專利名稱:作可磨蝕涂層噴涂的多噴口等離子體噴涂設(shè)備和方法
參見與本申請(qǐng)同時(shí)待批和轉(zhuǎn)讓的美國專利申請(qǐng)第815，616號(hào)，該申請(qǐng)由那薩維基(S.T.Narsavage)等人于1986年1月2日申請(qǐng)。
本發(fā)明有關(guān)一種在一基質(zhì)上作為噴涂的方法。具體有關(guān)用單一噴涂器件，在基質(zhì)上同時(shí)熱噴兩種或更多種粉末。
燃?xì)廨啓C(jī)和其他渦輪機(jī)有若干排葉片，在大致為圓筒形的殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)。葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)葉尖在緊靠殼體處運(yùn)動(dòng)。提高這類機(jī)器的效率的一個(gè)方法，是盡量減少葉尖和殼體間的工作流體的泄漏。早些時(shí)間已發(fā)現(xiàn)，可用葉片和密封系統(tǒng)減少這種泄漏，在這種密封系統(tǒng)中，葉尖磨擦附在機(jī)殼內(nèi)表面上的可磨蝕密封材料。
多孔金屬結(jié)構(gòu)特別適于作可磨蝕密封件用，因?yàn)樵谕D(zhuǎn)葉片接觸時(shí)密封件以有利的速率磨蝕。制造多孔密封件的一個(gè)方法，是用等離子體噴涂金屬和聚合物粉末狀態(tài)顆粒的混合物，一般如朗各(Longo)在美國專利第3，723，165號(hào)中所闡述。但是，當(dāng)按朗各的方法噴涂?jī)煞N以上的粉末時(shí)，假如顆粒的比重或尺寸不同時(shí)，難以保持顆粒均勻混合，如詹森(Janssen)在美國專利第3，912，235號(hào)中所揭示?？朔@問題的一個(gè)嘗試，在伊頓(Eaton)等人的美國專利第4，386，112號(hào)中有敘述，其中將金屬和陶瓷粉末顆粒分別噴入等離子體流，而在噴流中互相混合。頒發(fā)給丹尼爾斯(Daniels)的美國專利第3，020，182號(hào)，克林曼(Clingman)等人的第4，299，865號(hào)，比爾(Bill)等人的第4，366，276號(hào)專利等都也代表了現(xiàn)有技術(shù)狀況。
雖然等離子體噴涂技術(shù)的水平很先進(jìn)，但按照現(xiàn)有技術(shù)控制可磨蝕密封件的質(zhì)量和再現(xiàn)性仍有困難。因此，需要尋求改進(jìn)密封件制造的方法。
根據(jù)本發(fā)明，用單一的熱噴涂器械，在基質(zhì)上沉積至少兩種不同類型的粉末，噴涂時(shí)這些不同類型粉末在高溫氣流中很少混合。更具體地說，將不同類型的粉末，同時(shí)用分別的粉末噴口，在分別控制的供料速度下，噴入高溫高速氣流中;粉末噴口的安排和供粉速度的調(diào)節(jié)，使第一種粉末被沿氣流的中心高溫部分所載送，沖撞基質(zhì)，而同時(shí)第二種粉末顆粒被氣流的外層溫度較低的部分所載送，沖撞基質(zhì)。由于有分別的前進(jìn)路線，氣流中的第一粉末顆粒和第二粉末顆粒很少混合;在將粉末噴入氣流的同時(shí)，使基質(zhì)相對(duì)于氣流移動(dòng)，便可形成均勻的復(fù)合沉積層。
在氣流中粉粒很少混合的噴粉較粉末進(jìn)入氣流前已混合(如朗各的專利)，或粉末在氣流中混合(如伊頓等人的專利)能產(chǎn)生質(zhì)量有顯著改進(jìn)的沉積層。
本發(fā)明特別適用于同時(shí)噴涂有不同熔化溫度的諸如美國專利申請(qǐng)第815，616號(hào)所述的粉末，例如金屬和塑料粉末。將金屬顆粒噴入氣流的高溫部分，它們?cè)跉饬髦械鸟v留時(shí)間長(zhǎng)于噴入氣流低溫部分中的塑料顆粒的駐留時(shí)間。金屬顆粒和塑料顆粒都沒有過多的氣化。噴涂沉積層的微觀結(jié)構(gòu)，顯現(xiàn)聚合物顆粒在金屬母質(zhì)中均勻分布。噴涂以后將沉積層加熱至聚合物揮發(fā)的溫度，結(jié)果就產(chǎn)生多孔金屬結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的以上目的和其他目的，特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，從下文對(duì)最佳實(shí)施例的敘述和附圖中便可了解得更清楚。
