專利名稱：高速火焰噴射設(shè)備和材料成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及火焰噴射設(shè)備和熱噴射物料的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及一種高速火焰噴槍，該噴槍利用連續(xù)的高速擴散反應以生產(chǎn)極致密的物料，如涂層和獨立式的近凈形狀(nearnetshape)。本發(fā)明也提供用熱噴射成形的高度致密的材料，它們具有優(yōu)異的冶金和物理特性。
熱噴射用于許多種工業(yè)，用以在金屬襯底上產(chǎn)生保護涂層。最近，熱噴射法已經(jīng)成了注意的焦點，用以制造作為涂層和作為獨立的近凈構(gòu)件的高技術(shù)復合材料。通過加熱和加速一或多種物料的粒子以形成高能粒子流，熱噴射提供一種方法，利用這種方法可使金屬粉末之類物料迅速地沉積在靶子上。雖然許多參數(shù)決定噴射涂層或噴射物件的組成和顯微結(jié)構(gòu)，但粒子撞擊靶子的速度是決定沉積物的密度和均勻度的重要因素。
一種被稱為“等離子體噴射”的先有技術(shù)沉積技術(shù)利用高速氣體等離子體將粉末物料或細粒物料噴射到襯底上。為了形成等離子體，一種氣體在噴槍的噴嘴中流動通過電弧，使氣體電離成等離子體流。等離子體流溫度極高，常常超過10，000℃。被噴射的物料通常為約20至100微米的粒子，它們被等離子體夾帶?？梢赃_到超音速的速度。雖然等離子體噴射產(chǎn)生高密度涂層，但它是一種需要昂貴的設(shè)備和相當熟練的應用技術(shù)的復雜工藝。
也曾利用一種燃燒火焰來將金屬粉末和其它物料噴射到襯底上。一種燃料氣體如乙烯和含氧氣體的混合物流動通過噴嘴，而后在噴嘴頂部點燃。待噴射的物料計量進入加熱物料的火焰并被推進到靶子表面。原料可以是金屬棒，它可以沿軸向通入火焰前沿的中心，或者另一種辦法是，金屬棒可以沿切向送入火焰。同樣，金屬粉末可以利用載氣沿軸向注入火焰前沿。許多燃燒火焰噴槍使用一個重力進料機構(gòu)，粉末原料利用這個機構(gòu)簡單地滴入火焰前沿。但是，常規(guī)的燃燒火焰噴射一般為處于亞音速范圍的低速操作，通常產(chǎn)生孔隙率很高的涂層。
在另一種噴射技術(shù)中，在兩個可以消耗的金屬絲電極之間產(chǎn)生一個電弧區(qū)。當電極熔化時，通過將電極連續(xù)地送入電弧區(qū)來維持電弧。電極頭部的熔融金屬通過吹送壓縮氣體來霧化。而后用氣嘴將霧化金屬推進到襯底上，形成沉積物。常規(guī)的電弧熱噴射涂層通常是致密的，比較好地避免了氧化物，但是該工藝限于導電的能制成絲或棒形狀的原料，這在某些用途中是不合用的。
最近，一種改型的燃燒火焰噴射已經(jīng)生產(chǎn)了高密度的物件，這種物件的冶金和物理性能優(yōu)于用常規(guī)的火焰噴射技術(shù)生產(chǎn)的物件。這些裝置通常被稱為“超音速”火焰噴槍，一般包括一個內(nèi)燃室，其中燃燒燃料氣體如丙烯或氫和含氧氣體的混合物。膨脹的高溫燃燒氣體受迫通過噴嘴，在噴嘴中燃氣獲得超音速。而后將原料如金屬粉末送入高速火焰噴嘴，以產(chǎn)生高溫高速的粒子流。被夾帶粒子的速度產(chǎn)生密度高于其它亞音速燃燒火焰方法的涂層。這些裝置的例子于Brow-ning的美國專利4，342，551號、4，643，611號和4，370，538號與Oeschale等人的美國專利4711627號。
Smith等人的美國專利2，861，900號記載了另一種火焰噴射設(shè)備。其中，一種流體可燃混合物在一個筒體或噴嘴元件中點燃，該元件由一個從入口到出口都不縮小的有限空間組成。原料如金屬粉末被沿軸向引入不縮小的筒體中，金屬粉末穿過筒體被推向靶子。注入器噴嘴的軸向洞孔被用來傳送燃料氣體和原料。因此，原料在燃燒前被夾帶入燃料氣體。在燃燒期間，粒子軌道獲得徑向分量，它們可以使靠近筒體壁的受熱原料粒子撞擊和積聚在壁面上。此外，由于粒子注入地點和燃燒區(qū)之間的長距離，這種粒子運動的作用得到增強。這種徑向速度同時減小粒子的平均速度。如將會更充分地說明的，本發(fā)明克服了這些限制，并由于提供一種超音速火焰噴射設(shè)備而具有許多別的優(yōu)點，設(shè)備中產(chǎn)生一種穩(wěn)態(tài)的連續(xù)高速擴散反應，這種反應產(chǎn)生軸向準直的粒子流，而且這種設(shè)備能夠獨立地調(diào)節(jié)粒子注入速率和燃料氣體流動速率。
先有技術(shù)熱噴射方法已被用來同時噴射兩種或多種不同的材料，從而形成復合材料。已經(jīng)通過熱噴射工藝外的其它技術(shù)制成了陶瓷-陶瓷復合材料和被稱作“金屬陶瓷”或“金屬基復合材料”的涂層和獨立的近凈形狀物件。也可以通過利用一個噴槍制成第一種粒子流而后將其與從另一噴槍來的粒子流相組合以形成靶子表面上的組合噴射的辦法來制造材料。
Gazzard等人的美國專利3，947，607號中公開了以這種方式制造保護涂層的方法，簡要地說明了使用電弧槍和獨立的氧-燃燒氣體金屬化槍來制造組合噴射沉積物的方法。但是，使用雙噴射槍制造的涂層并不具有優(yōu)異的性能。此外，使用兩個獨立的噴槍來制造復合材料涂層既困難又笨重。因此希望提供一種單一的噴槍，它可以用于制造復合材料如金屬基復合材料，而且它兼有超音速火焰噴射和電弧噴射的優(yōu)點而不存在它們的缺點。本發(fā)明通過提供一種超音速火焰噴射系統(tǒng)來達到這些目標，在該系統(tǒng)中，第一物料的高能粒子流霧化熔融的第二物料從而形成復合材料粒子流。
本發(fā)明的超音速火焰噴射設(shè)備、系統(tǒng)和方法特別地(但并非唯一地)適合于形成本發(fā)明的改進的涂層和制品，包括金屬基復合材料和近凈形狀。改進的火焰噴射設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，可以在低的氣體消耗速率下操作，相對說來是不需要維護的。生成的高性能、良好結(jié)合的涂層基本上是充分致密的，具有鍛制材料的某些特性，組分基本上是均勻的。因此，本發(fā)明的設(shè)備、方法和材料組分具有超過已知先有技術(shù)的顯著優(yōu)點。
