專利名稱:產生具有加熱并展寬等離子噴射的等離子流的方法及裝置的制作方法
本發明涉及的是產生具有加熱并展寬等離子噴射的等離子流的方法及裝置，尤其是，它涉及使用感應線圈來加熱從等離子噴射槍噴出的等離子流。
等離子噴槍經常被用于將材料，例如金屬或陶瓷噴涂到一個物體工件上，進行涂膜或成型，該工件通常被稱作靶。在典型的等離子體噴涂操作中，沉積材料先被形成粉狀質點，然后這些質點注入到等離子體中。理想的情況，來自等離子體的熱射流氣體加熱粉末質點到其熔點，并加速質點以備沉積在靶上。如果全部注入的質點被相同地加熱和加速，以及如果全部的質點停留在等離子體氣流中，直到被傳送到靶上，則沉積材料具有高的均勻密度及高強度。但是實際上，事實不是這種情況。一般情況是，來自通常的等離子體噴射操作所形成的沉積物，在眾所周知的，例如“活潑點”范圍內，即在沉積的中心比起圍繞沉積中心的“邊緣區域”具有較高的密度和強度。
在“邊緣區域”內材料性能降低的原因之一是由于沒有均勻的加熱加速粉末質點。在許多通常的等離子體噴槍內，等離子體的溫度從等離子體流的中心到其半徑外沿迅速地降低。注入質點的最佳加熱及加速度，產生在距離等離子體流中心相當窄的半徑以內。此外，等離子流的總溫度當等離子體流朝向靶時迅速降低。在靠近靶處等離子流的徑向截面的平均溫度顯著地低于位于等離子流剛噴出等離子槍時的相類似截面的平均溫度。所以等離子體射流的溫度沿著兩個方向即軸向和徑向均衰減。此溫度衰減的結果是被運送到靶面上的質點在等離子體流的外層沒有足夠加熱到熔化所致，(當質點被沉積在靶面上時)或者，甚至于當剛從等離子槍噴出時雖是熔化的，但可能質點在到達靶面前已經凝固了。因此，要求等離子體流能提供更大的最佳質點加熱半徑，以維持注入質點直到他們沉積在靶面上以前一直處于熔融狀態。
因此，本發明的一個目的是提供加熱和展寬從等離子噴槍流出的等離子流的方法。
本發明進一步的目的是提供一種采用感應線圈以便加熱和擴展從等離子體噴槍射出的等離子流。
本發明的另一目的是提供產生等離子流的一種方法，它能體現改善等離子流的溫度分布和展寬了的等離子流。
本發明的另一目的是提供一種加熱和展寬從等離子槍流出的等離子流的裝置。
本發明還有另一個目的是提供一種等離子流噴管，帶有感應線圈以便加熱從中流過的氣體流。
本發明尚有另一個目的是提供能產生具有加熱及展寬等離子流的裝置。
發明的簡要說明根據本發明的一個具體方案是，加熱和擴展從等離子槍流出的等離子流的方法，它包括將等離子流沿著一個感應線圈的中心軸定向并有高頻交流通過線圈。這樣使得等離子流的外層加熱得比射流中心部位更甚。所以這樣等離子流的平均溫度便增高了。產生具有更熱更寬的等離子流的優選方法通常包括建立在氣流中的等離子體放電，沿著第一個進氣端感應線圈的中心軸方向，其中通以高頻交流，由于導引氣體而產生等離子流，并且至少有部分等離子體放電，穿過噴管喉部的通道，然后加熱從喉部通道噴出的等離子體流，借助以上所述的方法，采用第二個出口端感應線圈。
按照本發明的另一個具體方案是實施本發明的裝置，包括具有進口和出口的等離子體槍，在其內可以建立等離子體放電，這樣等離子流通過等離子體槍的出口噴出。具有流體通道在其中的加熱器殼體以流體聯通的形式和等離子體槍的出口相連接，這樣可以使等離子流導向穿過流體通道。該裝置還包括一個加熱器感應線圈，安置在流體通道外面的周圍，以及對感應線圈通以高頻交流的方法，以便加熱等離子體流，在一種優選的具體方案中，上述裝置所采用的等離子體槍包括一個外套，它具有一個流體通道，帶有一個進氣口和一個出氣口，在通道的進氣端和出氣端之間有一個喉區窄道，以及另一個感應線圈，放置在流體通道進口端的周圍。一種能夠產生具有加熱并展寬等離子體流的裝置包括上述的裝置，并且進一步包括引入高速氣體流進入等離子槍的方法以及對每個感應線圈通以高頻交流的方式。
本發明的主題要點已被詳細地指出并清楚地記載在說明書的結尾部分。本發明自身，無論如何，關于其組織和其實施方法兩者，連同進一步的目的和由此帶來的優點，可以通過參考下列的描述并連同附圖一起得到最佳地認識理解。
