延長的級聯等離子槍的制作方法
【專利摘要】等離子槍和利用等離子槍將粉末應用到襯底上的方法。等離子槍包括陰極組件（1）、陽極（2）、后部中性極（7）和延長的中性極（8），延長的中性極（8）與后部中性極（7）相鄰放置，以限定陰極組件（1）和陽極（2）之間的通道孔（3）。延長的中性極（8）具有大于38mm的長度。等離子槍還可包括將氣體供應到通道孔（3）的至少一個氣體入口和電源。
【專利說明】延長的級聯等離子槍
[0001]相關申請的交叉引用不適用。
[0002]關于聯邦贊助研究或開發的聲明不適用。
[0003]光盤附件的引用不適用。
【技術領域】
[0004]本發明涉及等離子槍，具體地，涉及用于將粉末等離子體噴涂沉積到襯底上的延長的級聯等離子槍。
【背景技術】
[0005]在研發等離子槍時，設計師和工程師試圖實現盡可能高的槍電壓以允許高功率水平，同時保持最低的可能電流。常規的等離子槍由于槍的幾何形狀而使電壓容量受限，并使用高電勢的輔助氣體來增加電壓并增加其它等離子體特性，諸如高焓值。
[0006]延長等離子槍內的等離子電弧的級聯的能力受完成從陰極到陽極的電弧電路的總電勢限制。基于常規等離子槍的經驗，通過延長和改變噴嘴孔來增加電壓幾乎沒用，其所做的僅僅是有限地提高所達到的槍電壓。缺乏對啟動和操作期間氣體和電弧之間的相互作用的性質的清楚理解限制了制定問題的解決方案的能力。預計延長級聯式等離子槍的中性極區段也存在類似問題，并且很少進行試驗。
[0007]美國專利N0.5, 406, 046公開了具有由后部中性極和多個中性極區段(例如六個區段)形成的中性極的級聯等離子槍。此外，此級聯等離子槍包括具有三個陰極元件的陰極組件。此文件的全部公開內容通過引用明確地合并于此。
【發明內容】
[0008]本發明的實施例涉及延長的級聯等離子槍，其具有比常規級聯等離子槍更長的延長的中性極層疊結構。由于較長的中性極層疊結構，因而在陰極組件和陽極之間產生相比在常規級聯等離子槍中具有更高的電壓和更低的電流的更長的電弧。
[0009]在實施例中，通道孔中的層流狀態的結合產生清潔氣體流線，并且較低的電流條件促進在槍內形成很長的電弧。可在不需要過大的電壓的情況下和/或沒有使中性極區段短路的任何電勢的情況下，實現根據實施例的延長的級聯等離子槍的操作。
[0010]本發明的實施例涉及等離子槍。等離子槍包括陰極組件、陽極、后部中性極和延長的中性極，延長的中性極與后部中性極相鄰放置，以限定陰極組件和陽極之間的通道孔。延長的中性極具有大于38_的長度。等離子槍還包括將氣體供應到通道孔的至少一個氣體入口和電源。
[0011]根據實施例，延長的中性極可包括沿延長的中性極的長度軸向地布置的多個圓柱形中性極區段。等離子槍還可包括多個絕緣體。至少一個絕緣體可被布置為與多個中性極區段中的每個相鄰。至少一個絕緣體可被布置在延長的中性極和陽極之間以及在延長的中性極和后部中性極之間。此外，多個中性極區段可包括4-12個中性極區段。多個中性極區段中的每個可具有3.5-5.5mm的軸向厚度。根據其它實施例，多個中性極區段中的每個可具有4-5_的軸向厚度，特別地，約4.5mm的軸向厚度。在其它實施例中，多個中性極區段中的每個可具有7-12.5mm的軸向厚度，特別地，8-llmm的軸向厚度，并且更特別地，約9.3mm的軸向厚度。此外，多個中性極區段中的每個可具有相同的軸向厚度。
[0012]根據本發明的其它實施例，電源可以在大于200V下操作。電源可提供75kW_125kff的輸出功率，特別地，90kW-110kW的輸出功率，更特別地，約10kW的輸出功率。
[0013]根據其它實施例，電源可產生在陰極組件和陽極之間的電弧，該電弧具有低于500A的電流。此外，電弧電流可以在300A-375A范圍內。
[0014]此外，陰極組件可包括被布置在陰極絕緣體中的多個陰極元件。在實施例中，多個陰極元件可包括三個陰極。此外，多個陰極元件可被布置為互相平行并且平行于通道孔的縱向軸線。
[0015]根據其它實施例，等離子槍還可包括聯接到陽極的粉末噴射器。
