从如附图所示的对本发明的优选实施方案的下列更具体的描述中 将更易于理解本发明的前述和其它目的、特征和优点，在所述附图中 相似的附图标记在所有不同视图中表示相同的部件。所述图不必要是 按比例的，相反重点被放在阐释本发明的原理上。除非另外指出，所 有百分比和份数是按重量计。
该装置通常涉及热喷涂。更具体而言，该装置涉及热喷枪的改进 型设计。该装置包括热喷枪的改进型设计，所述改进型设计包括雾化 器、燃烧室、互连器和圆管。构造热喷枪的各个部分的适当材料的实 例包括铜、黄铜、钢、铝、不锈钢、镍基金属合金、陶瓷、陶瓷合金 及其组合。
该装置包括将燃料和氧化剂注入燃烧室内以使得它们紧密混合且 以稳定和连续的方式燃烧的雾化器。适当燃料的实例包括碳氢化合物 气体(例如，甲烷、乙烷、丙烷和丁烷)、氢气和石油基燃料(例如 燃油和煤油)。在一个实施方案中，燃料包括煤油。适当氧化剂的实 例包括空气、氧气、过氧化氢和氧化亚氮。在另一个实施方案中，氧 化剂包括氧气。
在一个实施方案中，本装置包括用于热喷枪的雾化器，其中所述 雾化器包括布置在点火源周围的多个雾化孔。该装置的一个实施方案 如图1所示，所述图示出了雾化器70的示意横截面侧视图。雾化器70 包括以火花塞72的形式存在的点火源和安装组件76。火花塞72包括 电极74。安装组件76包括布置在电极74周围的多个雾化孔78。
在一个实施方案中，包括电极和雾化孔的安装组件的端部被插入 燃烧室内。图2示出了包括电极和雾化孔的雾化器70的端部横截面 图。雾化孔78以单个圆构型被布置在电极74周围。然而，本装置中 的雾化孔的确切构型不限于单个圆。孔的多种构型是适当的。在一些 实施方案中，雾化孔以多个圆、以椭圆形式或任何其它对称图案形式 被布置在点火源周围。
在一个实施方案中，安装组件包括约7和约12个之间的雾化孔。 在另一个实施方案中，雾化孔分别具有约0.51-约1.19毫米(约 0.02-0.047英寸)的直径。在又一个实施方案中，雾化孔被放置成围 绕点火源。
该装置还包括燃烧室，其中雾化混合物被燃烧以形成燃烧气体。 燃烧室具有至少三个不同部分，包括圆柱体部分、渐窄锥形区域和扩 展锥形区域。
该装置的一个实施方案如图3所示，所述图示出了燃烧室10。燃 烧室10包括圆柱体部分2，所述圆柱体部分是具有在L0处的入口、在 L1处的出口且直径为D1的中空圆柱体区域。圆柱体部分2的出口(在 L1处)与渐窄锥形区域4邻接。在一个实施方案中，雾化器(图3中 未示出)被连接到圆柱体部分的入口上。在另一个实施方案中，圆柱 体部分的内壁具有约1.3-约2的长度直径比(即|L1-L0|/D1)。在又一 个实施方案中，长度直径比为约1.4-约1.7。在又一个实施方案中， 直径D1为约38.1-约50.8毫米(约1.5-约2英寸)。
圆柱体部分2与渐窄锥形区域4邻接。渐窄锥形区域4具有从圆 柱体部分2的出口向内渐细以形成圆形喷嘴孔6的内壁。渐窄锥形区 域的几何形状被构造来提供高温流体通过圆形喷嘴孔6的平滑过渡且 减少了燃料微粒对燃烧室2的内壁和圆形喷嘴孔6的撞击。圆形喷嘴 孔6具有直径D3。利用标准可压缩流量公式，直径D3被选择以控制燃 烧室2的压力以及排出的燃烧气体的速度和温度。在一个实施方案中， 直径D3为约5.08-约8.89毫米(约0.2-约0.35英寸)。
