高速含氧空气燃料热喷涂装置
阅读说明：本技术 高速含氧空气燃料热喷涂装置 (High-speed oxygen-containing air fuel thermal spraying device ) 是由 B·乔治亚 F·伊格纳西奥 P·玛丽亚 V·卡洛斯 于 2020-10-29 设计创作，主要内容包括：一种设备包括：迷宫式混合装置,其被设置为在压力下混合第一氧化剂气体和燃料,并且将所产生的混合物注射在燃烧室中；气炬的主体(1),其容纳用于燃料和氧化剂气体的连接器(7)和迷宫式混合装置(2)；气炬的前部(3),其利用迷宫式混合装置(2)限定燃烧室(4)的内部几何结构；点火装置(30),其用以启动混合物的燃烧；材料输送装置(6),其被设计为将喷涂材料轴向地注射至高速气态射流中。迷宫式混合装置(2)包括限定有一个或多个混合容积(21、22)的一个或多个凸缘(23、24)和孔(25、26、27),孔(25、26、27)同中心地均放置在凸缘(23、24)上并穿入混合装置(2),并且在混合装置(2)的下游端敞开。迷宫式混合装置(2)包括轴向孔(28)。(An apparatus comprising: a labyrinth mixing device arranged to mix the first oxidant gas and the fuel under pressure and to inject the resulting mixture into the combustion chamber; a torch body (1) housing connectors (7) for fuel and oxidant gases and a labyrinth mixing device (2); a front part (3) of the torch, which defines the internal geometry of the combustion chamber (4) with a labyrinth mixing device (2); an ignition device (30) to initiate combustion of the mixture; a material delivery device (6) designed to inject the spray material axially into the high-velocity gaseous jet. The labyrinth mixing device (2) comprises one or more flanges (23, 24) defining one or more mixing volumes (21, 22) and apertures (25, 26, 27), the apertures (25, 26, 27) being concentrically placed all over the flanges (23, 24) and penetrating the mixing device (2) and being open at the downstream end of the mixing device (2). The labyrinth mixing device (2) comprises an axial bore (28).)
技术领域
本发明涉及用于施加涂层的热喷涂技术领域，更具体地，涉及用于在基板上沉积涂层材料或用于通过增材制造来产生三维物体的高速含氧/空气燃料喷涂设备。
本发明特别适合于处理基于金属的材料和陶瓷类型材料。
背景技术