其中圖1是側視剖面圖，示意地說明本發明的一種具體方案。
圖2是類似于圖1的視圖，示意地說明本發明的另一種具體方案。
圖3是類似于圖2的視圖，示意地說明本發明還有另一種具體方案。
直接的申請人已經發現，要產生等離子噴射沉積，具有較大的“活潑點”并減少“邊緣區”，則等離子流從所使用的等離子體噴槍噴射出，為了形成沉積層，應當進一步加熱并展寬。按照本發明，為達此目的的方法，包括將等離子流沿著出口感應線圈的中心軸定向，并且對出口端感應線圈通以高頻交流，以使同時實現加熱等離子體流外層，并提高射流的平均溫度。最好，流經感應線圈的高頻交流的大小及頻率選擇得使流過的電流能產生功率輸出大約為20千瓦和100千瓦之間。振蕩電流的頻率最好選取在大約500千赫和10兆赫之間。正如圖1的側視剖面圖示意的那樣，等離子流14從等離子體噴槍10噴出，并且沿著出口端感應線圈12的中心軸行進，該線圈包括有感應線圈的幾個繞組匝。當高頻交流通過感應線圈12時，產生一個高頻感應磁場，通過它，能量被耦合到等離子流14中。此能量的轉換能夠加熱等離子流14的外層，高于它加熱射流的中心部位;由此能夠減少等離子流14沿半徑方向的溫度衰減。這樣，等離子流14可以構成具有基本上平擔的徑向溫度分布。在這樣情況下，加熱等離子流14結果造成一個更寬更大直徑的等離子體束，如圖1中等離子流層16所示。隨著等離子流束直徑的增大，則質點能夠更容易地保持在等離子體流的區域之內。其次，隨著較大直徑的束流，則在束流內，其等離子體溫度是最佳的園截面積具有較大的半徑。內感應線圈12的能量轉換，加熱等離子流14亦就增加了等離子流14的平均溫度，由此減少了質點熔化溫度沿軸向的衰減效應。作為這三種作用的結果，即減少沿半徑方向的溫度衰減，展寬了等離子流以及增加了平均束流溫度，所以注入到等離子流中的材料質點當沉積在靶面之前被加熱地更加均勻及更完全地熔化。這個效果尤其顯著地表現在邊緣層區域的質點。沒有使用本發明方法來加熱和展寬等離子流時的材料質點在到達靶以前不能加熱到熔融態或者即使熔化后又重新凝固了。而當利用了本發明的方法時，則能夠更好的加熱并更完全地熔化。
由本發明所提供的另一個優點是由于加熱了圍繞在等離子流束外的氣體，它是由流經出口端感應線圈的高頻交流所致，所以這樣便增加了等離子流束和圍繞它的氣體之間的磨擦，由此便降低了流束的速度。這種降低的流速導致注入質點以較長的時間停留在等離子體流的熱氣流內，并因此，改善了對質點的加熱，所以能夠看出本發明的方法導致較大數量的加熱適當的質點擊中靶面。
適宜于實施上述方法的一種裝置的具體方案，用來加熱并展寬由等離子槍噴出的等離子流，由圖2的側視剖面圖示意地說明。等離子體槍18包括進口22，用以接收高速流的氣體(未在圖2中表示)。等離子體槍18也還包括陰極26及陽極20，用以產生電弧，并由此激發在氣體中的等離子體放電，如圖2中所示的電弧放電28。等離子槍18也還包括出口24，以使從等離子槍18噴出至少一部分等離子體放電。例如等離子體流32。加熱器外套34具有流體通道30，從中穿通并連接到等離子體槍18，這樣使得流體通道30與等離子體槍18的出口24形成流體相連通，并且這樣可使等離子體流32直接穿過流體通道30。加熱器的感應線圈36安置在流體通道30的外部周圍。在圖2中的具體實施例中，感應線圈36進一步安排得使線圈縱軸和流體通道30的縱軸同軸心。同時在所示的實施例中，流體通道30呈園筒形，而感應線圈36呈螺旋形地卷繞在流體通道30的外面。該裝置進一步包括通常的構成(未在圖2中示出)，即與感應線圈36的電氣聯接以便將高頻交流輸入，用于加熱等離子流32的外層高于其中心部位，并提高等離子體流32的平均溫度。