在一个实施方案中，渐窄锥形区域包括多个锥体。在图3所示实 施方案中的渐窄锥形区域4具有至少两个邻接锥形部分，包括第一锥 形部分8(从L1至L2)和第二锥形部分12(从L2至L3)。第一锥形部 分8以锥角α1渐窄直至室的内壁具有直径D2。第二锥形部分12与第一 锥形部分8邻接且具有以锥角α2渐窄直至室的内壁形成具有直径D3的 圆形喷嘴孔6的内壁。在一个实施方案中，锥角α1为约80°-约100°。 在另一个实施方案中，锥角α1为约85°-约95°。在进一步的实施方案 中，锥角α2为约40°-约60°。在又一个实施方案中，锥角α2为约45°- 约55°。
在一个实施方案中，渐窄锥形区域包括多于两个锥体，例如具有 相继递减的锥角的三个、四个或五个锥形部分。在另一个实施方案中， 至少两个相继锥形部分不是邻接的，而是通过附加的圆柱形或近圆柱 形区域被分开。
渐窄锥形区域4与扩展锥形区域14邻接。扩展锥形区域14具有 以锥角α3向外张开直至内壁具有直径D4的内壁。在一个实施方案中， 直径D4为约7.62-约12.7毫米(约0.3-0.5英寸)。在另一个实施方 案中，锥角α3为约8°-约17°。
在一些实施方案中，渐窄锥形区域和扩展锥形区域的一些或所有 内壁沿凸或凹曲线聚敛或发散。
该装置还包括与燃烧室流体连通的互连器，其中所述互连器具有 以非相对方式布置的至少两个粉末进入口。互连器的一个目的在于将 粉末材料注入燃烧气体流内。粉末材料被载体气体推进至互连器。载 体气体和粉末材料的流被引导通过粉末进入口且进入燃烧气体流内。 适当的粉末材料的实例包括金属、金属合金、碳化物、涂覆金属的碳 化物、陶瓷、水泥型材料及其组合。在一个实施方案中，粉末材料的 微粒具有小于约55μm的平均微粒尺寸。在另一个实施方案中，对于碳 化物材料而言，粉末材料的微粒具有约15μm-约40μm的平均微粒尺 寸，且对于金属材料而言，具有约22μm-约53μm的平均微粒尺寸。在 进一步的实施方案中，粉末材料包含大量具有小于约11μm的尺寸的微 粒。在又一个实施方案中，粉末材料包括大量具有小于约5μm的尺寸 的微粒。适当的载体气体的实例包括惰性气体(例如氦和氩)、氮气、 空气、二氧化碳和活性气体例如氢气或碳氢化合物气体(例如甲烷、 乙烷、丙烷、丙烯和丁烷)。
互连器的一个实施方案在图4中被示作互连器30。互连器30是具 有至少两个邻接部分的中空圆柱体，所述两个邻接部分包括第一部分 32，所述第一部分跨越从L5处的入口至L7的长度。第一部分32从L5 至L6的长度具有直径D5，所述直径大于从L6至L7的长度的直径D6。在 一些实施方案中，直径D5足够宽以例如允许插入热喷枪的前面部分， 例如燃烧室的出口部分。在其它实施方案中，直径D6与插入前面部分 的内壁的直径配合，以便在互连器的整个第一部分范围内提供一个连 续的平的内壁。在又一个实施方案中，直径D6为约7.62-约12.7毫米 (约0.3-0.5英寸)。
互连器30还包括第二部分34，所述第二部分跨越从第一部分32 在L7处的出口至互连器30在L8处的出口的长度且具有内壁，所述内壁 具有大于直径D6的直径D7。在一些实施方案中，D7与D6之比为约1.1- 约1.3。互连器30包括通往第二部分34的内壁的至少两个粉末进入口 36。更大的直径D7使得在粉末进入口36的开口处产生负压区域。该负 压区域增强了粉末材料向燃烧气体流内的注射。
