專(zhuān)利名稱(chēng)：電磁粉末淀積的方法及設(shè)備的制作方法
本申請(qǐng)以1997年6月20日遞交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.60/050392為優(yōu)先權(quán)。
本發(fā)明一般涉及用來(lái)在基底上淀積鍍層材料的方法和設(shè)備，并且特別涉及應(yīng)用軌道炮(railgun)形成鍍層和/或材料的方法和設(shè)備。
電解電鍍是在基底表面上形成材料層的過(guò)程。電解電鍍過(guò)程具有某些局限性。比如，電解電鍍?cè)趹?yīng)用于大型對(duì)象上時(shí)很不方便，其形成具有非均勻厚度層的能力有限，并且某些材料由于其化學(xué)性質(zhì)而難于使用?，F(xiàn)有技術(shù)開(kāi)發(fā)了用于在基底上淀積材料的熱噴涂及爆炸技術(shù)，可部分地避免上述問(wèn)題。
熱噴涂技術(shù)用氣體的熱膨脹作為鍍層材料的動(dòng)力。熱噴涂技術(shù)的例子包括火焰、高速氧燃料(HVOF)、爆炸噴槍以及等離子噴涂。熱噴涂技術(shù)可賦予鍍層材料的速度不會(huì)超過(guò)推動(dòng)基礎(chǔ)熱過(guò)程的膨脹氣體的速度。氣體的熱速度限制在大約1km/s。由于具有1km/s速度的鍍層顆粒具有的動(dòng)能通常低于顆粒的熔解熱，所以熱噴涂技術(shù)通常不會(huì)使鍍層顆粒在撞擊基底時(shí)發(fā)生熔融。熱噴涂技術(shù)通常不會(huì)使鍍層材料和基底之間形成如鍍層顆粒在撞擊基底時(shí)發(fā)生熔融可以產(chǎn)生的那種牢固的結(jié)合。
現(xiàn)有技術(shù)在最好直接淀積原始固體鍍層材料的場(chǎng)合下應(yīng)用了爆炸淀積過(guò)程。為使用爆炸過(guò)程，鍍層材料形成一個(gè)薄殼。比如，鍍層材料可以是鋁箔的薄殼。然后，爆炸，比如氧乙炔爆炸，將鍍層材料薄殼拋射到待鍍層的基底上。
爆炸淀積技術(shù)也有局限性。首先，淀積的鍍層通常既包含鍍層材料又包含薄殼基體，因?yàn)楸ず湾儗硬牧蟽烧叨加杀⊕伾涞交咨?。為了消除鍍層雜質(zhì)，薄殼基體可由鍍層材料本身制作。但是，昂貴的鍍層材料使薄殼基體的構(gòu)造成本高昂得令人不敢問(wèn)津。其次，爆炸技術(shù)無(wú)法做到以可控方式淀積厚鍍層層所必需的高重復(fù)率。爆炸技術(shù)不能提供在基底上形成材料層的通用方法。第三，爆炸技術(shù)不能將鍍層材料加速到大于聲速數(shù)量級(jí)的速度。第四，此技術(shù)不能適應(yīng)復(fù)雜的幾何表面。第五，爆炸/熱噴涂技術(shù)產(chǎn)生的淀積層容易包含大量的氣孔。氣孔會(huì)在厚度大于1.030英寸的鍍層中造成裂縫。
本發(fā)明的宗旨是克服，或至少是減小，上述一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題的影響。
在本發(fā)明的一個(gè)方案中提供一種在基底上淀積粉末顆粒的方法。這種方法包括形成一個(gè)等離子電樞，加速此等離子電樞，利用此等離子電樞加速氣體柱；并且利用此氣體柱加速粉末顆粒。在本發(fā)明的另一方案中，提供一種由第一和第二導(dǎo)電軌道及第一和第二絕緣軌道組成的軌道炮。絕緣和導(dǎo)電軌道形成軌道炮的炮膛。第一和第二導(dǎo)電軌道由絕緣軌道分隔。至少一根軌道在其壁上有一個(gè)孔口，此孔口用來(lái)將粉末顆粒裝入炮膛之內(nèi)。
本發(fā)明的其他目的及優(yōu)點(diǎn)在參考附圖閱讀下面的詳細(xì)敘述之后將會(huì)更加清楚。附圖中

