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CN104684233B - 用于热喷涂枪装置的喷嘴插入物 - Google Patents

用于热喷涂枪装置的喷嘴插入物 Download PDF

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CN104684233B CN201410721166.2A CN201410721166A CN104684233B CN 104684233 B CN104684233 B CN 104684233B CN 201410721166 A CN201410721166 A CN 201410721166A CN 104684233 B CN104684233 B CN 104684233B
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Abstract

本发明公开的各方面涉及一种可用于热喷涂枪装置的喷嘴插入物。根据本发明的喷嘴插入物可包括具有外表面的主体，所述主体的所述外表面被构造成周向地接触热喷涂枪的热喷涂枪喷嘴的内面并向其转移热量。所述喷嘴插入物的主体可从所述热喷涂枪喷嘴移除而不用拆卸所述热喷涂枪，并且包括被构造成传送来自所述喷嘴插入物的等离子体放电的轴向通道。本发明还公开包括所述喷嘴插入物的热喷涂枪装置和热喷涂枪系统。

Description

用于热喷涂枪装置的喷嘴插入物
技术领域
本发明的实施例大体涉及热喷涂枪。具体地，本说明书公开的主题涉及可用于热喷涂枪装置的喷嘴插入物。
背景技术
本申请涉及2009年9月9日提交的美国专利申请序列号12/551,661、现在是美国专利号8,237,079的公开内容。
热喷涂为涂布方法，其中粉末或其他原料材料被供给至由等离子管或由燃料气体燃烧产生的加热气体流中。热气体流夹带原料，从而将热量和动量转移到原料。加热原料变成进一步冲击至表面上的放电，其粘附并且凝固于所述表面，构成由薄层或薄片构成的热喷涂涂层。
一种常用的热喷涂方法为等离子体喷涂。等离子体喷涂一般由等离子体焰炬或“喷涂枪”执行，所述等离子体焰炬或“喷涂枪”使用等离子体射流以便在将原料朝向所需表面推进之前加热或融化所述原料。当前的热喷涂枪在一种功率模式(例如，75kW)下有效(例如，超过60％的效率)操作，并且针对样品在一个位置递送一种涂层。当喷涂不同涂层和/或不同样品时，可能需要对喷涂枪进行大量修改以便调整放电。
喷涂不同样品，或相同样品的不同部分，可需要使用具有不同功率水平的不同热喷涂枪以便产生变化的等离子体羽流和涂层。为了喷涂一种不同类型的涂层，所述热喷涂枪可从机械臂移除并进行拆卸以便安装替换喷嘴，此后可重组所述热喷涂枪。组装和重组过程一般需要将冷却水存储器打开、排干以及随后再被装满。每个热喷涂枪喷嘴可被构造成发出不同的等离子体放电。等离子体喷涂枪系统的物理性能(如相隔距离)可响应于安装至机械臂的改进枪而改变，所述机械臂被构造成与不同热喷涂枪一起使用。在这个情况中，所述机械臂可能需要调整(例如，通过再编程)。这个再编程步骤可能对操作者是不便的，并且导致喷涂过程的延迟。
发明内容
本发明的至少一个实施例在下文参考其结合热喷涂枪结合的应用进行描述。然而，对于所属领域的技术人员应当是显而易见的以及通过本说明书的教导所引导，本发明的实施例可应用于除热喷涂枪技术外的其他情况。
本发明的第一方面提供一种喷嘴插入物，所述喷嘴插入物包括：具有外表面的主体，所述主体的所述外表面被构造成被构造成周向地接触热喷涂枪的热喷涂枪喷嘴的内面并向其转移热量；其中所述主体被构造成从热喷涂枪喷嘴移除而不用拆卸所述热喷涂枪，并且包括被构造成传送来自喷嘴插入物的等离子体放电的轴向通道。
本发明的第二方面提供一种热喷涂枪，所述热喷涂枪包括：具有热喷涂枪喷嘴的热喷涂枪主体；以及周向地接触热喷涂枪喷嘴的内面的可移除喷嘴插入物，所述可移除喷嘴插入物具有轴向通道；其中所述可移除喷嘴插入物的轴向通道被构造成通过轴向通道来传送来自热喷涂枪主体内的等离子放电。