如图4的实施方案中所示，从直径D6至D7的过渡部分相当陡峭 且接近90°。然而，在一些实施方案中，互连器中从直径D6至D7的过 渡不那么陡峭。例如，过渡部分可以是非直角或曲线，其中所述角度 和曲线导致内壁直径的扩展，以使得在粉末进入口的开口处产生负压 区域。
互连器的粉末进入口以非相对方式被布置在第二部分的内周周 围，以使得没有两个口彼此直接分开180°。该布置防止多股载体气体 和粉末微粒流直接撞击在第二部分的内部中。图4示出了一个实施方 案，其中两个粉末注射口36放置在第二部分的周边周围彼此成直角。 图6示出了另一个实施方案，其中三个粉末注射口36被放置在第二部 分的周边周围成两个相继的60°角度。
在一个实施方案中，粉末注射口被放置成处于与第二部分的内壁 不垂直的角度，以使得载体气体/粉末材料流以相对于流动轴线的非 90°角度被注入燃烧气体流中。在另一个实施方案中，粉末进入口从垂 直状态倾斜约10°的角度，因此，载体气体/粉末材料流以在相对于流 动轴线约80°至约90°的上游或下游角度进入燃烧气体流内。在又一个 实施方案中，粉末进入口倾斜以使得以相对于流动轴线沿下游方向约 10°和沿上游方向约1°之间的角度将粉末注入燃烧气体流内，因此载体 气体/粉末材料流以在沿上游方向89°或沿下游方向80°之间的角度进 入燃烧气体流内。在一些实施方案中，粉末进入口以一定角度倾斜以 使得导致载体气体/粉末材料流除了沿半径或直径之外沿一些轨迹进 入互连器内部。例如，该角度可导致载体气体/粉末材料流沿穿过互连 器内部的弦的轨迹流动。
该装置还包括用于将燃烧气体、载体气体和粉末材料的组合流引 导到浓缩点的圆管。
该装置的一个实施方案在图7中被示作对圆管50的阐释。圆管50 具有中空中心膛，热喷雾可流动通过所述中空中心膛，所述中空中心 膛在L9处的入口处开始且在L12处的出口处终止。在一些实施方案中， 圆管的总长度(即|L12-L9|)为约25.4-约304.8毫米(约1-约12英寸)。 在其它实施方案中，圆管的总长度为约25.4-约203.2毫米(约1-约8 英寸)。
圆管50包括锥形入口部分52，所述锥形入口部分为在L9处的圆 管50的入口处开始且在L10处终止的锥形部分。锥形入口部分52的内 壁以角度α4朝向中心膛的径向轴线聚敛。在一些实施方案中，角度α4 为约1.5°-约3°。在其它实施方案中，角度α4为约1.5°-约2.5°。
圆管50还包括与锥形入口部分52邻接的圆柱体部分54。圆柱体 部分54是从L10延伸至L11且具有直径D8的中空圆柱体。在一些实施方 案中，直径D8为约6.35-约15.24毫米(约0.25-约0.6英寸)。在 其它实施方案中，圆柱体部分的长度(即|L11-L10|)至少是圆管的总长 度的一半。
圆管50包括锥形出口部分56，所述锥形出口部分为在L11处的圆 柱体部分54的出口处开始且在L12处的圆管50的出口处终止的锥形部 分。锥形出口部分56的内壁以角度α5外张远离中心膛的径向轴线。在 一些实施方案中，角度α5为约0.5°-约5°。在其它实施方案中，角度α5 为约0.5°-约1.5°。
