專利名稱：涉及冷噴涂的裝置、系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
冷噴涂系統(tǒng)和方法用于將各種類型的涂層施用到基底物體上。例如，可用保護(hù)性 材料層涂覆鋼制的機(jī)械構(gòu)件，以防止該機(jī)械構(gòu)件腐蝕。
背景技術(shù)：
冷噴涂方法使用噴槍，噴槍接收(例如)諸如氦、氮和空氣的高壓氣體，以及(例 如)諸如金屬、耐熔金屬、合金和粉末形式的復(fù)合材料的涂覆材料。粉末顆粒在高壓下被引 導(dǎo)到噴槍中的氣流中，且從噴嘴中射出。氣流速度可為超音速的。粒子在氣流中被加速到 可達(dá)到超音速的高速度。粉末高速?zèng)_擊基底。粉末的動(dòng)能使粉末顆粒在與基底沖擊時(shí)變形和變平。變平會(huì) 促進(jìn)與基底的冶金結(jié)合、機(jī)械結(jié)合，或者冶金和機(jī)械結(jié)合的組合，并且會(huì)在基底上產(chǎn)生保護(hù) 性涂層。冷噴方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可忽略飛行期間的零相變或粒子氧化，以及結(jié)合的粒子的 高粘合強(qiáng)度。在施用涂層之后對(duì)一些基底進(jìn)行熱處理。熱處理可包括例如將基底放入烤箱或爐 子中來進(jìn)行退火。使經(jīng)涂覆的基底退火的步驟會(huì)增加過程的復(fù)雜性和過程的持續(xù)時(shí)間，且 會(huì)使用額外的工業(yè)資源和能源。因此，期望的是使施用冷噴涂層簡(jiǎn)化且提高施用冷噴涂層的效率的方法、系統(tǒng)和
直o

發(fā)明內(nèi)容
一個(gè)示例性實(shí)施例包括用于將材料涂層施用到基底上的冷噴涂槍，其包括用于加 熱基底的第一區(qū)域的加熱部件。該實(shí)施例進(jìn)一步包括噴嘴部件，其用于從由噴嘴部件限定 的噴嘴開口中射出氣體和涂覆材料顆粒的流，從而使得涂覆材料顆粒沖擊基底的第一區(qū) 域，且與該第一區(qū)域結(jié)合。冷噴涂系統(tǒng)的一個(gè)示例性實(shí)施例包括具有噴嘴部件的冷噴涂槍，噴嘴部件用于 從由噴嘴部件限定的噴嘴開口射出氣體和涂覆材料顆粒的流，從而使得涂覆材料顆粒沖擊 基底的第一區(qū)域，且與該第一區(qū)域結(jié)合；以及用于加熱基底的第一區(qū)域的熱源部件。一種用于對(duì)基底進(jìn)行冷噴涂的示例性方法，該方法包括利用冷噴涂系統(tǒng)來對(duì)基 底的第一區(qū)域施用涂覆材料，加熱基底的經(jīng)涂覆的第一區(qū)域。


當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解， 在附圖中，相同字符在全部圖中代表相同部分，其中圖1示出了冷噴系統(tǒng)的一個(gè)示例性實(shí)施例。圖2示出了噴槍組件的一個(gè)示例性實(shí)施例的頂部局部剖視圖。圖3示出了沿圖2的A-A線的、噴槍組件的正面局部剖視圖。
圖4示出了使用冷噴槍組件的一種示例性冷噴方法。部件列表
100冷噴系統(tǒng)102噴槍104粉末進(jìn)料器106控制單元108熱源110容納部件112氣體加熱器114粉末線路116氣體線路118傳感器線路120控制線路122物體(基底)200噴槍組件202激光器204激光器206容納部件208過程入口210粉末入口212會(huì)聚區(qū)
具體實(shí)施例方式在下列詳細(xì)描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)，以便提供對(duì)各種實(shí)施例的全面理解。但 是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐這些實(shí)施例，實(shí)施例不限 于所描繪的實(shí)施例，且可以各種各樣的備選實(shí)施例來實(shí)踐這些實(shí)施例。在其它實(shí)例中，沒有 詳細(xì)描述眾所周知的方法、程序和構(gòu)件。另外，各種操作可描述為以有助于理解實(shí)施例的方式執(zhí)行的多個(gè)不連續(xù)的步驟。 