[0016]根據其它實施例，至少一種氣體可包括氬氣、氦氣或氮氣中的僅一種。
[0017]根據實施例，至少一種氣體包括氬氣、氦氣、氮氣和氫氣中的至少兩種的組合。
[0018]本發明的實施例涉及向襯底應用粉末的方法。所述方法包括:經由通道孔將至少一種氣體從陰極組件供應到陽極，通道孔具有大于38_的長度；以及在陰極組件和陽極之間產生電弧。
[0019]根據其它實施例，可利用在大于200V下操作的電源產生電弧。此外，電壓可在250V-400V下操作，特別地，在275V-315V下操作。
[0020]根據本發明的其它實施例，通道孔可通過可包括多個軸向對齊的中性極區段的延長的級聯中性極形成。
[0021]通過瀏覽本發明和附圖，可確定本發明的其它示例性實施例和優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]參照所示多個附圖在以下詳細描述中以本發明的示例性實施例的非限定性例子的方式進一步描述本發明:
圖1圖示根據本發明的實施例的具有延伸的級聯裝置的等離子槍。
【具體實施方式】
[0023]在此示出的細節僅是例子和為了說明本發明的實施例的論述，并且在提供被認為是本發明的原理和概念方面最有用和容易理解的描述的過程中出現。對此，并未試圖在超過基本理解本發明所必需的程度上更詳細地示出本發明的結構細節，結合附圖進行的描述使本領域技術人員顯然明白本發明實際可具體化的若干方式。
[0024]圖1所示的等離子體噴涂設備包括被等離子體通道3分開的陰極組件I和陽極2，等離子體通道3由也被稱作通道孔的中性極(neutrode)組件4的環形內部限定。
[0025]通過非限定性的例子，陰極組件I可包括多個陰極5，例如三個陰極。陰極5可以由例如銅基底上的鎢涂層形成，并且多個陰極5可被布置在由電絕緣材料(例如，氮化硼或其它合適的絕緣材料)形成的外殼6中。通過另一非限定性例子，陽極2可以是環形設計，并且中性極組件4可以由后部中性極7和中性極層疊結構8形成，中性極層疊結構8由具有被布置在相鄰中性極5之間的電絕緣體9和O形環10的多個中性極區段8’形成。以此方式，中性極區段8’彼此電絕緣并且中性極層疊結構8是氣密的。陽極2可由例如銅形成并且還可包括例如在內部環表面上的鎢表面。后部中性極7和中性極區段8’可由銅形成并且還可包括鎢襯里。絕緣體9可由氮化硼、氮化鋁或其它合適的材料形成。
[0026]陽極2的內部環表面和中性極組件4的內部環表面共軸地布置，從而使得來自陰極5的電流延伸通過等離子體通道3到達陽極2。此外，多個陰極5被布置為互相平行并且平行于陽極2和中性極組件4的共軸對齊。此外，后部中性極7和中性極層疊結構8進一步對齊，從而使得冷卻通道11圍繞中性極組件4的周邊形成。此外，中性極組件4被布置在絕緣的中性極外殼15中，外殼15可由硼、鋁或其它合適的材料形成。冷卻通道11通過入口 12接收冷卻水，以將冷卻水通過中性極組件4供應到陽極2。然后，通過返回通道11’將冷卻水供應到各個出口。通過非限定性的例子，設備可包括用于每個陰極5的冷卻水出口。在所示實施例中，僅示出了出口 13和14，但是應該理解，可為每個陰極分別提供額外的出口。噴射保持器16可被布置在陽極2周圍并通過噴嘴螺母(未示出)保持就位。噴射保持器16包括多個粉末出口 16，以將粉末供應到陽極2發射的等離子體中。
[0027]大多數已知的級聯槍使用不多于六個或七個中性極區段來在對陽極點火時級聯電弧。通過增加中性極層疊結構的總長度，使其超過已知級聯槍的長度，本發明的發明人已經設計了實施例，以確保可達到增加的開路電壓電勢并且基本消除使跨在中性極區段的壁上的電弧的電勢。
[0028]在常規的級聯等離子槍中，單個中性極區段通常具有約4.5mm (0.177英寸)的軸向厚度，并且常規的層疊結構的總長度為約15-35_。在本發明的實施例中，單個中性極區段可具有約3.5-5.5_ (特別是4-5_)的(軸向)厚度。在非限定性例子中，中性極區段的厚度可以為4.5_。因此，雖然本發明的實施例采用具有與常規等離子槍的中性極區段相似的厚度的中性極區段，但是與常規槍不同，本發明實施例采用長度大于上述常規層疊結構的中性極層疊結構8，并且特別地大于38mm。在實施例中，中性極層疊結構8的長度可以為40-70mm，特別是50-65mm。在非限定性例子中，中性極層疊結構的長度可以為56mm。此夕卜，應該理解，在不脫離本發明的實施例的精神和范圍的情況下，通過使用改進的電源可實現長度更長的中性極層疊結構。
