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背景技術(shù)：

等離子體槍被用于從熱噴涂到等離子體發(fā)生器的各種應(yīng)用，例如以便焚化危險材料。在熱噴涂應(yīng)用中使用的常規(guī)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(yù)定范圍。然而，因為等離子體槍產(chǎn)生等離子體電弧，所以噴嘴的孔暴露于極高溫度（>12000°k）。為了防止噴嘴壁熔化，冷卻水循環(huán)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(huán)冷卻水將沿噴嘴表面經(jīng)歷微沸騰，這導(dǎo)致在水/噴嘴內(nèi)側(cè)界面處形成氣泡。盡管循環(huán)冷卻水，也會在噴嘴上產(chǎn)生熱區(qū)域。圖1圖示了常規(guī)噴嘴，在噴嘴外側(cè)上具有由計算機模型導(dǎo)出的熱區(qū)域。通常冷卻水包括雜質(zhì)，從而微沸騰和水中雜質(zhì)的組合會導(dǎo)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(dǎo)致腐蝕。隨著銅腐蝕，銅的熱傳遞系數(shù)變化，這會改變等離子體噴嘴的熱狀態(tài)并且因此改變等離子體電弧。對此，測試已經(jīng)表明熱狀態(tài)的這種變化會導(dǎo)致等離子體電弧電壓失穩(wěn)并且這種不穩(wěn)定會促進電弧電壓衰減。這種不穩(wěn)定還會導(dǎo)致單位時間能量狀態(tài)的變化，這能夠改變瞬時水平的過程（熱噴涂或是化學(xué)加工）。

在其使用壽命結(jié)束時，能夠在銅噴嘴的外部表面上發(fā)現(xiàn)腐蝕。隨著銅腐蝕，銅的熱傳遞系數(shù)變化，這會改變等離子體噴嘴的熱狀態(tài)并且因此改變等離子體電弧。在測試中，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)熱狀態(tài)的這種變化會導(dǎo)致等離子體電弧電壓失穩(wěn)并且這種不穩(wěn)定會促進電弧電壓衰減。還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種不穩(wěn)定會導(dǎo)致單位時間能量狀態(tài)的變化，這能夠改變瞬時水平的過程（熱噴涂或是化學(xué)加工）。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

需要一種噴嘴，其設(shè)計或構(gòu)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(wěn)定性并增加可用硬件壽命。

本發(fā)明的實施例涉及一種用于熱噴涂槍的噴嘴，其包括：具有中央孔和外部表面的噴嘴主體，該噴嘴主體構(gòu)造成插入到熱噴涂槍中；和被施加到外部表面的至少一部分上的可水冷表面涂層?？伤浔砻嫱繉訕?gòu)造成，保護外部表面免于與被引導(dǎo)通過熱噴涂槍的冷卻水進行化學(xué)相互作用。

根據(jù)實施例，噴嘴主體能夠是銅。噴嘴能夠還包括設(shè)置在中央孔的內(nèi)部表面的至少一部分上的襯里。此外，可水冷表面涂層可以包括鎳、鉻、鎘、釩、鉑、金、銀、鎢或者鉬。

根據(jù)另一些實施例，可水冷表面涂層能夠防止在可水冷表面處由于冷卻水的微沸騰導(dǎo)致的腐蝕。

在實施例中，可水冷表面涂層可以具有至少大約0.0001"的涂層厚度。在另一些實施例中，可水冷表面涂層能夠具有在大約0.0005"和大約0.001"之間的涂層厚度。

在又一些實施例中，可水冷表面涂層能夠具有避免限制從噴嘴主體到冷卻水的熱流動的涂層厚度。

而且，可水冷表面涂層能夠由可通過如下方法中的一種施加的材料形成：化學(xué)浴沉積、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、等離子體噴涂物理氣相沉積、電子放電物理氣相沉積、或者其任何變體或組合。

根據(jù)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(yù)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(fā)明的實施例涉及一種熱噴涂槍，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涂層；以及水冷卻系統(tǒng)，其構(gòu)造且設(shè)置成將冷卻水引導(dǎo)到外部表面的所述至少一些部分上。涂層構(gòu)造成，保護外部表面免于與冷卻水進行化學(xué)相互作用。