圖1示出承受阻力的粉末顆粒的無(wú)量綱速度“f”和加速度“a”與無(wú)量綱時(shí)間變量“ξ”的函數(shù)關(guān)系；圖2示出用來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁粉末淀積的軌道炮的一種實(shí)施方案；圖3為圖2的軌道炮的炮膛的端視圖；圖4為圖2的軌道炮的放大圖；圖5為示出利用圖2的軌道炮實(shí)現(xiàn)電磁粉末淀積的方法的步驟流程圖；圖6為用來(lái)為圖2的軌道炮中的等離子電樞提供動(dòng)力的脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施方案；
圖7示出由圖6的脈沖成形網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的電流脈沖；圖8示出用于圖6的脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的再充電系統(tǒng)；圖9示出圖8的再充電系統(tǒng)所使用的再充電電路和控制模塊的實(shí)施方案；圖10為利用圖8和圖9的再充電系統(tǒng)對(duì)圖6的脈沖成形網(wǎng)絡(luò)減小再充電的方法的步驟流程圖；圖11A示出用來(lái)形成圖2和圖4中示出的軌道炮的等離子電樞的電弧啟動(dòng)器的實(shí)施方案；圖11B示出圖11A的電弧啟動(dòng)器的電源；圖12A示出具有線(xiàn)圈、光纖和壓力傳感器檢測(cè)器的軌道炮；圖12B示出具有光纖和壓力傳感器檢測(cè)器的軌道炮；圖13示出由電磁粉末淀積形成的宏觀構(gòu)造；圖14A為利用電磁粉末淀積產(chǎn)生宏觀構(gòu)造的方法的實(shí)施方案的流程圖；圖14B為利用電磁粉末淀積產(chǎn)生宏觀構(gòu)造的方法的一些實(shí)施方案的附加步驟的流程圖。
雖然本發(fā)明可具有各種改變和變化形式，其具體實(shí)施方案通過(guò)附圖所示的示例示出并在下面進(jìn)行詳細(xì)描述。但是，應(yīng)當(dāng)理解的是此處對(duì)具體實(shí)施方案的描述并非企圖使本發(fā)明限制于所公開(kāi)的具體形式，而是恰恰相反，其目的是要涵蓋由下附的權(quán)利要求所規(guī)定的本發(fā)明的精神及范圍之內(nèi)所包括的所有的變形、等效方案及變化形式。
下面描述本發(fā)明的實(shí)施方案。為了清楚起見(jiàn)，在本說(shuō)明書(shū)中并未對(duì)實(shí)際實(shí)現(xiàn)方案的所有特點(diǎn)進(jìn)行描述。當(dāng)然應(yīng)該理解，在開(kāi)發(fā)任何實(shí)際實(shí)施方案的過(guò)程中，必須做出大量各實(shí)現(xiàn)方案所特有的決定以便達(dá)到開(kāi)發(fā)者的具體目標(biāo)，比如服從與系統(tǒng)相關(guān)的或與商業(yè)相關(guān)的限制，這一類(lèi)限制依各實(shí)現(xiàn)方案而變。此外，應(yīng)該理解，此種開(kāi)發(fā)努力可能很復(fù)雜并且很花時(shí)間，但是對(duì)于受益于本發(fā)明公開(kāi)內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員而言這仍然不過(guò)是例行任務(wù)。
1.氣動(dòng)(氣體動(dòng)力)顆粒加速具體實(shí)施方案應(yīng)用氣動(dòng)生成的粘性阻力作為將粉末顆粒加速到聲速的工具。實(shí)施例的工作參數(shù)，在一次近似中，可從單個(gè)粉末顆粒獲得，只要粉末顆粒的密度不大到以致于多顆粒效應(yīng)嚴(yán)重影響動(dòng)力學(xué)。氣體動(dòng)力學(xué)可近似為一維。