本發(fā)明的用來制造復合材料包括金屬基復合材料的超音速火焰噴射設(shè)備，包括一種超音速熱噴槍，它接受的原料最好是粉末原料或細粒原料，噴槍原料加熱，并將細粒形狀的受熱原料加速到超音速。所公開的超音速熱噴槍實施例包括一個具有入口和出口的管狀筒體部分，該入口接受受熱和加速的細粒原料，該出口使受熱和加速的原料以超音速指向一個靶子。下面說明的本發(fā)明的熱噴槍的最佳實施例，將燃料和氧化劑的氣體燃燒產(chǎn)物加速到音速的幾倍。利用對出射粒子流中產(chǎn)生的外部“菱形激波”進行計數(shù)的辦法測量各種進料速率時的出射氣體速度表明，用本發(fā)明的火焰噴射槍可以獲得極高的速度。其次，用這個方法比較本發(fā)明的超音速火焰噴射設(shè)備和其它“超音速”火焰噴射表明，本發(fā)明的火焰噴槍可以獲得比先有技術(shù)裝置更高的速度?；诠J的計算方法，出射細粒物料的速度應當是超音速的。如下所述，在任何情況下，利用本發(fā)明的改進的超音速火焰噴射設(shè)備所生成的涂層具有優(yōu)異的性能。此處使用的“超音速”，是一類通常等于或大于聲音速度的任何速度。
在成形復合材料(包括金屬基復合材料)的過程中，超音速火焰噴射設(shè)備在一種實施例中還包括一個用于在受熱和加速的粉末原料從筒體部分的出口射出時將原料(最好是熔融金屬原料)送入該粉末原料的液體進料機構(gòu)。于是加速的細粒原料霧化液體原料，并使大體上均勻分布在受熱細粒原料中的霧化液體原料射向靶子。熱噴射時生成的涂層或復合材料基本上是充分致密的，復合材料的組成基本上是均勻的。在最佳實施例中，設(shè)備包括一臺雙絲電弧熱噴射裝置，該裝置包括用于將兩條金屬絲的端部連續(xù)地送入筒體部分出口附近的受熱加速細粒原料中的機構(gòu)和一個電源機構(gòu)，該電源機構(gòu)在兩條金屬絲的端部之間建立電弧，熔化金屬絲端部，并形成液體金屬原料。
在超音速熱噴射設(shè)備用于形成金屬基復合材料時，粉末或細粒原料可以是難熔物料，包括難熔氧化物、難熔碳化物、難熔硼化物、難熔硅化物、難熔氮化物和它們的復合物及碳晶須。所公開的實施例中的液體原料，可以是液態(tài)的或熔融狀態(tài)的任何金屬或其它物料，也可以是以絲狀或棒狀使用而可以利用雙絲電弧系統(tǒng)熔融的任何金屬或其它物料。因此，本發(fā)明的超音速熱噴射設(shè)備和方法可以用來形成各種充分致密而基本上均勻的金屬基復合材料，其中的許多種不能用其它已知的熱噴射方法形成。
超音速火焰噴射設(shè)備的優(yōu)選實施例包括一個具有原料孔和出口的座體部分，原料孔接受原料，出口與一個會聚噴口相通，會聚噴口最好與原料孔軸向準直。座體部分包括一個具有入口和出口的燃料通道，入口接受流體燃料，出口(最好為環(huán)狀出口)環(huán)繞原料孔并與噴口相通。噴槍的座體部分也包括一個具有入口和出口的氧化劑通道，入口接受氧化劑(最好是一種氣體，如氧)，出口與噴口相通。在優(yōu)選實施例中，氧化劑出口是環(huán)狀的，并環(huán)繞燃料出口。因此，噴口在混合燃料和原料之前從環(huán)狀通道出口接受燃料和氧化劑，燃料最好是氣體如丙烯。噴口包括一個錐形壁，距離燃料和氧化劑通道出口一個足夠的間隔，使燃料和氧化劑在噴口內(nèi)混合和部分燃燒。如下面將要更充分地說明的，而后可以點燃燃料和氧化劑，在噴口內(nèi)產(chǎn)生火焰前沿，極迅速地加熱到來的反應燃料，提供驅(qū)動力以加速原料和氣態(tài)燃燒產(chǎn)物通過錐形壁頂點處的出口。錐形壁的頂點最好與原料孔軸向準直。
如現(xiàn)在說明的，本發(fā)明的火焰噴射設(shè)備和方法的優(yōu)選實施例使用一個位于會聚噴口內(nèi)的放熱反應，該反應將氣態(tài)燃燒產(chǎn)物加熱到極高的速度。燃料和氧化劑氣體被送入會聚噴口(最好穿過分開的同軸準直的環(huán)狀空間送入)并點燃，在會聚噴口內(nèi)產(chǎn)生火焰前沿，使穿過會聚噴口出口和噴槍筒形部分的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物受熱、膨脹和加速。
在優(yōu)選實施例中，燃料在鄰近噴口的軸線處送入火焰前沿，火焰在受限制的噴口內(nèi)燃燒，使原料加速通過火焰前沿并進入噴槍的筒體部分。包封的氧氣與火焰前沿中的剩余燃料反應，維持火焰前沿。在最佳實施例中，通過分開的通道送入噴口的燃料和氧化劑比例產(chǎn)生一種富燃料的條件，進一步增加了由上述反應產(chǎn)生的能量。
在本發(fā)明的火焰噴射設(shè)備的最佳實施例中，環(huán)狀氧化劑氣體通道相對于燃料通道向著原料孔軸線收斂，引導氧化劑氣體進入并包封噴口中的火焰前沿，如上所述與火焰前沿中的剩余燃料相反應。其次，原料孔的橫截面積最好顯著地小于環(huán)狀的燃料和氧化劑氣體通道出口的橫截面積，使得細粒狀粉末狀原料比以燃料和氧化劑氣體更快的速度送入會聚噴口。最后，筒體的內(nèi)徑最好數(shù)倍于粉末孔的內(nèi)徑，使得當受熱的原料細粒通過筒體部分射出時減小細粒或粉末沾污筒體內(nèi)表面的可能性。
因此，根據(jù)本發(fā)明的最佳實施例，本發(fā)明提供了一種火焰噴射設(shè)備，它在熱噴射操作中利用連續(xù)的高速擴散反應給原料粒子供應熱能和動能。在一種優(yōu)選實施例中，火焰噴射設(shè)備包括一個中心設(shè)置的洞孔，原料通過該洞孔送入由會聚噴口限定的連續(xù)高速擴散區(qū)，該會聚噴口與原料孔的出口同軸準直并相通。會聚噴口具有一個會聚錐形壁，它鄰近原料孔出口并與其隔開。原料孔由軸向準直的原料管限定界限，原料管受圓壁構(gòu)件的環(huán)繞，圓壁構(gòu)件限定兩個同心環(huán)形空間的界限。內(nèi)環(huán)形空間用作燃料氣體的通道，外環(huán)形空間提供氧化劑氣體的通道。環(huán)狀燃料氣體通道和環(huán)狀氧化劑氣體通道的兩個出口與會聚噴口軸向準直并相通。有一個筒體附著在原料孔上并與其準直。筒體附著在火焰噴射設(shè)備的會聚噴口的會聚端部。在一種實施例中，筒體周圍環(huán)繞著熱交換套。