雖然在圖2中所示的等離子體槍18包括的是直流電弧噴射等離子槍，它也可以包括無電極放電射頻等離子槍。如圖3所示。圖3是按照本發明的另一種具體方案的等離子體噴管側視剖面圖。噴管包括殼體40，具有主要的流體通道42，在其一端是輸入開口44，并且是流體相連的，并在流體通道42的另一端設置有輸出開口48，而且也是流體相連通的。在所示的具體實施例中具有流體截面縮小了的喉區46，設置在流體通道42的輸入開口44和輸出開口48之間，以便加速流經喉區46的氣體，并且形成出氣射流。盡管如此，應當理解為射流也可以用其它通常方式來形成。第一或進氣端感應線圈50設置在流體通道42的輸入口端，第二或出氣端感應線圈52設置在流體通道42的輸出口端。第一感應線圈50及第二感應線圈52每個都環繞在流體通道42的外面。在圖3中所示具體實施例中，第一和第二感應線圈50及52應進一步放置得使它們的縱軸分別每個都與射流通道42的縱軸相同軸心。而且在所示具體方案中，射流通道呈園筒形，并且第一和第二感應線圈50及52每個都是螺旋形地卷繞在射流通道42的外面。對于某些需要的應用場合，第一和第二感應線圈50及52可以電氣相連接，這樣它們便構成一個單回路電路。
按照本發明的另一個具體實施例是一種產生具有加熱及展寬的等離子體射流的方法，它包括導入氣體流，等離子體建立在其中，以高的速度沿著第一個進口端感應線圈的中心軸運行，并且在第一個感應線圈內通以高頻交流，以便加熱氣體，并在其中激發等離子體放電。該方法包括由氣流形成的等離子流，并且至少還包括等離子體放電的一部分。形成等離子體流的方法是，引導氣流并部分等離子體放電通過縮小射流截面積的喉區通道，以便在穿過喉區時加速氣流，并產生等離子體流。該方法進一步包括將所形成的等離子流沿著第二個出口端感應線圈的中心軸導向。高頻交流流經第二個感應線圈，以便加熱等離子流的外層，甚于其中心部位，并提高等離子體流的平均溫度。在一個優選實施例中，高頻交流通過第一個感應線圈，產生大約為20千瓦到100千瓦的輸出功率，并且高頻交流通過第二個感應線圈時，類似地也產生約20千瓦100千瓦的輸出功率。對每個線圈來說，流經線圈的電流最好由頻率約為500千赫到10兆赫的振蕩電流構成。同樣最好選取氣流沿著第一個感應線圈的中心軸的前進，其速度大約為5米/秒到50米/秒之間。圖3的等離子流噴管尤其適合于實施本發明的這個具體方案。能夠產生具有加熱及展寬等離子流的裝置包括圖示中的等離子流噴射管，并進一步包括通常的構件(未在圖3中表示)用來導引高速氣流進入射流通道42中，與輸入進口44流體相通。該裝置還包括通常的機構(也未在圖3中示出)，與第一個感應線圈50電氣連接，其內通以高頻交流，以便沿著線圈50的中心軸方向來加熱氣流，并且在穿過射流通道42的氣流中激發等離子體放電56。該裝置此外還包括通常的機構(同樣未在圖3中示出)即和第二感應線圈52的電氣連接，用來接通高頻交流，以便加熱穿過喉區56所形成射流58的外層，高于射流58中心部位的加熱，并且，提高射流58的平均溫度。按照本發明的這個實施方案所產生的等離子流，除了上述所希望的特點以外，還有一個優點其特征是寬且長的等離子體放電，具有接近平坦的徑向溫度分布。而且，在氣體中建立等離子體的射流速度可以十分低，這樣，材料質點注入到等離子體中的停留時間可以非常長。同樣地，等離子體密度能夠做得十分高，由此，便促進了從等離子體將熱轉換到被注入的質點上，并進一步完善對質點的熔化和加速;以及靶的完美特性。
以上敘述了加熱并展寬來自等離子噴槍的等離子流的方法，是采用了出氣端感應線圈來加熱和擴展等離子流的。本發明也提供了一種手段來產生等離子流，沿著徑向和軸向兩個方向都具有較小的溫度衰減。此外，本發明還提供了具有用感應線圈來加熱穿過氣體流的等離子流噴管，以及能夠產生具有加熱和展寬等離子體束流的裝置。