對(duì)于近似為球形的直徑為Dp、密度為ρp的粉末顆粒及密度為ρG、速度為VG的流動(dòng)氣體柱，粉末顆粒的動(dòng)力學(xué)由牛頓動(dòng)力式確定MPdVPdt=CDAPPK.......(1)]]>其中Mp，Ap，Vp，ρp和Dp分別是顆粒的質(zhì)量、截面面積、速度、密度及直徑。CD是阻力系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)已知該系數(shù)對(duì)具有≥1的很寬的馬赫數(shù)范圍的超聲流動(dòng)接近1。PK是氣體動(dòng)壓強(qiáng)，即PK＝ρG(VG-VP)2/2。
顆粒動(dòng)力學(xué)也可以利用無(wú)量綱變量描述f=VPVG,ξ=tτ,]]>及τ=431CDρPρGDPVG.]]>利用無(wú)量綱變量式(1)可改寫(xiě)為下面的形式dfdξ=(1-f)2......(2)]]>
對(duì)于初始條件VP(0)＝0無(wú)量綱速度的解為f=ξ1+ξ......(3)]]>式(3)可對(duì)ξ求導(dǎo)以得到無(wú)量綱的加速度“a”a=dfdξ=1(1+ξ)2.....(4)]]>無(wú)量綱動(dòng)力式(2)的解(3)和(4)可用來(lái)估計(jì)電磁粉末淀積(EPD)的實(shí)施例的工作參數(shù)。
圖1示出無(wú)量綱速度“f”和無(wú)量綱加速度“a”作為無(wú)量綱時(shí)間變量ξ的函數(shù)的變化情況。在無(wú)量綱時(shí)間區(qū)間ξε
，顆粒加速到氣體速度VG的大約1.5倍，而加速度下降大約為初始值的1/4并且隨時(shí)間迅速減小。這樣，使粉末顆粒加速時(shí)間長(zhǎng)于變量ξ中的區(qū)間
只能得到速度f(wàn)的很小的增加值。
下面示出的實(shí)施方案在一個(gè)歸一化時(shí)間區(qū)間，即在由ξε
確定的區(qū)間，中加速粉末顆粒。普通技術(shù)人員可利用上述的分析來(lái)判斷在更長(zhǎng)或更短的時(shí)間區(qū)間中加速粉末顆粒的實(shí)施方案的工作參數(shù)而無(wú)需進(jìn)行不必要的實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明力圖也涵蓋其他在更長(zhǎng)或更短的時(shí)間區(qū)間中加速粉末顆粒的實(shí)施方案的情況。
將具有CD～1的粉末顆粒在一個(gè)歸一化時(shí)間區(qū)間加速可得到超聲速度。這要求將粉末顆粒加速由下式給出的一個(gè)實(shí)際時(shí)間δtδt=43ρPρGDPVG.......(5)]]>長(zhǎng)度為L(zhǎng)G的氣體柱只有在氣體運(yùn)動(dòng)比顆粒速度VP快時(shí)才會(huì)使顆粒加速。從上面的時(shí)間間隔δt的式可估計(jì)所需的氣體柱的長(zhǎng)度LG。LG=∫(VG-VP)dt=τVG∫dξ1+ξ=0.9242ρPρGDp.....(6)]]>由式(6)可知，將顆粒加速到氣體速度的大約一半所需的LG近似地與顆粒的密度及大小成線(xiàn)性關(guān)系，并且近似地與氣體密度成反比。
2.軌道炮圖2示出用于在單一放電模式或多重放電模式中運(yùn)行進(jìn)行電磁粉末淀積的軌道炮92的一個(gè)實(shí)施方案。軌道炮92利用高速壓縮氣體柱94加速粉末云96。壓縮氣體柱94具有激波波前98并且由等離子電樞100(plasma armature)推動(dòng)沿軌道炮92運(yùn)動(dòng)。等離子電樞100又由在軌道炮92中循環(huán)的電流脈沖102所產(chǎn)生的磁場(chǎng)加速。