高速含氧燃料(high velocity oxy-fuel，HVOF)工艺代表了针对耐磨和耐腐蚀涂层的喷涂沉积的工艺现状，因为它们的超音速气体速度与中等火焰温度相结合，允许沉积具有非常高的粘结强度和致密性、精细的表面光洁度和低氧化物含量的最佳涂层。然而，业界所要求的新一代涂层材料(细粉末)、严格的质量要求和高生产率将HVOF技术推向了极限。
由于其高的硬度、高的耐磨性和良好的抗断裂性，硬质金属涂层是有吸引力且成功的复合材料，该复合材料已广泛用于许多工业应用中。特别地，几年前已经推出了基于碳化钨(WC) 的HVOF喷涂涂料作为电解硬铬(EHC)的替代物。从技术和环保的角度来看，这样的HVOF 喷涂涂料已经得到了明显的改进。在涂层将被用于侵蚀性腐蚀环境的应用中，通常推荐使用 HVOF WC-CoCr涂层，实际上，HVOF WC-CoCr涂层是作为EHCi的替代物的目前的工业标准。然而，众所周知的是，在标准的HVOF喷涂的硬质金属涂层中的高碳损失(即，WC脱碳)和不期望的相转变，为了限制这些影响并保持基于WC的涂层的质量，局限性在于其喷涂处理非常敏感。试验结果表明，WC的脱碳仅限于WC热分解为W2C和碳。涂层中金属钨的形成是由于W2C的氧化。因此，有效抑制WC的热分解成为有效地抑制了钨的形成。然而，为了在高速冲击时达到金属陶瓷颗粒的足够的可变形性，有必要通过喷涂条件控制ii，iii将进料加热至刚好熔化粘结相。
关于腐蚀防护，与许多热喷涂涂层相关的主要限制是存在小的残留孔和微裂纹。腐蚀性材料可进入连接的孔中，并使涂层劣化并腐蚀基础材料。对于非常致密的涂层，需要通过工艺优化来消除孔，或者需要密封孔以防止腐蚀性液体进入涂层。开发深深地渗透至小孔中以密封HVOF涂层的可固化化学剂已被证明非常具有挑战性。另一方面，开发足够致密以防止溶液渗透至涂层中的耐腐蚀金属涂层也非常具有挑战性。
所有这些限制导致业界内对寻找能够在“较冷”条件下和/或以更高的气体速度运行的热喷涂工艺的兴趣日益浓厚，以寻找非常致密且未改性的涂层。从这个意义上讲，冷喷涂工艺的发展，利用了惰性、加热、高压气体的膨胀但没有燃烧过程的介入，使得例如铜和铝的多种金属被以优异的涂层质量进行喷涂。沉积效率可达到90％以上，且所得涂层显示出进料材料的非常低的孔隙率水平、最小限度的相转变、分解和氧化。工艺气体温度通常保持在使喷涂的颗粒永远不会暴露在接近其熔点的温度下的范围内。然而，由于沉积物的积聚在很大程度上取决于冲击之前的颗粒速度，因此喷涂条件会显著影响涂层的微观结构和机械性能。众所周知，在CS中，当颗粒的冲击速度超过临界值时发生粘结。该临界速度不仅取决于喷涂材料的类型，还取决于粉末的质量、粒径和粒子撞击温度iv，v。即使各种制造商提供了一系列 CS设备，每个CS设备表现出了其自身的优势并且具有它们的潜在的利基市场，并且在一些成功的商业应用中，到目前为止，已经利用工业规模的冷喷涂对有限数量的材料进行了处理，这主要是由于缺乏专门为此工艺vi设计的商业上可获得的粉末。
与常见的HVOF喷涂系统和CS相比，两种工艺特点在于颗粒速度和温度的组合明显不同。对于硬质金属和一些高强度金属，颗粒速度和温度的这些组合不会产生所需的涂层性能和/或具有成本竞争力的处理参数(高粉末进料速率、高沉积效率)。因此，当前热喷涂工艺的发展特点在于寻求粉末颗粒速度和温度的最佳组合，同时保持高的粉末进料速率和沉积效率vii。
通常而言，不同的专利要求保护的发明的特点在于用于喷涂碳化物、金属或金属陶瓷型的材料、复合材料、合金、不锈钢和其他材料的沉积涂层的多种系统。沉积系统被构造为控制和最佳化沉积过程期间喷涂的颗粒的大小、温度、速度和组成。
WO 2009/155702A1专利要求保护独特的HVOF气炬(torch)设计，该HVOF气炬设计允许气体温度在比任何先前的HVOF系统更广泛的范围(从800K到2500K)内变化。气态燃料和氧气被连续进给至燃烧室，在燃烧室中释放热量。在下游，径向地注射大量冷氮以调节温度。以类似的方式，通过将室温惰性气体注射至HVOF的燃烧气体射流中，所谓的热喷涂工艺能够将推进剂气体的温度控制在大约2300K至1000K的范围内，从而使许多粉末材料可以以高的冲击速度viii以热软化状态沉积。