在操作中，如本發(fā)明的方法中所提供的，一種氧化劑氣體(最好是氧或富氧空氣)流動通過筒體部分的環(huán)狀氧氣通道，而一種燃料氣體(最好是高溫燃料氣體如丙烯或丙烷)同時流動通過環(huán)狀燃料氣體通道。在環(huán)形空間的出口處，燃料氣體錐體受到會聚噴口中氧化劑氣體的包封。在燃料氣體錐體和氧化劑氣體包封體的界面處一部分燃料氣體混合而形成燃燒混合物。該混合物用筒體端部處的常規(guī)點燃機構(gòu)如火焰點燃器點燃。當燃料氣體和氧化物氣體繼續(xù)流動時，一個火焰前沿建立在燃料氣體和氧化劑氣體包封體的界面處。在會聚噴口中建立起溫度梯度，火焰前沿區(qū)的溫度顯著地高于燃料氣體的點燃溫度。當燃料氣體進入這個富燃料高溫區(qū)的時候，在會聚噴口中產(chǎn)生連續(xù)的高速擴散反應，這種反應使原料受到加速。在這種連續(xù)的高速擴散反應期間，原料沿軸向送入會聚噴口的低壓區(qū)而后通過火焰前沿，這結(jié)合在一起將氣體加速到超音速穿過會聚噴口。原料粒子為熱的高壓燃燒氣體所夾帶并被連續(xù)高速擴散反應的熱傳遞和動量傳遞所加速而穿過會聚噴口和穿過筒體。當粒子運動穿過會聚噴口時，由于噴射流進入筒體，粒子軌道和氣流沿軸向準直。極高速的原料粒子而后穿過噴口從噴口出口射出，成為高度準直的粒子流。
另一方面，本發(fā)明的熱噴射設(shè)備包括用于向準直粒子流供應熔融金屬以形成復合材料粒子流的機構(gòu)。在一種實施例中，準直粒子流霧化雙絲電弧系統(tǒng)的熔融金屬，后者間隔地位于從噴槍筒體出口射出的氣體的軸向中心線上。
本發(fā)明還包括用本發(fā)明的設(shè)備和方法制造的高密度復合材料涂層和獨立的整體或近凈形狀物件。在一種實施例中，粉末原料利用不活潑載氣穿過原料孔。從筒體射出的高速準直粒子流霧化雙絲電弧中的熔融金屬，以形成作為涂層和作為獨立的近凈形狀物件的高密度金屬基復合材料制品，它們具有優(yōu)異的冶金和物理特性，其中若干種不能用任何其它已知的熱噴射方法來形成。
本發(fā)明的這些和其它許多特點和優(yōu)點將聯(lián)系優(yōu)選實施例的詳細說明并參考附圖來較充分地說明。


圖1是本發(fā)明一種實施例中火焰噴槍的縱向截面。
圖2是本發(fā)明的燃料噴嘴的側(cè)面立視圖。
圖3是圖1沿3-3線的截面。
圖4是具有本發(fā)明的電弧裝置的超聲熱噴槍的平面圖。
圖5是包括雙絲電弧的實施例中本發(fā)明的方法和設(shè)備的圖解表示。
圖6是表明噴槍會聚噴口中火焰前沿的形成和從筒體出口出射并從雙線電弧霧化熔融金屬的準直粒子流的生成的圖解表示。
圖7是燃料氣體、氧化劑氣體和原料進入超聲熱噴射設(shè)備的流動狀況的圖解例示。
現(xiàn)在參考圖1，圖示的火焰噴射設(shè)備10通常具有燃燒器座罩12和筒體14，在本實施例中筒體14被表示成與燃燒器座罩12形成整體。燃燒器座罩12的錐形壁16限定會聚噴口18的界限，在操作火焰噴射設(shè)備10期間，會聚噴口18內(nèi)進行連續(xù)的高速擴散反應。原料供應孔20由原料供應管22限定，后者被緊密地接入原料座罩24內(nèi)。如將會更詳細地說明的，原料供應管22在連續(xù)使用后可能磨損，特別是在原料包含夾帶于載氣中的金屬或陶瓷粉末的場合。因此原料供應管22最好是可以脫開地嚙合在座罩24中，使得它可以方便地替換。雖然許多材料都適合于制造本發(fā)明的許多不同的部件，但原料供應管22最好是用堅硬的耐磨損的材料如鋼制造的。
燃料座罩24具有外螺紋端部26，該端部容放在燃燒器座罩12的內(nèi)螺紋部分內(nèi)?？梢栽O(shè)置凸緣28，以有助于使原料座罩24安置就位。原料座罩24和原料供應管22被這樣設(shè)置在燃料供應噴嘴30內(nèi)，使得它們限定一個環(huán)形燃料通道32。燃料噴嘴30的端部34成錐形，壓緊裝配在燃燒器座罩12中。
原料座罩24包括一個接合燃料噴嘴30的第二凸緣或法蘭部分36。凸緣36設(shè)有與原料孔20軸向準直的縱向孔道。因此在操作期間燃料沿箭頭方向流過環(huán)狀燃料通道32時不會被凸緣36明顯阻擋。也就是，凸緣36的外表面具有孔道，因此它對燃料噴嘴32可以起定位架的作用，但仍然允許并不明顯地受限制的燃料流通過環(huán)狀燃料通道32。同樣，燃料噴嘴30的端部38具有一系列大體平行的縱向孔道39，如圖2和圖3所示。而且，這種孔道結(jié)構(gòu)使燃料噴嘴30的端部部分38能夠嚙合錐形壁16而同時允許氧化劑流過環(huán)狀氧化劑通道40進入會聚噴口18。
雖然只要忠實地遵循本發(fā)明的原理那么火焰噴射設(shè)備10就可以有各種各樣的構(gòu)型，但是在本實施例中環(huán)狀氧化劑通道40是由燃燒器座罩12的區(qū)段42和44限定的環(huán)狀通道。可以注意到，區(qū)段44也有錐形壁16。如上所述，座罩區(qū)段44如圖所示是與筒體14形成整體的，雖然如果需要的話燃燒器座罩12和筒體14可以是分開制造的。為了使區(qū)段44牢固地連接到區(qū)段42上，區(qū)段42攻成內(nèi)螺紋，以便容納區(qū)段44的外螺紋部分。在某些應用中也可以要求燃燒器座罩12制成單獨一體的結(jié)構(gòu)。
為了引入環(huán)狀燃料通道32，設(shè)置了燃料供應通道48，它延伸通過燃燒器座罩12的端部部分50，與環(huán)狀燃料通道32流動連通。這個連續(xù)的通道用作將燃料傳送到會聚噴口18中的火焰前沿的孔道。同樣，環(huán)狀氧化劑通道40與氧化劑入口通道52流動連通。端部部分50包括連接部54，它可以利用螺紋連接原料供應管。在火焰噴射設(shè)備10操作期間，粉末原料通過連接部54引入原料孔20。雖然圖中所示的原料供應管22是由通過燃燒器座罩12包括通過端部部分50的連續(xù)結(jié)構(gòu)組成的，但可以希望簡單地省去跨越端部部分50的那部分原料供應管22。在這另一種結(jié)構(gòu)中，緊密地接入原料供應管22的原料座罩24的洞孔直徑可以在端部部分50減小，以匹配原料孔20的直徑。