根據(jù)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(shè)置在中央孔的內(nèi)部表面的至少一部分上的襯里。此外，可水冷表面涂層可以包括鎳、鉻、鎘、釩、鉑、金、銀、鎢或者鉬。

根據(jù)實施例，涂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于冷卻水的微沸騰導(dǎo)致的腐蝕。

在另一些實施例中，涂層能夠具有至少大約0.0001"的厚度。在進一步的實施例中，涂層能夠具有在大約0.0005"和大約0.001"之間的厚度。

本發(fā)明的實施例涉及形成用于熱噴涂槍的噴嘴的方法，包括：借助鎳、鉻、鎘、釩、鉑、金、銀、鎢或者鉬中的至少一種涂覆噴嘴主體的外部表面的至少一些部分。

根據(jù)又一些實施例，涂覆能夠通過如下方法中的一種實施：化學(xué)浴沉積、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、等離子體噴涂物理氣相沉積、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(fā)明的其他示例性實施例和優(yōu)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，借助本發(fā)明的示例性實施例的非限制性示例，進一步描述本發(fā)明，其中貫穿附圖中的多個圖，相同附圖標記表示相同零件，并且其中：

圖1圖示常規(guī)熱噴涂槍；

圖2圖示用于圖1所描繪的熱噴涂槍的噴嘴，其具有沸騰圖案（boilingpattern）；

圖3示出具有對應(yīng)于圖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所示的熱噴涂槍的噴嘴的計算機模型，圖2和圖3的沸騰圖案對應(yīng)于該模型。

具體實施方式

本文示出的細節(jié)僅作為示例并且僅為了說明性地討論本發(fā)明的實施例的目的，并且出于以下原因而提出：提供被認為是本發(fā)明的原理和構(gòu)思方面的最有用和易于理解的描述。對此，不會嘗試以比基本理解本發(fā)明所必要的程度更詳細地示出本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細節(jié)，結(jié)合附圖進行的描述使得本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可知如何在實踐中體現(xiàn)本發(fā)明的若干形式。

圖1圖示常規(guī)等離子體噴涂槍的前槍主體1，其包括常規(guī)等離子體噴嘴2、陰極3和水冷卻系統(tǒng)4。常規(guī)等離子體噴涂槍能夠是例如由紐約韋斯特伯里的oerlikonmetco(us)inc.制造的f4mb-xl或9mb等離子體槍、由progressivetechnologies制造的sg100等離子體槍、或者例如具有單個陰極和非級聯(lián)陽極/等離子體電弧通道的任何典型的常規(guī)等離子體槍。等離子體噴嘴2能夠由具有高熱傳遞特征的材料制成，例如僅由銅制成，或者銅噴嘴能夠包括襯里，例如鎢襯里、鉬襯里、高鎢合金襯里、銀襯里或銥襯里，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(chǎn)生等離子體電弧7。為了產(chǎn)生電流，陰極3連接到直流電源（未示出）的負極側(cè)，并且用作陽極的噴嘴2連接到直流電源的正極側(cè)。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(yōu)選地附聯(lián)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(lián)到噴嘴壁之前沿圓筒形孔6行進一定距離，這產(chǎn)生最大等離子體電壓。借助于非限制性示例，等離子體電弧7的最初附聯(lián)點能夠在圓錐形孔5的下游、圓筒形孔6的前三分之一和一半之間，并且在壁處的等離子體電壓在預(yù)定操作參數(shù)下優(yōu)選地大于70v。取決于氣體、硬件幾何構(gòu)型、電流等等，其他參數(shù)將導(dǎo)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變得被吸引到更上游處，直到等離子體電弧7最終附聯(lián)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(nèi)的壁是不希望等離子體電弧附聯(lián)的區(qū)域，在此等離子體電壓在給定操作參數(shù)下小于70v。同樣，取決于氣體、硬件幾何構(gòu)型、電流等等，其他參數(shù)將導(dǎo)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(lián)區(qū)域）延伸。當設(shè)置鎢襯里時，散熱片12能夠被設(shè)置成，例如從襯里形成圓錐形孔5中的壁的一部分的開始處延伸到圍繞圓筒形孔6的預(yù)定電弧附聯(lián)區(qū)域的結(jié)束處。