但是，描述的順序不應(yīng)理解為暗示這些操作須要以它們被呈現(xiàn)的順序執(zhí)行，或者不應(yīng)理解 為它們甚至是依賴于順序的。另外，重復(fù)使用短語“在一個(gè)實(shí)施例中”不一定是指同一實(shí)施 例，但可以是同一實(shí)施例。最后，除非另作說明，本申請(qǐng)中使用的用語“包括”、“包含”、“具 有”等意圖為同義語。冷噴涂系統(tǒng)使用冷噴槍來將涂層施用到物體(基底)的表面上。圖1示出了冷噴 系統(tǒng)100的一個(gè)示例性實(shí)施例。系統(tǒng)100包括噴槍102、粉末進(jìn)料器104、控制單元106和 熱源108，例如，諸如激光器和加熱元件。系統(tǒng)100還可包括氣體包層(gas envelope)容納 部件110和氣體加熱器112。噴槍102通過粉末線路114連接到粉末進(jìn)料器104上，且通過 氣體線路116連接到氣體加熱器112上。傳感器線路118可以以通信的方式使噴槍102中 的溫度和壓力傳感器(未示出)連接至控制單元106?？刂凭€路120可以以通信的方式使 控制單元106連接至氣體加熱器112、粉末進(jìn)料器104、熱源108和噴槍102中的傳感器上。 氣體源可連接到氣體包層容納部件110上。在運(yùn)行時(shí)，噴槍102經(jīng)由氣體加熱器112接收來自氣體源的加壓氣體。氣體加熱
5器112加熱氣體，以提高氣體中的聲速。在備選實(shí)施例中，可繞過氣體加熱器112，且加壓氣 體未被加熱。粉末化的涂覆材料在壓力下經(jīng)由粉末線路114供應(yīng)到噴槍102。涂覆材料被 引導(dǎo)到噴槍102內(nèi)部的氣流中。涂覆材料可供給到噴槍102的會(huì)聚區(qū)或發(fā)散區(qū)中。膨脹氣 體和涂覆材料的流離開噴槍102中的噴嘴的發(fā)散區(qū)。當(dāng)涂覆材料沖擊物體(基底)122時(shí)， 涂覆材料中的顆粒變平和變形，以在基底122上形成涂層?？刂茊卧?06控制包括例如氣 體加熱器112、粉末進(jìn)料器104的過程，且接收來自噴槍傳感器的壓力和溫度讀數(shù)。所示實(shí)施例包括熱源108。熱源108可包括一個(gè)或多個(gè)激光器或其它類型的熱源， 例如諸如加熱元件。出于說明性目的，實(shí)施例包括激光器單元來作為熱源108。激光器發(fā)射 激光束(未示出)?？墒褂眉す馐谑┯猛扛膊牧现邦A(yù)熱基底122的區(qū)域?？赡芟Ｍ?施用涂覆材料之前預(yù)熱基底122的區(qū)域，以提高所施用的涂層的性能和屬性。也可使用預(yù) 熱在施用另外的涂覆材料涂層之前加熱基底的經(jīng)涂覆的區(qū)域。所示實(shí)施例包括熱源108，熱源108可部分地基于涂覆材料的類型和被涂覆的基 底使用適用于加熱目的的任何類型的激光器。合適的激光器的一個(gè)實(shí)例是二極管型激光 器。二極管激光器發(fā)射具有從600至900納米的波長(zhǎng)的激光束，且具有針對(duì)介于104瓦/厘 米2至105瓦/厘米2之間的加熱范圍的合適的功率密度。可根據(jù)從冷噴噴嘴中射出的涂覆 材料圖案的寬度和截面來定制激光束的形狀。其它合適的激光器的實(shí)例包括具有介于600 至1100納米之間的波長(zhǎng)的Nd:YAG激光器和摻Y(jié)b光纖激光器。當(dāng)施用陶瓷涂覆材料時(shí)，可 使用具有大約10微米波長(zhǎng)的C02激光器。還可使用熱源109來在施用涂覆材料之后加熱基底的經(jīng)涂覆的區(qū)域。加熱經(jīng)涂覆 的區(qū)域會(huì)使涂層退火且可關(guān)于特定的涂覆材料和基底組合來執(zhí)行。所賦予的熱量和實(shí)現(xiàn)的 溫度將取決于特定的基底一涂層組合和期望的結(jié)果屬性。熱源108可安裝在具有噴槍102的操縱器上，或者單獨(dú)安裝在另一個(gè)安裝裝置上。 來自激光器單元的光束在與噴槍102行進(jìn)的路徑相似的路徑上行進(jìn)。因此，隨著噴槍102 將涂層施用到基底122上，來自激光器單元的光束可起于和/或跟隨施用到基底122上的 涂覆材料的流。早先的冷噴系統(tǒng)和方法使用爐子或烤箱來使基底122上的涂覆材料退火。使用爐 子或烤箱會(huì)引起第二個(gè)加工步驟和額外的裝備。在施用涂覆材料的同時(shí)通過激光束應(yīng)用熱 會(huì)產(chǎn)生更高效和更有效的系統(tǒng)和方法。校準(zhǔn)激光的亮度和強(qiáng)度，以便根據(jù)基底和涂層組合 的設(shè)計(jì)規(guī)格來實(shí)現(xiàn)對(duì)基底一涂層組合的精確加熱?？墒褂脷怏w包層容納部件110在膨脹氣體和涂覆材料的流周圍應(yīng)用氣體包層。在 一些應(yīng)用過程中，該氣體包層對(duì)于影響材料的氧化來說是合乎需要的。對(duì)于一些涂覆材料 (例如，諸如銅)，氧化可能是不合需要的，且通過使用激光束來加熱基底122會(huì)使氧化增 加?？墒褂枚栊詺怏w包層來限制氧化。在其它涂覆材料(例如，諸如鈦)中，氧化可能是合 乎需要的。如果氧化是合乎需要的，則可使用氧氣包層來促進(jìn)氧化。當(dāng)噴槍102施用涂層 時(shí)，氣體包層容納部件110可跟隨與噴槍102類似的路徑。如果需要的話，可使用氣體包層 在加熱之后實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層/基底的冷卻。這對(duì)于某些應(yīng)用來說可能是合乎需要的，例如諸如 當(dāng)涉及熱敏材料(不能經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間段的高溫或者在高溫下容易迅速氧化的材料)時(shí)。圖2示出了具有噴嘴214的噴槍組件200的一個(gè)示例性實(shí)施例的頂部局部剖視 圖，噴嘴214包括由噴嘴214限定的會(huì)聚區(qū)212和發(fā)散區(qū)216。噴槍組件200的實(shí)施例通過將激光器202和204以及氣體包層容納部件206結(jié)合到單個(gè)噴槍組件中而簡(jiǎn)化了上述系 統(tǒng)100。所示實(shí)施例包括兩個(gè)激光器202和204，但是，備選實(shí)施例可包括單個(gè)激光器或者 不只兩個(gè)激光器。噴槍組件200的另外的備選實(shí)施例可不包括氣體包層容納部件206。在運(yùn)行時(shí)，噴槍組件200通過過程入口 208接收過程氣體，且通過粉末入口 210接 收粉末化的涂覆材料。將涂覆材料引導(dǎo)至?xí)蹍^(qū)212中的過程氣體。但是，在備選實(shí)施例 中，可將粉末引導(dǎo)到發(fā)散區(qū)216中。涂覆材料和過程氣體從發(fā)散區(qū)216的端部處的離開開 口 218離開噴嘴214。在所示實(shí)施例中，激光器202和204安裝到噴嘴214上，但是在備選 實(shí)施例中，激光器202和204可安裝到噴槍組件200的其它部分上，或者與冷噴槍組件200 分開地安裝。激光器202和204以通信的方式連接至控制單元106。在備選實(shí)施例中，激光 器和氣體包層系統(tǒng)206可包括單獨(dú)的控制單元。噴槍組件202包括安裝到噴嘴214上的氣 體包層容納部件206。在備選實(shí)施例中，氣體包層容納部件206可安裝到噴槍組件200的其 它部分上。氣體包層容納部件206包括接收加壓氣體的第一開口 220。加壓氣體通過第二 開口 222離開氣體包層容納部件206。偏移距離(x)由發(fā)散區(qū)216的端部處的離開開口 218 和氣體包層容納部件206的第二開口 222限定。在一些實(shí)施例中，可調(diào)節(jié)距離(x)，以便更 有效地使用氣體包層容納部件206。圖3示出了沿著(圖2的)A-A線的、噴槍組件200的 正面局部剖視圖，其包括第一激光器202和第二激光器204、發(fā)散區(qū)216的端部處的離開開 口 218以及氣體包層容納部件206的第二開口 222。圖4示出了使用冷噴槍組件200的一種示例性冷噴涂方法。圖4包括基底122 的一部分，第一區(qū)域406中的第一激光束，從噴槍102射出的噴射圖案402，經(jīng)涂覆的區(qū)域 408，以及第二區(qū)域404中的第二激光束。當(dāng)系統(tǒng)100從左邊移到右邊時(shí)，第一激光束加熱 基底的第一區(qū)域406，從而為涂覆材料制備基底。噴射圖案402跟隨第一激光束，且對(duì)基底 122施用涂覆材料。第二激光束加熱經(jīng)涂覆的區(qū)域408，從而對(duì)涂覆材料退火。來自噴射圖 案402的激光束的圖案、亮度和距離可進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便取決于(例如)諸如所使用的涂覆材 料和過程中所使用的基底材料的因素，來有效地施用涂覆材料。圖案402可為圓形、長(zhǎng)方形 或者可能期望的任何其它截面。出于說明目的顯示了圓形截面。圖4所示的方法不限于使用兩個(gè)激光器，而是可用激光器的備選組合來實(shí)現(xiàn)。所 示方法不限于在施用涂覆材料之前預(yù)熱基底和使涂覆材料退火兩者，且可單獨(dú)或者組合地 包括預(yù)熱過程和退火過程。氣體包層容納部件206也可用于通過在需要的時(shí)候射出氣體來 影響材料的氧化。其它實(shí)施例可使用其它加熱源來加熱以上的區(qū)域406和404。因此，圖4 所示的方法不限于作為熱源的激光器，而是還可使用其它類型的熱源。本書面描述使用實(shí)例來公開實(shí)施例，包括最佳模式，而且還使得能夠?qū)嵺`實(shí)施例， 包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。實(shí)施例的可授予專利的范圍 由權(quán)利要求書限定，且可包括其它實(shí)例。如果這樣的其它實(shí)例具有無異于權(quán)利要求書的字 面語言的結(jié)構(gòu)元素，或者如果它們包括與權(quán)利要求書的字面語言具有非實(shí)質(zhì)性的差異的等 效結(jié)構(gòu)元素，則這樣的其它實(shí)例意圖處于權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種冷噴涂系統(tǒng)(100)，包括具有噴嘴部件(214)的冷噴涂槍(102)，所述噴嘴部件(214)用于從由所述噴嘴部件(214)限定的噴嘴開口(218)射出氣體和涂覆材料顆粒的流，從而使得所述涂覆材料顆粒沖擊基底的第一區(qū)域(406)，且與所述基底的第一區(qū)域(406)結(jié)合；以及熱源部件(202)，所述熱源部件(202)用于加熱所述基底的第一區(qū)域(406)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括用于加熱經(jīng)涂覆的 所述基底的第一區(qū)域(406)的第二熱源部件(204)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括用于加熱所述基底 的經(jīng)涂覆的區(qū)域(408)的第二熱源部件(204)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括容納部件(110)，所 述容納部件(110)包括用于在第一開口(220)中接收加壓氣體且從第二開口(222)射出所 述加壓氣體的包層的內(nèi)腔(112)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括用于控制所述第一 熱源部件(202)的控制器(106)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括用于控制所述第二 熱源部件(204)的控制器(106)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括用于控制所述加壓 氣體的流率的控制器(106)。
全文摘要
本發(fā)明關(guān)于涉及冷噴涂的裝置、系統(tǒng)和方法。一種冷噴涂系統(tǒng)(100)，包括具有噴嘴部件(214)的冷噴涂槍(102)，噴嘴部件(214)用于從由噴嘴部件(214)限定的噴嘴開口(218)射出氣體和涂覆材料顆粒的流，從而使得涂覆材料顆粒沖擊基底的第一區(qū)域(406)，且與基底的第一區(qū)域(406)結(jié)合；以及用于加熱基底的第一區(qū)域(406)的熱源部件(202)。
文檔編號(hào)B05D3/00GK101862718SQ20101000527
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月8日
發(fā)明者E·卡拉, M·G·瓊斯 申請(qǐng)人:通用電氣公司