[发明专利]在悬浮液等离子喷涂工艺中利用被护罩的等离子喷涂或被护罩的液体悬浮液注射的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及悬浮液等离子喷涂，并且更具体地讲涉及用气体的惰性护罩、护套和/或屏蔽物来护罩、护套、和/或屏蔽悬浮液等离子喷涂流出物或液体悬浮液的方法和系统。

 

背景技术

常规的等离子喷涂技术主要使用粉末进料机来将粉末涂层材料递送到等离子喷涂枪的等离子体射流中。然而，该技术通常受限于使用至少+350目的粒子(即，大约45微米的中值粒度，其中50%粒子小于中值粒径并且另外50%粒子大于中值粒径)。当粒度降低到+325目以下时，将粉末涂层材料直接引入等离子体射流变得逐渐更困难。细粒子往往会紧紧包络和附聚，增加常规粉末进料系统中堵塞的可能性。

除了堵塞之外，常规的等离子喷涂技术还因其他原因不合适于细粒子的使用。因为细粒子的小质量，结合等离子体射流的极端速度，细粒子往往在径向注射期间偏离等离子体射流的界面层而不渗透界面层。渗透细粒涂层粒子必要的速度过大而在不干扰流出物本身的情况下不能物理地实现。存在将速度提高到此程度的实际限制。

涂覆更细粒子的需要是在热障涂层中使用所需的。更细粒子通常导致更密涂层和更细微结构特征，包括例如更小的层状长条和微粒。更细粒子也往往会产生具有改进微观结构的涂层部分。因为相对于其小质量而言其很大的表面积，细粒子还更容易熔化。

悬浮液等离子喷涂(SPS)已作为沉积更细粒子的手段出现。SPS为等离子喷涂技术中相对较新的进步，其利用涂层组分或颗粒材料的亚微米粒度粒子的液体悬浮液，而非干粉，作为涂层介质。液体充当用于亚微米尺寸粒子的载体，该亚微米粒度粒子否则倾向于会附聚，限制或消除去往喷枪的粉末流动。液体还显示出作为热活化溶液的功能，其沉淀固体或与悬浮粒子反应。主要由于使用悬浮于液体载体中的极小粒子，悬浮液等离子喷涂工艺已证明具有生成与众不同性质的独特涂层微观结构的能力。液滴还提供额外质量以赋予由径向注射夹带所必要的动量。

尽管SPS比常规的等离子喷涂技术有所改进，但目前SPS系统和工艺继续受累于多种缺点。例如，常规的SPS通常产生这样的涂层，其具有不受控制的微观结构晶粒大小和/或缺乏定向取向生长，两者均可导致差涂层性质。在基底和沉积涂层材料之间发生不利化学反应，进一步加重微结构问题。

此外，可能需要喷嘴位置和沉积点之间较长的相隔距离来充分涂覆复杂几何形状，例如涡轮叶片。然而，较长的相隔距离可能提供涂层组分过度的驻留或停留时间，从而导致涂层组分在达到基底之前冷却和再硬化。减小相隔距离可导致不充分加热，使得颗粒状不可能吸收足够热量并且完全熔化。在这两种情况下，最终结果为缺乏对基底的颗粒附着力，从而降低材料的沉积效率。涂层组分的更细颗粒尺寸具有增加的表面积，其可以比通常在标准等离子体技术中遇到的更快的速度迅速加热和冷却。因此，更细颗粒的增加的表面积为优化恰当的相隔距离带来前所未有挑战。

此外，在喷枪的喷嘴中出现等离子体气体流出物的湍流。等离子体流出物与大气环境的湍流相互作用赋予流出物温度的迅速降低和迅速的定向流动改变，这导致涂层颗粒从定向至基底的流体通道中射出。因此，射出颗粒导致降低的沉积效率。

上述问题仅为利用SPS系统和工艺来沉积愈来愈细的涂层介质组分所造成的各类新挑战的一些例子。鉴于不断的挑战，需要改进目前的悬浮液等离子喷涂工艺和系统。

 

发明内容

如下文更详细描述，本发明的实施方案解决一些缺点并且提供通过使用围绕等离子体流出物流和其中所含液体悬浮液(此处并且贯穿说明书共同称为“流出物”或“等离子体流出物”)的惰性气体护罩来控制上述相互作用的技术。本发明独特地使用经由液体悬浮液递送的亚微米粒子将惰性气体护罩与等离子喷涂工艺组合，以改进目前的悬浮液等离子喷涂能力并且通过控制悬浮液注射和碎裂以及流出物和悬浮液之间相互作用创造出新的涂覆微观结构可能性。

本发明可能包括各种组合的任何以下方面并且还可能包括书面说明或附图中的下述任何其他方面。

本发明可能的特征为用于由液体悬浮液在基底上产生涂层的热喷涂系统，其包含：用于产生等离子体流出物的热喷涂喷枪；用于将具有其中分散的亚微米粒子的液体悬浮液的流体递送到等离子体流出物的液体悬浮液递送子系统；和用于从热喷涂喷枪递送等离子体流出物并且适应于产生基本上围绕所述等离子体流出物的惰性气体护罩的喷嘴组件；其中所述护罩为被配置用于基本上保持亚微米粒子在液体悬浮液中的夹带并且基本上抑制气体进入等离子体流出物和与等离子体流出物反应。