附圖簡(jiǎn)介如下圖1表示對(duì)實(shí)施本發(fā)明很有用的設(shè)備的示意圖;
圖2為金屬粉末和聚合物粉末噴涂在基質(zhì)上以后的分布的示意圖。
本發(fā)明有關(guān)用單一噴涂設(shè)備，在基質(zhì)上同時(shí)熱噴涂?jī)煞N以上不同類型粉末的方法。為簡(jiǎn)化起見，下文討論僅針對(duì)熱噴兩種粉末。熱噴涂一詞，表示等離子體噴涂，燃燒噴涂和其他在基質(zhì)上沉積粉末的類似的方法。
參看圖1最便于對(duì)本發(fā)明作討論。該圖中待涂敷的基質(zhì)用標(biāo)圖號(hào)10表示，用于在基質(zhì)10上沉積粉末的設(shè)備用標(biāo)號(hào)12表示。圖中雖未示，但噴涂系統(tǒng)的部分為供粉裝置，和與之相關(guān)的設(shè)備;將基質(zhì)10同設(shè)備12互相相對(duì)移動(dòng)的裝置圖中亦未表示。基質(zhì)10和設(shè)備12的具體移動(dòng)方式非本發(fā)明關(guān)鍵，可以保持設(shè)備12位置固定，將基質(zhì)10移動(dòng)，或保持基質(zhì)10位置固定而移動(dòng)設(shè)備12，或基質(zhì)10和設(shè)備12都移動(dòng)。熟悉本技術(shù)者能夠?yàn)閲娡肯到y(tǒng)采用適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)裝置，以便最好地適應(yīng)具體沉積方法的需要。
再看附圖，設(shè)備12有一個(gè)噴槍組合件14。為便于本文的討論，噴槍組合件14為等離子弧型式。熟悉本技術(shù)者了解，典型等離子弧槍組合件14中，有互相離開的電極產(chǎn)生高溫電弧?；練怏w和輔助氣體，例如氦，氬或氮，或其混合氣在電弧中通過，電離形成高溫高速的等離子體焰或氣流15，順槍口19的方向，從槍口19流向基質(zhì)10。為了耐受等離子體15的改為，槍口19一般有水冷卻。
安裝架16用圖中未示的裝置在噴槍組合件14前端17上固定。噴咀18在支架16上固定，向基質(zhì)10上噴射冷卻氣流，防止基質(zhì)10被等離子體15過熱。適用的冷卻氣體舉例如氮、氬或空氣等。下文中更詳細(xì)討論，噴粉口的安排，將分別的粉粒流引入等離子體流15。第一噴粉口22，將第一種粉末顆粒23引入氣流15，第二噴粉口24將第二種粉末顆粒25，引入氣流15。圖示兩個(gè)第一噴粉口22約間隔180°，兩個(gè)第二噴粉口24約互相間隔180°，大致同第一噴粉口22的位置在徑向上對(duì)正。然而噴粉口22，24的數(shù)目和其相對(duì)位置，在本發(fā)明中并非關(guān)鍵。第一噴粉口22在第二噴粉口24的軸向上游，其構(gòu)造及安排，便利在離噴槍組合件14前端17的距離A處，向氣流15噴入第一粉粒23;第二噴粉口24在下游距離B處，向氣流15噴射第二粉粒25。噴槍前端17同基質(zhì)10的距離用C表示。由于第一及第二噴粉口22，24的安排，并且由于分別噴入氣流15的粉粒23，25的速率和速度，粉粒23，25在氣流15中很少混合。此外，第二粉粒25在等離子體流15中的駐留時(shí)間，短于第一粉粒的駐留時(shí)間。其意義將在下文中進(jìn)一步討論。
粉粒23，25分別用管路32及34供給噴粉口22及24。管路32，34一般用氬作為載送氣體增壓。兩條供給管路32各和分別的盛放第一粉粒23的供粉器連接，兩個(gè)供粉管路34和分別的盛放第二粉粒25的供粉器連接。所有的供粉器都可獨(dú)立控制，按特定的速率和速度分別向噴粉口輸送，從其里面通過。