另一种替代技术是使用空气作为氧化剂气体代替如HVOF中的氧气进行高速空气燃料 (HVAF)喷涂。虽然从利用“Aerospray”气炬进行HVAF开发以来，涂层质量非常高(第5,120,582号美国专利；US 5,271,965)，但在过去20年中，涂层自身的工艺和涂层性能取得了显著的改进。在通过将可渗透燃嘴砖(burner block)引入内燃室对HVAF喷枪设计进行了首次改进之后(第5,932,293号美国专利)，通过在内部燃烧器中引入催化构件而取得了进一步的进展(第6,245,390号美国专利)，总是以加热气体和激活基于空气的混合物中的燃烧为目的。这些喷枪曾经利用诸如丙烷和丙烯的气态燃料来运行。到目前为止，已发现利用这些技术生产的活性燃烧HVAF(ACHVAF)喷涂的WCCoCr涂层的耐磨性优于利用常见的HVOF系统(如JP5000和DJ2600)喷涂的其HVOF同类产品，性能甚至比电镀硬铬和喷熔涂层ix还要好20至30倍。几年后，HVAF喷枪的设计得到了进一步改进，允许向氧化剂流中添加液体燃料，并将其应用于可渗透燃嘴砖的结构部件，以增强该结构部件的冷却效果(第 2010/0215864A1号美国专利)。此外，通过环形地引入同轴气体流，通过在至加速喷嘴的分流出口孔的入口附近的周向环形几何结构的狭窄连续狭缝，在加速喷嘴中引入了无阻塞的汇聚-扩散气体动态虚拟喷嘴(GDVN)(第2011/0229649A1号美国专利)。因此，从燃烧室排出的热的燃烧产物气体在直径上通过由同轴共流气体施加的气体动升力而被压缩。此外，现今，HVAF涂层目前为止已经挑战了HVOF沉积的WC-CoCr涂层，证明了HVAF是一种可行的技术，与常见HVOF系统x相比具有许多实践优势。
另一方面，也可通过添加用于冷却目的的惰性气体(例如N2)来对液体燃料的HVOF系统进行修改。所谓的技术就是这种情况，该技术通过改变燃烧室xi的设计来进一步降低有效火焰功率。商标表示该技术适用于处理超细(颗粒尺寸 <12μm)和纳米结构的金属陶瓷型粉末。
然而，在用于高质量涂层的更高的颗粒速度且温度可控的竞赛中，与在较低的功率水平 (<200kW)下工作且适度消耗气体的传统的气体燃料HVOF系统相反，高压液体燃料HVOF 喷枪和HVAF系统均使用高功率和大量气体来运行。本发明的目的在于提供两种传统方法的最好的优点，但是提高了喷涂过程的行为中的灵活性，以使颗粒速度及其温度适于每种涂料和粉末的具体要求，并且还减少了在HVOF和HVAF技术中发现的实践缺陷。为了达到该目标，提出了一种新的燃烧气炬，该新的燃烧气炬基于将气体以不同的方式注射至其燃烧室中，形成局部火焰保持器区域，以激活难以燃烧混合物进行燃烧。此外，与实施低温燃料气体(例如天然气(甲烷))以及使用非常宽的比例的O2/空气混合物(各种能量状况和稀释)相结合，可导致非常低的火焰温度(如果需要)，同时在超声速情况下保持稳定的性能。
发明内容
本发明的第一方面涉及高速热喷涂设备，其包括：
气炬的主体，其容纳用于进给燃料和氧化剂气体的连接器和迷宫式混合装置，
迷宫式混合装置，其被设置为在压力下混合第一氧化剂气体和燃料，并且将所产生的混合物注射在燃烧室中。
气炬的前部，利用迷宫式混合器限定燃烧室的内部几何结构，并将下游连接至气体膨胀喷嘴，该气体膨胀喷嘴设计为接收所述混合物的燃烧的产物，并形成高速气态射流。
点火装置，用以启动所述混合物的燃烧。
材料输送装置，被设计为将喷涂材料轴向地注射至所述高速气态射流中。
