用於等離子體槍噴嘴的腐蝕保護和保護槍噴嘴的方法與流程
2023-09-15 15:44:50 2
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背景技術：
等離子體槍被用於從熱噴塗到等離子體發生器的各種應用，例如以便焚化危險材料。在熱噴塗應用中使用的常規等離子體槍噴嘴（陽極）具有有限的壽命。在使用中，等離子體電壓針對適當操作被維持在預定範圍。然而，因為等離子體槍產生等離子體電弧，所以噴嘴的孔暴露於極高溫度（>12000°k）。為了防止噴嘴壁熔化，冷卻水循環通過等離子體槍至陽極和陰極。
在等離子體槍的操作期間，循環冷卻水將沿噴嘴表面經歷微沸騰，這導致在水/噴嘴內側界面處形成氣泡。儘管循環冷卻水，也會在噴嘴上產生熱區域。圖1圖示了常規噴嘴，在噴嘴外側上具有由計算機模型導出的熱區域。通常冷卻水包括雜質，從而微沸騰和水中雜質的組合會導致銅受到腐蝕侵蝕。而且，即使高純度蒸餾和去離子水也將最終隨時間導致腐蝕。隨著銅腐蝕，銅的熱傳遞係數變化，這會改變等離子體噴嘴的熱狀態並且因此改變等離子體電弧。對此，測試已經表明熱狀態的這種變化會導致等離子體電弧電壓失穩並且這種不穩定會促進電弧電壓衰減。這種不穩定還會導致單位時間能量狀態的變化，這能夠改變瞬時水平的過程（熱噴塗或是化學加工）。
在其使用壽命結束時，能夠在銅噴嘴的外部表面上發現腐蝕。隨著銅腐蝕，銅的熱傳遞係數變化，這會改變等離子體噴嘴的熱狀態並且因此改變等離子體電弧。在測試中，發明人已經發現熱狀態的這種變化會導致等離子體電弧電壓失穩並且這種不穩定會促進電弧電壓衰減。還已經發現這種不穩定會導致單位時間能量狀態的變化，這能夠改變瞬時水平的過程（熱噴塗或是化學加工）。
技術實現要素：
需要一種噴嘴，其設計或構造成減少或者消除在水界面處的銅噴嘴的腐蝕，以便提高電弧電壓穩定性並增加可用硬體壽命。
本發明的實施例涉及一種用於熱噴塗槍的噴嘴，其包括：具有中央孔和外部表面的噴嘴主體，該噴嘴主體構造成插入到熱噴塗槍中；和被施加到外部表面的至少一部分上的可水冷表面塗層。可水冷表面塗層構造成，保護外部表面免於與被引導通過熱噴塗槍的冷卻水進行化學相互作用。
根據實施例，噴嘴主體能夠是銅。噴嘴能夠還包括設置在中央孔的內部表面的至少一部分上的襯裡。此外，可水冷表面塗層可以包括鎳、鉻、鎘、釩、鉑、金、銀、鎢或者鉬。
根據另一些實施例，可水冷表面塗層能夠防止在可水冷表面處由於冷卻水的微沸騰導致的腐蝕。
在實施例中，可水冷表面塗層可以具有至少大約0.0001"的塗層厚度。在另一些實施例中，可水冷表面塗層能夠具有在大約0.0005"和大約0.001"之間的塗層厚度。
在又一些實施例中，可水冷表面塗層能夠具有避免限制從噴嘴主體到冷卻水的熱流動的塗層厚度。
而且，可水冷表面塗層能夠由可通過如下方法中的一種施加的材料形成：化學浴沉積、化學氣相沉積、物理氣相沉積、等離子體噴塗物理氣相沉積、電子放電物理氣相沉積、或者其任何變體或組合。
根據另一些實施例，外部表面的所述至少一部分能夠包括一表面，在該表面處被水冷表面的表面溫度預期接近或超過冷卻水的局部沸騰溫度。