在一些实施方案中，圆管的锥形出口部分被省略。在其它实施方 案中，圆管的总长度为两英寸或更少且锥形出口部分被省略。在一些 实施方案中，锥形入口部分或锥形出口部分的内壁沿凸或凹曲线聚敛 或发散。
装置的一个实施方案被示于图8中，所述图示出了热喷枪100的 横截面侧视图。热喷枪100包括雾化器102(从L13延伸至L15)、燃烧 室104(从L14延伸至L20)、互连器106(从L19延伸至L22)和圆管108 (从L21延伸至L25)。雾化器102形成了燃烧室104的一端且被放置 成使得火花塞110的电极(图8中未示出)和雾化孔(图8中未示出) 被放置在燃烧室104内部。燃烧室104的扩展锥形区域112从L18延伸 至L20，其中从L19延伸至L20的部分被插入互连器106的第一部分内。 圆管108还被附接到互连器106上。
在一个实施方案中，该装置还包括热喷枪，所述热喷枪包括热喷 枪的燃烧室、用于将粉末注入离开燃烧室的排出流内的互连器和具有 中空中心膛的圆管，热喷雾可流动通过所述中空中心膛。本实施方案 的燃烧室包括具有出口的圆柱体部分，流体可流动通过所述出口以离 开圆柱体部分；与圆柱体部分邻接的渐窄锥形区域，其中渐窄锥形区 域具有内壁，所述内壁从圆柱体部分的出口向内渐细以形成圆形喷嘴 孔，且其中渐窄锥形区域包括具有不等锥角的至少两个锥形部分；和 与圆形喷嘴孔邻接的扩展锥形区域。本实施方案的互连器包括具有至 少两个邻接部分的中空圆柱体，所述至少两个邻接部分具有直径不相 似的内壁；和通往第二部分的内壁的至少两个粉末进入口，其中所述 粉末进入口以非相对方式进行布置。本实施方案的圆管包括朝向中心 膛的径向轴线聚敛的锥形入口部分和与锥形入口部分邻接的圆柱形部 分。
本发明还包括用于将涂层施加到基体表面上的热喷涂方法。在一 个实施方案中，所述方法包括使至少一种氧化剂与至少一种燃料燃烧 以形成燃烧气体流、引导粉末进入燃烧气体流内以形成热喷雾和引导 热喷雾靠在表面上以施加涂层。
在一个实施方案中，燃料和氧化剂在连接到雾化器上的燃烧室内 部燃烧。在另一个实施方案中，燃料是煤油且氧化剂是氧气。
在一个实施方案中，燃烧过程始于首先将低流量的氧气(例如约 19.8标准立方米/小时(约700标准立方英尺/小时))引导至装备有 作为点火源的火花塞的雾化器。氧气流动通过雾化器且通过多个雾化 孔进入燃烧室内。随后电流被送至火花塞，且低流量的燃料被引导至 雾化器(例如约1.9L/hr或更低(约0.5gal/hr或更低))。燃料 流动通过雾化器并进入燃烧室。当雾化燃料的浓度达到可燃范围时， 通过火花塞的电极点燃燃烧室中的燃料和氧气的雾化混合物。所得的 火焰从电极向外行进通过混合物且在由恰在布置在电极周围的雾化孔 外部的雾化混合物的剪切效应形成的低速涡流区域中稳定。该热再循 环涡流区域保持热气体且用作其后的燃烧过程的连续点火源。火花塞 的电流随后被切断。通过火花塞进行的初始点火过程利用低流量以使 得点火时产生的初始压力升高足够低，以便不会有害地影响燃料和氧 化剂的流动。该低流量还用以减少燃烧过程的初始阶段产生的噪声。 在燃烧过程已初始化后，氧化剂和燃料的流量增加至正常操作水平。 氧化剂和燃料的正常操作水平随所使用的燃料和氧化剂类型以及具体 应用的需求而变化。