[发明专利]改进的等离子体转移金属丝弧热喷镀装置及方法

说明书

本发明一般说来涉及一种热喷镀装置及热喷镀材料的方法，具体说来，涉及等离子体转移金属丝弧热喷镀装置及方法，该方法利用高速转移收缩等离子体弧产生特别稠密的材料作为镀层和独立式的近乎最终形状，还涉及收缩等离子体转移金属丝弧热喷镀腔镀层装置及方法，该方法产生由热喷镀形成的高度密集材料，它具有优异的冶金和物理特征。

等离子体转移金属丝弧热喷镀过程熔融通常形状为金属丝或杆的原材料，该过程采用收缩等离子体弧熔融金属丝或杆的端部，应用从收缩孔喷出的电离气体高速射流移走熔融的材料。电离气体是一种等离子体，这就是该过程名称的原因。等离子体弧通常在18000°-25000°F(10000°-14000℃)温度下运行。电弧等离子体是一种气体，它被电弧已加热至至少部分电离状态，使它得以传导电流。在任何电弧中都存在等离子体，但名称等离子体弧与等离子体发生器相关联，它采用收缩电弧。区别等离子体弧装置与其它电弧发生器的特点之一在于，对于给定的电流和气体流速，在收缩弧装置中的弧电压要高得多。此外，收缩弧装置是这样一种装置，它引起带有附加能量的所有气流通过收缩孔定向流动，形成十分高的气体排出速度，通常位于超声速范围。收缩等离子体焰炬有两种运行模式。这些模式中的一种称为“非转移”模式。非转移等离子体焰矩的特征是具有阴极和形状为喷嘴的阳极。一般说来，从实际考虑，最好使等离子体弧保持在喷嘴内，并使弧终止在喷嘴内壁上。但是，在某些运行条件下，可使弧延伸至喷嘴孔之外，然后折回，在阳极收缩喷嘴的外表面上建立弧的终点。等离子体运行的另一种模式称为“转移弧”模式。在该等离子体运行模式中，等离子体弧柱从阴极通过收缩喷嘴伸出，然后离开焰炬，终止在工件阳极上，该工件阳极与等离子体焰炬组件电间隔开并且绝缘。

在等离子体转移金属丝弧热喷镀过程中，等离子体弧通过阴极电极下游的孔而收缩。当等离子体气体通过弧时，它被加热至十分高的温度，膨胀并在其通过收缩孔时向着金属丝原料的端部加速，常常在从孔排出时达到超声速速度。用作等离子体转移金属丝弧热喷镀过程中的典型不同等离子体气体是空气、氮气或氩气和氢气的混合物。等离子体的强度和速度取决于若干变量，它们包括气体的类型、其压力、流动形式、电流、孔的尺寸和形状，以及阴极离金属丝原料的距离。

示于图1的现有技术等离子体转移金属丝弧过程是公开于我们美国专利5,296,667中的装置的示意图。该过程依靠恒定电流型电源17输出的直流电流进行运行。阴极电极11通过高频发生器21连接至电源17的负极，该高频发生器21用于在阴极11和收缩喷嘴10之间激发电弧。高频电弧激发回路是通过瞬间闭合先导电弧中继接触器18实现的，它使直流电流从电源17的正极通过先导电阻器19流至收缩喷嘴10，再通过形成于阴极11和收缩喷嘴10之间的高频电弧，通过高频发生器21，流至电源17的负极。高频电路通过旁路电容器20得以接通。此动作加热流过孔13的等离子体气体。孔13将受热的等离子体流从阴极电极11引向金属丝原料14的端部，金属丝原料14与电源17的正极相连接。等离子体弧连接至或“转移”至金属丝端部，因而称作转移弧。金属丝原料14借助金属丝进给辊16a和16b向前驱动，辊16a和16b由电动机(未示出)加以驱动。当弧熔化金属丝端部时，高速的等离子体射流射落在金属丝端部上，并带走已熔融的金属，同时将熔融金属雾化成细小粒子，并加速如此形成的熔融粒子，以形成携带这些细微熔融粒子的高速喷射流。

为激发转移等离子体弧，必须先产生一个先导电弧。先导电弧是位于阴极电极11和收缩喷嘴10之间的电弧。此电弧有时又称作非转移弧，因为与转移弧的运行相比，它不转移或连接至金属丝原料上。先导电弧在等离子体转移金属丝弧焰炬内的阴极电极11与金属丝原料14的端部之间形成一条导电通路，从而可启动主等离子体转移弧电流。激发先导电弧最常用的技术是在阴极电极11与收缩喷嘴10之间触发一个高频或高压直流电压(D.C.)火花。先导电弧穿过形成的电离路径而建立，产生等离子体柱。当先导电弧的等离子体柱触及金属丝端部时，在阴极至阳极金属丝端部之间建立起一条导电路径。收缩的转移等离子体弧将沿着此路径到达金属丝端部。

在实际应用等离子体转移金属丝弧热喷镀过移进行导电丝或杆的喷镀时，会遇到若干问题。这些问题之一是称作“双弧”的状态。双弧能由若干原因之一造成，诸如丝进给系统的故障、丝的扭曲或丝进给器的偶然切断。双弧现象的结果能严重损坏收缩喷嘴，以及用于将金属丝引导进入等离子体转移弧的其它部件。双弧问题已用一种如在我们的美国专利5,296,667和5,442,153中所说明的方法加以处理。