原料孔20的橫截面積應當顯著地小于環(huán)狀燃料通道孔32和環(huán)狀氧化劑通道孔40的橫截面積，使得粉末原料可以以充分的速度送入會聚噴口18，以穿透火焰前沿。最好是原料供應孔20的面積小于環(huán)狀燃料通道32或環(huán)狀氧化劑通道40的橫截面積約15%，最好是小約10%。同樣，粉末原料孔20的直徑對噴射通道56的內(nèi)徑之比最好是約1∶5。因此，橫截面積之比最好是約1∶25。
筒體14為管狀直孔噴管，它包括空心圓筒區(qū)段46，區(qū)段46限定噴射通道56。如將要更詳細地說明的，高速粒子作為準直的流束被穿過通道56推進。為了防止筒體壁46過熱，也為了產(chǎn)生此處稱為“熱箍縮”的效應，即維持和增強粒子流準直程度的現(xiàn)象，設(shè)置了熱交換套58，它限定一個環(huán)形的熱交換室60。熱交換室60被限制在筒體14上，使得熱量不會從會聚噴口18除去。在火焰噴射設(shè)備10操作期間，一種熱交換介質(zhì)如水通過孔道62和64流經(jīng)熱交換室60。兩根軟管(未圖示)連接到連接器66和68的端部，以通過熱交換室60循環(huán)熱交換介質(zhì)。
至此完成了一種最佳實施例中火焰噴射設(shè)備10的結(jié)構(gòu)說明?？梢赃M行許多變化?；鹧鎳娚湓O(shè)備10的操作將在下面結(jié)合本發(fā)明噴射方法的說明一起陳述。也可以理解，除了形成涂層和近凈形狀外，火焰噴射設(shè)備10也可以適用于其它用途。例如，由于本發(fā)明所述達到的極高速度，可以期望將火焰噴射設(shè)備10用于噴砂操作或類似作業(yè)，而任何此類的用途預定為落入本發(fā)明的范圍以內(nèi)。
在本發(fā)明的另一個實施例中，體現(xiàn)火焰噴射設(shè)備10的特點的火焰噴射系統(tǒng)10′，用相同的參考編號描述相同的部件，它還包括一個熔融金屬供應機構(gòu)，用于將第二種物料引入從筒體出口射出的準直粒子流中。
現(xiàn)在參考圖4，圖中示出了火焰噴射系統(tǒng)10′，系統(tǒng)中具有用于將熔融金屬供應到鄰近筒體14的出口的準直粒子流中去的機構(gòu)。通過以此種方式提供一種具有熔融金屬供應機構(gòu)的火焰噴射設(shè)備，可以噴射形成高密度的金屬基復合材料。如圖4所示，在本發(fā)明的一個實施例中，熔融金屬供應機構(gòu)包括一個雙絲電弧裝置70。電弧裝置70包括裝有金屬絲導座74和76的托架72。金屬絲導座74和76被設(shè)置來以預定速率向著電弧區(qū)82引導金屬絲78和80。在大多數(shù)應用中金屬絲78和80所包含的角度最好小于約30度。在金屬絲電極的端部之間點燃起預定強度的電弧并持續(xù)地燃弧。如熟悉本技術(shù)的人將會理解，金屬絲76和78是由在電弧區(qū)82中熔融的可消耗的金屬制成的。
噴槍11的基本構(gòu)造與有關(guān)火焰噴射設(shè)備10所詳細說明的基本構(gòu)造相同。托架72可以以任何方便的位置固定在噴槍11上并可以拆卸。在圖4中，托架72被圖示成固定在筒體14上。為此可以利用合適的夾子或卡釘(未圖示)。當金屬絲78和80熔融并作為霧化的熔融金屬消耗時，它們被連續(xù)地送向電弧區(qū)82中的交叉點。雖然電弧區(qū)82離筒體14端部的距離不是嚴格的并可以在噴射操作期間調(diào)整，以調(diào)節(jié)噴射操作期間形成的涂層或物件的各種特征，金屬絲78和80的端部最好安置在距離筒體14的端部約4至10厘米。電弧和熔融金屬絲端部應當直接位于從筒體14發(fā)射的準直粒子流內(nèi)部，換句話說，應當沿著筒體14的縱向軸。
現(xiàn)在參考圖5，圖示的火焰噴射系統(tǒng)10′具有雙絲電弧裝置70，如上所述，從該裝置送出來自金屬絲傳送系統(tǒng)86的金屬絲卷盤84和84′的金屬絲78和80。金屬絲傳送控制裝置88控制金屬絲傳送裝置86。在常規(guī)的雙絲電弧噴射方式中裝有電源90，利用該電源給金屬絲78和80供電，以便在電弧區(qū)82內(nèi)形成電弧。圖中示出了主控制器92，用它調(diào)節(jié)各種不同的氣流速率。主控制器92也可以設(shè)置用于控制冷卻筒體14的熱交換介質(zhì)的流速的機構(gòu)。有一排氣瓶，其中包括一個不活潑載氣源93如氮，它被用于噴射原料為粉末的那些用途中?；蛘呤牵梢园凑招枰褂醚趸瘎怏w作為載氣，例如當噴射高溫難熔氧化物需要更高的熔融溫度的時候。因此，原料粉末從粉末進料器96計量進入管線94，粉末進料器96可以是常規(guī)設(shè)計的。燃料源98如燃料氣體通過導管100將燃料送入噴槍11，導管100與燃料通道32流動連通。同樣，氧化劑源102如富氧氣體通過氣體供應管線104流入氧化劑通道40。熱交換介質(zhì)通過管子106和108流動穿過熱交換室60，管子106和108固定在噴槍11的連接部66和68上。
本發(fā)明可以使用多種燃料和氧化劑源。液體或細粒的燃料或氧化劑都可適用。例如，可以預料，液體柴油可用作燃料。本發(fā)明使用的最佳的燃料和氧化劑為氣體。燃料的選擇決定于許多因素，包括可利用性、經(jīng)濟性，而最重要的是決定于一種特定的燃料按照沉積速率所具有的對噴射操作的影響和對噴射沉積物的冶金和物理特性的影響。對于氧化劑，大多數(shù)含氧氣體都是適用的。大體上純的氧用于此處是最好的。在本發(fā)明中獲得噴射物料的高速推力用的合適燃料氣體為碳氫化合物氣體，最好是高純丙烷或丙烯，它們產(chǎn)生高能氧化反應。氫在某些應用中也可能是適用的。最佳燃料氣體的混合物也可能是合乎需要的。應當注意到，本發(fā)明特別適用于可以通過適當選擇燃料和控制氣體壓力來控制火焰溫度和噴射物料的粒子溫度以及粒子在會聚噴口18中的居留或滯留時間。
通過控制燃料組成和氣體壓力，可以獲得范圍廣泛的粒子速度。最好的燃料氣體壓力范圍為約20至約100psig(磅/平方英寸)，最好為約40至70psig。氧化劑氣體壓力通常的范圍為約20至約100psig計示壓強(磅/吋2)，對大多數(shù)應用最好為約40至約80psig。當處于這些范圍內(nèi)操作時，從筒體14射出的燃燒產(chǎn)物的速度將是超音速的，如超過12個的“菱形激波”所明顯證實的，顯著地大于相同操作條件下常規(guī)火焰噴槍的速度?？梢岳斫猓剂蠚怏w的性質(zhì)及其質(zhì)量流量密切地決定速度。
現(xiàn)在說明火焰噴射設(shè)備10和火焰噴射系統(tǒng)10′的操作及本發(fā)明提供的方法。參考圖6，圖中用略圖示出了火焰噴射系統(tǒng)10′，其中粉末原料110通過原料孔20注入。在該實施例中，粉末原料110在不活潑載氣中帶入。與此同時，一種燃料如丙烷以合適的壓力流過環(huán)狀燃料通道32。燃料氣體在燃料出口33處進入會聚噴口18。一種氧化劑如氧，同時流過環(huán)狀氧化劑通道40。而且，最佳的燃料和氧化劑是氣體，雖然其它燃料和氧化劑如液體之類，也可以采用。當氧化劑氣體從出口41射出時，它形成包圍燃料氣體錐體的氧化劑氣體包封。在圖6中可以注意到，環(huán)狀氧化劑通道40的幾何形狀相對于環(huán)狀燃料通道32稍許會聚。換句話說，燃料噴嘴38的端部最好成截頭錐體形狀。這種構(gòu)型使得氧化劑氣體能夠會聚進入燃料氣體流。會聚角度最好為約20至約40度，最最好為約30度，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這樣的角度給出通過會聚噴口18的極穩(wěn)定的氣流。當燃料氣體-氧化物氣體混合物開始從筒體14的端部流出時，混合物用任何方便的機構(gòu)如火花點燃器在筒體端部點燃。在筒體14或會聚噴口18內(nèi)部的點燃器可以適用于某些用途。
如圖6和7所示，本發(fā)明中實現(xiàn)了連續(xù)的高速擴散反應?；鹧媲把?12建立在氧氣包封體和燃料氣體錐體的界面處。重要的是，火焰前沿112被限制在會聚噴口18中。火焰前沿112在會聚噴口18中形成一個高溫區(qū)。當燃料氣體繼續(xù)從出口33射出進入會聚噴口18時，它形成火焰前沿112，并產(chǎn)生燃料氣體的連續(xù)高速擴散反應。由火焰前沿112產(chǎn)生的高溫區(qū)的溫度明顯超過燃料氣體的點燃溫度。當燃料氣體進入這個高溫區(qū)時，燃料氣體迅速點燃，與氧化劑氣體反應并迅速產(chǎn)生膨脹的燃燒氣體。包封的氧而后與火焰前沿中的剩余燃料反應，維持火焰前沿和持續(xù)的高速擴散反應。這種持續(xù)的高速擴散反應現(xiàn)象繼續(xù)進行，只要燃料氣體和氧化劑氣體的流動不受阻擋。
會聚噴口18中的持續(xù)的高速擴散反應產(chǎn)生一個通常用114表示的低壓區(qū)。在持續(xù)的高速擴散反應期間，諸如金屬粉末、陶瓷物料或棒之類的原料通過原料供應孔20注入會聚噴口18中的正在進行的持續(xù)的高速擴散反應。位于原料供應孔20出口處的會聚噴口18中的低壓區(qū)使粉末原料能以極高的速度將粉末原料注入到會聚噴口18中去。
本發(fā)明具有的許多優(yōu)點之一是它能夠調(diào)節(jié)將原料粒子注入火焰前沿中的速度。與許多先有技術(shù)的裝置不一樣，本裝置能夠獨立地調(diào)節(jié)粒子注入速率、燃料氣體流動速率和氧化劑氣體流動速率。這在本發(fā)明公開的實施例中是可能的，因為在這個系統(tǒng)中的任何一點上無論是燃料氣體還是氧化劑氣體都沒有被用來載帶原料。原料粒子是通過獨立的惰性載氣流注入火焰前沿的。由于能夠獨立地調(diào)節(jié)氣流速率，通過將載氣壓力維持在比燃料氣體壓力更高的數(shù)值，可以顯著地減小會聚噴口18中的紊流，這提高了粒子速度。載氣壓力的優(yōu)選范圍為約40至約70psig，更好的范圍為約50至約60psig，而最好始終大于燃料氣體的壓力。同樣，雖然出口33和41的相對尺寸可以廣泛地變化，如上所述，原料供應管22的內(nèi)徑最好顯著地小于環(huán)狀燃料通道32或環(huán)狀氧化劑通道40的截面。因此，可以理解，附圖中表示的原料供應孔20的直徑稍許有點夸大。同樣最好是原料供應孔20對筒體14的噴射通道56的橫截面積之比為約1比25，以減小噴射期間粒子接觸并附著在筒體14內(nèi)表面上的可能性。通過將載氣壓力維持在約50psig以上而燃料氣體壓力為約45至約65psig及氧化劑氣體壓力為約70至90psig，可以防止一種在較低的載氣壓力時產(chǎn)生的稱為“逆火”的現(xiàn)象。逆火起因于可能附著于錐形壁16上的粒子的徑向運動，據(jù)信在載氣壓力較低時由于紊流增大而產(chǎn)生。因此，維持高數(shù)值的載氣壓力使紊流減小。
當原料粒子運動進入會聚噴口時，粒子的熱能和動能由于持續(xù)的放熱高速擴散反應而顯著增加。具有能量的原料粒子穿過會聚噴口18，形成沿大體上直的線穿過筒體14的通道56推進的準直的高能粒子流。本發(fā)明相對于先有技術(shù)噴槍的另一個顯著的優(yōu)點是減小了噴射粒子的紊流徑向運動。由于向會聚噴口18中提供非紊流的氣流，由于維持限制在會聚噴口18中的持續(xù)高速擴散反應，獲得了軸向的大體上非紊流的燃燒氣體和原料粒子的氣流。并且，當粒子流穿過筒體14時，粒子流的擴展由于熱交換套58從筒體壁46除去熱量而減小。通過以這種方式冷卻筒體14，產(chǎn)生熱箍縮，它進一步減小具有能量的粒子向著筒體14的側(cè)壁的任何徑向運動。
利用本發(fā)明可以噴射各種各樣粉末物料，包括金屬，金屬合金，金屬氧化物如氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯、氧化鉻等等及其復合物，難熔化合物如碳化鎢、碳化鉻、碳化鈦、碳化鉭、碳化硅、碳化鉬及其復合物，難熔硼化物如硼化鉻、硼化鋯等等及其復合物，在某些應用中也可以使用硅化物和氧化物。這些物料的各種各樣復合物也可以適用。這些復合物采取的形式可以是粉末混合物、燒結(jié)化合物或熔融物料。雖然最好是粉末原料，但如果需要可以通過原料供應孔20傳送棒狀或類似形式的原料。在原料為粉末的場合，粒子尺寸的范圍最好為約5微米至約100微米，雖然在這個范圍以外的直徑在某些應用中也可以適用。最好的粒子平均直徑為約15至70微米。
本發(fā)明還包括根據(jù)本發(fā)明的方法形成的涂層和近凈形狀。在這些物料為高密度金屬基體物料的場合，它們并沒有用任何其它已知的熱噴射操作方法形成過。如熟悉本技術(shù)的人將會知道的，通過在型芯或類似物件上噴射沉積物或通過噴射填充模型腔體可以形成獨立式的近凈形狀。
重新參考圖6，在另一個實施例中，火焰噴射系統(tǒng)10′被用于一個形成復合材料的方法中，在該方法中，第一原料通過原料供應孔20提供，而第二原料物料在會聚噴口18的下游加入。最好是，這一點是通過將第二原料物料加入到從筒體14射出的準直粒子流中去而達到的。更具體地說，一種粉末原料物料或類似物以上述方式注入火焰前沿112中。當準直的粒子流從筒體14中射出時，它通過電弧區(qū)82。在這種通過期間，金屬絲78和80受到電激發(fā)，從而在金屬絲78和80的端部之間產(chǎn)生一種自持的電弧。利用電源90維持足以熔化金屬絲78和80的端部的電壓。電壓最好為約15至約30伏。當金屬絲端部上形成熔融金屬時，從噴槍11射出的粒子流使熔融金屬霧化。為了維持電弧和向噴射流連續(xù)供應熔融金屬，利用金屬絲傳送控制裝置88以預定的速率推進金屬絲78和80。因為熔融金屬是霧化的，形成一種包含兩種細粒形狀的原料物料的化合或復合的粒子流115。雖然由于金屬絲78和80的存在而產(chǎn)生一些紊流，但復合粒子流115保持良好的準直性。復合粒子流而后指向靶子116，在那里形成沉積物118。
在又一個實施例中，本發(fā)明以噴射涂層或近凈形狀的形式提供高密度復合物料如金屬基復合材料或金屬陶瓷。更具體地說，通過利用火焰噴射系統(tǒng)10′形成包括兩種不相似物料如難熔氧化物和金屬的復合噴射流的能力，可以制成新的高密度結(jié)構(gòu)。如圖6所示，圖中以粉末形式提供了一種難熔氧化物如氧化鋁，粒子直徑為約5至約20微米。如上所述粉末用不活潑載氣注入原料供應孔20。應當注意到，在本實施例中，在金屬基復合材料的生產(chǎn)過程中氧化物粉末在其通過噴槍11期間并不熔融。這一點可以通過控制火焰前沿的熱量、增大氧化物的粒子尺寸、控制粒子居留時間和調(diào)節(jié)其它噴射參數(shù)來達到。在使用火焰噴射設(shè)備10而沒有電弧裝置的場合，粒子溫度通常將保持高于粒子軟化溫度。難熔氧化物粒子流從筒體14的端部射出并向電弧區(qū)82運動。從筒體14的端部到電弧區(qū)82的距離最好為約4cm到約10cm。金屬絲78和80由金屬制成，它們可以是合金。制造金屬基復合材料用的合適金屬包括鈦、鋁、鋼與鎳基合金和銅基合金。任何金屬只要能拉制成絲材都可使用。其它供應熔融金屬的機構(gòu)如通過管子等也可以實行。粉芯金屬絲也可適用。物料的流動速率通過調(diào)節(jié)粉末原料的注入速率或粉末原料計量進入載氣的速率來控制。這種方式產(chǎn)生的最終的金屬基復合材料具有的難熔氧化物含量按體積算為約15%至約50%，具有的金屬含量按體積算為約85%至約50%。當熔融金屬被霧化時，形成復合材料粒子流115。粒子流115包括難熔氧化物和熔融金屬的高速加熱粒子與熔融金屬和難熔氧化物的團塊。如近凈形狀的制造過程中那樣，靶子116可以由待噴涂一層金屬基復合材料的金屬襯底組成，也可以由型芯或型腔組成?？梢岳斫?，本發(fā)明的方法不限于制造近凈形狀，而且可以用于制成整體形狀、復合材料粉末和各種獨立形狀。
按照本發(fā)明形成的沉積物118基本上是充分致密的。此處使用的用語“基本上是充分致密的”定義為材料所含的孔隙按體積計算小于約1%的材料狀態(tài)。換句話說，本發(fā)明的充分致密的火焰噴射沉積物更接近于基本上充分致密，使得沉積物中孔隙的總體積小于沉積物體積的約1%。本發(fā)明提供許多種高度均勻的基本上充分致密的金屬基復合材料。這些金屬基復合材料具有特別好的冶金和物理性能，還沒有用任何其它已知的熱噴射工藝進行過商品生產(chǎn)。這些復合材料中的許多種具有比鍛制材料更改善的特性。它們的硬度特別高，特別耐磨，表面粗糙度很低。在最佳的實施例中，本發(fā)明的金屬基復合材料具有的難熔物料含量按復合材料的體積算為約5%至約60%。優(yōu)選的難熔物料包括難熔氧化物、難熔碳化物、難熔硼化物、難熔氮化物和難熔硅化物。特別優(yōu)選的為氧化鋁、二硼化鈦和碳化硅。難熔組分均勻地分散在金屬基體中?？梢岳萌魏谓饘?。在上述雙絲電弧法中引入熔融金屬的場合，那些金屬必須能夠被拉制成金屬絲形狀。金屬組成金屬基復合材料體積的約40%至約95%，最好為約50%至85%。優(yōu)選金屬包括鋁、鈦和低碳鋼。按照本發(fā)明制成的特別優(yōu)選的金屬基復合材料包括按體積計算為25%氧化鋁和75%鋁或鋁合金的基本上充分致密的復合材料。此處志樣優(yōu)選的為含25%體積的碳化硅和含75%體積的鋁或鋁合金的復合材料。難熔物料在火焰噴射操作中以粉末形式供給。本發(fā)明的金屬基復合材料可以成形為涂層或近凈形狀，它們可以接受熱處理，并可以用常規(guī)的金屬加工技術(shù)如熱軋等等來成形。這些高技術(shù)材料可以用于制造許多器件，如航空航天部件。
雖然此處圖示和說明本發(fā)明的一種特定的實施例，當然可以理解，本發(fā)明并不受這些的限制，因為可以利用本發(fā)明的公開形成許多改型，特別是對于熟悉本技術(shù)的人來說更是如此。例如，利用粉末而不利用電弧裝置來操作火焰噴射系統(tǒng)10′也可能是適用的。也可以理解，在制造金屬基復合材料的過程中，除了在最佳實施例中提出的以外，也可以利用其它各種技術(shù)來加速難熔組分，比如利用等離子體噴射槍。因此本發(fā)明的附屬的權(quán)利要求包括任何一種落入本發(fā)明實質(zhì)范圍內(nèi)的此類改型。