[0029]在特定實施例中，中性極層疊結構8可包括至少6個中性極區段，特別是8個或更多個中性極區段8’，以達到期望的層疊結構長度。此外，在非限定性例子中，中性極層疊結構8可包括至少10個中性極區段8，。
[0030]在其它實施例中，中性極區段8 ’可形成有比在常規級聯等離子槍更大的厚度。通過非限定性的例子，中性極區段8’可形成有是常規中性極區段的厚度的約二倍的厚度，約7mm-12.5mm,特別地,約8-llmm。在非限定性例子中，中性極區段的厚度可以為9.3mm(0.366英寸)。盡管本實施例的較厚的中性極區段8’可被布置為形成長度與上述常規等離子槍相對應的中性極層疊結構，但是，根據實施例，中性極層疊結構8可形成有例如4-6個中性極區段8’，以便達到至少38mm的期望的延長層疊結構長度，特別是40_70mm的層疊結構長度，更特別地，50-65mm的層疊結構長度，并且在非限定性例子中，至少56mm的層疊結構長度。這些實施例的優點在于，已經發現，當中性極層疊結構由較厚的中性極區段(與常規中性極層疊結構相比)形成時，分離區段的O形環的短路顯著減少。
[0031]如已知的，等離子氣從陰極組件I的區域通過中性極組件4被供應。為了點火等離子氣，電源被連接在陰極5和陽極2之間，具有足以電離氣體的電勢，以提供從多個陰極5中的每個通過中性極4到達陽極2的路徑。由于根據實施例的中性極層疊結構8被設計為比在常規級聯等離子槍更長，因此，從陰極5到陽極2需要更長的電弧。但是，盡管需要更長的電弧，仍尋求與在常規級聯等離子槍中相同的用于本發明的等離子噴涂設備實施例的功率。為了補償更長的電弧，可調節電壓和電流水平以達到相同的功率。在實施例中，功率可為75kW-125kW，特別地，90kW-110kW，更特別地為約100kW。為了有助于產生更長的電弧，在實施例中，等離子氣可以是例如氬氣、氦氣或氮氣中的一種，或者可以是氬氣、氦氣、氮氣和氫氣中的任何兩種的組合。
[0032]根據實施例，具有延長的級聯中性極層疊結構8的等離子槍在通道孔中達到層流條件。利用能夠進行大于200V的操作的電源，特別地，250V-400V的操作，更特別地，275V-315V的操作，并且在非限定性例子中，約為300V的操作，延長的級聯中性極層疊結構的實施例可形成為具有比在常規槍更多的中性極區段，例如，比常規級聯中性極層疊結構中多額外的2-6個中性極區段。因此，本發明的實施例提供槍的點燃，以及利用與標準長度的級聯中性極層疊結構(具有六個中性極區段)相比適當增加的槍電壓，在相同操作功率參數下，正常操作。利用延長的級聯中性極層疊結構(具有8-12個中性極區段，更特別地，10個中性極區段)，當使用氬氣作為主要氣體并且不存在輔助氣體時，槍在比標準長度的級聯中性極層疊結構之上額外40-100V，更具體地約60V的情況下點火和操作。在根據實施例的延長的級聯中性極層疊結構中，當主要氣體流增加或使用諸如氦氣的輔助氣體增加電壓時，可快速達到電源的電壓極限。
[0033]電壓增加的結果是，顯著降低了達到期望功率水平所需的安培數。這有利地直接導致硬件壽命增加。由于常規的級聯等離子槍通常使用在200V下操作的電源，因此可從陰極到陽極產生500安培的電流。為了產生較長的電弧，本發明的實施例采用在大于200V下操作的電源，特別地，250V-400V，更特別地，275V-315V，并且根據非限定性例子約為300V，這使得產生降低的小于500A的電流。特別地，產生的電流可以為200A-425A，更特別地，300A-375A (例如，在非限定性例子中，產生的電流可以為約333A)。此外，本發明的發明人發現，關于在襯底上等離子體噴涂沉積粉末，電流和電壓可互換，即，粉末不管功率是由電壓產生的還是電流產生的。因此，在實施例中，即使通過使用高壓電源而顯著降低電流，也不會降低粉末的分配和涂布。