在操作中，在噴嘴2的孔6內(nèi)能夠產(chǎn)生極高溫度，例如，大于12000°k，這能夠?qū)е略趪娮炜?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(tǒng)4被設(shè)置成借助循環(huán)水冷卻噴嘴2的外部。水冷卻系統(tǒng)4包括水冷卻路徑8，其從槍主體的后部進入、被定向成圍繞噴嘴2的外周并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(tǒng)4具有至少一個水入口端口9以便將冷卻水從供應(yīng)源供應(yīng)到噴嘴2的外周，并且具有至少一個水出口端口10，冷卻噴嘴2的外周的水通過該水出口端口10離開并返回到供應(yīng)源。水入口端口9供應(yīng)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。冷卻水之后被引導(dǎo)通過散熱片12以便接觸并冷卻散熱片12所處的外周，并且之后被引導(dǎo)到一區(qū)域中以便接觸并冷卻圍繞圓筒形孔6的一部分的周表面13。也應(yīng)該理解的是，循環(huán)冷卻水能夠以相反方向被引導(dǎo)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。

在熱噴涂槍的操作期間，在水冷卻系統(tǒng)4中的循環(huán)冷卻水處于壓力下。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(fā)生所謂的微沸騰現(xiàn)象。圖2描繪由于微沸騰導(dǎo)致的在噴嘴2的外周表面16上的沸騰圖案14，并且圖3示出實際的噴嘴2'，其由于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(yīng)于圖2所示的沸騰圖案14。圖4圖示由于在大約400k時的微沸騰導(dǎo)致的位于模擬噴嘴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中的由于微沸騰導(dǎo)致的在400k時的沸騰圖案14、14'對應(yīng)于圖4所描繪的模擬噴嘴2''上的沸騰圖案14"。而且，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在沸騰圖案14、14'的區(qū)域中的噴嘴2、2'的表面上的冷卻水的微沸騰結(jié)合冷卻水中的雜質(zhì)能夠?qū)е略诜序v圖案14、14'的區(qū)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污染物均將侵蝕銅噴嘴材料。已經(jīng)進一步發(fā)現(xiàn)，即使冷卻水是高純度蒸餾和去離子冷卻水，由于不能從水中去除所有污染物并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(chǎn)生腐蝕。

隨著沸騰圖案14、14'的區(qū)域中的水冷材料表面（例如銅）腐蝕，材料的熱傳遞系數(shù)變化，從而改變噴嘴2、2'的熱狀態(tài)。因此，等離子體電弧也將由于這種腐蝕而變化。更具體地，測試已經(jīng)表明，噴嘴2、2'的改變的熱狀態(tài)能夠?qū)е碌入x子體電弧電壓失穩(wěn)，并且這種不穩(wěn)定能夠促進電弧電壓衰減。這種不穩(wěn)定還能夠?qū)е聠挝粫r間能量狀態(tài)的變化，從而這能夠改變瞬時水平的過程（熱噴涂或是化學(xué)加工）。

雖然銅由于其高的導(dǎo)熱性及其高的導(dǎo)電性而是構(gòu)造等離子體槍噴嘴的優(yōu)選材料，但已測試替代性材料來構(gòu)造具有不同結(jié)果（即，從足夠的性能到失效導(dǎo)致噴嘴完全熔化）的整個噴嘴2。發(fā)現(xiàn)的最佳替代性材料是鎢，但即使這種材料也僅最佳適于用作銅等離子體噴嘴孔的孔襯里。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，也最佳地適于用作襯里而不是整個噴嘴。而且，當襯里符合根據(jù)美國專利申請公開號2013/0076610的薄層時，使用除了銅之外的襯里材料效果最佳。

在實施例中，要暴露于冷卻水的噴嘴2的表面、且優(yōu)選地噴嘴2的所有表面被電鍍以便保護銅材料免于與冷卻水進行化學(xué)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(yīng)優(yōu)選地不被電鍍，因為該孔內(nèi)產(chǎn)生的溫度將熔化鍍層材料并且因此熔化的鍍層材料將從噴嘴被噴出。

借助于非限制性示例，鍍層能夠通過例如如下方式被施加到噴嘴2：化學(xué)浴沉積（電解）、化學(xué)氣相沉積（cvd）、物理氣相沉積（pvd）、等離子體噴涂物理氣相沉積（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(xué)浴沉積或者電解是優(yōu)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。