在距離噴槍前端17愈遠(yuǎn)的下游，等離子流15從氣流軸線26在徑向上愈向外擴(kuò)散。造成的氣流15的總的形狀和圓錐形相似。從觀察得知，等離子體流15實(shí)際包括流動(dòng)氣體的中心流40，和流動(dòng)氣體的徑向外緣流42。下游距離增大時(shí)，中心流40的直徑dC僅略為增大，而當(dāng)下游距離增大時(shí)，外緣流42直徑do的增幅大很多。中心等離子體流40中的氣體溫度和速度，比外緣流氣體42的溫度和速度大相當(dāng)多。選擇每一第一供粉器的工作參數(shù)，使第一類型粉末的基本連續(xù)的粉粒流，通過相應(yīng)的第一供粉孔22，直接注入氣體中心流40。第一種粉粒23由中心流傳送，直至和基質(zhì)10沖撞。測(cè)試結(jié)果示明，第一粉粒23很少有向中心流40外面徑向偏折，明顯地是因?yàn)橹行牧?5有相當(dāng)高的軸向動(dòng)量，雖然可能有其他的力產(chǎn)生偏流的作用。
如從圖1可見，每一第二供粉口24的出口端44，在每一第一供粉口22外端46的徑向外側(cè)，并在其軸向下游。對(duì)每一第二供粉器的工作參數(shù)作選定，使第二型粉粒25注入等離子體流15，而不進(jìn)入氣體的中心流40，第二粉粒25由氣體的外緣流42傳遞，直至沖撞基質(zhì)10。不同粉粒23，25是否正確注入相應(yīng)的等離子體流部分40，42中，由兩部分傳送到基質(zhì)10，可通過估算氣流15中粉粒23，25的分布測(cè)定。估算的方法在下文中按對(duì)圖2的討論說明。
氣體外緣流42攜帶第二種粉粒25，圍氣體中心流40繞圈旋轉(zhuǎn)，而第一粉粒23順流向基質(zhì)10移動(dòng)。由于第一粉粒23和第二粉粒25被分別的氣流40，42向基質(zhì)10傳送，顆粒23，25在等離子體流中沒有可觀察覺到的程度的混合。這便和現(xiàn)有技術(shù)中的等離子體噴涂法不同，在過去的方法中，將不同類型的粉粒在等離子體流或混合腔中，作有意識(shí)的混合，然后通過單一的供粉口送入等離子體流中。
圖2所示，第一及第二粉粒23，25分別在等離子體流15中，沒有很大的混合。該圖簡(jiǎn)示基質(zhì)10的攝影，在上面按本發(fā)明方法涂敷一秒鐘。這是通過在噴槍組合件14和基質(zhì)10之間放置一個(gè)閘門型器件取得，閘門開放一秒鐘，粉末23，25注入等離子體流15。從圖中可見，第一粉末23留在中心氣流40中，第二粉粒留在氣流的徑向外緣部分42中，兩種粉末僅有少量的混合。(注意產(chǎn)生圖2所示的粉末分布形式的噴槍組合件14，只有一個(gè)第一噴粉口22和一個(gè)第二噴粉口24。當(dāng)用兩個(gè)第一噴粉口22和兩個(gè)第二噴粉口24時(shí)，便產(chǎn)生不同的形式。但是，第一和第二種粉末還是沒有很多的混合。)大部分粉末留在等離子體流的相應(yīng)部分中，對(duì)保證方法和產(chǎn)品的可重復(fù)性是重要的。調(diào)節(jié)等離子體噴槍組合件的工作參數(shù)，可將中心流和外緣流40，42的特征(溫度、速度等)分別控制在最佳范圍內(nèi)，以噴涂不同類型的粉末。換句話說，調(diào)節(jié)中心流部分的特性以產(chǎn)生噴涂第一類粉末的最佳條件，而同時(shí)調(diào)節(jié)外緣流部分的特性以產(chǎn)生噴涂第二類粉末的最佳條件。
本發(fā)明特別適用于熱噴沉積有不同熔化溫度和比重的粉末，形成諸如燃?xì)鉁u輪機(jī)之類的渦輪機(jī)械的多孔金屬結(jié)構(gòu)。作這種沉積時(shí)，第一類粉末可以是抗氧化金屬材料，諸如MCrAlY，M為鎳，鈷，鐵或其混合物。這種組分舉例如美國專利第3，676，085;3，928，026及4，419，416號(hào)中所敘述者;這些專利的內(nèi)容本文引述作為參考。對(duì)有些MCrAlY的組分有修改，另加貴金屬，耐火金屬，鉿，硅和烯土元素等，參見例如美國專利第4，419，416號(hào)。在與本申請(qǐng)同時(shí)待批并轉(zhuǎn)讓的美國申請(qǐng)第815，616號(hào)中，敘述了一種特別適用的用耐火金屬改型的MCrAlY組分。更簡(jiǎn)單的金屬組分如鎳鉻合金亦可按本發(fā)明的方法噴涂，可和金屬粉末同時(shí)噴涂，產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)的第二類粉末是可分解聚合物。在基質(zhì)上涂覆金屬和聚合物粉末后，將帶涂層的零件加熱到足以揮發(fā)聚合物的溫度，造成適用作燃?xì)鉁u輪機(jī)的可磨蝕密封件的多孔金屬結(jié)構(gòu)。按本發(fā)明制造的密封件，比現(xiàn)有技術(shù)中的密封材料顯示了更好的性能。