在一个实施方案中，正常操作水平下的氧化剂流 量为约34标准立方米/小时或更低(约1,200标准立方英尺/小时或更 低)。在另一个实施方案中，正常操作水平下的燃料流量为约15.9L/hr 或更低(约15.9L/hr或更低)。在又一个实施方案中，正常操作水 平下的燃料流量为约20.8L/hr或更低(约5.5gal/hr或更低)。 在一个实施方案中，雾化燃料、雾化氧化剂或来自雾化孔的燃料和氧 化剂的雾化混合物的线性速度至少为约225m/s。在另一个实施方案 中，从雾化孔中出来的线性速度为约330m/s。
在一些实施方案中，一部分雾化孔仅引导氧化剂进入燃烧室内， 而另一部分则引导燃料进入燃烧室内。在其它实施方案中，雾化孔引 导氧化剂和燃料进入燃烧室。
在一个实施方案中，燃烧过程产生燃烧气体，所述燃烧气体从燃 烧室的圆柱体部分流入燃烧室的渐窄锥形区域内。渐窄锥形区域的几 何形状减少了未燃烧燃料微粒对内壁的撞击，由此减少了燃烧过程中 产生的煤烟和碳积聚的量。渐窄锥形区域的几何形状还提供了高温高 速燃烧气体的平滑流动。燃烧气体通过渐窄锥形区域的圆形喷嘴孔并 进入扩展锥形区域内。
在一个实施方案中，燃烧气体从燃烧室的扩展锥形区域流入互连 器的第一部分内。燃烧气体随后流入互连器的第二部分内。在第二部 分中，通过粉末进入口的两股或多股载体气体流将粉末释放入燃烧气 体流内以形成热喷雾。被引导通过每个进入口的粉末量随喷涂工艺的 需求而变化。在一个实施方案中，通过每个进入口的载体气体流速为 约0.57-约0.68标准立方米/小时(约20-约24标准立方英尺/小时)。 在另一个实施方案中，通过每个进入口的载体气体流速为约0.28-约 0.42标准立方米/小时(约10和约15标准立方英尺/小时)。在一个 实施方案中，通过每个进入口的粉末流速小于约9.1kg/hr(约20 lbs/hr)。在又一个实施方案中，通过每个进入口的粉末流速为约4.54 kg/hr-约6.81kg/hr(约10-约15lbs/hr)。
第二部分的内壁的增加的直径产生了负压(例如亚大气压力)区 域，所述负压区域增强了粉末从粉末进入口向燃烧气体流的流动。粉 末进入口的非相对布置减少了与将粉末流引入至燃烧气体流相关联的 湍流。非相对布置还减少了撞击热喷枪内壁的粉末量，由此减少了圆 管载荷。
在一个实施方案中，热喷雾流从互连器的第二部分流出且流入圆 管的锥形入口部分内。内壁在锥形入口部分中的聚敛导致更高的温 度、更高的压力和更低速的热喷雾流。热喷雾流随后流动通过圆管的 圆柱体部分。如果圆管不具有锥形出口部分，那么热喷雾通过圆管的 圆柱形部分离开喷枪并被施加到进行涂覆的基体上。
如果圆管确实具有锥形出口部分，那么热喷雾离开圆管的圆柱体 部分且进入锥形出口部分。热喷雾由于发散的内壁而在锥形出口部分 中扩展。该扩展用以增加热喷雾的速度，且因此增加被喷涂的粉末微 粒，而同时减少其压力和温度。降低的温度还减少了圆管载荷、圆管 腐蚀或二者。热喷雾随后离开喷枪且被施加到进行涂覆的基体上。由 锥形出口部分产生的更低的温度减少了传递至进行喷涂的基体的热 量。