本发明的第三方面提供一种热喷涂枪系统，所述热喷涂枪系统包括：容纳电极的电极主体；具有前部分和后部分的热喷涂枪主体，所述热喷涂枪主体在前部分容纳热喷涂枪喷嘴，并且在后部分连接至所述电极主体；以及与所述热喷涂枪喷嘴的内部面周向接触并且被构造成将热量转移到所述热喷涂枪喷嘴的内部面的可移除喷嘴插入物，所述可移除喷嘴插入物包括被构造成传送来自所述热喷涂枪主体内的等离子体放电的轴向通道；其中所述电极主体被构造成在所述电极与所述热喷涂枪主体之间产生电弧，并且所述电弧将原料转变成等离子体放电。
附图说明
结合附图，将从以下对本发明各种方面的详细描述中更容易地理解所公开装置的这些和其他特征，附图描绘了本发明的各种实施例，其中：
图1示出根据本发明的实施例的热喷涂枪系统的侧视图。
图2示出根据本发明的实施例的热喷涂枪喷嘴的侧视图。
图3示出根据本发明的实施例的喷嘴插入物的截面图。
图4示出根据本发明的实施例的具有可移除喷嘴插入物的热喷涂枪的侧视图。
图5示出根据本发明的实施例的具有可移除喷嘴插入物的热喷涂枪的另一侧视图。
图6提供说明本发明的实施例的性能的测试数据表。
图7提供说明本发明的实施例的性能的另一测试数据表。
图8提供测试数据的测试图，用图形表示说明本发明的实施例的性能。
图9提供测试数据的另一测试图，用图形表示说明本发明的实施例的性能。
应指出，附图未必按比例绘制。附图仅用于示出本发明的典型方面，因此不视作对本发明范围的限制。在附图中，相似编号表示附图间的相似元件。
具体实施方式
在以下说明书中，参照形成本说明书的一部分的附图，并且在附图中以图解方式示出可实施本发明教导的具体示例性实施例。对这些实施例进行足够详细的描述，以使得所属领域的技术人员能够实施本发明教导，并且应理解，可以利用其他实施例，并且在不背离本发明教导的范围的情况下可做出改变。因此以下描述仅为示例性的。
当一个元件或层被称为“在上”、“接合至”、“连接至”或“联接至”另一个元件或层时，它可直接在上、接合、连接或联接至另一个元件或层，或可能存在中间元件或层。相反，当一个元件被称为“直接在上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接联接至”另一元件或层，可能不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词应以类似方式来解释(例如，“在之间”与“直接在之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。如本说明书中所使用，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
如以上所述，本发明的方面提供可在热喷涂枪装置或系统中使用的喷嘴插入物。在操作期间，热喷涂枪一般安装在机械臂或机械装置上。样品(涡轮叶片)一般安装在支架上在离热喷涂枪的前端(出口环带)的一定距离处。这个距离称为“相隔距离”。所述相隔距离可由待喷涂的样品类型以及待应用的材料或涂层类型来部分规定。在操作期间，等离子体喷涂离开枪的出口环带并且朝向样品推进。等离子体喷涂离开枪的出口的方式可称为“等离子体放电”。等离子体放电可具有速率、温度的特定值并且可具有具体的羽流形状。本发明的方面提供可调整热喷涂枪，所述可调整热喷涂枪可有效地适应不同的喷涂需要(例如，涂层)，而不需要拆卸热喷涂枪，因而开启冷却剂系统。具体地，本发明的方面提供用于热喷涂枪装置的喷嘴插入物。