[0034]應該注意，以上例子僅是為了解釋而提供的，并且決不應該被認為是限制本發明。盡管已經參照示例性實施例描述了本發明，但是應該理解，本文使用的語言是描述性和說明性語言，而非限制性語言。在不脫離本發明的各個方面的范圍和精神的情況下，如目前陳述的和修改的，在所附權利要求的范圍內可進行改變。盡管本文已經參照具體的裝置、材料和實施例描述了本發明，但是本發明不限于在此公開的細節；反之，本發明可擴展至在所附權利要求范圍內的所有功能上等同的結構、方法和用途。
【權利要求】
1.一種等尚子槍，包括: 陰極組件； 陽極； 后部中性極； 延長的中性極，其鄰近后部中性極設置，以限定陰極組件和陽極之間的通道孔，延長的中性極具有大于38mm的長度； 將氣體供應到通道孔的至少一個氣體入口 ；以及 電源。
2.根據權利要求1所述的等離子槍，其中，延長的中性極包括沿延長的中性極的長度軸向地布置的多個中性極區段。
3.根據權利要求2所述的等離子槍，其進一步包括多個絕緣體，其中，至少一個絕緣體被布置為與多個中性極區段中的每個相鄰。
4.根據權利要求3所述的等離子槍，其中，至少一個絕緣體被布置在延長的中性極和陽極之間以及在延長的中性極和后部中性極之間。
5.根據權利要求2所述的等離子槍，其中，多個中性極區段包括4-12個中性極區段。
6.根據權利要求5所述的等離子槍，其中，多個中性極區段中的每個具有3.5-5.5mm的軸向厚度，特別地，4-5mm的軸向厚度，更特別地，約4.5mm的軸向厚度。
7.根據權利要求5所述的等離子槍，其中，多個中性極區段中的每個具有7-12.5mm的軸向厚度，特別地，8-llmm的軸向厚度，更特別地，約9.3mm的軸向厚度。
8.根據權利要求5所述的等離子槍，其中，多個中性極區段中的每個具有相同的軸向厚度。
9.根據權利要求1所述的等離子槍，其中，電源在大于200V下操作，特別地，在250V-400V下操作，更特別地，在約300V下操作。
10.根據權利要求1所述的等離子槍，其中，電源提供75kW-125kW的輸出功率，特別地，90kff-110kff的輸出功率，更特別地，10kff的輸出功率。
11.根據權利要求1所述的等離子槍，其中，電源產生在陰極組件和陽極之間的電弧，該電弧具有低于500A的電流，特別地，在300A-375A范圍內的電流。
12.根據權利要求1所述的等離子槍，其中，陰極組件包括被布置在陰極絕緣體中的多個陰極元件。
13.根據權利要求12所述的等離子槍，其中，多個陰極元件包括三個陰極。
14.根據權利要求12所述的等離子槍，其中，多個陰極元件被布置為互相平行并且平行于通道孔的縱向軸線。
15.根據權利要求1所述的等離子槍，其進一步包括聯接到陽極的粉末噴射器。
16.根據權利要求1所述的等離子槍，其中，至少一種氣體包括氬氣、氦氣或氮氣中的僅一種。
17.根據權利要求1所述的等離子槍，其中，至少一種氣體包括氬氣、氦氣、氮氣和氫氣中的至少兩種的組合。
18.—種向襯底施加粉末的方法,包括: 經由通道孔將至少一種氣體從陰極組件供應到陽極，通道孔具有大于38_的長度； 在陰極組件和陽極之間產生電弧。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，利用在大于200V下操作，特別地，在250V-400V下操作，更特別地，在約275V-315V下操作的電源產生電弧。
20.根據權利要求18所述的方法，其中，通道孔形成為通過包括多個軸向對齊的中性極區段的延長的級聯中性極。
【文檔編號】B23K9/24GK104203477SQ201280069762
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2012年2月28日 優先權日:2012年2月28日
【發明者】R.J.莫爾茲, D.霍利, R.麥庫勞格 申請人:蘇舍美特科（美國）公司