權(quán)利要求
1.一種超音速火焰噴射設(shè)備，它包括一個座體，該座體限定一個洞孔，該洞孔有一個接受原料和不活潑載氣的入口和一個出口；上述座體還限定一個與上述洞孔出口沿軸向準直并相通的會聚噴口，該會聚噴口具有一個會聚錐形壁和一個噴口出口，會聚錐形壁面對上述洞孔出口并與其隔開，噴口出口位于該會聚錐形壁的頂點，大體上與上述洞孔沿軸向準直；上述座體還限定一個環(huán)繞上述洞孔的環(huán)狀燃料通道，該環(huán)狀燃料通道有一個接受燃料的入口和一個鄰近上述洞孔出口并與上述噴口相通的出口；上述座體還限定一個環(huán)繞上述燃料通道的環(huán)狀氧化劑氣體通道，該環(huán)狀氧化劑氣體通道有一個接受氧化劑氣體的入口和一個鄰近上述洞孔和燃料出口并與上述噴口相通的出口；上述噴口在混合之前從上述兩個環(huán)狀通道出口接受上述燃料和氧化劑氣體，而上述錐形壁與上述兩個環(huán)狀通道出口相隔足夠遠，使得上述燃料和氧化劑氣體能夠在上述噴口中混合和燃燒，上述會聚噴口中的這種燃燒將氣體燃燒產(chǎn)物加速到高速通過位于與上述洞孔沿軸向準直的上述錐形壁的頂點處的上述噴口出口；以及一個筒體，它與上述洞孔沿軸向準直，并與上述噴口出口相通，該筒體有一個接受上述氣體燃燒產(chǎn)物和上述原料的開孔，并有一個射出受熱原料的出口。
2.如權(quán)利要求1所述的超音速火焰噴射設(shè)備，其特征在于，上述環(huán)狀氧化劑氣體通道相對于上述環(huán)狀燃料通道向著上述洞孔的軸線收斂，引導上述氧化劑氣體進入并包封上述噴口中的火焰前沿，并將燃料注入上述火焰前沿，在上述噴口中產(chǎn)生一個連續(xù)的高速擴散反應，將上述氣體燃燒產(chǎn)物加速到超音速。
3.如權(quán)利要求1所述的超音速火焰噴射設(shè)備，其特征在于，上述洞孔出口的橫截面積顯著地小于上述環(huán)狀的燃料和氧化劑氣體通道出口的橫截面積，使得上述原料和不活潑載氣以比上述燃料和氧化劑氣體更快的速度送入上述噴口。
4.如權(quán)利要求1所述的超音速火焰噴射設(shè)備，其特征在于，上述設(shè)備包括將液體原料送入鄰近上述筒體出口的上述受熱粉末原料中的機構(gòu)，上述粉末原料使上述大體上均勻分布于該粉末原料中的液體原料霧化并射出。
5.如權(quán)利要求4所述的超音速火焰噴射設(shè)備，其特征在于，上述進料機構(gòu)包括金屬絲進料機構(gòu)和電源機構(gòu)，金屬絲進料機構(gòu)將至少兩根原料金屬絲的端部送入鄰近上述筒體出口的上述粉末原料，電源機構(gòu)在上述金屬絲端部之間建立電弧，上述電弧熔化上述金屬絲端部并形成上述液體原料。
6.一種超音速火焰噴射設(shè)備，它包括一個座體部分，它具有一個包括出口的原料孔;一個會聚噴口，與上述原料孔沿軸向準直并相通，它有一個面向上述原料孔出口并與其間隔的會聚錐形壁;一個燃料氣體通道，它有一個接受燃料氣體的入口和一個環(huán)繞上述原料孔并與上述噴口相通的環(huán)狀出口;一個氧化劑氣體通道，它有一個接受氧化劑氣體的入口和一個環(huán)繞上述燃料氣體出口并在其鄰近與上述噴口相通的環(huán)狀出口;上述噴口在混合之前從上述兩個環(huán)狀通道出口接受上述燃料和氧化劑氣體，而上述錐形壁與上述兩個環(huán)狀通道出口相隔足夠遠，使得上述燃料和氧化劑氣體能夠在上述噴口中混合和燃燒;在上述噴口內(nèi)點燃上述燃料和氧化劑氣體的機構(gòu)，它在上述噴口內(nèi)產(chǎn)生一個包括火焰前沿的連續(xù)高速擴散反應，使氣體燃燒產(chǎn)物加速通過一個位于與上述原料孔沿軸向準直的上述錐形壁的頂點處的出口;以及一個筒體，它與上述原料孔沿軸向準直，并與上述噴口出口相通，該筒體有一個接受上述氣體燃燒產(chǎn)物和受熱的細粒原料的開孔，并有一個射出受熱細粒原料的出口。
7.一種超音速熱噴射設(shè)備，它包括一個超音速熱噴槍，它包括一個接受原料的座體部分，加熱該原料并使該受熱的細粒原料加速的機構(gòu)，以及一個具有入口和出口的管狀筒體部分，該入口接受上述受熱的加速細粒原料，該出口使上述受熱的加速細粒原料和載氣指向靶子;以及液體進料機構(gòu)，該機構(gòu)將熔融金屬原料送入鄰近上述筒體部分出口的上述受熱加速粉末原料中，上述加速細粒原料和載氣霧化上述熔融金屬原料，并使大體上均勻分布于上述受熱細粒原料中的上述霧化熔融金屬原料射在上述靶子上。
8.如權(quán)利要求7所述的超音速熱噴射設(shè)備，其特征在于，上述液體進料機構(gòu)包括金屬絲進料機構(gòu)和電源機構(gòu)，金屬絲進料機構(gòu)連續(xù)地將至少兩根原料金屬絲的端部送入鄰近上述筒體部分出口的上述受熱加速細粒原料中，電源機構(gòu)在上述金屬絲端部之間建立電弧，熔化上述金屬絲端部并形成上述熔融金屬原料。
9.如權(quán)利要求7所述的超音速熱噴射設(shè)備，其特征在于，上述熱噴槍包括一個具有接受粉末原料和不活潑載氣的入口和出口的粉末孔，具有分別接受燃料和氧化劑的入口和鄰近上述粉末孔出口而與上述噴口相通的分開的出口的環(huán)繞上述粉末孔的環(huán)狀燃料和氧化劑通道，以及在上述噴口內(nèi)點燃上述燃料和氧化劑氣體的點燃機構(gòu)，上述噴口在混合之前從上述兩個環(huán)狀通道出口接受上述燃料和氧化劑，而上述錐形壁與上述兩個通道出口相隔足夠遠，使得上述燃料和氧化劑能夠在上述噴口中燃燒。
10.一種在超音速火焰噴射設(shè)備中產(chǎn)生將燃燒產(chǎn)物加速到超音速的連續(xù)高速擴散反應的方法，該火焰噴射設(shè)備包括一個排放到燃燒噴口中去的供應噴嘴而該燃燒噴口排放到排氣噴嘴中去，該排氣噴嘴的內(nèi)徑小于上述燃燒噴口的內(nèi)徑，而該燃燒噴口通過一個會聚開孔與上述排氣噴嘴相通，上述方法包括下列步驟通過上述供應噴嘴將碳氫化合物燃料和氧氣送入上述燃燒噴口;點燃上述燃料，在上述燃料噴口中產(chǎn)生鄰近上述噴口排放物的火焰前沿;通過上述燃料噴嘴直接向上述火焰前沿中連續(xù)送入碳氫化合物氣體燃料，因此在上述會聚噴口中維持一個鄰近上述供應噴嘴排放物的連續(xù)高速擴散反應，從而加速上述碳氫化合物燃料和氧化物氣體的燃燒產(chǎn)物通過上述會聚開孔和上述排放噴嘴。
11.一種在超音速火焰噴射設(shè)備中產(chǎn)生將細粒狀原料加速到超音速的連續(xù)高速擴散反應的方法，該火焰噴射設(shè)備包括一個排放到燃燒噴口中去的供應噴嘴而該燃燒噴口排放到排氣噴嘴中去，該燃燒噴口通過一個會聚開孔與上述排氣噴嘴相通，上述方法包括下列步驟將碳氫化合物燃料和氧化劑送入上述燃燒噴口;通過在上述燃燒噴口中點燃上述碳氫化合物的辦法在上述燃燒噴口中產(chǎn)生鄰近上述噴口排放物的火焰前沿;通過上述供應噴嘴直接向上述火焰前沿中繼續(xù)送入碳氫化合物燃料;通過上述供應噴嘴沿上述碳氫化合物燃料的徑向外部向上述噴口同時而分開地送入氧化劑氣體，上述氧化劑氣體包封上述火焰前沿并維持一個高速擴散反應;將原料送入上述噴口和上述高速擴散反應中，以加速該細粒原料通過上述會聚開孔和上述排放噴嘴。
12.如權(quán)利要求11所述的在超音速火焰噴射設(shè)備中產(chǎn)生連續(xù)高速擴散反應的方法，其中該方法包括將上述粉末原料沿軸向通過上述供應噴嘴送入穿過上述連續(xù)高速擴散反應和上述火焰前沿，上述火焰前沿加熱上述粉末原料并加速該受熱粉末原料通過上述排氣噴嘴。
13.如權(quán)利要求12所述的在超音速火焰噴射設(shè)備中產(chǎn)生連續(xù)高速擴散反應的方法，其中上述方法還包括在上述排氣噴嘴出口的鄰近處熔化一種金屬原料，上述受熱的粉末原料和氣體霧化并加速大體上均勻地分布在上述粉末原料中的上述熔融金屬原料。
14.一種在火焰噴槍中將細粒狀原料加熱和加速到超音速的方法，該火焰噴槍具有一個將上述原料通過供應噴嘴送入會聚燃燒噴口的原料孔，而上述會聚燃燒噴口具有一個與上述噴槍的排放筒體相通的軸向開孔，該方法包括通過上述供應噴嘴的燃料開孔將燃料送入上述會聚燃燒噴口中;通過上述供應噴嘴中環(huán)繞上述燃料開孔的環(huán)狀氧化劑開孔將氧化劑送入上述會聚燃燒噴口，點燃上述燃料和氧化劑，在上述噴口中產(chǎn)生一個包括火焰前沿和連續(xù)高速擴散反應的反應;通過上述供應噴嘴將上述原料獨立地送入上述會聚燃燒噴口進入上述反應;在上述會聚噴口內(nèi)的上述連續(xù)高速擴散反應和火焰前沿加熱和加速上述原料與上述燃料和氧化劑的燃燒產(chǎn)物通過上述軸向開孔和上述排放筒體。
15.如權(quán)利要求14所述的將原料在火焰噴槍中加熱和加速的方法，其中上述方法包括將上述懸浮在不活潑載氣中的細粒狀原料獨立地送入通過沿軸向與上述軸向噴口開孔準直的上述供應噴嘴的軸向原料開孔，同時將上述燃料獨立地送入通過環(huán)繞上述原料開孔的環(huán)狀燃料通道，進入上述會聚燃燒噴口。
16.如權(quán)利要求14所述的將原料在火焰噴槍中加熱和加速到超音速的方法，其中上述方法包括將熔融金屬原料送入上述排放筒體出口鄰近處的上述受熱和加速的原料中，上述加速的細粒原料和氣體霧化該熔融金屬，并使大體上均勻地分布在上述細粒原料中的上述霧化的液體金屬原料射向一個靶子。
17.如權(quán)利要求14所述的將原料在火焰噴槍中加熱和加速到超音速的方法，其中上述方法還包括將至少兩根原料金屬絲的端部連續(xù)地送入上述加速的細粒原料并在上述兩根金屬絲的端部之間建立電弧，該電弧熔化上述金屬絲端部并形成上述熔融金屬原料。
18.一種用熱噴射方法形成的金屬基復合材料，它包括一種均勻地分散在金屬基體中并由于熱噴射而基本上充分致密的難熔物料。
19.一種在靶子上形成至少具有兩種組分的復合材料的方法，它包括下列步驟使上述復合材料的第一組分以夾帶在載氣中的細粒的形式流過一個加熱室，而且將上述第一組分和載氣同時加熱并加速到至少接近超音速;在上述加速和受熱的細粒狀第一組分和載氣的路徑中熔化上述復合材料的第二組分，形成上述復合材料的液體狀第二組分，上述加速和受熱的細粒狀第一組分和載氣霧化上述液體狀第二組分，將上述霧化的液體狀第二組分加速到上述接近超音速，并形成上述第一組分和第二組分及載氣的流束，組分大體上均勻地分布在上述流束內(nèi);使上述第一和第二組分的流束撞擊該流束路徑中的靶子，形成一種大體上均勻的復合材料。
20.一種用權(quán)利要求19的方法形成的包括大體上均勻地分布在金屬基體中的難熔物料的金屬基復合材料。
21.一種形成具有至少兩種組分的金屬基復合材料的方法，它包括下列步驟在一股指向靶子的氣流中將作為上述金屬基復合材料的第一組分的粉末難熔物料加熱和加速到接近超音速;熔化作為上述金屬基復合材料的第二組分的金屬并將該液體金屬送入上述加熱和加速的粉末難熔物料流束，上述加速和加熱的粉末難熔物料和氣體霧化該液體金屬，并在該流束中加速大體上均勻分布于上述粉末難熔物料中的上述霧化的液體金屬。收集形成大體上均勻的金屬基復合材料的上述粉末金屬基物料和霧化液體金屬的流束。
22.一種用權(quán)利要求21的方法形成的金屬基復合材料。
全文摘要
一種能夠形成高能的原料粒子流的超音速火焰噴射設(shè)備。它有一個產(chǎn)生火焰前沿和高速擴散放熱反應的會聚噴口。燃料氣體注入火焰前沿，細粒原料送入會聚噴口，由燃燒氣體高速射流噴射出槍筒。筒外有雙金屬絲電弧裝置。兩個相對的金屬絲端部由電弧熔融，而后由射出槍筒的超音速準直粒子流霧化，形成包含兩種不相同原料的復合材料粒子流。本設(shè)備也提供噴射成形的材料，包括致密的金屬基復合材料，它們可以成形為涂層或獨立的近凈形狀物件。
文檔編號C23C4/12GK1041545SQ8910717
公開日1990年4月25日 申請日期1989年9月19日 優(yōu)先權(quán)日1988年9月20日
發(fā)明者丹尼爾·R·馬蘭茲 申請人:薩爾澤血漿技術(shù)有限公司