具有内通道套管的热喷枪和用于这种枪的元件 本发明涉及热喷枪，尤其涉及用于这种枪中的喷射流的通道。
也称作火焰喷涂的热喷涂包括一种诸如金属或陶瓷的热熔材料的热软化和对着一要被涂覆的表面推进颗粒型的软化材料。加热的颗粒撞击所述表面，在所述表面这些颗粒被急冷并结合在其上。在一类热喷枪中，热熔材料是以粉末形式供应给枪。这种粉末一般由小颗粒组成，例如在100目的美国标准筛号(149微米)与约2微米之间的小颗粒。夹带和传送粉末的运载气体可以是燃烧气体中地一种，也可以是诸如氮的惰性气体，或者简单地是压缩空气。其它热喷枪采用线材作为一喷涂材料源。
通过采用速度很高的氧气和燃料的喷枪(HVOF枪)可以生产出质量特别高的热喷涂材料涂覆层。这类枪有一内燃烧腔，燃烧腔中有指向短的或长的气体盖子(有时也称喷嘴)的狭窄喉部的高压燃烧流。粉末轴向或径向地被送到燃烧腔或气体盖子进行加热，然后被燃烧流推进到要涂覆的工件上。
美国专利Nos.4,417,421(授予Browning的)和5,148,986(授予Rusch的)揭示了HVOF枪的例子。HVOF枪中的粉末(或线材)喷涂材料一般在内部引导到一喷射通道，有在通道壁上沉积所导致的堆积物的趋势。这种堆积物会移位，使块团传到涂覆层上，或使通道闭塞导致背压和枪随之失灵。美国专利No.5,165,705(授予Huhne的)通过应用在燃烧腔中的一表面膜提出了这种沉积。在美国专利No.3,055,591(授予Shepard的)中，公开了用于不同用途提高加热的反射表面膜。在美国专利No.5,405,08(授予White的)中公开了一种陶瓷流喷嘴，其中陶瓷喷嘴从流动流的第一部分吸收热量，然后把该热量传导到流动流下游的第二部分。
本发明的一个目的是提供一种改进的热喷枪，尤其是一种HVOF枪，这种枪中的喷射流通道中堆积的趋向减少。本发明的另一个目的是为这种枪提供一新颖元件，这种元件减少在枪的喷射流通道中的堆积趋向。
附图示出了本发明热喷枪的一部分纵向剖面图。
用一热喷枪来实现前述和其它目的至少是部分目的，该热喷枪包括：一燃烧腔，把燃料气体和助燃气体射入燃烧腔的气体装置，一具有从燃烧腔延伸到出口端的通道的气体盖子，和把热喷涂材料送到通道的进料装置。气体盖子包括一至少形成通道的重要部分的管状内部件和用来冷却内部件的冷却装置。冷却装置最好包括使液体冷却剂在气体盖子中流动与内部件热连通的液体装置。内部件由硬度至少为Rc65的导热材料制成，这种材料最好是诸如钴基体碳化钨的金属基体碳化物。燃料气体在燃烧腔中燃烧时，含有精细分离的热喷涂材料的喷射流推出出口端，同时在通道中基本上没有堆积热喷涂材料。
在一较佳方面，气体盖子还包括一由内部件和一金属的外部件构成的喷嘴元件。内部件附在外部件内并与之热接触，外部件直接与流动的流体冷却剂接触。铜或铜合金特别适用于外部件。
还可通过用于这种枪的喷嘴元件来实现本发明的各目的。喷嘴元件包括由硬度至少为Rc65的导热材料制成的内部件，这种材料最好是一种金属基体碳化物。喷嘴元件有一贯穿的中心通道，内部件至少形成枪气体盖子的中心通道的重要部分。喷嘴元件构造成作为气体盖子的一个元件的插入件，使通道从燃烧腔延伸到出口端，以便喷射流通过通道，使得内部件与流体冷却剂热连通。
一种采用本发明的热喷枪类似于上述美国专利No.5,148,986所描述的热喷枪。根据本文所陈述的内容来改变喷枪。参阅附图，一热喷枪10包括一其上安装一气体盖子14的圆筒形气体本体(即气体用本体)12。通过喷枪的一传统阀部分(图未示)可获得来自一压缩燃料源的气体燃料，并且从诸如压缩空气或最好是氧气的压缩源获得一种助燃气体。诸如在气体盖子中环流的额加空气是可选择的，但在本实施例中不是必需的。
气体本体12包括一支承件13。用一喷嘴螺母24把喷嘴部件16、一中间部件18和后面部件20同轴夹持在一起。喷嘴部件延伸到气体盖子14，该盖子14与喷嘴部件一起形成一燃烧腔26。气体盖子有一从燃烧腔延伸到出口端30的中心通道28。对本发明来讲有利的是，气体盖子和其通道是细长的，使得通道的长度与最小的直径之比一般在5与25之间。通道的后面，即靠近喷嘴16的向前收缩的部分32延伸到一缩颈34，由此形成燃烧腔。喷嘴气体盖子的朝前收缩部分32相对于喷枪的中心轴线35的倾斜角度最好在5°与15°之间，例如12°。气体盖子通道28的伸长为热喷涂粉末提供加热和加速的延长区域。(在本文和权利要求书中所用的“朝前”或“朝前地”指朝喷枪的出口端，“后面”、“朝后”或“朝后地”指朝相对端。而“内部”指朝轴线，“外部”指离开轴线)。
气体盖子14是一个组件，该组件包括一在一圆筒形外部体40内的管状喷嘴元件38，在管状喷嘴元件38与圆筒形外部体40之间有用于冷却的水或其它流体最好是液体的槽路42。一具有螺纹45的前部保持件44把一圆筒形导流管46固定在外部体内，以起引导流道的作用。一流体传递件48包围部分外部体。该传递件有一流体入口50和出口(图未示)，和一对相连的与外部体配合形成的环形流道49，该外部体内也有一对相连的径向管道51，所有这些都相连以帮助水在槽路中流通。用一些合适的O形圈密封槽路。外部体通过螺纹54连接于气体本体12，并通过其上的一台肩53卡住元件38。
中间部件18夹持在支承件13中的一相应的孔内。中间部件和有关的元件配有多个O形圈56以保持气密的密封。中间部件18中有一第一环形槽53，该圆环槽与至少一个(例如8个)从其朝向前面的、弧形地分开设置的纵向通道55(图中示出一个)相连。中间部件18还有一个在第一槽53前面的第二环形槽57。另外至少一个(例如8个)弧形地分开设置的纵向通道58从第二槽指向前面，与第一通道55弧形地分开设置，并在第一通道55的外面。两组通道55、58通到喷嘴部件16后面部分的各自的环形空隙60、62中。
多个弧形地分开设置的管子64(例如8个)压配进喷嘴部件16中，使得这些管子从一环形空隙62往前收敛。多个来自其它空间60的类似钻孔66与管子弧形地交错。管子把燃料、孔把氧气分别输送到喷嘴面部69附近的环形混合区域68。燃料混合物从该区域喷射到进行燃烧的燃烧腔26，从而形成一通过中心通道28的高压、高速的燃烧产物流。
前述的例子示出了一种用来把燃料和氧气送入燃烧腔的装置。实际装置对本发明不是关键，它可以是传统的，或者根据需要而定。例如，气体流道可以形成为一对同心的环形气体通道。在其它实施例中，燃料和氧气进一步在气体本体后面一虹吸塞(siphon plug)或类似物中混合。另外方式每一种气体可直接导入燃烧腔，而不用先混合。
一用于热喷涂粉末的具有中心流道73的管子72从后面部件20延伸到喷嘴16，再通过喷嘴16到燃烧腔。中心流道配合入后面部件20中的轴向流道74，轴向流道74依次与支承件13中的又一流道75连接。流道75再与来自粉末供料器77的一软管76连通(借助传统的喷枪接头)。来自诸如压缩空气或氮气的压缩气体源的运载气体夹带来自供料器的粉末。粉末供料器是传统的或所需的类型，但必需能够输送压力足够高的运载气体，以便把粉末通过粉末流道输送到燃烧腔26。
供给燃烧腔的气体应该具有较高的压力，最好至少是五个大气压的压力，以便高速运行。用诸如一火花装置使可燃烧的混合物在燃烧腔中传统般地点燃，使得燃烧过的气体混合物以夹带粉末的音速或超音速流方式喷出出口端。燃烧的热量将加热软化或熔化粉末材料，或至少以足够高的速度推进粉末，在一物体上沉积喷涂层。
根据本发明，气体盖子14的喷嘴元件38包括一由硬度至少为Rc65的导热材料制成的内部件80。这种材料最好是以金属为基体的碳化物，使材料具有较高的硬度和导热率。碳化物本身最好是碳化钨、碳化铬、碳化硼、碳化钛或碳化硅。基体金属应该至少是碳化物和基体总重量的3％，并且最好是耐热金属，较有利的是纯镍或纯钴或其合金，例如在镍中铬的重量占20％，这种合金能提高耐热或其它性能。与钴基体结合的碳化钨尤其适用。碳化钨可以烧结或浇铸成所含的钴重量约在3％至20％范围例如6％钴的工具级碳化物。用于此用途的其它合适的碳化物和基体金属有镍基体碳化钨、镍钴合金基体碳化钴、镍基体碳化硼、镍基体碳化钛和镍基体碳化硅。