只要本發明已經詳細地闡述并與一定的優選實施例相一致，那么許多變更和變化在這里是可以被熟練的技術人員所實現的。例如當該裝置已經在如圖中所示的那樣，具有一般的園形截面，則應當理解為其它截面形狀也是可以使用的，例如矩形或橢園形截面。其次，雖然在圖2及圖3中所示的感應線圈繞組是嵌入在殼體內的，這意味著繞組可以安裝在殼體內表面，也可以安裝在殼體的外表面。此外，盡管圖2的殼體34和圖3的殼體40兩者被指名為石英材料，那么也可以采用其它耐熱的電絕緣材料。如果裝置是這樣制造的，能使得由感應線圈所產生的射頻能量的吸收在每個殼體34和40中要減少至最小值，那么殼體34和40甚至于可以是由金屬做的。同樣，雖然圖2中的陰極26及陽極20被指名由金屬構成，那么其它導電材料也是可以采用的。因此，意圖是用附加的權利要求
來復蓋所有這樣的變換和變化作為屬于本發明的真正的精神實質和范圍。
權利要求
1.加熱和展寬從等離子噴槍排出等離子束流的方法，包括沿著感應線圈的中心軸引導所述的等離子流；及對所述的感應線圈通以高頻交流，以便加熱所述等離子流的外層甚于其中心部位，同時還增高了所述等離子流的平均溫度。
2.權利要求
1的方法，其上述的高頻交流通過上述的感應線圈產生約為20千瓦到100千瓦的輸出功率。
3.權利要求
1的方法，其所述的高頻交流是由頻率約為500千赫到10兆赫的振蕩電流構成。
4.具有加熱及展寬等離子體噴射的產生等離子體流的方法，包括引入氣體流，在氣體流中形成等離子體，以高速沿著第一感應線圈的中心軸方向行進;對所述第一感應線圈通以高頻交流，以便加熱上述的氣體，并在其中激勵等離子體的放電;從所述的氣體形成等離子體射流，并且至少形成一部分所謂的等離子體放電;沿著第二感應線圈的中心軸引導上述的等離子體射流;及對上述的第二感應線圈通以高頻交流，以便既加熱所述等離子射流的外層，甚于其中心部位，也增加了所述等離子體射流的平均溫度。
5.權利要求
4的方法，其沿第一感應線圈中心軸方向的所述氣體流的速度大約在5米/秒至50米/秒之間。
6.權利要求
4的方法，其通過上述第一感應線圈的高頻交流能產生大約10千瓦到100千瓦之間的輸出功率，并且通過上述第二感應線圈的高頻交流也能產生大約20千瓦到100千瓦之間的輸出功率。
7.權利要求
4的方法，其通過上述第一感應線圈的所述高頻交流包括頻率約為500千赫到10兆赫之間的振蕩電流，并且通過上述第二感應線圈的高頻交流也包括頻率約為500千赫至10兆赫之間的振蕩電流。
8.權利要求
4的方法，其中所述等離子體射流的形成步驟包括引入所述氣體流，并且至少有一部分等離子體放電穿過縮小流體截面積的喉區通道，以便加速所述氣體流穿過所謂的喉區并且產生等離子體射流。
9.產生等離子體射流的裝置，包括等離子體槍，具有進口和出口，以便接收高速氣體流，并在該氣體中激發等離子體放電，并且至少噴出部分所述的等離子體放電，以等離子體射流形式穿過上述等離子體槍的出口;加熱器殼體，在其內具有穿通的流體通道，和上述等離子體槍的出口是流體相連通的，這樣，上述的等離子體射流便被引導穿過上述流體通道;加熱器感應線圈環繞安裝在上述流體通道的外邊;對上述加熱器感應線圈通以高頻交流的手段，該手段與上述線圈是電氣連接的，因而導致既加熱了上述等離子體射流的外層甚于其中心部位，也增高了上述等離子體射流的平均溫度。
10.權利要求
9的裝置，其所述的加熱器感應線圈是進一步這樣安裝的，使得上述線圈的縱軸與上述流體通道的縱軸具有相同軸心。
11.權利要求
10的裝置，其所述的流體通道呈園筒形，并且上述的加熱器感應線圈呈螺旋形卷繞在上述流體通道的外面。
12.權利要求
9的裝置，其所述等離子體槍是一個直流電弧射流等離子體槍。
13.權利要求
9的裝置，其所述等離子體槍是一個無電極的射頻等離子體槍。
14.等離子體噴管，包括具有主流體通道的殼體;輸入開口端設置在上述流體通道的一端，并與后者是流體相連通的;輸出開口端設置在上述流體通道的一端，并與后者是流體相連通的;第一感應線圈設置在上述流體通道的進口端，該第一感應線圈卷繞在上述流體通道的外面;及第二感應線圈設置在上述流體通道的出口端，該第二感應線圈卷繞在上述流體面道的外面。
15.權利要求