在進一步的實施例中，外部表面的所述至少一部分可以包括可被冷卻水接觸的整個外部表面。
本發明的實施例涉及一種熱噴塗槍，其包括：具有噴嘴主體的可插入噴嘴，該噴嘴主體具有中央孔和外部表面；被施加到外部表面的至少一些部分的塗層；以及水冷卻系統，其構造且設置成將冷卻水引導到外部表面的所述至少一些部分上。塗層構造成，保護外部表面免於與冷卻水進行化學相互作用。
根據實施例，噴嘴主體可以包括銅。在另一些實施例中，噴嘴能夠還包括設置在中央孔的內部表面的至少一部分上的襯裡。此外，可水冷表面塗層可以包括鎳、鉻、鎘、釩、鉑、金、銀、鎢或者鉬。
根據實施例，塗層可以由以下這樣的材料形成：該材料防止在外部表面的所述至少一些部分處由於冷卻水的微沸騰導致的腐蝕。
在另一些實施例中，塗層能夠具有至少大約0.0001"的厚度。在進一步的實施例中，塗層能夠具有在大約0.0005"和大約0.001"之間的厚度。
本發明的實施例涉及形成用於熱噴塗槍的噴嘴的方法，包括：藉助鎳、鉻、鎘、釩、鉑、金、銀、鎢或者鉬中的至少一種塗覆噴嘴主體的外部表面的至少一些部分。
根據又一些實施例，塗覆能夠通過如下方法中的一種實施：化學浴沉積、化學氣相沉積、物理氣相沉積、等離子體噴塗物理氣相沉積、電子放電物理氣相沉積、或者其任何變體或組合。
通過回顧本公開和所附附圖可確定本發明的其他示例性實施例和優點。
附圖說明
在下面的具體實施方式中，參考所提到的多個附圖，藉助本發明的示例性實施例的非限制性示例，進一步描述本發明，其中貫穿附圖中的多個圖，相同附圖標記表示相同零件，並且其中：
圖1圖示常規熱噴塗槍；
圖2圖示用於圖1所描繪的熱噴塗槍的噴嘴，其具有沸騰圖案（boilingpattern）；
圖3示出具有對應於圖2的計算機模型的沸騰圖案的噴嘴；以及
圖4圖解地圖示了圖1所示的熱噴塗槍的噴嘴的計算機模型，圖2和圖3的沸騰圖案對應於該模型。
具體實施方式
本文示出的細節僅作為示例並且僅為了說明性地討論本發明的實施例的目的，並且出於以下原因而提出：提供被認為是本發明的原理和構思方面的最有用和易於理解的描述。對此，不會嘗試以比基本理解本發明所必要的程度更詳細地示出本發明的結構細節，結合附圖進行的描述使得本領域技術人員顯然可知如何在實踐中體現本發明的若干形式。
圖1圖示常規等離子體噴塗槍的前槍主體1，其包括常規等離子體噴嘴2、陰極3和水冷卻系統4。常規等離子體噴塗槍能夠是例如由紐約韋斯特伯裡的oerlikonmetco(us)inc.製造的f4mb-xl或9mb等離子體槍、由progressivetechnologies製造的sg100等離子體槍、或者例如具有單個陰極和非級聯陽極/等離子體電弧通道的任何典型的常規等離子體槍。等離子體噴嘴2能夠由具有高熱傳遞特徵的材料製成，例如僅由銅製成，或者銅噴嘴能夠包括襯裡，例如鎢襯裡、鉬襯裡、高鎢合金襯裡、銀襯裡或銥襯裡，以改善性能。通過使電流穿過氣體（通常例如是ar、n2、he或者h2及其混合物），在等離子體噴嘴2中形成等離子體，從而產生等離子體電弧7。為了產生電流，陰極3連接到直流電源（未示出）的負極側，並且用作陽極的噴嘴2連接到直流電源的正極側。等離子體噴嘴2包括圓錐形孔5和圓筒形孔6，該圓錐形孔5容納陰極3，等離子體電弧7優選地附聯在該圓筒形孔6中。