术语“导热”是指合理的导热性，不一定象某些金属那么好，但不同于热绝缘。套管的最终功能是传热，相当好地去掉套管中的热量，以便套管保持相对的冷，最好低于260℃(500°F)。
在一较佳实施例中，喷嘴元件38还包括一金属的管状外部件82。如上所述的由一种硬的导热金属制成的内部件80作为一套管附加在外部件内，并与该外部件热接触。外部件的外表面与槽路42中的流动水或其它流体冷却剂直接接触。套管80作为碳化物或类似物质的插入件其厚度至少为0.75mm，并通常达约8mm，例如1.6mm厚。套管可压配、铜焊或类似方式固定在外部件内。另外，可取方式是将外部件浇铸在套管上。套管80应与外部件82紧密接触，以便传导由燃烧腔产生的和通过通道的喷射流所携带的热量。外部件应该是一种良好的导热体，最好是紫铜、黄铜或其它优质铜合金。在本结构中，外部件的后端32形成通道的起始收敛部分，以界定燃烧腔。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从燃烧腔延伸。插入件应使通道光滑延伸，而没有干扰流动的显著棱边。套管虽然不一定在通道的整个长度上延伸，但应至少位于可能有喷涂材料堆积的地方，而且可向后延伸到燃烧腔。
本结构允许包括本发明的内部件的喷嘴元件38替代热喷枪中一磨损的或损坏的元件。这样一种元件也适用于诸如在前述的美国专利No.5,148,986中所示类型的热喷枪中的已有技术的元件。
还可使用其它结构。例如，通道28可朝外端扩张，以提高超声流的发育，如在此援引作为参考的上述美国专利No.4,416,421。在另一个例子中，内部件80可构造成与冷却流体直接接触的自支承件形式的喷嘴元件，因此没有外部件。虽然可冷却的内部件特别适用于一细长的气体盖子和通道，但也可用于一较短的气体盖子中，例如在上述的美国专利No.5,148,986中有关图4所揭示的类型。一短气体盖子基本上只由一外部件和一内部件所形成，其中暴露于空气的外表面构成一冷却装置以提供足够的冷却。在另一个实施例中，可用从外部件朝外延伸至环境空气、或进入一冷却流或与喷射过程一起使用的空气幕(shroud air)中的多个叶片来替代液体冷却，从而获得空气冷却。
一般用适合本发明的任何传统或所需的方式引入喷涂材料。如图所示或用更远的管子73，可轴向送进粉末入燃烧腔26或通道28。另外，可通过一在热喷枪的轴线35附近的一环小孔(图未示)来喷射粉末。用另一个替换方法，喷涂材料可以传统的方式径向地送进通道中。虽然描述了用于一种粉末热喷涂材料的本发明，但它也可与一种喷射线材类材料的枪、尤其是使用短的空气盖子的枪一起使用。
在本例子中，气体盖子的内端形成与喷射燃烧气体的喷嘴的表面配合的燃烧腔。在其它情况下，本发明可与一个在枪体中的而与气体盖子分开的燃烧腔相结合，如在上述的美国专利No.4,416,421所公开的那类枪。在那种情况下，喷射流的通道包括一连接入燃烧腔的正交部，硬的内部件在正交部之后的喷嘴部分中。
已经知道本发明的具有细长气体盖子的热喷枪可以长期运行喷射氧化铝、具有25％铬的镍合金、镍-铬-硼-硅自熔化合金和以镍-铬合金为结合剂的碳化铬。这种喷涂进行时基本上不会在通道中聚集热喷涂材料。这个已显示出显著改进优于没有这样一种套管的类似热喷枪，也优于在中心通道中镀铬的枪。
虽然已结合具体的实施例详细描述了本发明，但纳入落在本发明的基本精神中的和所附的权利要求范围之内的各种改变和变型对于本技术领域中的熟练技术人员来讲是显而易见的。因此，本发明将仅受所附的权利要求或其等同权利要求所限制。