根据本发明，迷宫式混合装置包括一个或多个凸缘和孔。该一个或多个凸缘在主体与迷宫式混合装置自身之间限定一个或多个中间混合容积。该孔同中心地均放置在凸缘上并穿过混合装置，并且在混合装置的下游端敞开，用于将迷宫式混合装置的燃料-第一氧化剂进给部分与燃烧室连通。
根据本发明，迷宫式混合装置包括贯穿的轴向孔，该贯穿的轴向孔用以将喷涂材料(由运载气体输送的)注射至燃烧室中(并且进一步至膨胀喷嘴)。
本发明的高速热喷涂设备包括多个第二氧化剂气体注射器，该多个第二氧化剂气体注射器用于单独地在燃烧室中的上游注射第二氧化剂气体，以促进燃烧过程。第二氧化剂气体注射器在燃烧室相对于气体膨胀喷嘴的上游外周位置处向燃烧室内敞开，以形成至少两个差异区域：第一稀释的较低的氧饱和度区域，从而产生围绕第一氧化剂气体和燃料的混合装置的较冷的温度区域；以及第二较高的氧饱和度区域，在燃烧室上游的第二氧化剂注射器的环形外围位置附近产生较热的温度区域，从而将喷涂材料轴向地注射至燃烧室的较冷温度区域，并形成在下游被加速并逐渐加热的颗粒流。
在一些实施例中，第二氧化剂气体注射器包括一个或多个顺序且紧密间隔阵列的窄连续槽和/或一系列孔口，以允许在燃烧室的一个或多个顺序且紧密间隔的注射点中独立地注射第二氧化剂。
通过本发明的设备，在燃烧室的不同位置处形成了不同的气体混合物，从而导致了气体燃烧的不均匀状况，并导致燃烧室内部的不同火焰特性的形成。具体地，化学计量比或富氧比允许在燃烧室的一些预期区域中形成高温火焰，然而，其他区域同时特点在于气体的稀释、稀薄或甚至是不可燃的混合物。以此方式，永久性局部富氧区域意在作为用于非常广泛的范围的实践气体参数或整体气体混合物的火焰保持器，从而允许在这样的大范围的气体混合物中，在燃烧室和筒形喷嘴的下游中加热、激活、点燃和燃烧所得的整体气体混合物。
关于高速气态射流的前进运动，必须考虑术语下游和上游。
可通过相应的连接器将燃料和第一氧化剂流单独注射至气炬的主体中，可替代地，在气炬的外部将燃料和第一氧化剂流进行预混合并进一步注射燃料和第一氧化剂流。在进入迷宫式混合装置的进给部分之后，将燃料-第一氧化剂预混合物挤压通过第一凸缘的孔口，从而在接下来的步骤中将其膨胀至第一中间混合容积中。通过混合装置的连续凸缘和其他中间混合容积重复相同的压缩和膨胀过程，之后，根据限定的孔的图案将燃料-第一氧化剂混合物注射至燃烧室中。
迷宫式混合装置可被设计成通过所述燃料和第一氧化剂的混合物的内部流动而被连续冷却，并且允许在不同的下游位置处注射所述燃料和第一氧化剂的混合物，从而形成燃烧室的较冷区域。靠近混合器的注射有燃料和第一氧化剂的混合物的该邻近区域还被设计为缓冲迷宫式混合器装置与燃烧室的下游的较高温度的燃烧区域的接触。此外，在气体路径上设计有槽和孔的混合器装置用作防止逆燃的阻火器。
在一些实施例中，内部燃烧室被设计为由于第一氧化剂气体和燃料的混合物局部分布不同并且在上游的外周单独添加第二氧化剂气体而在这样的燃烧室的几何结构的内部生成不同的燃烧状况。
在一些实施例中，迷宫式混合装置被部分地容纳在气炬的主体内部，使得混合装置在其上游端被材料输送装置封闭，同时其的排出气体混合物注射器区域所位于的下游端面向燃烧室，并且其中，气炬的主体包括一个或多个连接器，该一个或多个连接器将燃料和第一氧化剂气体流进给至混合装置的燃料-第一氧化剂进给部分。燃烧室的几何结构被限定在迷宫式混合装置与气炬的气炬前部的汇聚形状之间，其中，该前部向气体膨胀喷嘴系统敞开。
仅出于示例性目的，本发明可利用天然气(甲烷)作为低温燃料气体，且低温燃料气体和空气作为第一氧化剂气体来实施。氧气气体可以是由第二氧化剂注射器分别注射的第二氧化剂气体。根据本发明，将气态燃料和空气连续地进给至混合器下游附近的混合区域中，同时在不同阶段将氧气径向地注射至燃烧室中的上游以支持燃烧过程。
本发明的气炬可在广泛的气体温度范围内运行，同时保持超音速气体的火焰速度。与常见的高速含氧燃料系统相比，气体温度可在更广泛的范围内变化，这主要是由于气体混合装置的设计以及沿燃烧室分布的不同的空气和氧气混合物的使用。
在一些实施例中，在来自适当的外部进给器的运载气体的支持下，要喷涂的涂层材料被轴向注射至迷宫式混合装置中至燃烧室。此外，材料输送装置可包括至少两个入口和一个出口，该一个出口终止在迷宫式混合装置的内部。第一入口用于在相对降低的第一压力下的第一气体(涂层材料运载气体)流，该第一气体流用于运载选择的喷涂材料，第二入口用于具有较高压力的气体流(注射气体)，该较高压力接近燃烧室内部的压力，从而将具有涂层材料的第一气体流吸入至所述迷宫式混合装置中，并随后吸入至燃烧室中。在一些实施例中，可根据附加功能(惰性、氧化、加燃料、化学反应……)来选择用于将涂层材料注射至燃烧室的这些气体的性质。涂层材料可作为喷涂粉末来供应，这些喷涂粉末具有适当的特性，以进行正确的喷涂处理以产生目标的涂层性能，并且还通过液体前体(溶液、悬浮液……)而允许根据该技术的工艺现状进行精细处理，这些喷涂粉末通常为亚微米级大小的颗粒。
在一些实施例中，涂层材料首先通过它们在燃烧室中的路径而被处理(加热和加速)，但是只有从在燃烧室的下游的喷嘴输出之后，涂层材料才达到其有效的喷涂条件(喷涂材料的速度和温度)。气体膨胀喷嘴具有轴向喷嘴孔，该轴向喷嘴孔包括入口孔以及随后的出口扩散孔(1°至6°)，该出口扩散孔的下游敞开。优选地，喷嘴的入口孔的径向尺寸(至)略大于燃烧室的汇聚出口部分的出口孔以防止加热的粉末流与入口孔的壁接触。一般来说，喷嘴的设计遵循众所周知的规则，用于在热喷涂中采用超音速流进行气体膨胀。在一些实施例中，喷嘴的长度在20m至250mm之间，具有初始的圆柱形部分，随后是在下游的扩散部分。通常，具有不同物理性质或颗粒特性的非常不同的涂层材料需要不同的喷嘴几何结构，以用于在喷涂期间进行适当的处理。
在一些实施例中，高速热喷涂设备在输出处包括气体准直器装置，以控制在周围环境中超音速气体膨胀。
附图说明
为了完成描述并为了更好地理解本发明，提供了一组附图。所述附图构成说明书的组成部分并且示出了本发明的实施例，这些实施例不应被解释为限制本发明的范围，而应被解释为可如何实施本发明的示例。该附图包括以下图：
图1示出了本发明优选实施例的纵向截面图，其是高速含氧/空气燃料(HVOAF)气炬，用于以超音速喷射一股喷涂颗粒流，以在所示出的设备的排出端的下游的表面上积聚这样的加热颗粒的涂层。
图2a示出了图1的迷宫式混合装置和燃烧室的局部放大图。
图2b示出了如图2a的迷宫式混合装置和燃烧室的局部放大图，示出了燃烧室内部的高速气态气体和所产生的不同温度区域。
图3示出了沿A-A’的燃烧室壳体的后视图的第二氧化剂注射器，示出了入口通道和孔口，第二氧化剂气体通过该入口通道和孔口被注射至燃烧室内。
图4示出了迷宫式混合装置的正视图，示出了圆环形的一系列的紧密排列的孔口，燃料和第一氧化剂混合物通过该圆环形的一系列的紧密排列的孔口被进给至燃烧室。
图5示出了喷嘴的放大的截面图，其主要部分被示出为第一入口圆柱孔、第二扩散孔和准直器输出。
图6示出了具有附加材料输送装置(例如粉末注射器)的实施例的放大的截面图，示出了文丘里型设计的允许将粉末轴向地注射至气体膨胀射流中的性质。
图7示出了利用本发明的设备获得的金属陶瓷型涂层(WCCoCr烧结粉末)的微观结构，作为可生产的非常坚硬涂层的示例。
图8a示出了利用本发明的设备获得的第一铝型涂层(AlSi16Sc0.4Zr0.2粉末)的微观结构，作为处理铝合金的示例，且没有颗粒粘附到筒中。
图8b示出了利用本发明的设备获得的第一铝型涂层(AlSi16Sc0.4Zr0.2粉末)的腐蚀后的微观结构。
图9示出了利用本发明的设备获得的第二铝(99.9％粉末)型涂层的微观结构，作为处理铝合金的示例。
图10示出了利用本发明的设备获得的青铜型涂层的微观结构，作为处理铜基合金的示例。
图11示出了利用本发明的设备获得的热加工工具钢型的涂层(HeatvarUddelhom)的微观结构，作为处理钢和金属合金的示例。
具体实施方式
参照附图，通过参考图1可获得对本发明的更好理解，图1是根据本发明的优选实施例构造的高速含氧/空气燃料(HVOAF)气炬的纵向截面图。然而，所公开的实施例仅是示例性的，并且应当理解的是，本发明可以以许多不同的形式和替代形式来实施。
从图1中可看出的是，HVOAF气炬包括主体1，主体1容纳迷宫式混合装置2。迷宫式混合装置2在中间部分包括两个凸缘23和24。迷宫式混合装置2包括轴向贯穿孔28，该轴向贯穿孔在其上游端被诸如轴向粉末喷涂器6的材料输送装置封闭，该轴向粉末喷涂器6接收气体注射供应管60的端部和涂层材料载气供应管61的端部。气体注射供应管60处于比材料载气供应管61更高的压力下。
主体1固定至气炬的前部3，从而形成燃烧室4。燃烧室4在其下游端被气体膨胀喷嘴 50封闭，该气体膨胀喷嘴50设置有轴向喷嘴孔，该轴向喷嘴孔包括入口孔52以及随后的出口扩散孔51，出口扩散孔51的下游敞开。入口孔52的径向尺寸应略大于燃烧室4的汇聚出口部分31的出口孔的径向尺寸，以防止喷涂粉末流与入口孔52的壁接触。
迷宫式混合装置2设置有孔25、孔26和孔27，该孔25、孔26和孔27将燃料空气进给部分20与燃烧室4连通。这样的孔同心地放置在凸缘23和凸缘24上以及混合装置2的下游端处，从而产生两个相互连接的中间混合容积21和中间混合容积22。
燃料和空气流可在气炬的外部进行预混合，并通过连接器7注射到主体中。在进入混合装置2的燃料空气进给部分20之后，燃料空气预混合物被挤压通过第一凸缘23的孔口，从而在接下来的步骤中膨胀至第一中间混合容积21中。通过混合装置2的第二凸缘24和第二中间混合容积22重复相同的压缩和膨胀过程，之后，将燃料-空气混合物注射至燃烧室4中。
在燃烧室4内部，在两个顺序位置处，首先通过窄连续槽33的阵列，然后通过圆环形的一系列的孔口32，进给氧气流，连续槽33和孔口32均在前部3的上游端处沿周向环形紧密间隔，如图3中示意性示出的。然后，在火花塞30的帮助下点燃燃烧混合物，该火花塞30放置在前部3下游处的径向孔口中。这样的径向孔口终止在燃烧室4中。燃料空气和氧气注射点的该顺序阵列导致形成了多个燃烧区域，该多个燃烧区域的特点在于，由于不同的稀释度和氧化剂与燃料的比具有实质上不同的温度，如图2b中示意性示出的。在最上游端处的圆柱形部分的壁附近，燃料-空气混合物在燃烧室内生成通常具有高稀释度的区域，从而形成了低温区域40，该低温区域40演变形成如下一种边界：该边界围绕混合装置2的壁直到其包埋了颗粒喷射流44。在迷宫式混合装置2和前部3之间的接合区域处，第一阵列的氧气喷涂器33提供突然增加的氧饱和度，从而使得在该燃烧区域41中的气体燃烧混合物的温度相应升高。在燃烧室的壁中的下游几毫米处，第二阵列的氧气喷涂器32提供了附加的氧气供应，从而新增加了氧化剂与燃料的比例，因此，该燃烧区域中的气体温度在图2b中标记为42。在到达低温区域40附近时，两种流体流混合在一起，包埋颗粒流44，并在其周围形成具有中间温度的第四燃烧区域43。以这种方式，将进料材料注射至燃烧室的最冷区域中，并在整个喷枪喷嘴50中沿整个喷枪喷嘴50逐渐加热该进料材料。
在本发明的优选实施例中，由于高压气体注射流(入口管60)将低压气流吸入至注射器 6中，然后吸入至混合装置2中，从而使该低压气流穿过轴向孔(28)到达燃烧室4，因此粉末注射器6允许实施低压载气流以将进料粉末30材料运载至气炬(入口管61)中。
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