在一些实施方案中，通过冷却系统从热喷枪的一些或所有部分上 除去热。在另一些实施方案中，冷却系统使用水作为热传递流体。在 又一些实施方案中，水流至冷却剂系统的流速小于约37.9L/min(约 10gal/min)。在另一些实施方案中，水在小于约48.9℃(约120°F) 的温度下离开冷却系统。在又一些实施方案中，水在约15.6℃至约 34.4℃(约60°F至约94°F)的温度下离开冷却剂系统。在一些实施方 案中，冷却剂系统使用冷却器以冷却热传递流体。
在一个实施方案中，本发明还包括用于将涂层施加到表面上的热 喷涂方法。在一个实施方案中，热喷涂方法包括将至少一种燃料流和 至少一种氧化剂流引导至雾化器以形成雾化混合物，其中雾化器包括 布置在点火源周围的多个雾化孔。雾化混合物被燃烧以形成燃烧气体 流。粉末被引导入燃烧气体流内以形成热喷雾。热喷雾被引导靠在表 面上以施加涂层。
在另一个实施方案中，热喷涂方法包括使燃烧室中的至少一种燃 料和至少一种氧化剂燃烧以形成燃烧气体流，其中燃烧室包括具有出 口的圆柱体部分，燃烧气体流可流动通过所述出口以离开圆柱体部 分；与圆柱体部分邻接的渐窄锥形区域，其中渐窄锥形区域具有内壁， 所述内壁从圆柱体部分的出口向内渐细以形成圆形喷嘴孔，且其中渐 窄锥形区域包括具有不等锥角的至少两个锥形部分；和与圆形喷嘴孔 邻接的扩展锥形区域。粉末被引导进入燃烧气体流内以形成热喷雾。 热喷雾被引导靠在表面上以施加涂层。
在又一个实施方案中，热喷涂方法包括将燃烧气体流引导至互连 器，其中互连器包括具有至少两个邻接部分的中空圆柱体，所述至少 两个邻接部分包括第一部分和第二部分，其中第一部分的直径与第二 部分的直径之比为约1.1-约1.3；和通往第二部分的内壁的至少两个 粉末进入口，其中粉末进入口以非相对方式进行布置。粉末被引导进 入燃烧气体流内以形成热喷雾。热喷雾被引导靠在表面上以施加涂 层。
在一个实施方案中，热喷涂方法包括引导热喷雾通过圆管，其中 热喷雾包括燃烧气体流和粉末。圆管包括朝向中心膛的径向轴线聚敛 的锥形入口部分和与锥形入口部分邻接的圆柱形部分。在另一个实施 方案中，圆柱形部分的长度至少为圆管的总长度的一半。在又一个实 施方案中，圆管包括外张远离中心膛的径向轴线的锥形出口部分。热 喷雾被引导靠在表面上以施加涂层。
在另一个实施方案中，热喷涂方法包括将至少一种燃料流和至少 一种氧化剂流引导至热喷枪以形成热喷雾和引导热喷雾靠在表面上以 施加涂层。本实施方案的热喷枪包括具有布置在点火源周围的多个雾 化孔的雾化器、热喷枪的燃烧室、用于将粉末注入离开燃烧室的排出 流内的互连器和具有中空中心膛的圆管，热喷雾可流动通过所述中空 中心膛。本实施方案的燃烧室包括具有出口的圆柱体部分，流体可流 动通过所述出口以离开圆柱体部分；与圆柱体部分邻接的渐窄锥形区 域，其中渐窄锥形区域具有内壁，所述内壁从圆柱体部分的出口向内 渐细以形成圆形喷嘴孔，且其中渐窄锥形区域包括具有不等锥角的至 少两个锥形部分；和与圆形喷嘴孔邻接的扩展锥形区域。本实施方案 的互连器包括具有至少两个邻接部分的中空圆柱体，所述至少两个邻 接部分具有直径不相似的内壁；和通往第二部分的内壁的至少两个粉 末进入口，其中所述粉末进入口以非相对方式进行布置。本实施方案 的圆管包括朝向中心膛的径向轴线聚敛的锥形入口部分和与锥形入口 部分邻接的圆柱形部分。
尽管已结合本发明的优选实施方案对本发明进行了具体示出和描 述，但是本领域的技术人员将理解可在其中做出形式和细节的多种变 化，而不会偏离所附权利要求所包括的本发明的范围。