冷氣體噴射不同強度和/或延展性的顆粒的方法和設備的製作方法

2023-04-24 10:13:46

專利名稱：冷氣體噴射不同強度和/或延展性的顆粒的方法和設備的製作方法
冷氣體噴射不同強度和/或延展性的顆粒的方法和設備
本發明涉及一種用於冷氣噴射的方法，在該方法中，將第一種顆粒和第 二種顆粒一起供入到一滯留室中，並通過連接在該滯留室之後的噴嘴使所述 顆粒連同承載氣體向有待塗敷的基質加速運動。其中，第一種顆粒變形並粘 附在基質上而形成一塗層，比第 一種顆粒具有更高強度和/或更低延展性的第 二種顆粒則嵌入該塗層中。
上述方法例如已由美國專利申請US .2003/0126800A所公開。按照這種 方法，通過冷氣噴射使一種硬質材料顆粒連同一種金屬材料顆粒沉積在渦輪 葉片的表面上。在此過程中，在15%-20%之間的硬質材料顆粒成分被埋入冷 氣噴射時形成的金屬基體材料中。所述硬質材料顆粒基於其高的強度和低的 延展性在所述基體材料中保持不變。這篇美國專利申請也說明了這樣一個事 實，即，由於冷氣噴射所輸入的動能不夠以及所述顆粒不具備足夠的延展性， 硬質材料顆粒不能獨自粘附在有待塗敷的基質表面上，因而硬質材料的嵌入 速率不可能高到使硬質材料的成分含量大於20。/。。更確切地說，所述硬質材 料顆粒應當^L一同嵌埋到剛剛形成的金屬材料基體中，由此可間接通過具有 較低強度或較高延展性的材料成分確保粘附在所述表面上。
本發明要解決的技術問題在於提供一種冷氣噴射方法，利用該方法在採 用不同類型的顆粒時可將具有較高強度和/或較低延展性的顆粒以較高的層 份額置入所述塗層中。
上述技術問題按照本發明是這樣解決的，即，所述第一種顆粒在所述滯 留室的第 一 區域中供入，所述第二種顆粒在所述滯留室的第二區域中供入， 該第 一 區域比第二區域更靠近所述噴嘴。由此有利地使得原本基於其較高強 度和/或較低延展性而在高速率沉積方面存在問題的第二種顆粒在滯留室中 獲得更強的能量輸入。這種能量輸入主要通過預熱的冷氣噴射承載氣體實 現。因為在承載氣體的分子和滯留室中的顆粒分子之間要進行溫度平衡。顆 粒在滯留室中停留的越久，該溫度平衡就越強烈。由於供入第二種顆粒的第 二區域沿承載氣體的流向距離噴嘴較遠，因而輸入第二種顆粒中的能量也越 多。由此可有利地改善沉積第二種顆粒的條件。如已表明的那樣，對較堅硬或較小延展性的顆粒進行輔助性加熱可以通 過不同的方式影響塗層過程。按照本發明的一擴展設計，所述第二種顆粒可 以由一種脆性材料，尤其是陶瓷材料製成。作為陶資材料尤其可考慮碳化鵠， 這種材料優選沉積在壓縮機或透平機的葉片上，以提高葉片的壽命。
在滯留室中輔助加熱脆性材料不會根本性地改變其特性。受熱的顆粒依 然顯示出允許以較高的嵌入率埋入一種延展性的基體中。這一點可以這樣來 解釋，即，第二種顆粒被用作熱能存儲體，其中，在將脆性顆粒埋置到所述 延展性基體中之時，所儲存的熱能可改善在第 一種和第二種顆粒之間的相互 作用。輸入所述脆性顆粒中的能量因此間接地提供給帶有延展性顆粒的塗層 結構中。
按照本發明的另 一擴展設計，第二種顆粒由 一種金屬或一種金屬合金制 成，該金屬或金屬合金在處於一轉變溫度之上時具有延展性，而當低於該溫 度時則為脆性，其中，所述第二種顆粒在所述滯留室中被加熱到呈延展特性。 當通過預熱第二種顆粒成功地使得該第二種顆粒同樣有延展性時，則可有利 地實現這種顆粒的沉積，而不必將其埋置到另一種材料的基體材料中。由此 可有利地任意提高原本脆性材料的含量，因為，不再需要包繞這種顆粒的另 一種塗層成分基體材料。這一點有利地導致藉助冷氣噴射可沉積合金組成成 分更寬泛的顆粒。
按照本發明的一特殊設計，所述滯留室中的承載氣體被加熱。為此可在 滯留室中設置例如一種可被力。熱的外壁。通過輔助性加熱所述滯留室中的承 載氣體可在承載氣體於噴嘴中膨脹降壓之前至少部分替代向第二種顆粒中 輸入能量。通過加熱本身也可實現將一定的熱能輸入第二種顆粒中。
本發明此外還涉及一種冷氣噴射設備。這種設備是眾所周知的並例如在
美國專利申請US2004/0037954A1中已/>開。這樣一種設備包括一個滯留室， 該滯留室有用於輸入承載氣體的輸入孔和用於輸入供塗層用的第一種顆粒 的第一輸入管。此外，沿承載氣體的流向看，在所述滯留室之後連接有一個 噴嘴，通過該噴嘴，所述承載氣體連同所述顆粒向一個有待塗敷的基體方向 加速膨脹。在此過程中，承載氣體絕熱冷卻，由此釋放出的能量轉換成對於 承載氣體以及用於塗層的顆粒的加速。
如已說明的那樣，不同強度和/或延展性的顆粒只能有限地實現沉積。 本發明要解決的另 一技術問題在於提供一種冷氣噴射設備，藉助該設備
可形成塗層，其中，比第一種顆粒具有更高強度和/或更低延展性的顆粒(下面稱為第二種顆粒)有較高含量地埋置到該塗層內。
上述技術問題按照本發明是這樣來解決的，即，在所述滯留室中設置一 第二輸入管，其中，第一輸入管通入所述滯留室的第一區域中，第二輸入管 通入所述滯留室的第二區域中，該第一區域比第二區域更靠近所迷噴嘴。所 述冷氣噴射設備適合於運行如上詳細描述的方法，因為該設備有兩個輸入 管，並以此方式可使第二種顆粒在滯留室中走過一個比第一種顆粒更長的路 程，由此可實現具有上述優點的對於第二種顆粒的預熱。
按照本發明設備的另一有利設計，所述設備配備有一個加熱裝置，該加 熱裝置設置在所述滯留室上。由此可直接加熱所述滯留室的壁或所述滯留室 的內部，從而將附加的熱量輸入第二種顆粒中或承載氣體中。
本發明的另 一擴展設計規定，所述加熱裝置集成在所述滯留室的壁內。 這樣帶來的優點是， 一方面在滯留室內腔中的流動狀況不受影響，另一方面 確保了加熱裝置到滯留室的室壁有較短的傳熱距離。
按照本發明設備的另一特別設計可由此得到，即，所述第一輸入管和/ 或第二輸入管在所述設備內可被移動，從而可改變所述第一區域和/或所述第
二區域距所述噴嘴的距離。這樣做的優點在於，通過改變所述顆粒沿承載氣 體流動方向的供入點，直接影響所述顆粒穿過滯留室流向噴嘴所必須走過的 行程長度，由於該行程對於可傳遞的熱量起決定性作用，從而可控制通過承 載氣體傳輸的熱量。
下面藉助附圖詳細說明本發明的其他細節，附圖中

圖1是按照本發明的 一種實施方式的冷氣噴射設備的橫剖面示意圖； 圖2是具有一轉變溫度的金屬在缺口衝擊試驗中的隨溫度變化的特性曲 線圖表。
如美國專利申請US2004/00347954A1中所述， 一個冷氣噴槍l l作為冷氣
噴射裝置是一個熱噴射設備的核心部件。該冷氣噴槍ll主要由一個唯一的外 殼13以及在該外殼13中形成的一個拉法爾噴嘴14和一個滯留室15組成。在滯 留室15的區域內，所述殼體13壁內埋置有一個加熱線圈16，該加熱線圈對於 經輸入孔17輸入滯留室15中的 一種承載氣體進行加熱。
所述承載氣體穿過輸入孔17首先進入滯留室15，然後通過拉法爾噴嘴14 離開滯留室15。在此過程中，在滯留室中的承載氣體可被加熱高達800。C。 通過一第二輸入管18a以及一第一輸入管19供入所述為塗層所設置的顆粒。所述加有顆粒的承載氣體經由所述拉法爾噴嘴14的膨脹，由此使承載氣體冷 卻到在噴嘴口區域內具有低於300。C的溫度。這種溫度降低源自於所述承載 氣體基本上絕熱的膨脹，該承載氣體在滯留室中具有例如30巴(bar)的壓力並 在噴嘴口外膨脹降壓到大氣壓。
所述第二輸入管19在一個距所述噴嘴很近的區域內通入所述滯留室內。 所述噴嘴在本申請的範圍內是所述冷氣噴槍的這樣一個部段，這一部段的橫 斷面首先變窄，接著重新變寬(參見附圖標記14標示的腔室)。所述冷氣噴槍 的用作滯留室的區段用附圖標記15標示。從圖l中可清楚地看到，所述與滯 留室圓柱狀區段相連的錐狀區段既可以屬於滯留室15又可以屬於噴嘴14。這 是因為在滯留室和噴嘴之間的流動狀況相互過渡。在此，與所述圓柱狀區段 相連的錐狀壁段剛開始時還有一個這麼大的橫斷面，使得較早些時的流動狀 況與滯留室內的流動狀況相應，也就是說，所述承載氣體和顆粒只是在明顯 變窄的錐狀區域內才出現顯著的加速運動。因此，所述第二輸入管19也通入 該錐狀區域中，以便所供入的顆粒儘可能沒有時間遲滯地在所述明顯用作噴 嘴14的區段中加速。
所述第 一輸入管18a通入所述滯留室15的與所述噴嘴14相背的區段中， 這樣一來，所供入的顆粒必須穿過整個滯留室並在此過程中主要被承載氣體 加熱。通過所述輸入管18a， 19的兩個供入點，形成了用於供入第一種顆粒 22的第 一 區域20和用於供入第二種顆粒23的第二區域21 。這在圖1中僅示意 表示出。第一種顆粒22和第二種顆粒23然後相互混合地存在於所述在噴嘴中 產生的冷卻氣體射流24中，並在一個基質25上沉積形成塗層26。
也可替代所述輸入管18a設置另 一種可軸向移動的輸入管18b。通過沿圖 示雙向箭頭所示方向的移動，所述供入點21靠近或遠離噴嘴14。由此可使冷 氣噴槍11與各種應用情況以及為預熱顆粒23所必需的熱量相適配。
在圖2中簡略地示出了具有轉變溫度To的金屬隨溫度變化的特性曲線。 坐標軸X軸表示溫度T，坐標軸Y軸表示在所謂的缺口沖擊試驗中測得的缺口 衝擊功Av。在缺口衝擊試驗中， 一缺口試樣承受一沖擊應力(例如按德國工 業標準DINEN 10045)。所述金屬的特性可根據斷裂特性分為三個區段。在 區段I中進行的是脆斷，因為金屬在低溫時失去其延展特性。在區段III中， 金屬呈延展性並因此發揮金屬原本公知的機械特性。在區段I和III之間有區 段II。在該區段II中出現所謂的既有脆性又有延展性因素的混合斷裂。從圖2200880001982.9
說明書第5/5頁
中的點劃線所示可了解到，在區段n中，測算缺口衝擊功時有較大的散差， 這是因為在組織中的狀況比較混亂。在區段i和m中可更精確地求出缺口衝 擊功的值。所述轉變溫度Tt)因此是一個不能精確求出的值。 具有轉變溫度的典型金屬有下列這些
具有體心立方晶格的金屬(未製成合金的或低合金的鋼，鉻，鉬)，具有 六方晶格的金屬(鋁)。
例如未製成合金的其中碳的質量含量超過0.6%的鋼就具有在100-200°C
之間的轉變溫度，因此特別適合於本發明的方法。另一實施例是藉助冷氣噴 射形成銅-鉻合金。此外，也可給渦輪葉片塗覆塗層，其中，例如碳化鎢作
為硬質材料與MCrAlY合金一起沉積形成塗層。
附圖標記列表11顆粒l
12顆粒2
14噴嘴
15滯留室
16加熱線圈
17輸入孔
18a， 18b輸入管
19輸入管
20第一區域
21第二區域
22第一種顆粒
23第二種顆粒
25基質
26塗層
權利要求
1.一種用於冷氣噴射的方法，在該方法中將第一種顆粒(22)和第二種顆粒(23)一起供入到一滯留室(15)中，並通過連接在該滯留室(15)之後的噴嘴(14)使所述顆粒(22，23)連同承載氣體向有待塗敷的基質(25)加速運動，其中，所述第一種顆粒(22)變形並粘附在所述基質(25)上而形成一塗層(26)，比所述第一種顆粒(22)具有更高強度和/或更低延展性的所述第二種顆粒(23)則嵌入該塗層(26)中，其特徵在於，所述第一種顆粒(22)在所述滯留室(15)的第一區域(20)中供入，所述第二種顆粒(23)在所述滯留室(15)的第二區域(21)中供入，該第一區域(20)比第二區域(21)更靠近所述噴嘴(14)。
2. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述第二種顆粒(23)由一種 脆性材料、尤其是陶瓷材料製成。
3. 如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述第二種顆粒(23)由一種 硬質材料，尤其是碳化鎢(WoC)製成，並且用於壓縮機或透平機的葉片作為 基質被塗層。
4. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述第二種顆粒(23)由一種 金屬或金屬合金製成，該金屬或金屬合金在處於一個轉變溫度之上時有延展 性，在處於該轉變溫度之下時則為脆性，其中，所述第二種顆粒(23)在所述 滯留室(15)中被加熱到有延展性。
5. 如權利要求1至4之一所述的方法，其特徵在於，所述滯留室(15) 中的承載氣體^皮加熱。
6. —種用於冷氣噴射的設備，其包括- 一個滯留室(15),該滯留室有用於輸入承載氣體的輸入孔(17)和用於 輸入供塗層用的第一種顆粒(22)的第一輸入管(19)，- 一個連接在所述滯留室(15)之後的噴嘴(14),其特徵在於， 在所述滯留室(15)中設置一第二輸入管(18a, 18b)，其中，所述第一輸入管(19)通入所述滯留室(15)的第一區域(20)中，所述第二輸入管(18a, 18b) 通入所述滯留室(15)的第二區域(21)中，該第一區域(20)比第二區域pi)更靠 近所迷噴嘴(14)。
7. 如權利要求6所述的設備，其特徵在於，所述滯留室(15)配備有一個加熱裝置。
8. 如權利要求7所述的設備，其特徵在於，所述加熱裝置集成在所述滯留室(15)的壁內。
9.如權利要求6至8之一所述的設備,其特徵在於，所述第一輸入管(19) 和/或第二輸入管(18a， 18b)在所述設備內可被移動，從而可改變所述第一區 域(20)和/或所述第二區域(21)距所述噴嘴(M)的距離。
全文摘要
本發明涉及一種冷氣體噴射不同強度和/或延展性的顆粒的方法和一種適合於實施該方法的冷氣體噴射設備(11)。為了使相對於另一種顆粒(22)有更高強度和/或更低延展性的一種顆粒(23)有較高含量，本發明建議，將這種顆粒(23)供入到所述冷氣噴射設備的滯留室(15)內的一個距離噴嘴較遠的區域(21)內。因此，這種顆粒(23)有利地必須在滯留室(15)內經過較長的距離並因而被預熱。由此可改善這種顆粒(23)在基質(25)上的沉積。尤其是具有可在脆性和延展性之間轉換的轉變溫度的金屬通過所述預熱而具有延展性，從而簡化這種金屬顆粒的沉積。
文檔編號C23C24/08GK101605922SQ200880001982
公開日2009年12月16日 申請日期2008年1月7日 優先權日2007年1月9日
發明者尤維·派瑞茲, 海克·希維, 阿克塞爾·阿恩特, 雷蒙德·烏爾裡克 申請人:西門子公司