14的等離子體噴管，其上述第一及第二感應線圈是這樣安裝的，即每個上述的感應線圈的縱軸應和上述流體通道的縱軸具有相同軸心。
16.權利要求
15的等離子體噴管，其所述流體通道呈園筒形，并且上述的第一及第二感應線圈，其每個均為呈螺旋形地卷繞在上述流體通道的外面。
17.權利要求
14的等離子體噴管，其所述第一及第二感應線圈是電氣相連的，這樣它們就構成了一個單回路電路。
18.權利要求
14的等離子體噴管，進一步包括喉道，在這里流體截面積被縮小了，設置在上述的主流體通道內，位于其入口端和出口端之間，以便加速流經喉區通道的氣體，并在該喉道的輸出端形成等離子體射流。
19.產生具有被加熱及展寬等離子體噴射的等離子流的裝置，包括權利要求
14的等離子體噴管，并且此外還包括將高速氣流導入上述流體通道的手段，該流道與上述輸入開口是流體相連通的;對上述第一感應線圈通以高頻交流的手段，該手段和上述第一感應線圈電氣相連接，以便加熱流經上述流體通道的氣體，氣體沿著上述第一感應線圈的中心軸行進，并且在氣流內激發等離子體放電。對上述第二感應線圈通以高頻交流的手段，該手段和上述第二感應線圈是電氣連接的，以便加熱由上述氣體形成等離子體束流的外層，它使在其中受激發等離子體放電的，流經上述流體通道，并且也是為了增高該等離子體束流的平均溫度。
20.產生具有被加熱及展寬等離子體噴射的等離子體流的裝置，包括權利要求
16的等離子體噴管，此外還包括將高速氣流引入上述流體通道的手段，該流道和上述輸入開口是流體相連通的。對上述第一感應線圈通以高頻交流的手段該手段與該第一感應線圈電氣連接，以便加熱流經上述流體通道的氣體，它沿著第一感應線圈的中心軸方向行進，并且便于在其中激發等離子體放電。對上述第二感應線圈通以高頻交流的手段，該手段是實施對第二感應線圈的電氣連接，以便加熱由上述氣體形成的等離子體束的外層，其中具有受激發的等離子體放電，流經上述的流體通道，并致使上述等離子體束的平均溫度增高。
21.能產生具有被加熱和展寬了的等離子體噴射的等離子體流裝置，包括權利要求
17的等離子流噴管，并進一步包括引入高速氣流進入上述流體通道的手段，該流體通道與上述輸入進口是流體相連通的;對上述電氣連接的第一及第二感應線圈，通以高頻交流的手段，該手段是實現對所述單回路電路的電氣連接，以便加熱流經上述流體通道的氣體，并在其中激發等離子體放電，并且也是為了加熱從該氣體形成的等離子體射束，在該氣體中具有受激發的等離子體放電，流經上述的流體通道，以便加熱該等離子體射束的外層，甚于其中心部位，并且還增高該等離子體射來的平均溫度。
22.能產生具有被加熱及展寬的等離子體噴射的等離子體流的裝置，包括權利要求
18的等離子體噴管，并且進一步還包括將高速氣流引入上述流體通道的手段，該通道與上述輸入開口是流體相連通的;對上述第一感應線圈通以高頻交流的手段，該手段是與該第一感應線圈電氣連接的，以便加熱沿著上述第一感應線圈的中心軸方向流經該流體通道的氣體，并且也是為了激發其內的等離子體放電;及對上述第二感應線圈通以高頻交流的手段，該手段是與該第二感應線圈電氣連接的，以便加熱通過喉道所形成的等離子體射束的外層，并且也為了增高該射來的平均溫度。
專利摘要
加熱及展寬從等離子體噴槍噴出的等離子體射流的方法，即將射流沿著輸出端感應線圈的中心軸導如并對該線圈通以高頻交流電以使等離子體射流的外層被加熱到高于其中心部位射流的平均溫度。產生等離子體噴射的優選方法包括沿著另一輸入感應線圈中心軸流動的氣體產生等離子體放電，并引入氣流，至少有部分等離子體穿過喉道放電以形成等離子體噴射。實施本發明較好裝置包括殼體，喉道第一和第二感應線圈，引入高速氣流的裝置，通入高頻交流電的裝置。
文檔編號H05H1/18GK85104800SQ85104800
公開日1986年12月17日 申請日期1985年6月22日
發明者弗林特, 長松武志 申請人:通用電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan