如权利要求8所述的等离子喷涂装置，其中所述角大致为10度。

10.如权利要求6所述的等离子喷涂装置，其中该顶部包括基本上平的前边缘。

11.如权利要求10所述的等离子喷涂装置，其中顶部的平的前边缘具有所需的高度。

12.如权利要求11所述的等离子喷涂装置，其中此边缘的高度大致在电极的宽度的10％到20％之间。

13.如权利要求1所述的等离子喷涂装置，其中由喷涂过程所产生的工件的最大表面温度大约为200°F。

14.如权利要求1所述的等离子喷涂装置，其中等离子装置在宽度大约为2mm的工件上施加涂覆材料。

15.如权利要求1所述的等离子喷涂装置，其中阳极由烧结的钨材料制成。

16.如权利要求1所述的等离子喷涂装置，还包括具有屏蔽气体从其中喷射的屏蔽气体罩。

17.如权利要求1所述的等离子喷涂装置，其中粉末材料为金属合金。

18.如权利要求1所述的等离子喷涂装置，其中粉末材料为陶瓷基涂层。

19.如权利要求1所述的等离子喷涂装置，还包括用于冷却等离子装置的冷却系统。

20.如权利要求1所述的等离子喷涂装置，其中等离子装置可被操作以任意取向角度对工件进行喷涂。

21.如权利要求1所述的等离子喷涂装置，其中等离子喷涂装置产生大约在40到70分贝之间的噪声级。

22.如权利要求1所述的等离子喷涂装置，还包括围绕在一部分阴极周围的阴极罩。

23.如权利要求22所述的等离子喷涂装置，其中电弧气体喷嘴位于阴极罩内的容纳孔中。

24.如权利要求22所述的等离子喷涂装置，还包括基本上环绕在阴极罩周围的屏蔽气体盖，该屏蔽气体盖可被操作以在电弧气体和外界大气之间提供作为屏障的屏蔽气体。

25.如权利要求24所述的等离子喷涂装置，还包括位于屏蔽气体盖和阴极罩之间的屏蔽盖绝缘体。

26.一种用于涂覆工件的等离子喷涂装置，包括：

一阳极、一阴极和用于在阳极和阴极之间产生电弧的电弧发生器，

一喷嘴，该喷嘴将电弧气体释放到电弧内，此电弧使所述气体发生电离以产生等离子气流；和

供料器，该供料器将粉末材料提供给等离子气流；

其中阴极包括一电极，该电极具有终止于顶部处的锥形，此锥形包括基本上平坦的边缘，该边缘在顶部处具有预定的高度。

27.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，其中该等离子喷涂装置为微等离子喷涂装置。

28.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，其中供料器采用运送气体来输送粉末材料使其通过阳极。

29.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，还包括粉末贮存器，它用于在将粉末材料喷射到等离子气流中之前保存粉末材料。

30.如权利要求29所述的等离子喷涂装置，其中粉末贮存器和供料器被组合成一个装置。

31.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，其中锥形的表面角大约为8度到10度之间。

32.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，其中边缘的高度大致在电极的宽度的10％到20％之间。

33.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，还包括与供料器相连的粉末喷嘴，该粉末喷嘴延伸穿过阳极，并将粉末材料喷射到等离子气流中。

34.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，其中等离子装置在功率大约为0.5千瓦到2.5千瓦范围内操作。

35.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，其中由喷涂过程所产生的工件的最大表面温度大约为200°F。

36.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，其中等离子装置将涂覆材料以大约为2mm的宽度施加到工件上。

37.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，还包括具有屏蔽气体从其中穿过的屏蔽气体盖。

38.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，其中涂覆材料为金属合金。

39.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，其中涂覆材料为陶瓷基涂层。

40.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，还包括用于冷却等离子装置的冷却系统。

41.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，其中等离子装置可被操作以任意取向角度对工件进行喷涂。

42.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，其中等离子喷涂装置产生大约为40到70分贝之间的噪声级。

43.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，还包括围绕在一部分阴极周围的阴极罩。

44.如权利要求43所述的等离子喷涂装置，其中喷嘴位于阴极罩内的容纳孔中。

45.如权利要求43所述的等离子喷涂装置，还包括基本上环绕在阴极罩周围的屏蔽气体盖，该屏蔽气体盖可被操作以在电弧气体和外界大气之间提供作为屏障的屏蔽气体。

46.如权利要求45所述的等离子喷涂装置，还包括位于屏蔽气体盖和阴极罩之间的屏蔽盖绝缘体。

47.如权利要求26所述的等离子喷涂装置，其中阳极由商业上的纯钨材料制成。

48.一种将粉末材料喷射到等离子气流中的方法，包括：

使粉末喷嘴穿过等离子喷涂装置的阳极定位；

将粉末材料从粉末存贮器输送到粉末喷嘴；

将此粉末材料喷射到等离子气流中。

49.如权利要求48所述的方法，其中等离子喷涂装置为微等离子喷涂装置。

50.如权利要求48所述的方法，还包括：

采用运送气体将粉末材料从粉末供料器输送穿过喷嘴。

51.如权利要求48所述的方法，还包括：

采用通过阳极的电流对粉末喷嘴内的粉末材料进行预热。

52.一种等离子喷涂装置，包括：

一阳极、一阴极和一用于在阳极和阴极之间产生电弧的电弧发生器；

喷嘴，该喷嘴将电弧气体释放到电弧内，此电弧使所述气体发生电离以产生等离子气流；

供料器，该供料器将粉末材料提供给等离子气流；

其中供料器从不同于上面的等离子气流的方向将粉末材料供给到等离子气流中。

53.如权利要求52所述的等离子喷涂装置，其中等离子喷涂装置为微等离子喷涂装置。

54.如权利要求52所述的等离子喷涂装置，其中所述方向为等离子气流的下方。

55.一种等离子喷涂装置，包括：

由商业上的纯钨材料制成的一阳极；

一可操作地连接于阳极的阴极；

一用于在阳极和阴极之间产生电弧的电弧发生器；

用于将电弧气体释放到电弧中的喷嘴，电弧使气体发生电离以产生等离子气流；

用于将粉末材料提供给等离子气流的供料器。

56.如权利要求55所述的等离子喷涂装置，其中等离子喷涂装置为微等离子喷涂装置。

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