高速火焰喷射设备和材料成形方法技术

一种能够形成高能的原料粒子流的超音速火焰喷射设备。它有一个产生火焰前沿和高速扩散放热反应的会聚喷口。燃料气体注入火焰前沿，细粒原料送入会聚喷口，由燃烧气体高速射流喷射出枪筒。筒外有双金属丝电弧装置。两个相对的金属丝端部由电弧熔融，而后由射出枪筒的超音速准直粒子流雾化，形成包含两种不相同原料的复合材料粒子流。本设备也提供喷射成形的材料，包括致密的金属基复合材料，它们可以成形为涂层或独立的近净形状物件。（*该技术在2009年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及火焰喷射设备和热喷射物料的方法。更具体地说，本专利技术涉及一种高速火焰喷枪，该喷枪利用连续的高速扩散反应以生产极致密的物料，如涂层和独立式的近净形状(nearnetshape)。本专利技术也提供用热喷射成形的高度致密的材料，它们具有优异的冶金和物理特性。热喷射用于许多种工业，用以在金属衬底上产生保护涂层。最近，热喷射法已经成了注意的焦点，用以制造作为涂层和作为独立的近净构件的高技术复合材料。通过加热和加速一或多种物料的粒子以形成高能粒子流，热喷射提供一种方法，利用这种方法可使金属粉末之类物料迅速地沉积在靶子上。虽然许多参数决定喷射涂层或喷射物件的组成和显微结构，但粒子撞击靶子的速度是决定沉积物的密度和均匀度的重要因素。一种被称为“等离子体喷射”的先有技术沉积技术利用高速气体等离子体将粉末物料或细粒物料喷射到衬底上。为了形成等离子体，一种气体在喷枪的喷嘴中流动通过电弧，使气体电离成等离子体流。等离子体流温度极高，常常超过10，000℃。被喷射的物料通常为约20至100微米的粒子，它们被等离子体夹带。可以达到超音速的速度。虽然等离子体喷射产生高密度涂层，但它是一种需要昂贵的设备和相当熟练的应用技术的复杂工艺。也曾利用一种燃烧火焰来将金属粉末和其它物料喷射到衬底上。一种燃料气体如乙烯和含氧气体的混合物流动通过喷嘴，而后在喷嘴顶部点燃。待喷射的物料计量进入加热物料的火焰并被推进到靶子表面。原料可以是金属棒，它可以沿轴向通入火焰前沿的中心，或者另一种办法是，金属棒可以沿切向送入火焰。同样，金属粉末可以利用载气沿轴向注入火焰前沿。许多燃烧火焰喷枪使用一个重力进料机构，粉末原料利用这个机构简单地滴入火焰前沿。但是，常规的燃烧火焰喷射一般为处于亚音速范围的低速操作，通常产生孔隙率很高的涂层。在另一种喷射技术中，在两个可以消耗的金属丝电极之间产生一个电弧区。当电极熔化时，通过将电极连续地送入电弧区来维持电弧。电极头部的熔融金属通过吹送压缩气体来雾化。而后用气嘴将雾化金属推进到衬底上，形成沉积物。常规的电弧热喷射涂层通常是致密的，比较好地避免了氧化物，但是该工艺限于导电的能制成丝或棒形状的原料，这在某些用途中是不合用的。最近，一种改型的燃烧火焰喷射已经生产了高密度的物件，这种物件的冶金和物理性能优于用常规的火焰喷射技术生产的物件。这些装置通常被称为“超音速”火焰喷枪，一般包括一个内燃室，其中燃烧燃料气体如丙烯或氢和含氧气体的混合物。膨胀的高温燃烧气体受迫通过喷嘴，在喷嘴中燃气获得超音速。而后将原料如金属粉末送入高速火焰喷嘴，以产生高温高速的粒子流。被夹带粒子的速度产生密度高于其它亚音速燃烧火焰方法的涂层。这些装置的例子于Brow-ning的美国专利4，342，551号、4，643，611号和4，370，538号与Oeschale等人的美国专利4711627号。Smith等人的美国专利2，861，900号记载了另一种火焰喷射设备。其中，一种流体可燃混合物在一个筒体或喷嘴元件中点燃，该元件由一个从入口到出口都不缩小的有限空间组成。原料如金属粉末被沿轴向引入不缩小的筒体中，金属粉末穿过筒体被推向靶子。注入器喷嘴的轴向洞孔被用来传送燃料气体和原料。因此，原料在燃烧前被夹带入燃料气体。在燃烧期间，粒子轨道获得径向分量，它们可以使靠近筒体壁的受热原料粒子撞击和积聚在壁面上。此外，由于粒子注入地点和燃烧区之间的长距离，这种粒子运动的作用得到增强。这种径向速度同时减小粒子的平均速度。如将会更充分地说明的，本专利技术克服了这些限制，并由于提供一种超音速火焰喷射设备而具有许多别的优点，设备中产生一种稳态的连续高速扩散反应，这种反应产生轴向准直的粒子流，而且这种设备能够独立地调节粒子注入速率和燃料气体流动速率。先有技术热喷射方法已被用来同时喷射两种或多种不同的材料，从而形成复合材料。已经通过热喷射工艺外的其它技术制成了陶瓷-陶瓷复合材料和被称作“金属陶瓷”或“金属基复合材料”的涂层和独立的近净形状物件。也可以通过利用一个喷枪制成第一种粒子流而后将其与从另一喷枪来的粒子流相组合以形成靶子表面上的组合喷射的办法来制造材料。Gazzard等人的美国专利3，947，607号中公开了以这种方式制造保护涂层的方法，简要地说明了使用电弧枪和独立的氧-燃烧气体金属化枪来制造组合喷射沉积物的方法。但是，使用双喷射枪制造的涂层并不具有优异的性能。此外，使用两个独立的喷枪来制造复合材料涂层既困难又笨重。因此希望提供一种单一的喷枪，它可以用于制造复合材料如金属基复合材料，而且它兼有超音速火焰喷射和电弧喷射的优点而不存在它们的缺点。本专利技术通过提供一种超音速火焰喷射系统来达到这些目标，在该系统中，第一物料的高能粒子流雾化熔融的第二物料从而形成复合材料粒子流。本专利技术的超音速火焰喷射设备、系统和方法特别地(但并非唯一地)适合于形成本专利技术的改进的涂层和制品，包括金属基复合材料和近净形状。改进的火焰喷射设备结构简单，可以在低的气体消耗速率下操作，相对说来是不需要维护的。生成的高性能、良好结合的涂层基本上是充分致密的，具有锻制材料的某些特性，组分基本上是均匀的。因此，本专利技术的设备、方法和材料组分具有超过已知先有技术的显著优点。本专利技术的用来制造复合材料包括金属基复合材料的超音速火焰喷射设备，包括一种超音速热喷枪，它接受的原料最好是粉末原料或细粒原料，喷枪原料加热，并将细粒形状的受热原料加速到超音速。所公开的超音速热喷枪实施例包括一个具有入口和出口的管状筒体部分，该入口接受受热和加速的细粒原料，该出口使受热和加速的原料以超音速指向一个靶子。下面说明的本专利技术的热喷枪的最佳实施例，将燃料和氧化剂的气体燃烧产物加速到音速的几倍。利用对出射粒子流中产生的外部“菱形激波”进行计数的办法测量各种进料速率时的出射气体速度表明，用本专利技术的火焰喷射枪可以获得极高的速度。其次，用这个方法比较本专利技术的超音速火焰喷射设备和其它“超音速”火焰喷射表明，本专利技术的火焰喷枪可以获得比先有技术装置更高的速度。基于公认的计算方法，出射细粒物料的速度应当是超音速的。如下所述，在任何情况下，利用本专利技术的改进的超音速火焰喷射设备所生成的涂层具有优异的性能。此处使用的“超音速”，是一类通常等于或大于声音速度的任何速度。在成形复合材料(包括金属基复合材料)的过程中，超音速火焰喷射设备在一种实施例中还包括一个用于在受热和加速的粉末原料从筒体部分的出口射出时将原料(最好是熔融金属原料)送入该粉末原料的液体进料机构。于是加速的细粒原料雾化液体原料，并使大体上均匀分布在受热细粒原料中的雾化液体原料射向靶子。热喷射时生成的涂层或复合材料基本上是充分致密的，复合材料的组成基本上是均匀的。在最佳实施例中，设备包括一台双丝电弧热喷射装置，该装置包括用于将两条金属丝的端部连续地送入筒体部分出口附近的受热加速细粒原料中的机构和一个电源机构，该电源机构在两条金属丝的端部之间建立电弧，熔化金属丝端部，并形成液体金属原料。在超音速热喷射设备用于形成金属基复合材料时，粉末或细粒原料可以是难熔物料，包括难熔氧化物、难熔碳化物、难熔硼化物、难熔硅化物、难熔氮化物和它们的复合物及碳晶须。所公开的实施例中的液体原料，可以是液态的或熔融状态本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超音速火焰喷射设备，它包括：一个座体，该座体限定一个洞孔，该洞孔有一个接受原料和不活泼载气的入口和一个出口；上述座体还限定一个与上述洞孔出口沿轴向准直并相通的会聚喷口，该会聚喷口具有一个会聚锥形壁和一个喷口出口，会聚锥形壁面对上 述洞孔出口并与其隔开，喷口出口位于该会聚锥形壁的顶点，大体上与上述洞孔沿轴向准直；上述座体还限定一个环绕上述洞孔的环状燃料通道，该环状燃料通道有一个接受燃料的入口和一个邻近上述洞孔出口并与上述喷口相通的出口；上述座体还限定一个环绕上 述燃料通道的环状氧化剂气体通道，该环状氧化剂气体通道有一个接受氧化剂气体的入口和一个邻近上述洞孔和燃料出口并与上述喷口相通的出口；上述喷口在混合之前从上述两个环状通道出口接受上述燃料和氧化剂气体，而上述锥形壁与上述两个环状通道出口相隔足 够远，使得上述燃料和氧化剂气体能够在上述喷口中混合和燃烧，上述会聚喷口中的这种燃烧将气体燃烧产物加速到高速通过位于与上述洞孔沿轴向准直的上述锥形壁的顶点处的上述喷口出口；以及一个筒体，它与上述洞孔沿轴向准直，并与上述喷口出口相通，该筒体 有一个接受上述气体燃烧产物和上述原料的开孔，并有一个射出受热原料的出口。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔R马兰兹，
申请(专利权)人：萨尔泽血浆技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]