金屬粉末最好用旋轉(zhuǎn)霧化法或速固法(RSR-rapid solidification-rate)制造，諸如同一受讓人的美國專利4，178，335號(hào)及4，284，394號(hào)中所述的。和用其他技術(shù)生產(chǎn)的粉末比較，用RSR法生產(chǎn)的粉末顆粒尺寸一般比較均勻，一般為球形，有較高表面光潔度。這種粉末和形狀及尺寸不規(guī)則的粉粒比較，較易從供粉器及相關(guān)的設(shè)備中流過。一旦進(jìn)入這種等離子體的中心流部分，這種尺寸及形狀均勻的光滑顆粒，都受熱到大致相等溫度，使噴涂方法和用這方法生產(chǎn)的產(chǎn)品，比現(xiàn)有技術(shù)中的方法有較高的復(fù)驗(yàn)性。為取得更高的復(fù)驗(yàn)性，聚合物顆粒的尺寸和形狀也應(yīng)均勻，有光潔表面。
作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例，將用RSR法制造的耐火材料改型MCrAlY粉粒，和聚甲基丙烯酸甲酯顆粒共同噴涂，制造有涂敷后處理(如下文所述)的沉積層，用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的可磨蝕密封。聚合物粉粒購自杜邦公司，產(chǎn)品名稱為“柳賽特”(Lucite)，4F級(jí)粉末;質(zhì)地光潔，球形，尺寸(直徑)范圍約為60-120微米。金屬粉粒也是光潔球體，尺寸約為50-90微米。聚合物顆粒和金屬顆粒的比重約分別為0.9克/立方厘米和8.6克/立方厘米。
聚合物顆粒和金屬顆粒用分別的1250系列等離子管供粉器(美國加利福尼亞州特斯丁(tustin)市普拉斯馬達(dá)因(Plasmadyne)公司出品)，向等離子噴涂系統(tǒng)供給，該系統(tǒng)包括梅特科(Metco)7M型噴槍和梅特科705型噴咀(美國紐約州威斯特伯利(westbury)市梅特科公司產(chǎn)品)。參見圖1，噴咀與金屬噴入點(diǎn)的距離A約為0.55厘米;噴咀與聚合物噴入點(diǎn)的距離B約為3.3厘米;噴咀與基質(zhì)的距離C約為18厘米。第一噴粉口出口端46與等離子體流軸線26的徑向距離約為0.7厘米;第二噴粉口出口端44與等離子體流軸線26的距離約為1.5厘米。用于沉積粉末的具體噴涂參數(shù)列于表Ⅰ。用這些參數(shù)產(chǎn)生的噴涂形式同圖2所示形式相似。
產(chǎn)生金屬-聚合物粉末沉積的噴涂參數(shù)功率輸入(千瓦) 20.3-21.7基本氣流(標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)) 1.4-2.1輔助氣流(標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)) 0.3-1.0載運(yùn)氣流(標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)) 0.1-0.2金屬粉末供給速率(克/分鐘) 50.0-70.0聚合物粉末供給速率(克/分鐘) 8.0-12.0噴槍相對(duì)于基質(zhì)的偏角 ≤20°至垂直對(duì)用表Ⅰ參數(shù)噴涂的沉積層，用金相攝影檢驗(yàn)其微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其特征為，約有三分之一為金屬顆粒，三分之一為聚合物顆粒，和三分之一為孔隙。從顆粒的形態(tài)來看，說明多數(shù)顆粒被等離子體流的熱軟化。從注入噴流的粉末的量和基質(zhì)上實(shí)際沉積的粉末的量比較來看，沒有過量粉末被等離子體汽化。在現(xiàn)有技術(shù)的噴涂技術(shù)中，金屬粉末和聚合物粉末都由等離子體流的中心部分傳送，觀察到有相當(dāng)量的聚合物顆粒被氣化，對(duì)方法的復(fù)驗(yàn)性和所產(chǎn)生的產(chǎn)物有不利的影響。這種過渡汽化是因?yàn)榈入x子體流中心部分的溫度，遠(yuǎn)超過聚合物的汽化溫度。因此，在本發(fā)明的技術(shù)中，由于聚合物顆粒在等離子體流的溫度較低的徑向外緣部分中通過，所以和現(xiàn)有技術(shù)相比，聚合物顆粒汽化的量減少相當(dāng)多。