在最初操作中，等離子體電弧7可以在附聯到噴嘴壁之前沿圓筒形孔6行進一定距離，這產生最大等離子體電壓。藉助於非限制性示例，等離子體電弧7的最初附聯點能夠在圓錐形孔5的下遊、圓筒形孔6的前三分之一和一半之間，並且在壁處的等離子體電壓在預定操作參數下優選地大於70v。取決於氣體、硬體幾何構型、電流等等，其他參數將導致不同電壓。隨著噴嘴壁2的表面磨損和劣化，等離子體電弧7變得被吸引到更上遊處，直到等離子體電弧7最終附聯到圓錐形孔5的壁，此時壓降大到需要更換噴嘴2。圓錐形孔5內的壁是不希望等離子體電弧附聯的區域，在此等離子體電壓在給定操作參數下小於70v。同樣，取決於氣體、硬體幾何構型、電流等等，其他參數將導致不同電壓。
為了冷卻噴嘴，多個散熱片12從噴嘴2的外周表面徑向延伸。散熱片12還沿噴嘴2的縱向方向延伸以便圍繞圓錐形孔5和圓筒形孔6交匯的點，以及沿部分圓錐形孔5（例如以便圍繞圓錐形孔5的長度的大約一半）和圓筒形部分6（例如以便圍繞電弧附聯區域）延伸。當設置鎢襯裡時，散熱片12能夠被設置成，例如從襯裡形成圓錐形孔5中的壁的一部分的開始處延伸到圍繞圓筒形孔6的預定電弧附聯區域的結束處。
在操作中，在噴嘴2的孔6內能夠產生極高溫度，例如，大於12000°k，這能夠導致在噴嘴孔6中的極高峰值平均壁溫度，例如700–800°k。為了防止極端溫度熔化噴嘴2，水冷卻系統4被設置成藉助循環水冷卻噴嘴2的外部。水冷卻系統4包括水冷卻路徑8，其從槍主體的後部進入、被定向成圍繞噴嘴2的外周並在離開之前通過冷卻散熱片12。在所示實施例中，水冷卻系統4具有至少一個水入口埠9以便將冷卻水從供應源供應到噴嘴2的外周，並且具有至少一個水出口埠10，冷卻噴嘴2的外周的水通過該水出口埠10離開並返回到供應源。水入口埠9供應冷卻水以便圍繞圓錐形孔5的一部分接觸噴嘴2的外周表面11。冷卻水之後被引導通過散熱片12以便接觸並冷卻散熱片12所處的外周，並且之後被引導到一區域中以便接觸並冷卻圍繞圓筒形孔6的一部分的周表面13。也應該理解的是，循環冷卻水能夠以相反方向被引導通過水冷卻路徑8，或者能夠使用其他合適的方式將冷卻水運送到要被冷卻的噴嘴2的表面。
在熱噴塗槍的操作期間，在水冷卻系統4中的循環冷卻水處於壓力下。因此，隨著微小的蒸汽氣泡開始形成在接觸冷卻水的噴嘴2的外周表面（例如外周表面11、在散熱片12之間的外周表面、和圍繞圓筒形孔6的一部分的外周表面16）處，能夠沿著噴嘴2的表面發生所謂的微沸騰現象。圖2描繪由於微沸騰導致的在噴嘴2的外周表面16上的沸騰圖案14，並且圖3示出實際的噴嘴2'，其由於微沸騰而在外周表面16'上具有實際的沸騰圖案14'，該沸騰圖案14'大體對應於圖2所示的沸騰圖案14。圖4圖示由於在大約400k時的微沸騰導致的位於模擬噴嘴2''的外周表面上的計算機模擬的沸騰圖案14''。在圖2和圖3中的由於微沸騰導致的在400k時的沸騰圖案14、14'對應於圖4所描繪的模擬噴嘴2''上的沸騰圖案14"。而且，已經發現，在沸騰圖案14、14'的區域中的噴嘴2、2'的表面上的冷卻水的微沸騰結合冷卻水中的雜質能夠導致在沸騰圖案14、14'的區域中的被暴露噴嘴材料（例如銅）受到腐蝕侵蝕。這是因為由微沸騰帶來的蒸汽是高活性的，以致冷卻水中的任何汙染物均將侵蝕銅噴嘴材料。已經進一步發現，即使冷卻水是高純度蒸餾和去離子冷卻水，由於不能從水中去除所有汙染物並且超純水本身將自然地直接侵蝕銅，所以最終仍將在噴嘴2、2'的水冷表面上產生腐蝕。
隨著沸騰圖案14、14'的區域中的水冷材料表面（例如銅）腐蝕，材料的熱傳遞係數變化，從而改變噴嘴2、2'的熱狀態。因此，等離子體電弧也將由於這種腐蝕而變化。更具體地，測試已經表明，噴嘴2、2'的改變的熱狀態能夠導致等離子體電弧電壓失穩，並且這種不穩定能夠促進電弧電壓衰減。這種不穩定還能夠導致單位時間能量狀態的變化，從而這能夠改變瞬時水平的過程（熱噴塗或是化學加工）。
雖然銅由於其高的導熱性及其高的導電性而是構造等離子體槍噴嘴的優選材料，但已測試替代性材料來構造具有不同結果（即，從足夠的性能到失效導致噴嘴完全熔化）的整個噴嘴2。發現的最佳替代性材料是鎢，但即使這種材料也僅最佳適於用作銅等離子體噴嘴孔的孔襯裡。其他高熔化溫度的材料，諸如在美國專利申請公開號2013/0076631中所描述的鎢合金或者鉬，也最佳地適於用作襯裡而不是整個噴嘴。而且，當襯裡符合根據美國專利申請公開號2013/0076610的薄層時，使用除了銅之外的襯裡材料效果最佳。
在實施例中，要暴露於冷卻水的噴嘴2的表面、且優選地噴嘴2的所有表面被電鍍以便保護銅材料免於與冷卻水進行化學相互作用。能夠特別有利的是對水冷表面的表面溫度接近或超過冷卻水的局部沸騰溫度的噴嘴2的表面進行電鍍。當然，也有利的是對噴嘴2的其他外部表面進行電鍍。但是，等離子體電弧所處的噴嘴2的孔應優選地不被電鍍，因為該孔內產生的溫度將熔化鍍層材料並且因此熔化的鍍層材料將從噴嘴被噴出。
藉助於非限制性示例，鍍層能夠通過例如如下方式被施加到噴嘴2：化學浴沉積（電解）、化學氣相沉積（cvd）、物理氣相沉積（pvd）、等離子體噴塗物理氣相沉積（pspvd）、電子放電物理氣相沉積（edpvd）或者cvd、pvd、pspvd或edpvd的任何變體或組合。特別地，作為最容易、最普通且最便宜的方法，化學浴沉積或者電解是優選的電鍍方法。當然，能夠施加足夠薄的耐腐蝕純金屬或金屬合金層的任何方法是可用的。
用於提供所需腐蝕保護的鍍層材料優選地能夠是純金屬，例如鎳、鉻、鎘、釩、鉑、金、銀、鎢和鉬。由於其低成本、容易施加和普遍的可用性，鎳是優選的鍍層材料。而且，耐腐蝕的金屬合金也能夠被考慮作為鍍層材料。但是，因為金屬合金具有比上述純金屬顯著更小的導熱性，所以應該理解的是由這種金屬合金形成的保護層的鍍層厚度應該足夠薄以避免限制熱流動。此外，惰性陶瓷塗層通常不被看作是鍍層材料的可用技術方案，因為通常與這些陶瓷相關聯的熱阻基本與腐蝕銅的副產物相同。
根據實施例，鍍層僅需要是足以在合理的時間量內保護水冷表面免受腐蝕侵蝕的厚度。藉助於非限制性示例，至少0.0001"（2.54μm）的鎳鍍層厚度是可接受的以保護噴嘴材料，但稍厚的鍍層厚度可以是優選的。對此，只要鍍層不幹擾噴嘴在熱噴塗槍內部的容差和裝配，就能夠將較厚的鍍層厚度施加到噴嘴上。當然，因為鍍層材料具有比噴嘴中的銅更小的導熱性，隨著鍍層厚度增加，電鍍噴嘴的熱傳遞性質將降低，這能夠導致對噴嘴孔的熱損壞。因此，藉助於進一步的非限制性示例，大約0.001"（25.4μm）的鎳鍍層厚度可以是優選的，並且大約0.0005"（12.7μm）的鎳塗層厚度可以是最優選的。而且，因為其他提到的純金屬具有比鎳更小的導熱性，所以這些其他的純金屬的鍍層厚度將優選地比提到的鎳鍍層厚度更薄。
根據實施例，通過採用標準熱噴塗等離子體槍噴嘴（例如在噴嘴2的構造中對應的噴嘴）並且使用電解電鍍大約0.001"厚的鎳層，來製造測試製品。特別地，鎳鍍層僅被施加到外部表面，因為已經發現對噴嘴孔的內部進行電鍍或塗覆對噴嘴性能有害。將電鍍噴嘴組裝到由紐約韋斯特伯裡的oerlikonmetco(us)inc.製造的f4等離子體槍中並且總共操作30個小時，即直到基於3伏特壓降達到硬體使用壽命結束。所使用的系統包含用於操作等離子體槍的典型水質。在硬體使用壽命結束時檢查電鍍噴嘴發現只有形成在微沸騰區域中的化學沉澱物產生的一些非常微小的影響，當被擦掉時，顯露出原始的未被改變的光亮的鎳塗覆表面。
具有相同鍍層的第二噴嘴類似地進行30小時的測試且具有類似結果。在該測試中，水被替換成具有小於1微西門子（μs）的導電性的新鮮的乾淨的蒸餾且去離子的水。在該情況下，在噴嘴水通道上觀察到非常薄的銅層且沒有由微沸騰產生的沉澱物堆積。銅被認為是由水從槍內側的其他載銅表面去除銅離子並鍍到鎳上而導致的結果。這種薄銅層的附加不會損害熱流動，因為其過薄，即使其經歷氧化以阻擋至水的熱傳遞到任何顯著水平。
而且，檢查標準（未電鍍）噴嘴發現在噴嘴在水界面處經歷最高溫度的區域中銅變暗，所述標準（未電鍍）噴嘴以與兩個測試電鍍噴嘴相同的操作條件操作30小時。在這些區域中，銅與水中的溶解氧反應以形成氧化銅，這阻止了從噴嘴至水的熱流動。相反地，視覺檢查測試電鍍噴嘴發現了非常小的變色，並且發現的變色被確定是源自在微沸騰的區域中的水雜質導致的沉澱物的小堆積而不是腐蝕。
而且，在操作中，電鍍噴嘴與標準（即未電鍍）噴嘴相比，在整個測試期間呈現了更好的電壓穩定性，同時還能夠抵抗最終的平均電壓的衰減。因此，噴嘴的電鍍導致噴嘴將持續更長時間，並且在噴嘴的使用壽命期間提供更穩定的等離子體電弧性能。
應該理解的是，雖然不同的常規等離子體噴塗槍可以利用具有與未決公開中所描述的尺寸不同的尺寸的噴嘴，但應該理解的是，在不背離對噴嘴外部進行電鍍以抵抗腐蝕的所述實施例的精神和範圍的情況下，噴嘴的尺寸能夠基於上述公開中所指出尺寸改變或改進。
應該注意，前述示例僅為了解釋的目的而提出，並且絕不應該被理解成限制本發明。雖然已經參考示例性實施例描述了本發明，但是應該理解，本文使用的用語是描述性和說明性用語，而非限制性用語。在所附權利要求的範圍內，可在現有陳述和修改的基礎上進行改變，而不脫離本發明的各個方面的範圍和精神。雖然已經參考特定的裝置、材料和實施例描述了本發明，但是本發明並不意圖被限制為本文公開的細節；反而，本發明擴展至諸如所附權利要求範圍內的所有功能上等同的結構、方法和用途。