转而参照图1，示出热喷涂枪系统5，包括可调整热喷涂枪装置10、样品110、样品支架112(以虚线示出)、机械臂114(以虚线示出)和一个或多个喷射器端口116(以虚线示出)。为清楚的目的，在此描述不带喷嘴插入物的热喷涂枪。热喷涂枪装置10可包括热喷涂枪主体20，所述热喷涂枪主体20可固持热喷涂枪喷嘴12(以虚线示出)。热喷涂枪主体20和热喷涂枪喷嘴12可共享出口环带14并且可通过下述而彼此电连接：均包含导电性材料或另外被构造成允许电在热喷涂枪主体20与热喷涂枪喷嘴12之间输送。热喷涂枪主体20可进一步包括用于附接至机械臂114的一个或多个安装件22以及用于从外部源(未显示)接收和/或排出冷却剂的端口24。此外，端口24可为连接至外部电源(未示出)的电连接件。热喷涂枪主体20可在一个部分处可移除地附接至电极主体40。然而，热喷涂枪主体20与容纳在电极主体40内的电极电绝缘。电极主体40可包括用于从外部源(未示出)接收输入气体的等离子体气体端口42以及用于从外部源(未示出)接收和/或排出冷却剂的端口44。类似于端口24，端口44此外可为连接至外部电源(未示出)的电连接件。本说明书中省略对外部电力和气体供应的描述，并且功能基本上类似于所属领域已知的那些。热喷涂枪装置10可具有长度L1，所述长度L1可包括从大约电极的后端(离样品110最远的端)至出口环带14的距离。出口环带14与样品110之间的距离示出为相隔距离SD。如在本说明书中进一步描述的以及在附图中所示出的，本发明的实施例可修改热喷涂枪系统5，例如，通过改变发出的等离子体羽流或放电的形状。
在热喷涂枪系统5的操作期间，电弧可在电极主体40和热喷涂枪主体20内构成，其中电极主体40充当阴极电极并且热喷涂枪主体20充当阳极。等离子体气体通过等离子体气体端口42被供给，并且使弧延伸至出口环带14，其中喷射器端口116可在原料材料通过出口环带14离开热喷涂枪主体20和热喷涂枪喷嘴12时，将所述原料材料供应至等离子体射流或放电45中。喷射器端口116可允许原料径向供应至放电45中。例如，原料可为夹带在运载气体和/或悬浮液中的粉末。然而，在本说明书所描述的实施例中使用的原料可为在等离子体喷涂中使用的任何原料材料。随后使放电45(包括原料)朝向样品110推进，从而对它进行涂布。相隔距离SD设计用于优化特定样品110或原料材料的喷涂情况。
热喷涂枪的功率由它的等离子体“弧”的长度(弧长)来部分驱动。所述弧长为热喷涂枪喷嘴12的总长度的分量。转向图2，示出无修改的热喷涂枪喷嘴12(喷嘴)的一个实施例的侧视图以及电极主体40的一部分。本发明的实施例可用于修改本说明书中参照图2至图5所描述的热喷涂枪喷嘴。喷嘴12包括它的弧部分15的内径(IDa)以及它的扩散部分17的内径(IDd)。在一个实施例中，喷嘴12可具有在大约0.50厘米与1.0厘米之间的IDa以及在大约1.20厘米与大约1.70厘米之间的IDd。弧部分的内径(IDa)和扩散部分的内径(IDd)将影响等离子体气体离开出口环带14的出口速度并且将影响冲击在样品110上的喷涂材料的速度。在一个实施例中，为进行更高速度的操作，IDa可在大约0.6厘米与0.75厘米之间。
热喷涂枪主体20可包括至少部分包围喷嘴12的冷却剂套筒124，来自端口24或端口44的冷却剂可通过所述冷却剂套筒124输送。当热喷涂枪系统5操作时，随着等离子体气体原料通过来自电极主体40的电力转变成等离子体放电，喷嘴12可增加温度。为防止与放电过热关联的材料失效，冷却剂套筒124可包围喷嘴12的外部。冷却剂套筒124可为设计用于将冷却剂从一个端口(例如，端口24或端口44)递送至另一端口的通道。进入冷却剂套筒124的冷却剂可从喷嘴12的外部吸收热量，并且在通过另一端口离开喷嘴12前温度提高。
如图2所示，示出热喷涂枪装置10的热喷涂枪喷嘴12的展开图。热喷涂枪喷嘴12可具有总长度(Ln)，所述总长度(Ln)包括弧长(La)和扩散长度(Ld)。可在本发明的实施例中使用的一些热喷涂枪可具有轻微的扩散以及因此为0的伴随的扩散长度(Ld)。弧长(La)为总长度(Ln)(等离子体弧的跨该总长度形成)的一部分并且在电极(在电极主体40内)与弧根附件13之间延伸。如参考图1所描述的，等离子体气体由于电极(在电极主体40)与弧根附件13之间的电位差(或弧电压)而被加热。等离子体气体随后在从热喷射枪装置10释放并且冲击样品110(图1)前，跨扩散长度(Ld)而膨胀和/或冷却。选择扩散长度(Ld)以便防止弧根延伸超过出口环带14。来自热喷涂枪装置10的放电是部分取决于如弧电压、弧长(La)的量以及喷嘴12的总体形状的。这样，为了放电制备不同类型的涂层，可能需要不同的喷嘴12。然而，以常规设置来修改热喷涂枪喷嘴12可能需要拆卸热喷涂枪主体20(图1)。
转向图3，示出根据本发明的实施例的喷嘴插入物。为修改涂层和/或从热喷涂枪放电的羽流形状，具有对应于喷嘴12(以虚线示出)的几何形状的喷嘴插入物212可插入其中，以便在喷嘴12与喷嘴插入物212之间形成周向接触。与常规系统对比，喷嘴插入物212可通过从出口环带14(图1、2)的前(放电)端经过而安装在热喷涂枪(例如，热喷涂枪装置10)内或从热喷涂枪(例如，热喷涂枪装置10)移除。结果，喷嘴插入物212可被移除和插入，而不用拆卸或另外开启热喷涂枪系统5(图1)的热喷涂枪主体20(图1)。在通过图3中实例所示出的实施例中，借助在它的前(放电)端具有与它的后端的外直径(由线ODa表示)相比更大的外直径(由线ODf表示)，喷嘴插入物212可为从喷嘴12可移除的。
喷嘴插入物212可包括具有出口区域214和外表面216的主体。外表面216可具有类似于喷嘴12的轮廓，以便接合和周向地接触喷嘴12的内面。在一些实施例中，喷嘴插入物212可直接接合喷嘴12的内面，而在其他实施例中，附加结构可插入在喷嘴插入物212与喷嘴12之间。在任何情况下，喷嘴12与喷嘴插入物212之间的接触可允许热量从喷嘴插入物212转移至喷嘴12。喷嘴插入物212与喷嘴12之间的热接触允许单个冷却介质(例如，冷却剂套筒124中的冷却剂，图1，图2)从喷嘴12吸收热量。进而，喷嘴12可从喷嘴插入物212吸收热量。为增加从喷嘴插入物212至喷嘴12的热转移，喷嘴插入物212和/或喷嘴12可由相同材料或类似材料(即，共同材料)构成，如铜、钨、银等。从喷嘴插入物212移除累积热量允许喷嘴插入物212和喷嘴12对抗材料缺陷，如无意的粘结、热收缩以及其他类型的热相关损失。
为通过喷嘴插入物212传送热喷涂枪主体20(图1)的放电，轴向通道218可延伸穿过喷嘴插入物212。轴向通道218可从喷嘴插入物212的前(放电)端延展至它的后端。等离子体喷涂枪装置10(图1、2)的等离子喷涂枪主体20(图1)的放电可进入喷嘴12，通过轴向通道218行进，并且通过出口区域214和出口环带14(图2)离开。轴向通道218可成形以便改变穿过其中的放电的一种或多种性能。例如，轴向通道218的尺寸可形成来自热喷涂枪主体20(图1)的放电的特定速度、温度或羽流形状。通过轴向通道218的放电可不同于来自不具有喷嘴插入物212包括在其中的喷嘴12的放电。从而，喷嘴插入物212的存在或缺乏可自定义热喷涂枪装置和/系统的放电。
如果需要，喷嘴插入物212的后端可用电绝缘材料220涂布或镀覆。如本说明书别处讨论的，热喷涂枪装置10(图1、2)的放电由在电极主体40(图1、2)与热喷涂枪主体20(图1)之间产生的电弧形成。为防止电弧到达喷嘴插入物212而不是热喷涂枪主体20(图1)，电绝缘材料220可减少电弧到达喷嘴插入物212的各种部件的机会。从而，电绝缘材料220可减少与电极主体40(图1)的电弧不到达热喷涂枪主体20(图1)关联的故障。在一些实施例中，喷嘴插入物212的整体或它的一部分可由电绝缘材料构成，以便有效地防止电弧到达喷嘴插入物212。通常用于电绝缘的任何材料或材料组可用于电绝缘材料220，并且可包括例如电介质(如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4))等。
喷嘴12与喷嘴插入物212之间的周向接触可通过附加部件或机构来帮助。例如，喷嘴插入物212可装备有设计用于将喷嘴插入物212与喷嘴12连接的一个或多个紧固件222(以虚线示出)。在实施例中，紧固件222可为螺纹的形式，所述螺纹设计用于与位于外表面216上的对应脊(未示出)联锁。紧固件222可通过它们在喷嘴插入物212与喷嘴12之间的布置来阻碍喷嘴插入物212沿轴向通道218的方向运动。紧固件222可接触喷嘴12以便在连接至那里时，使喷嘴插入物212固持在适当位置。紧固件222还可被构造成(例如)通过拧入到喷嘴12中或从喷嘴12拧出来接合或脱离喷嘴12，从而允许根据需要添加或移除喷嘴212。除图3中通过实例所示出的紧固件222的螺纹之外，其他现在已知的或以后开发的机械连接形式可将喷嘴插入物212固定至喷嘴12。例如，紧固件222可包括插闩、锁、粘性表面和其他类似装置。
为在喷嘴插入物212与喷嘴12之间提供附加热接触，密封元件224可附加或连接至喷嘴插入物212的外表面216。可为法兰、密封垫圈或现在已知的或以后开发的其他密封部件形式的密封元件224通过充当连续阻塞表面来阻止放电绕过喷嘴插入物212。密封元件224的材料成分可包括热传导金属(如镍、铜、银和/或铟)。通过连接至喷嘴插入物212的外表面216，密封元件224可防止任何放电在喷嘴12与喷嘴插入物212之间流动，以便改变或削弱轴向通道218的效果。此外，密封元件224可由热传导材料构成，从而允许累积热量从喷嘴插入物212转移至喷嘴12，这进而由冷却剂套筒212中的冷却介质来冷却。
在实施例中，来自热喷涂枪装置10(图1、2)的放电性能可通过使用由几个喷嘴插入物212组成的“喷嘴组”来调整。“喷嘴组”中的每个轴向通道218可具有被构造成调整放电的速度、温度和羽流形状的大小和形状的具体对应组合。例如，每个喷嘴插入物212的放电端的内径可变化以便形成扩散轴向通道218。此外，喷嘴插入物212的内部可被修改，如在本说明书中别处相对于图5所示，以便形成轴向通道218的复杂或复合的几何形状。从而，几个喷嘴插入物212(各自被构造成传送不同的等离子体放电)可放置在喷嘴12内。热喷涂枪系统5(图1)的使用者可根据需要安装或移除组中的每个喷嘴插件212，而不拆卸热喷涂枪主体20(图1)。喷嘴插入物212(或几个喷嘴插入物212，假如是组的一部分)可由热喷涂枪装置10(图1、2)放电制备特定类型的涂层。例如，一个喷嘴插入物212可放电制备粘结涂层、热障涂层(TBC)、可磨损涂层、环境屏障涂层(EBC)或放电制备本说明书所述涂层的任何单独层。例如，环境屏障涂层(EBC)(其实例在美国专利8,273,470中详细描述)由几个单独应用的层组成。在本发明的实施例中，热喷涂枪装置10(图1、2)可放电制备EBC的几个层中的一个，而剩余层中的一些或全部可通过与热喷涂枪装置10(图1、2)一起使用其他喷嘴插入物212来放电制备。
在实施例中，喷嘴插入物212的轴向通道218可用衬套材料226来涂布。在不同环境因素如增加的热量下，可提供衬套材料226来增大喷嘴插入物212(包括轴向通道218)的热阻。衬套材料226可能至少部分由(例如)氮化硅(Si3N4)、耐熔金属(如钨(W))、陶瓷材料或具有与喷嘴插入物212的材料成分相比更高熔点的其他材料构成。在具体实例中，由铜构成的喷嘴插入物212可衬有具有与铜相比更高熔点的任何材料。
如图4所示，热喷涂枪装置10可以以位于喷嘴12内的喷嘴插入物212的实施例为特征。喷嘴插入物212可导致热喷涂枪装置10形成不同于只从喷嘴12传送的等离子体放电。喷嘴插入物212可通过出口环带14插入至喷涂枪喷嘴12中，以便在喷嘴12的内面与喷嘴插入物212的外表面216之间提供周向接触。喷嘴插入物212可具有在喷嘴12内从前(放电)端延伸至后端的轴向通道218。轴向通道218可允许等离子体喷涂枪主体20(图1)内的放电经过喷嘴插入物212并且离开喷涂枪装置10。轴向通道218可在喷嘴插入物212的每个实施例中自定义，以便调整来自热喷涂枪装置10的等离子体放电的速度、温度和羽流形状。
喷嘴插入物212可从喷嘴12移除，而不用拆卸热喷涂枪主体20(图1)。喷嘴插入物212可以是从热喷涂枪装置10的前(放电)端可移除的，例如通过具有与喷嘴12的内面结合的外表面216。在实施例中，喷嘴插入物212的前端可具有与喷嘴插入物212的后端相比更大的截面积，从而使得喷嘴插入物212能够穿过喷嘴12轴向移动一直到弧根附件13。喷嘴插入物212由此可被移除而不用拆卸热喷涂枪主体20(图1)以及采用其他昂贵或花费时间的步骤，如使水管与端口24、44(图1、2、4)和冷却剂套筒124(图1、2、4)断开连接。
如本说明书别处所描述的，冷却剂套筒124可将冷却介质(例如，水)递送至喷嘴12的外部。当等离子体放电行进穿过喷嘴12时，它的材料成分在温度上迅速增加。具有与喷嘴12的热表面相比更低温度的冷却介质可经过冷却剂套筒124以便从喷嘴12吸收热量。在一些实施例中，尽管冷却剂套筒124可能不在喷嘴插入物212的旁边行进，喷嘴12在冷却时可从喷嘴插入物212吸收热量，从而允许喷嘴插入物212的热量散发至喷嘴12中，并且随后散发至冷却剂套筒124中。热喷涂枪装置10的喷嘴插入物212还可包括插入在喷嘴插入物212与喷嘴12之间的密封元件224。如本说明书别处所描述的，密封元件224可防止放电通过经过喷嘴12与喷嘴插入物212之间而离开热喷涂枪主体20(图1)。
当热喷涂枪装置10操作时，电极主体40的电弧可进入喷嘴插入物212内的电传导材料。如本领域中已知，电弧可在两种材料之间的接触面积较小的情况下从一种金属结构越到另一种金属结构。这甚至可导致两种材料在称为“微型焊接”的过程中彼此焊接或粘结。为减少喷嘴插入物212微型焊接至喷嘴12表面的风险，喷嘴插入物212和/或喷嘴12的区域可用电传导材料来镀覆或涂布，所述电传导材料以与喷嘴插入物212的材料成分相比更高的熔点为特征。在一些实施例中，喷嘴插入物212可用外部衬套236来涂布，所述外部衬套236由例如耐熔金属(如钽或钼)或具有与喷嘴插入物212的材料成分相比更高融化温度的其他材料构成。以这种方式用外部衬套236涂布或镀覆喷嘴插入物212可抑制微型焊接，所述微型焊接否则可能由喷嘴插入物212与喷嘴12之间的电迁移(电子转移)导致。
转向图5，为清楚起见，示出喷嘴12和喷嘴插入物212的另一视图。如图5演示的，喷嘴12的前(放电端)可具有与后(主体)端相比更大的截面积，从而允许喷嘴插入物212从喷嘴12的前端移除。喷嘴插入物212的每个端之间的尺寸差异还形成与喷嘴12表面的锥形接触区域，以便增加来自喷嘴插入物212的热转移。
类似于喷嘴插入物212，一个或多个紧固件222可连接至喷嘴12以便防止喷嘴插入物212脱离喷嘴12。在实施例中，每个紧固件222可为安装在热喷涂枪主体20(图1)内的螺纹螺钉的形式，其中每个紧固件222的螺钉头阻止喷嘴插入物212沿喷嘴12的方向移动。喷嘴插入物212可插入至热喷涂枪装置10的出口环带14(图2)中，并且通过应用紧固件222来固持在适当位置。为移除喷嘴插入物212，可移除每个紧固件222(例如，通过拧出)，从而允许喷嘴插入物212经过出口环带14(图2)。
尽管在本说明书中示出和描述为喷嘴插入物和热喷涂枪装置，但应理解，本发明进一步提供各种替代实施例。例如，在一个实施例中，本发明提供具有本说明书相对于喷嘴插入物212和热喷涂枪装置10所描述的特征的热喷涂枪系统(例如，热喷涂枪系统5(图1))。根据本发明的热喷涂枪系统的实施例可包括(参考图1)：热喷涂枪主体20内的电极主体40；以及喷嘴12，所述喷嘴12允许放电45从热喷涂枪主体20转到热喷涂枪系统5的外部。可移除喷嘴插入物(如图2至图5的喷嘴插入物212)可位于喷嘴12内。喷嘴插入物212(图2至图5)可调整离开热喷涂枪装置10的放电45的一种或多种性能以及通过维持与喷嘴12的周向接触将热量转移至喷嘴12。结果，冷却剂套筒124的设计不需要修改来容纳喷嘴插入物212。类似于本说明书别处讨论的其他实施例，热喷涂枪系统5可允许喷嘴插入物212插入出口环带14或直接从出口环带14移除，而不用拆卸热喷涂枪主体20。
转向图6至图7，示出说明本发明的性能相关方面的两个表格300、302。特别地，图6至图7的每个表格示出标准喷嘴与设置有根据本发明的喷嘴插入物的喷嘴之间的热喷涂枪的功率输出。表格300示出针对具有非扩散(扩散直径IDd小于或基本等于弧直径IDa)喷嘴的热喷涂枪的这个比较。表格302示出针对具有扩散(扩散直径IDd大于弧直径IDa)喷嘴的相同比较。在每个实验中，热喷涂枪设置有不同数量的等离子体气体流(以标准立方英尺每小时(SPCH)示出)。如所示，无论是否设置有喷嘴插入物，每个热喷涂枪都可输出相同数量的功率。如测试数据所建议，热喷涂枪的类似功率输出水平(具有或不具有喷嘴插入物)表明，不同的喷嘴插入物可改变来自热喷涂枪的放电轮廓，而不显著影响功率输出或由无插入物的类似配置的喷嘴产生的其他相关性能。从而，根据本发明的喷嘴插入物可插入热喷涂枪或从热喷涂枪移除而不影响(例如)间隔距离，从而允许热喷涂枪进行调整以便适合各种应用。根据本发明的实施例的喷嘴插入物可提供可预测的和有效的方式来调整热喷涂枪的放电的特性。
图8至9示出两个图表350、352，示出如在表格350、352(图6至图7)中分别测量的电流对功率输出。在每个图表350、352中示出每个样本的趋势线，示出具有喷嘴插入物的热喷涂枪与无喷嘴插入物的热喷涂枪(“std，标准”)之间的功率输出的统计类似性。
本发明的系统和装置不限于任何一个特定应用并且可以多种实现方式来提供。例如，本说明书描述的优点可以任何类型的热喷涂枪或类似装置，包括等离子体喷涂枪、冷冻喷涂、真空等离子体喷涂等来实现。此外，本发明的实施例可适合于应用任何类型的涂层，如粘结涂层、热障涂层(TBC)、可磨损涂层和/或环境屏障涂层(EBC)。本发明的各种实施例还可通过在单个热喷涂枪装置中相继使用不同的喷嘴插入物来放电制备单个涂层的单独层。此外，本发明的实施例可用于其他系统，在所述其他系统中通常需要移除或替换喷嘴以便改变等离子体羽流或其他放电的性能。
本发明的实施例可提供几个商业和技术优势。例如，根据本发明使用各种喷嘴插入物可影响热喷涂枪装置或系统的操作变量，包括来自喷涂枪的放电的速度、温度以及羽流形状。此外，单个喷涂枪装置或单元可用于通过插入或移除各种喷嘴插入物来应用多个涂层和/或涂层的多个层。通过用连续喷嘴插入物增强的一个喷嘴应用多个涂层会减少与拆卸喷涂枪主体关联的时间和成本。根据本发明的喷嘴插入物从而提供成本有效的方法来涂布具有复杂几何形状的工件，如蒸汽涡轮机和燃气涡轮机的一些部件。本发明的实施例也比其他热喷涂枪修改方案更有效，在所述其他热喷涂枪修改方案中等离子体放电可通过在热喷涂枪喷嘴下游添加一个或多个附件进行修改。
本专利申请文件中所用的术语仅是为了描述特定实施例，而且并不在于限制本发明。本专利申请文件中所使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”也包括复数形式，除非上下文以其他方式明确指出。应进一步了解，说明书中所用的术语“包括”和/或“包含”指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。
本说明书使用各个实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时让所属领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包含所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包含的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (19)

1.一种喷嘴插入物，所述喷嘴插入物包括：
具有外表面的主体，所述主体的所述外表面被构造成周向地接触热喷涂枪的热喷涂枪喷嘴的内面并向其转移热量；
其中所述主体被构造成从所述热喷涂枪喷嘴移除而不用拆卸所述热喷涂枪，并且包括被构造成传送来自所述喷嘴插入物的等离子体放电的轴向通道；
其中所述主体进一步包括前端和后端，所述前端具有与所述后端相比更大的截面积，所述前段和所述后端之间的尺寸差异形成与所述热喷涂枪喷嘴的内面的锥形接触区域，以增加来自所述喷嘴插入物的热转移。
2.根据权利要求1所述的喷嘴插入物，其中所述主体的所述后端用电绝缘材料镀覆。
3.根据权利要求1所述的喷嘴插入物，其中所述主体进一步包括被构造成将所述主体可移除地附接至所述热喷涂枪喷嘴的紧固件。
4.根据权利要求1所述的喷嘴插入物，所述喷嘴插入物进一步包括连接至所述主体的所述外表面的密封元件。
5.根据权利要求4所述的喷嘴插入物，其中所述密封元件包括被构造成防止所述等离子体放电在所述主体的所述外表面与所述热喷涂枪喷嘴的所述内面之间流动的法兰。
6.根据权利要求1所述的喷嘴插入物，其中所述热喷涂枪喷嘴和所述主体各自包括普通金属。
7.根据权利要求1所述的喷嘴插入物，其中所述主体进一步被构造成从所述轴向通道传送粘结涂层、热障涂层TBC、可磨损涂层和环境屏障涂层EBC中的一种。
8.一种包括多个根据权利要求1所述的喷嘴插入物的喷嘴组，其中所述多个喷嘴插入物的每个喷嘴插入物被构造成传送不同于其他喷嘴组件的涂层的特定涂层。
9.一种热喷涂枪装置，其包括：
具有热喷涂枪喷嘴的热喷涂枪主体；以及
周向地接触所述热喷涂枪喷嘴的内面的可移除喷嘴插入物，所述可移除喷嘴插入物具有轴向通道；
其中所述可移除喷嘴插入物的所述轴向通道被构造成通过所述轴向通道传送来自所述热喷涂枪主体内的等离子体放电；
其中所述可移除喷嘴插入物包括具有外表面的主体，所述主体进一步包括第一前端和第一后端，所述第一前端具有与所述第一后端相比更大的截面积，所述第一前段和所述第一后端之间的尺寸差异形成与所述热喷涂枪喷嘴的内面的锥形接触区域，以增加来自所述可移除喷嘴插入物的热转移。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述热喷涂枪喷嘴的所述内面进一步包括第二前端和第二后端，所述第二前端具有与所述第二后端相比更大的截面积。
11.根据权利要求9所述的装置，所述装置进一步包括连接至所述热喷涂枪喷嘴和所述热喷涂枪主体之一的紧固件，其中所述紧固件将所述热喷涂枪喷嘴可移除地附接至所述可移除喷嘴插入物。
12.根据权利要求9所述的装置，所述装置进一步包括周向地连接至所述热喷涂枪喷嘴的冷却剂套筒，其中所述冷却剂套筒内的冷却介质从所述热喷涂枪喷嘴吸收热量，并且所述热喷涂枪喷嘴从所述可移除喷嘴插入物吸收热量。
13.根据权利要求9所述的装置，所述装置进一步包括附加至所述可移除喷嘴插入物的所述轴向通道的衬套材料。
14.根据权利要求9所述的装置，其中所述可移除喷嘴插入物被构造成形成所述等离子体放电的特定速度、温度以及羽流形状。
15.根据权利要求9所述的装置，所述装置进一步包括插入在所述可移除喷嘴插入物与所述热喷涂枪喷嘴之间的密封垫圈，其中所述密封垫圈被构造成防止所述等离子体放电在所述可移除喷嘴插入物与所述热喷涂枪喷嘴之间流动。
16.根据权利要求9所述的装置，其中所述可移除喷嘴插入物包含电绝缘材料。
17.根据权利要求9所述的装置，其中所述可移除喷嘴插入物被构造成不用拆卸所述热喷涂枪主体就可移除。
18.一种热喷涂枪系统，所述热喷涂枪系统包括：
容纳电极的电极主体；
具有前部分和后部分的热喷涂枪主体，所述热喷涂枪主体在前部分容纳热喷涂枪喷嘴并且在后部分连接至所述电极主体；以及
与所述热喷涂枪喷嘴的内部面周向接触并且被构造成将热量转移至所述热喷涂枪喷嘴的内部面的可移除喷嘴插入物，所述可移除喷嘴插入物包括被构造成传送来自所述热喷涂枪主体内的等离子体放电的轴向通道；
其中所述可移除喷嘴插入物包括具有外表面的主体，所述主体进一步包括前端和后端，所述前端具有与所述后端相比更大的截面积，所述前段和所述后端之间的尺寸差异形成与所述热喷涂枪喷嘴的内部面的锥形接触区域，以增加来自所述可移除喷嘴插入物的热转移；
其中所述电极主体被构造成在所述电极与所述热喷涂枪主体之间产生电弧，用于将原料转变成所述等离子体放电。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述可移除喷嘴插入物被构造成不用拆卸所述热喷涂枪主体就可以移除。
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