噴涂以后，對(duì)金屬/聚合物沉積層進(jìn)行處理，以消除聚合物顆粒，造成多孔金屬結(jié)構(gòu)。理想的方法是將沉積層在約355-385℃的不氧化氣氛中加熱兩小時(shí)。這溫度足以使聚合物完全揮發(fā)。聚合物還可用適當(dāng)?shù)娜軇┲愖骰瘜W(xué)清除。清除聚合物后噴涂沉積層的孔隙率約為三分之二。
根據(jù)本發(fā)明原理制造的這種多孔噴涂MCrAlY沉積層，和現(xiàn)有技術(shù)的密封材料比較，顯示了明顯的優(yōu)越性。適用的密封材料必須可磨蝕，即當(dāng)被高速運(yùn)動(dòng)的部件接觸時(shí)，例如被燃?xì)廨啓C(jī)的旋轉(zhuǎn)葉尖，或被迷宮式密封件的鋒刃尖接觸時(shí)，能夠很容易有脆性的崩解。然而密封材料又必須在受顆粒侵蝕或其他機(jī)械應(yīng)力時(shí)，保持其完整性。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，本發(fā)明的多孔可磨蝕金屬同現(xiàn)有技術(shù)的密封件比較，顯示了更好的可磨蝕性和抗侵蝕性。
雖然對(duì)本發(fā)明參照了一個(gè)最佳實(shí)施例進(jìn)行解說和說明，但熟悉本技術(shù)的人可以理解，對(duì)發(fā)明的形式和細(xì)節(jié)可作各種變化，而不超出權(quán)利要求
書中的發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種在一個(gè)基質(zhì)上形成噴涂粉末沉積層的方法，沉積層的特點(diǎn)為有第一粉粒和第二粉粒的均勻混合，方法包括如下步驟(a)產(chǎn)生高速高溫氣體流，引導(dǎo)氣體流流向基質(zhì)，氣體流的中心部分溫度高于氣體流的外緣部分；(b)將第一類粉末注入氣體流，由氣體流中心部分傳送，沖擊基質(zhì)；(c)同時(shí)將第二類粉末注入氣體流，使第二類粉粒由氣體流的外緣部分傳送，沖擊基質(zhì)，在氣體流中第二類粉粒基本不與第一類粉?；旌希?d)將含有第一及第二粉粒的氣體流相對(duì)于基質(zhì)移動(dòng)，在基質(zhì)上形成均勻的粉粒沉積層。
2.如權(quán)利要求
1之方法，其特征為，第一粉粒為金屬，第二粉粒為聚合物，還包括清除噴涂沉積層中的聚合物顆粒，形成金屬多孔沉積層的步驟。
3.用權(quán)利要求
2之方法所制造的物件。
4.一種制造至少含有兩種不同粉末顆粒的噴涂粉末沉積層的方法，其中兩種粉末用一個(gè)噴流載送，基質(zhì)沖擊，其特征在于，同時(shí)將不同的粉末分別注入噴涂流中，第一種粉末和第二種粉末在噴流中基本不混合，將基質(zhì)相對(duì)便噴流移動(dòng)，使粉末沖擊基質(zhì)，形成均勻的噴涂沉積層。
專利摘要
敘述了一種同時(shí)將至少兩種粉末向基質(zhì)熱噴涂的設(shè)備和方法，兩種粉末用單一的噴流載送以沖擊基質(zhì)。根據(jù)發(fā)明，將不同的粉末通過分別的供粉口注入噴流，方式為粉末在噴流中基本上沒有混合。噴涂系統(tǒng)和基質(zhì)相對(duì)移動(dòng)產(chǎn)生均勻的噴粉沉積層。
文檔編號(hào)B22F3/115GK87103228SQ87103228
公開日1987年11月4日 申請(qǐng)日期1987年4月28日
發(fā)明者小哈羅德·威廉·佩蒂特, 查爾斯·蓋伊·戴維斯, 弗雷德里克·克萊爾·沃爾登 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan