在悬浮液等离子喷涂工艺中利用被护罩的等离子喷涂或被护罩的液体悬浮液注射的系统 ...的制作方法
【专利摘要】本发明公开由液体悬浮液在基底上产生热喷涂涂层的系统和方法。所公开的系统和方法包括用于产生等离子体的热喷涂喷枪和用于将具有亚微米粒子的液体悬浮液流递送至等离子体以产生等离子体流出物的液体悬浮液递送子系统。液体悬浮液递送子系统包含注射器或喷嘴，其可产生部分或完全围绕等离子体流出物的惰性或反应性气体护套。护套也可用于分离液体悬浮液的注射。也可在悬浮液注射点处或附近采用气体辅助流。护罩、护套或气体辅助技术可保持夹带在等离子体流出物内的亚微米粒子并且基本防止将周围空气夹带入等离子体流出物中。液体悬浮液递送子系统可布置为轴向注射系统、径向内部注射系统或外部径向注射系统。
【专利说明】在悬淳液等离子喷涂工艺中利用被护罩的等离子喷涂或被 护罩的液体悬淳液注射的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及悬浮液等离子喷涂，并且更具体地讲涉及用气体的惰性护罩、护套和/ 或屏蔽物来护罩、护套、和/或屏蔽悬浮液等离子喷涂流出物或液体悬浮液的方法和系统。 [0002]
【背景技术】
[0003] 常规的等离子喷涂技术主要使用粉末进料机来将粉末涂层材料递送到等离子喷 涂枪的等离子体射流中。然而，该技术通常受限于使用至少+350目的粒子（即，大约45微 米的中值粒度，其中50%粒子小于中值粒径并且另外50%粒子大于中值粒径）。当粒度降低 到+325目以下时，将粉末涂层材料直接引入等离子体射流变得逐渐更困难。细粒子往往会 紧紧包络和附聚，增加常规粉末进料系统中堵塞的可能性。
[0004] 除了堵塞之外，常规的等离子喷涂技术还因其他原因不合适于细粒子的使用。因 为细粒子的小质量，结合等离子体射流的极端速度，细粒子往往在径向注射期间偏离等离 子体射流的界面层而不渗透界面层。渗透细粒涂层粒子必要的速度过大而在不干扰流出物 本身的情况下不能物理地实现。存在将速度提高到此程度的实际限制。
[0005] 涂覆更细粒子的需要是在热障涂层中使用所需的。更细粒子通常导致更密涂层和 更细微结构特征，包括例如更小的层状长条和微粒。更细粒子也往往会产生具有改进微观 结构的涂层部分。因为相对于其小质量而言其很大的表面积，细粒子还更容易熔化。
[0006] 悬浮液等离子喷涂（SPS)已作为沉积更细粒子的手段出现。SPS为等离子喷涂技 术中相对较新的进步，其利用涂层组分或颗粒材料的亚微米粒度粒子的液体悬浮液，而非 干粉，作为涂层介质。液体充当用于亚微米尺寸粒子的载体，该亚微米粒度粒子否则倾向于 会附聚，限制或消除去往喷枪的粉末流动。液体还显示出作为热活化溶液的功能，其沉淀固 体或与悬浮粒子反应。主要由于使用悬浮于液体载体中的极小粒子，悬浮液等离子喷涂工 艺已证明具有生成与众不同性质的独特涂层微观结构的能力。液滴还提供额外质量以赋予 由径向注射夹带所必要的动量。
[0007] 尽管SPS比常规的等离子喷涂技术有所改进，但目前SPS系统和工艺继续受累于 多种缺点。例如，常规的SPS通常产生这样的涂层，其具有不受控制的微观结构晶粒大小和 /或缺乏定向取向生长，两者均可导致差涂层性质。在基底和沉积涂层材料之间发生不利化 学反应，进一步加重微结构问题。
[0008] 此外，可能需要喷嘴位置和沉积点之间较长的相隔距离来充分涂覆复杂几何形 状，例如涡轮叶片。然而，较长的相隔距离可能提供涂层组分过度的驻留或停留时间，从而 导致涂层组分在达到基底之前冷却和再硬化。减小相隔距离可导致不充分加热，使得颗粒 状不可能吸收足够热量并且完全熔化。在这两种情况下，最终结果为缺乏对基底的颗粒附 着力，从而降低材料的沉积效率。涂层组分的更细颗粒尺寸具有增加的表面积，其可以比通 常在标准等离子体技术中遇到的更快的速度迅速加热和冷却。因此，更细颗粒的增加的表 面积为优化恰当的相隔距离带来前所未有挑战。
[0009] 此外，在喷枪的喷嘴中出现等离子体气体流出物的湍流。等离子体流出物与大气 环境的湍流相互作用赋予流出物温度的迅速降低和迅速的定向流动改变，这导致涂层颗粒 从定向至基底的流体通道中射出。因此，射出颗粒导致降低的沉积效率。
[0010] 上述问题仅为利用SPS系统和工艺来沉积愈来愈细的涂层介质组分所造成的各 类新挑战的一些例子。鉴于不断的挑战，需要改进目前的悬浮液等离子喷涂工艺和系统。
[0011]
【发明内容】
[0012] 如下文更详细描述，本发明的实施方案解决一些缺点并且提供通过使用围绕等离 子体流出物流和其中所含液体悬浮液（此处并且贯穿说明书共同称为"流出物"或"等离子 体流出物"）的惰性气体护罩来控制上述相互作用的技术。本发明独特地使用经由液体悬 浮液递送的亚微米粒子将惰性气体护罩与等离子喷涂工艺组合，以改进目前的悬浮液等离 子喷涂能力并且通过控制悬浮液注射和碎裂以及流出物和悬浮液之间相互作用创造出新 的涂覆微观结构可能性。
[0013] 本发明可能包括各种组合的任何以下方面并且还可能包括书面说明或附图中的 下述任何其他方面。
[0014] 本发明可能的特征为用于由液体悬浮液在基底上产生涂层的热喷涂系统，其包 含：用于产生等离子体流出物的热喷涂喷枪；用于将具有其中分散的亚微米粒子的液体悬 浮液的流体递送到等离子体流出物的液体悬浮液递送子系统；和用于从热喷涂喷枪递送等 离子体流出物并且适应于产生基本上围绕所述等离子体流出物的惰性气体护罩的喷嘴组 件；其中所述护罩为被配置用于基本上保持亚微米粒子在液体悬浮液中的夹带并且基本上 抑制气体进入等离子体流出物和与等离子体流出物反应。
[0015] 本发明还可能的特征为一种使用具有其中分散的亚微米粒子的液体悬浮液在基 底上产生涂层的方法，该方法包含以下步骤：从热喷涂喷枪产生等离子体；将具有其中分 散的亚微米粒子的液体悬浮液的流体递送到等离子体或与其紧密靠近来产生流出物流；用 惰性气体护罩围绕流出物流的流体以产生被护罩的流出物；保持夹带在被护罩的流出物内 的亚微米粒子；并且朝基底引导其中含有亚微米粒子的被护罩的流出物以涂覆基底。
[0016]
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 本发明的上述和其他方面、特征和优点将从以下结合以下附图提供的更详细描述 而更明显，其中： 图1为采用液体悬浮液的内部轴向注射的现有技术悬浮液等离子喷涂工艺的示意图； 图2为采用液体悬浮液的内部径向注射的现有技术悬浮液等离子喷涂工艺的示意图； 图3为采用液体悬浮液的外部径向注射的现有技术悬浮液等离子喷涂工艺的示意图； 图4为根据本发明的实施方案的采用液体悬浮液的轴向注射的延伸护罩悬浮液等离 子喷涂工艺的示意图； 图5为根据本发明的另一个实施方案的采用液体悬浮液的内部径向注射的延伸护罩 悬浮液等离子喷涂工艺的示意图； 图6为根据本发明的又一个实施方案的采用液体悬浮液的外部径向注射的延伸护罩 悬浮液等离子喷涂工艺的示意图； 图7为部分护罩悬浮液等离子喷涂工艺的示意图，其中护罩的流动特性被控制以允许 大气渗透和悬浮液蒸发以优化流出物流内发生的燃烧过程； 图8示出采用发散惰性气体护罩的本发明的另一个实施方案； 图9示出采用会聚惰性气体护罩的本发明的另一个实施方案； 图10为根据本发明的实施方案的采用液体悬浮液的气体护罩的或气体护套的轴向注 射的悬浮液等离子喷涂工艺的示意图； 图11为根据本发明的另一个实施方案的采用液体悬浮液的气体护罩的或气体护套的 内部径向注射的悬浮液等离子喷涂工艺的示意图； 图12为根据本发明的又一个实施方案的采用液体悬浮液的气体护罩或气体护套的外 部径向注射的悬浮液等离子喷涂工艺的示意图；和 图13为根据本发明的又一个实施方案的采用在注射点处或其附近的具有气体辅助 (gas assist)的液体悬浮液的外部径向注射的悬浮液等离子喷涂工艺的示意图。
[0018]
【具体实施方式】
[0019] 本发明涉及用于沉积涂层材料的新型SPS系统和工艺。本发明的SPS系统和工艺 特别适用于沉积亚微米粒子。本文在各种实施方案中并且结合本发明的各种方面和特征阐 述本发明。
[0020] 本发明的各种要素的关系和作用通过以下详细描述来更佳理解。该详细描述设想 出各种排列和组合的特征、方面和实施方案，它们均在本发明的范围内。本公开可能因此详 述为包含、由或基本上由这些具体特征、方面和实施方案、或它们中选定的一个或多个的任 何此类组合和排列组成。
[0021] 本发明认识到目前SPS系统和工艺的缺点。参见附图1-3可更好识别这些缺点。 图1-3不出分别米用液体悬浮液的轴向注射；液体悬浮液的内部径向注射和液体悬浮液的 外部径向注射的现有技术悬浮液等离子喷涂系统和工艺100、200和300的若干示意图。在 这些现有技术系统的每个中，发生许多物理和化学相互作用，其中许多是不受控制的。例 如，图1和2示出液体载体由于流出物中的湍流而在区域110和201处以不利的随机类方 式发生碎裂。在等离子体流出物和液体悬浮液接触之后很快发生碎裂。如本文所用，术语 "流出物"和"等离子体流出物"将可交换使用并且旨在指等离子体气体、涂层组分或粒子和 液体载体的任何组合，其中各者从喷枪喷嘴的出口流出。例如，在它们各自喷枪的喷嘴105、 205和305的每个的紧靠的出口，流出物140、240和340将更可能由等离子体（即，由于暴 露于阴极和阳极之间生成的电弧而离子化（atomize)的热载气）和含有涂层粒子的液体载 体（即，液体悬浮液109、209和309)的液滴组成。然而，在基底108、208和308的邻近处 内，流出物140、240和340将主要由涂层颗粒和潜在地基本上更凉的流出物140、240和340 组成，基本上整个液体载体已被SPS涂层工艺100、200和300的该阶段蒸发。
[0022] 图1和2还示出液体悬浮液109和209的碎裂液滴的一部分分别在区域110和 210处从流出物140和240中射出。
[0023] 图1-3还示出在紧邻喷枪喷嘴105、205和305的出口的区域中，大气夹带122、222 和322入等离子体流出物140、240和340内。大气气体(包括氧)的渗透导致夹带的大气与 易燃液体载体（如乙醇）的加速燃烧。另外，图1示出液体载体的蒸发，如代表性区域105 所示，导致许多亚微米固体粒子聚结并且熔化。在流出物140、240和340中存在理想热条 件的情况下，一定百分比的亚微米或极细粒子转变成蒸发性物种，从而导致降低的沉积效 率和基底108、208和308的不充分涂覆。
[0024] 悬浮液109、209和309的这些碎裂液滴、熔化颗粒和蒸发物质以及大气夹带所得 的燃烧副产物随流出物流140、240和340朝基底108、208和308携带，在此期间，发生另外 悬浮液粒子化学反应，包括不需要的反应如粒子氧化，如在区域1〇5、205和305处所示。另 外在运输流出物140、240和340期间，许多碎裂液滴和粒子继续从悬浮液109、209和309 中射出，从而进一步降低沉积效率。
[0025] 图1-3还示出，当流出物流140、240和340靠近待涂覆的基底108、208和308时， 流出物流140、240和340内的温度分布改变，导致更凉粒子的一些再硬化和夹带的蒸发物 质的冷凝。在到达基底108、208和308时，各种物理状态的涂层材料冲击基底并且形成涂 层106、206和306,包括涂层材料与基底的物理粘结。可能发生基底108、208和308和涂层 材料之间的不利化学反应。
[0026] 目前的悬浮液等离子喷涂系统受累于在悬浮液等离子喷涂工艺的三个关键阶段 (即（i)悬浮液注射和碎裂；（ii)流出物和悬浮液相互作用；和（iii)与流出物的基底相 互作用和涂层积聚）期间未充分控制这些物理和化学相互作用的缺点。
[0027] 如图4-13所讨论，本发明的实施方案解决图1-3中所示的许多上述缺点。本发明 提供技术来通过使用围绕流出物流和/或液体悬浮液的注射位置的惰性气体护罩、护套和 /或气体辅助而控制上述不利相互作用。
[0028] 再参见图4至6,示出本发明的不同实施方案的示意图，S卩，悬浮液等离子喷涂系 统和工艺400、500和600的分别描绘。SPS系统和工艺400采用具有围绕流出物440的延 伸惰性气体护罩401的液体悬浮液409 (即，等离子体和液体悬浮液409)的轴向注射。任 何合适惰性气体可用于生成护罩401，例如氩、氮、和/或氦。图4示出，护罩401通过流动 惰性气体以预定流速通过外喷嘴生成，所述外喷嘴围绕内喷嘴，在其中液体悬浮液409和 载气416可相对于彼此顺序或共流动。护罩401环绕流出物402的流体取向，从而形成环 绕流出物440的惰性气体的保护包层。图4示出护罩401从喷枪的喷嘴405内延伸到基底 表面408。
[0029] 在液体悬浮液409从喷嘴405的出口涌出之前，等离子体419作为在阴极412和 阳极413之间的主要喷枪气体416生成进入产生电弧的区域中。示出载气416与液体悬浮 液409顺序流动或共流动通过喷嘴405的中心。在阴极412和阳极413之间生成电弧。主 要喷枪气体416通过弧区域并且离子化进入喷嘴405内气态离子和/或基团的热等离子体 419中。等离子体419提供蒸发液体载体和熔化液体悬浮液409的涂层组分415所需的热 能源。等离子体419也提供能源以提供足够动量来朝基底表面408加速涂层组分或粒子 415。
[0030] 等离子体419生成之后，液体悬浮液409 ( S卩，具有其中所含涂层组分415的液体 载体小滴）和等离子体419从喷嘴405的出口作为流出物440涌出。护罩气体401在喷嘴 405的喉部内会聚并且随后从喷嘴405涌出。应当理解，术语"护罩"和"护罩气体"具有相 同含义并且在此处和贯穿说明书可交换地使用。
[0031] 护罩401被配置成相对于流出物440的以足够流速流动，以形成流出物440周围 的连续包层。流出物440的特征为具有液体悬浮液409的轨线或流路，其至少部分定义为 从喷嘴405的出口到基底表面408,从而流路部分或完全由护罩401包封。如图4的实施方 案所示，护罩401的长度从喷嘴405的出口延伸到基底表面408。护罩401的连续包层生成 热包层，其充当有效绝缘体以在从喷嘴405的出口至基底408的表面的较长流路距离上保 持流出物流440中的热量。从喷枪405的出口到基底408的受控温度允许液体悬浮液409 的液体载体的蒸发。在液体载体的蒸发之后，用于蒸发液体载体的热量由一般包含在液体 悬浮液409的小滴内的涂层组分415实现，所述组分现在自由漂浮并且朝基底表面408移 动。在流向基底408表面时，涂层组分415部分或显著熔化，而不经历显著冷却。熔化涂层 组分415冲击基底表面408以沉积为涂层403。以此方式，改进的热包层因此提高沉积效 率。此外，流出物440内热量的保持产生温度分布的提高的均匀性，这可降低相隔工作灵敏 度。如此，本发明如图4的实施方案中所示，允许独特的SPS系统和工艺400,其用于在比此 前用常规SPS可达到的更远的相隔距离处，涂覆复杂几何形状，而在它们冲击基底表面408 时，不引起涂层组分415的显著硬化。
[0032] 护罩401，鉴于其类似屏蔽物的性质，还可提供最小化或基本上消除悬浮于流出物 402中的涂层粒子的氧化的额外益处。护罩401阻止或抑制流出物402与周围大气相互作 用。以此方式，消除沿着图1-3中流路观察到不利反应。
[0033] 护罩401还阻碍液体悬浮液409的液滴从流出物440中射出的任何趋势。一般而 言，在不存在护罩401的情况下，流出物440处于湍流状况中，其可能足以将液滴碎裂成更 小的液滴，并且此举的过程中，不可取地向至少一些液滴赋予过度动量而使它们从流出物 流440中射出。采用护罩401可有利于在流出物440内保持液体悬浮液409的液滴和涂层 组分415。因此，涂层组分415的利用有所增加。
[0034] 上述工艺有益效果的组合可产生沉积在基底表面408上的涂层403,该涂层具有 颗粒取向和足够小的粒度分布的微观结构。借助创新性SPS系统和工艺400,有利的微结构 可能性是可控和可再生的。
[0035] 根据本发明的另一个实施方案，图5示出SPS系统和工艺500,其中液体悬浮液 509在喷枪喷嘴505中内部注射。液体悬浮液的内部注射509可以相对于在喷嘴505内生 成的等离子体519的轴线正交取向在基本上径向的方向进行。应当理解液体悬浮液509相 对于等离子体519的注射角度可能变化。
[0036] 图5示出主气体或载气516通过电弧区域并且在喷嘴505内离子化成气态离子的 等离子体状态519。应当理解，悬浮液509的注射可在阳极内在等离子体519下游进行，其 可能代表其中喷枪气体516已从等离子体状态冷却至过热气体的区域。在喷嘴505内以及 在喷嘴505的出口处，等离子体519湍流碎裂和/或雾化（atomize)悬浮液509的液体载 体液滴。
[0037] 如图5的实施方案所示，护罩501的长度从喷嘴505的出口延伸到基底表面508。 护罩501提供热量保持以生成连续的热包层并且还阻止悬浮液509液滴从流出物540中射 出。图5的实施方案示出，护罩气体501被配置成以层流速率状况流动。相比于图1-3的 常规SPS系统和工艺100、200和300,层状流动护罩501的受控的和降低的速度可允许液体 悬浮液509的液滴的碎裂现象在整个护罩501上以更受控方式进行。液体悬浮液509的碎 裂液滴因此获得改进的尺寸分布均匀度。因此，涂层组分515沉积在基底表面508上以形 成具有更受控的粒度分布的涂层503。应当理解某些涂层应用可能不需要显著碎裂液体悬 浮液509的液滴。如此，在本发明的另一个实施方案中，护罩501可配置成不碎裂液滴也仍 然实现对护罩501的上文已提及的其他有益效果的利用。
[0038] 根据本发明的原理设想出液体悬浮液的其他注射位置。例如，图6示出SPS系统 和工艺600,其中液体悬浮液609外部注射到喷枪喷嘴605。液体悬浮液609的外部注射可 以以相对于等离子体流出物640的轴线正交取向的基本上径向的方向发生。应当理解液体 悬浮液609相对于等离子体流出物640的注射角度可能变化。类似于图5,护罩气体601被 配置成以层流速率状况流动以产生液体悬浮液609的液滴的更均匀碎裂。
[0039] 图4、5和6的各实施方案提供独特的工艺有益效果。例如，通过使用图4、5和6 的实施方案中所述的各种惰性气体护罩401、501和601，可更精确控制等离子体和液体悬 浮液相互作用。具体而言，惰性气体护罩401、501和601可用于在流出物流440、540和640 内控制热量保持和粒子夹带保持，并因此更精确控制等离子体流出物-液体载体和涂层组 分415、515和615之间发生的化学和物理反应，包括更多控制液体载体沿流出物440、540 和640的流体通道的蒸发。燃烧反应被排除，因为护罩401、501和601提供阻止大气夹带 的在流出物440、540和640周围的基本上化学惰性的护罩层或包层。另外，采用气体护罩 401、501和601也可在流出物440、540和640的边界处提供动能以辅助再夹带由于流出物 440、540和640内湍流可能已从流出物440、540和640中射出的涂层粒子415、515和615。
[0040] 此外，图4、5和6中所示各实施方案生成环绕等离子体流出物的惰性气体护罩，其 操作以在流出物中保持更多热量并且提供更大操作包层。更大操作包层变换成喷枪和基底 之间的更长工作距离并且更好处理亚微米粒子。换句话讲，亚微米粒子处于规定温度下更 长停留时间，导致改进的熔化和等离子体流出物内粒子的蒸发性物质增加。这可导致对相 隔距离的灵敏度下降。另外，使用惰性气体护罩可能也有助于更均匀的液滴碎裂以及更多 控制基底表面附近或其位置处的环境和温度。
[0041] 工艺有益效果(其中一些上文已提及)可变换成沉积涂层403、503和603的更受控 的微观结构。本发明认识到，确定涂层的微观结构和性质的参数包括涂层组分或粒子的温 度、尺寸和速度以及粒子在沉积期间与周围环境反应或暴露于周围环境的程度。在本发明 中，当涂层粒子冲击基底表面时，护罩401、501和601可保持热量并且生成更均匀温度和受 控温度分布。另外，图5和6中所示和所述的层流气体护罩501和601可帮助生成更均匀 的碎裂涂层粒子515和615。另外，护罩401、501和601生成化学惰性屏障，其阻止涂层粒 子的氧化。被护罩的流出物因此生成改进的微观结构。
[0042] 影响沉积涂层的微观结构和性质的另外因素包括沉积的速率、冲击的角度和基底 性质，由于该护罩而可在更大程度上控制其中各者。因为涂层组分或粒子通过等离子体的 气态流出物加热和加速，涂层粒子的温度和速度为流出物流的物理和热特性以及等离子喷 涂装置的出口和基底之间相隔距离的函数。通过使用该护罩来控制流出物流的性质，涂层 粒子的温度和速度可更精确控制以改进涂层附着力和涂层微观结构。
[0043] 本发明设想出本文采用的惰性护罩的各种其他设计变型。例如，图7为本发明的 另一个实施方案的示意图，即，采用围绕流出物770的部分延伸的惰性气体护罩701的悬浮 液等离子喷涂系统和工艺700。具体而言，图7示出护罩气体701从喷嘴705的出口至大 致区域760包封流出物770。区域760和其下游(如区域761所示)代表不存在有意将大气 气体夹带到流出物770中的护罩701。在区域760处起始护罩的不存在允许溶剂由于与大 气空气的氧渗透和反应而燃烧。当沉积需要氧富集的涂层时，这种工艺设计可能是理想的。 护罩701沿着流出物770的流体通道仅可部分延伸的确切方式可以以若干方法进行。在一 个实施例中，惰性气体护罩701的流速可相对于流出物770(即，结合液体悬浮液的等离子 体）的降低，以减弱流出物770对朝基底表面708的护罩效果。以此方式，所得涂层703将 至少部分氧化。
[0044] 图8示出采用部分延伸的惰性气体护罩801的悬浮液等离子喷涂系统和工艺800 的另一个变型。图8采用发散惰性气体护罩801。图8中示出护罩效果在与喷嘴805的出 口的预定轴向距离处以发散方式逐渐变细或缩小。与图7的惰性气体护罩701比较，发散惰 性气体护罩801适应于有利于额外大气渗透入流出物流870中。区域860和下游区域861 表明护罩801的完全不存在允许流出物流870的完全大气夹带。以此方式，涂层颗粒815 和所得涂层803将被氧化。
[0045] 图9示出另一个实施方案，其采用会聚惰性气体护罩901，其适应于促进靠近喷嘴 905的流出物970的液体载体的易燃物质的完全燃烧并同时抑制从流出物970的涂层粒子 915的损耗或射出。意图在于在区域960和其下游处基本上或完全消除护罩效果，如通过区 域961所示。
[0046] 应当理解，利用内部径向注射构造、外部径向注射构造和轴向注射构造，图7中所 示部分惰性气体护罩701以及图8和9所示的围绕其各自流出物流870和970的发散性或 会聚性惰性气体护罩801和901的使用可同等地施用于悬浮液等离子喷涂系统。
[0047] 当施用于悬浮液等离子喷涂时，惰性气体护罩的使用，并且更具体地讲，围绕流出 物的惰性气体护罩的流动特性的控制，可用于阻止或控制与流出物流的大气混合的程度和 /或位置并且控制流出物流内发生的燃烧过程的程度或位置。如此，本发明提供用于控制工 艺变量的独特手段，因此，得到更受控的涂层微观结构。
[0048]用于护罩的典型惰性气体包括氮、氩和氦，或可能使用它们的组合。待控制的惰性 气体护罩的最可能的流动特性包括体积流速和惰性气体的速度以及惰性气体护罩的湍流 和分散体特性的程度。许多这些流动特性由用于形成惰性气体护罩的喷嘴的几何形状和构 造以及提供压力和温度的惰性气体所支配。
[0049] 上述被护罩的等离子体流出物为提供大量工艺有益效果的独特SPS系统和工艺 的一部分。举例而言且并非旨在以任何方式限制，由于生成大操作热包层，护罩等离子体流 出物可降低在更细亚微米粒子情况下可见的与快速加热和冷却速率相关的对相隔距离改 变的涂层灵敏度。此外，被护罩的等离子体流出物提供延缓引入可用于在沉积之前迅速冷 却涂层组分的大气空气的能力。护罩可能还阻挡流出物内粒子由于流出物流的湍流而射 出。此外，护罩可有助于将液体悬浮液渗透到流出物中以允许液体悬浮液的更细液滴暴露 于更高温度处理，从而允许改进的热处理。为了通过燃烧溶剂在流出物中补充能量，可采用 图7-9中所示部分护罩的等离子体流出物来沿涂层粒子的流路轨线在预定位置处引入氧。 当由于流出物中大百分比的能量被用于蒸发液体载体，沉积速率和效率低于50%时，这是 可行的选择。
[0050] 作为部分或完全护罩所述流出物的替代形式或补充，如结合图1-9对此点已描 述，护罩的概念可能也延及用护套物隔离液体悬浮液的注射。现在参见图10-13,悬浮液等 离子喷涂系统和工艺10000、1100和1200的不同实施方案的示意图，分别采用液体悬浮液 的气体护罩的或护套的轴向注射（图10);液体悬浮液的气体护罩的或护套的内部径向注 射（图11);和液体悬浮液的气体护罩的或护套的外部径向注射（图12)。
[0051] 图10示出悬浮液等离子体系统和工艺1000,其中气体护套1010在喷嘴1080内用 液体悬浮液1030包封载气。气体护套1030在液体悬浮液1030轴向延伸。气体护套1030 优选具有层流。护套1030大致延伸至形成等离子体1019的点（即，主喷枪气体在通过由 阴极1081和阳极1082生成的电弧时离子化的位置）。不受任何具体理论的束缚，但据信沿 悬浮液1030的轴向注射，利用层流气体护罩或气体护套1010,通过特别是在生成等离子体 1019的点，减少悬浮液注射流体的局部湍流，改进亚微米粉末在等离子体流出物1040中的 注射和夹带。此外，当如图10所示，流出物1040遇到大气空气时，液体悬浮液1030中的亚 微米粒子易受流动方向改变影响，因为它们减少的质量对外力所致动量改变提供更小的阻 力。气体护套或气体护罩1010类型装置可沿着注射点或在其附近提供更多层状型流动，当 悬浮液1030从喷嘴1080的出口涌出时，所述层状型流动可充分减少或抑制对悬浮液注射 的大气干涉作用。这可确保在等离子体流出物1040中更有效和一致的悬浮液注射。通过 不易受粒子射出影响，从喷嘴1080的出口涌出之后，流出物1040可保持朝向基底1050的 表面的流路轨线，其在所述表面上沉积物为涂层1060。此外，气体护套1010可能提供等离 子体流出物1040在朝基底1050流动时的足够热量保持。
[0052] 在可选的气体护套实施方案中，图11示出SPS系统和工艺1100,其中气体护套 1110包封液体悬浮液1130。气体护套1110在喷嘴1180内的位置处环绕液体悬浮液1130 的注射位置径向延伸。主喷枪气体1120在喷嘴1180内轴向流动并且当其接触由阴极1182 和阳极1181生成的电弧时原子化成等离子体1119。图11示出液体悬浮液1130在喷嘴1180 内径向注射到等离子体中。注射相对于等离子体1119的轴线以正交取向发生。然而，应当 理解，如本发明所构想，液体悬浮液1130相对于等离子体1119的注射角度可能变化。
[0053] 本发明认识到，粒子的亚微米尺寸可能过小而不具有足够动量以渗透入等离子体 中，所述等离子体一般代表高湍流的区域。气体护套1110可提供液体悬浮液1130注射到 等离子体中所必要的动量。护套1110因此可允许独立控制径向注射，而不必须增加例如液 体悬浮液1130的速度。换句话讲，护套1110的不存在可能需要增加在注射位置处悬浮液 1130的速度。增加注射速度可能导致物流速率过高，其可不利影响粒子的热处理（S卩，由于 减少的驻留时间，在沉积在基底1150的表面上之前，涂层粒子可能不充分加热）。以此方 式，气体护套1110可允许液体悬浮液1130以所需的降低的物流速率充分渗透到等离子体 1119 中。
[0054] 图12示出用于提供环绕液体悬浮液的注射点的护套的另一个变型。具体而言，图 12示出SPS系统和工艺1200,其中气体护套1210在注射位置处包封液体悬浮液1230。气 体护套1210在喷嘴1280外部的位置处环绕液体悬浮液1230径向延伸。主喷枪气体1220 在喷嘴1180内轴向流动并且当其接触由阴极1282和阳极1281生成的电弧时离子化成等 离子体1219。当从喷嘴1280的出口涌出时，液体悬浮液1230被注射到等离子体流出物 1240中。注射相对于等离子体流出物1240的轴线以正交取向发生。然而，应当理解，如本 发明所构想，液体悬浮液1230相对于等离子体流出物1230的注射角度可能变化。类似于 图11，气体护套1210可向液体悬浮液1230赋予必要动量以允许其注射到湍流等离子体流 出物，而不需在注射位置增加液体悬浮液1230的速度。通过不易受粒子射出影响，从喷嘴 1080的出口涌出之后，流出物1240可保持朝向基底1250的表面的流路轨线，其中涂层粒子 在所述表面上沉积物为涂层1260。
[0055] 图12示出，在注射点处或其附近相邻于或围绕液体悬浮液1230利用气体护罩或 气体护套1210,往往在悬浮液1230引入等离子体流出物1240中之前碎裂液体悬浮液液滴 1230。该碎裂在区域1231示出。通过在注射到等离子体流出物1240中之前碎裂液滴，气 体护套1210可辅助控制注射到等离子体流出物1240中的液体悬浮液1230的液滴尺寸和 液滴尺寸分布。以此方式，等离子体流出物1240中可能较少发生碎裂，并且当等离子体流 出物1240朝基待涂覆的底表面1250移动时，液滴尺寸和液滴尺寸分布将一般与空间和暂 时改变无关。换句话讲，平均液滴尺寸和液滴尺寸分布被更精确和再生性控制，导致改进的 等离子喷涂工艺控制和改进的涂层微观结构。
[0056] 如图4-9所解释，由于在液体悬浮液的注射点处或其附近使用气体护套，如图 10-12所示，也可能发生护罩所述流出物带来的有益效果。此外，提供靠近悬浮液注射的气 体护套可在流出物边界处提供动能以辅助再夹带由于流出物中的湍流而从流出物中射出 的粒子。
[0057] 在一些应用中，气体护套可能为加热气体，其蒸发或部分蒸发液体载体，以进一步 控制注射到等离子体流出物中的液体悬浮液液滴的液滴碎裂和平均液滴尺寸。在由于加热 的气体护套而发生液体载体的显著蒸发的应用中，液体载体将被蒸发并且剩余固体粒子将 直接注射到等离子体流出物中。
[0058] 现参见图13,示出悬浮液等离子喷涂系统和工艺1300的另一个实施方案的示意 图，其在悬浮液1330的注射点处或其附近采用具有气体辅助流1331的液体悬浮液1330的 外部径向注射。气体辅助流1331是围绕悬浮液1330的完全气体护罩或气体护套的替代形 式或补充形式。气体辅助流1331优选为靠近并且同时与悬浮液注射以及优选与液体悬浮 液注射1330呈规定偏移角度注射的气体的单一或双重流。气体辅助流1331可起到有助于 在液体悬浮液1330的液滴进入等离子体流出物1340之前的液滴碎裂和平均液滴尺寸的控 制的作用，或在气体辅助流1331为反应气体的情况下，物流1331补充等离子体流出物中发 生的燃烧和/或化学反应或这两者。例如，气体辅助流1331可用于辅助在注射到等离子体 流出物的位点处形成粒子的碳化物、氮化物或氧化物。
[0059] 应当理解，上述气体辅助特征1331可结合气体护套1310使用，如图13中所示，或 代替气体护套1310。另外，利用内部径向注射构造、外部径向注射构造和轴向注射构造，气 体辅助特征1331可相同地施用于悬浮液等离子喷涂系统。
[0060] 在悬浮液等离子喷涂工艺期间利用气体护罩、气体护套或气体辅助流需要控制气 体流。待控制的气体护罩、气体护套或气体辅助流的最可能的流动特性包括相对于液体悬 浮液的注射的体积流速、速度和气体取向。相对于液体悬浮液的注射的确切或优选取向、流 速、速度取决于气体或气体混合物的类型以及气体护罩、气体护套或气体辅助流的所需作 用。例如，如果气体护罩的目的为仅促进液滴碎裂，则可能使用高速惰性护罩气体是有利 的。另一方面，如果气体护罩或气体护套的预期作用严格地为增强等离子体流出物中的粒 子夹带和促进燃烧或化学反应，则氧或其他反应气体的层流可用于气体护罩。这些气体护 罩流动特性的调整和控制常常由喷嘴的几何形状和构造或注射装置以及气体供应压力和 温度支配。
[0061] 在说明本发明的适当SPS系统和工艺的选择的另一个实施例中，其中悬浮液的载 液为可燃燃料如乙醇，优选采用惰性气体护罩，如图7-9中描述和说明。惰性气体护罩被设 置成直接控制大气混合的程度和位置。在这种情况下，惰性气体护罩的目的并非阻止或抑 制流出物与周围大气相互作用，而是选择性地和可控制地向等离子体流出物中引入大气混 合，并且精确控制流出物与周围大气的相互作用的程度。惰性气体护罩的流速和取向经定 制以允许在适当位置和以所需浓度的大气浸渗，特别是氧浸渗，以优化易燃载体介质的燃 烧。在一个实施例中，实现或影响该控制的优选手段为使用部分惰性气体护罩，如图7所 示。可定制护罩的会聚或发散的角度以选择护罩与流出物相互作用的距离以实现选择性与 流出物的大气相互作用。
[0062] 在希望使用惰性气体护罩来阻止或抑制流出物与周围大气相互作用的情况下，存 在与惰性气体护罩相关的更多协同有益效果。具体而言，控制惰性气体护罩的流动特性以 在燃烧之前实现对来自流出物流的液体载体的蒸发程度的控制，从而延缓或者说是优化流 出物流内发生的燃烧过程。在涂层中，其中氧的存在并非沉积涂层中或者SPS涂层应用中 所需，其中过度燃烧足以例如将液滴进一步碎裂至不利的尺寸，或由于燃烧的放热反应而 将额外热量引入基底中，对所述液体的蒸发的控制可能还证明是有益的。
[0063] 相反地，通过控制惰性气体护罩的流动特性和轮廓而对液体载体物质的易燃物质 的立即和完全燃烧的控制，在沉积涂层包括目标氧化物和/或液滴的进一步碎裂是所需的 情况下，可能也证明是有益的。
[0064] 应注意，本发明能够沉积亚微米范围内的细颗粒尺寸的广泛阵列，这在此前通过 涂层技术(包括常规等离子喷涂)是不可能的。例如，在一个实施方案中，本发明的SPS系统 和工艺可沉积尺寸范围100 nm至1 Mffl的涂层颗粒。在另一个实施方案中，本发明可沉积1 Mm或更小的涂层颗粒，而不引起在常规喷涂系统和工艺中通常遇到的细颗粒的不利附聚。 [0065] 如上所示，用于反应气体护罩的典型反应气体包括但不限于氧、氢、二氧化碳；烃 燃料，和氮或它们的组合。
[0066] 有利地，本文所述SPS系统可利用市售的合适喷枪和喷嘴组件来制备，因此实现 和简化整个制造工艺。等离子体生成的方面可使用标准技术或设备来进行。
[0067] 可采用任何合适液体悬浮液递送子系统，用于将具有其中分散的亚微米粒子的液 体悬浮液的流体递送到等离子体。液体悬浮液源为液体悬浮液的分配器。所示源通常包括 贮存器、传送导管（如管子、阀门等等）和注射件（如喷嘴、喷雾器等等）。另外，液体悬浮 液递送子系统可能含有工艺的测量反馈（如流速、密度、温度）和控制方法，例如可彼此结 合或独立工作泵和致动器。系统可能还含有本领域已知的另外的冲洗或清洁系统、混合和 搅拌系统、加热或冷却系统。
[〇〇68] 根据上述，应当理解，本发明提供用于被护罩的悬浮液等离子喷涂的系统和方法。 虽然本文公开的本发明已借助于具体实施方案和与其相关工艺进行了描述，本领域的技术 人员可在不脱离权利要求书中阐述的本发明范围或不牺牲所有其特征和优点的情况下，对 其进行许多改变和变型。
【权利要求】
1. 用于由液体悬浮液在基底上产生涂层的热喷涂系统，其包含： 用于产生等离子体的热喷涂喷枪； 用于递送具有亚微米粒子的所述液体悬浮液的流体的液体悬浮液递送子系统；和 用于将所述等离子体从所述热喷涂喷枪递送到所述液体悬浮液以产生等离子体流出 物的喷嘴组件，所述喷嘴组件适应于产生基本上围绕所述等离子体流出物的惰性气体护 罩； 其中所述惰性护罩被配置用于在所述等离子体流出物中充分保持所述亚微米粒子的 夹带和充分抑制气体进入和与所述等离子体流出物反应。
2. 根据权利要求1所述的热喷涂系统，其中所述护罩从所述喷嘴组件延伸至所述基底 表面。
3. 根据权利要求1所述的热喷涂系统，其中所述护罩为层流屏蔽物。
4. 根据权利要求1所述的热喷涂系统，其中所述护罩具有小于从所述喷嘴至所述基底 表面的距离的轴向距离。
5. 根据权利要求4所述的热喷涂系统，其中所述护罩朝所述基底的方向发散。
6. 根据权利要求4所述的热喷涂系统，其中所述护罩朝所述基底的方向会聚。
7. 根据权利要求1所述的热喷涂系统，其中所述液体悬浮液递送子系统包含适用于产 生围绕所述液体悬浮液的流体的惰性或反应性气体护套的注射器。
8. 根据权利要求1所述的热喷涂系统，其中所述液体悬浮液系统被配置在所述喷嘴外 部。
9. 根据权利要求1所述的热喷涂系统，其中所述液体悬浮液系统被配置在所述喷嘴内 部。
10. 根据权利要求1所述的热喷涂系统，其中所述液体悬浮液系统被配置在所述喷嘴 内部以便递送所述液体悬浮液的轴流。
11. 根据权利要求8所述的热喷涂系统，其中所述液体悬浮液系统还包含靠近并且与 所述液体悬浮液系统同时存在的气体辅助流。
12. 使用其中分散有亚微米粒子的液体悬浮液在基底上产生涂层的方法，所述方法包 括以下步骤： 从热喷涂喷枪产生等离子体； 将其中分散有亚微米粒子的液体悬浮液的流体递送至所述等离子体或与其紧密靠近 以产生等离子体流出物流； 用惰性气体护罩围绕所述流出物流的所述流体以产生被护罩的流出物； 保持夹带在所述被护罩的流出物中的所述亚微米粒子；和 朝所述基底引导其中含有亚微米粒子的所述被护罩的流出物以涂覆所述基底。
13. 根据权利要求12所述的方法，其还包括基本上阻止气体夹带进入所述被护罩的流 出物的步骤。
14. 根据权利要求12所述的方法，其还包含在整个所述护罩上破碎所述液体悬浮液的 液滴的步骤。
15. 根据权利要求12所述的方法，其还包括以下步骤： 在与所述基底表面的预定轴向距离处选择性地移除所述护罩； 在所述预定的轴向距离处和其下游处引入周围气体； 氧化所述亚微米粒子的部分。
16. 根据权利要求15所述的方法，其还包含在所述预定轴向距离会聚所述护罩的步 骤。
17. 根据权利要求15所述的方法，其还包含发散所述护罩离开所述流出物流以允许在 所述预定轴向距离处引入周围空气的步骤。
18. 根据权利要求12所述的方法，其还包含用气体护套围绕所述液体悬浮液的步骤。
19. 根据权利要求18所述的方法，其还包括引入靠近并且与所述悬浮液注射同时注射 的气体流的步骤。
20. 根据权利要求18所述的方法，其中所述亚微米粒子的平均粒度为10微米或更低。
21. 沉积在基底上的涂层，其根据权利要求12的方法制备。
【文档编号】C23C4/12GK104114737SQ201280069722
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2012年12月14日 优先权日:2011年12月14日
【发明者】C.A.佩托拉克, D.J.勒门, A.富伊尔斯泰因, T.F.路易斯三世, M.麦科伊 申请人:普莱克斯 S.T. 技术有限公司