用于提供所需腐蝕保護的鍍層材料優(yōu)選地能夠是純金屬，例如鎳、鉻、鎘、釩、鉑、金、銀、鎢和鉬。由于其低成本、容易施加和普遍的可用性，鎳是優(yōu)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(dǎo)熱性，所以應(yīng)該理解的是由這種金屬合金形成的保護層的鍍層厚度應(yīng)該足夠薄以避免限制熱流動。此外，惰性陶瓷涂層通常不被看作是鍍層材料的可用技術(shù)方案，因為通常與這些陶瓷相關(guān)聯(lián)的熱阻基本與腐蝕銅的副產(chǎn)物相同。

根據(jù)實施例，鍍層僅需要是足以在合理的時間量內(nèi)保護水冷表面免受腐蝕侵蝕的厚度。借助于非限制性示例，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(yōu)選的。對此，只要鍍層不干擾噴嘴在熱噴涂槍內(nèi)部的容差和裝配，就能夠?qū)⑤^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(dǎo)熱性，隨著鍍層厚度增加，電鍍噴嘴的熱傳遞性質(zhì)將降低，這能夠?qū)е聦娮炜椎臒釗p壞。因此，借助于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(yōu)選的，并且大約0.0005"（12.7μm）的鎳涂層厚度可以是最優(yōu)選的。而且，因為其他提到的純金屬具有比鎳更小的導(dǎo)熱性，所以這些其他的純金屬的鍍層厚度將優(yōu)選地比提到的鎳鍍層厚度更薄。

根據(jù)實施例，通過采用標準熱噴涂等離子體槍噴嘴（例如在噴嘴2的構(gòu)造中對應(yīng)的噴嘴）并且使用電解電鍍大約0.001"厚的鎳層，來制造測試制品。特別地，鎳鍍層僅被施加到外部表面，因為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對噴嘴孔的內(nèi)部進行電鍍或涂覆對噴嘴性能有害。將電鍍噴嘴組裝到由紐約韋斯特伯里的oerlikonmetco(us)inc.制造的f4等離子體槍中并且總共操作30個小時，即直到基于3伏特壓降達到硬件使用壽命結(jié)束。所使用的系統(tǒng)包含用于操作等離子體槍的典型水質(zhì)。在硬件使用壽命結(jié)束時檢查電鍍噴嘴發(fā)現(xiàn)只有形成在微沸騰區(qū)域中的化學(xué)沉淀物產(chǎn)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涂覆表面。

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(jié)果。在該測試中，水被替換成具有小于1微西門子（μs）的導(dǎo)電性的新鮮的干凈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(chǎn)生的沉淀物堆積。銅被認為是由水從槍內(nèi)側(cè)的其他載銅表面去除銅離子并鍍到鎳上而導(dǎo)致的結(jié)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(jīng)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(fā)現(xiàn)在噴嘴在水界面處經(jīng)歷最高溫度的區(qū)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(qū)域中，銅與水中的溶解氧反應(yīng)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(fā)現(xiàn)了非常小的變色，并且發(fā)現(xiàn)的變色被確定是源自在微沸騰的區(qū)域中的水雜質(zhì)導(dǎo)致的沉淀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(xiàn)了更好的電壓穩(wěn)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(dǎo)致噴嘴將持續(xù)更長時間，并且在噴嘴的使用壽命期間提供更穩(wěn)定的等離子體電弧性能。

應(yīng)該理解的是，雖然不同的常規(guī)等離子體噴涂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(yīng)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范圍的情況下，噴嘴的尺寸能夠基于上述公開中所指出尺寸改變或改進。

應(yīng)該注意，前述示例僅為了解釋的目的而提出，并且絕不應(yīng)該被理解成限制本發(fā)明。雖然已經(jīng)參考示例性實施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)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(quán)利要求的范圍內(nèi)，可在現(xiàn)有陳述和修改的基礎(chǔ)上進行改變，而不脫離本發(fā)明的各個方面的范圍和精神。雖然已經(jīng)參考特定的裝置、材料和實施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不意圖被限制為本文公開的細節(jié)；反而，本發(fā)明擴展至諸如所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有功能上等同的結(jié)構(gòu)、方法和用途。