圖3為圖2的軌道炮92的端視圖。炮膛108由兩個(gè)導(dǎo)電軌道110，112及兩個(gè)絕緣軌道114，116封閉。在某些實(shí)施方案中，導(dǎo)電軌道110，112由銅制作，而絕緣軌道114，116由聚碳酸酯或陶瓷制作。在下面示出的實(shí)施方案中，炮膛108的內(nèi)部具有方形截面，其尺寸為大約0.5英寸×0.5英寸。其他實(shí)施方案采用具有另外尺寸和不同截面形狀，如圓形或其他曲線(xiàn)截面形狀，的炮膛108。如下所述，導(dǎo)電軌道110，112的長(zhǎng)度影響可得到的粉末顆粒的終端速度。
圖4為圖2的軌道炮92的放大圖。脈沖成形網(wǎng)絡(luò)(PFN)104在軌道炮92的第一和第二導(dǎo)電軌道110，112中產(chǎn)生電流脈沖102。在所描述的實(shí)施方案中，電流脈沖102的電流強(qiáng)度大而持續(xù)時(shí)間短。電流脈沖102沿第一導(dǎo)電軌道110流出并沿第二導(dǎo)電軌道112返回。
參考圖2及圖4。等離子電樞100是離子化環(huán)境氣體的平板片狀結(jié)構(gòu)，基本上在軌道炮92的炮膛108的整個(gè)截面分布。片狀等離子電樞100及軌道110，112，114，116形成一個(gè)基本上密封的活塞結(jié)構(gòu)，用來(lái)加速和壓縮環(huán)境氣體122而形成圖2的壓縮氣體柱94。由于等離子電樞100在第一和第二導(dǎo)電軌道110，112之間延伸，等離子電樞100也在兩個(gè)軌道110，112之間形成電流120，從而使電流脈沖102的電路閉合。電弧啟動(dòng)器118通過(guò)使軌道炮92的炮膛108中的環(huán)境氣體123的一部分離子化而在靠近炮膛108的一端形成等離子電樞100。
在某些實(shí)施方案中，軌道炮92運(yùn)行在大氣壓力下，即環(huán)境氣體122，123是大氣壓力。環(huán)境氣體122，123可以是惰性氣體，如氬氣。惰性氣體可降低靶表面(圖中未示出)或粉末顆粒受壓縮氣體柱94的高溫氣體的氧化的危險(xiǎn)。某些實(shí)施方案采用將靶表面周?chē)鷧^(qū)域包圍在惰性氣體中的公知技術(shù)。惰性氣體浴可用來(lái)減小粉末顆粒和/或靶表面的氧化，否則氧化會(huì)影響粉末顆粒與靶表面的結(jié)合。
參考圖2，粉末供應(yīng)器126通過(guò)一個(gè)或多個(gè)注入口124將粉末顆粒引入軌道炮92的炮膛108的漂移區(qū)128。一種實(shí)施方案使用Mecto4MP-雙重粉末供應(yīng)器，該粉末供應(yīng)器供應(yīng)速率為每分鐘24克。在此實(shí)施方案中，漂移區(qū)128的容積大約為4.13立方英寸，并且Metco粉末供應(yīng)器可以以顆粒之間的平均間隔為大約10個(gè)顆粒直徑的方式注滿(mǎn)漂移區(qū)128。壓縮氣體柱94以超聲速度通過(guò)漂移區(qū)128。對(duì)于不會(huì)干擾氣流的顆粒密度而言，粉末云96的顆?？衫贸暁饬鳟a(chǎn)生的阻力加速到超聲速度。
圖5示出利用圖2-4的軌道炮92實(shí)現(xiàn)電磁粉末淀積(EPD)的方法140的流程圖。在步驟142，電弧啟動(dòng)器118通過(guò)使環(huán)境氣體123區(qū)域離子化形成等離子電樞100。在步驟144，脈沖成形網(wǎng)絡(luò)104開(kāi)始將電流脈沖102傳輸?shù)降谝粚?dǎo)電軌道110。電流脈沖102沿第一導(dǎo)電軌道110流動(dòng)，穿過(guò)等離子電樞100沿第二軌道112返回到脈沖成形網(wǎng)絡(luò)104。根據(jù)安培定律，等離子電樞100的電流120受到在兩個(gè)導(dǎo)電軌道110，112中產(chǎn)生的電流102的磁力的作用。在步驟146中，磁力沿軌道炮92的炮膛108推動(dòng)電流120及等離子電樞100。
在步驟148中，運(yùn)動(dòng)的等離子電樞100裹卷氣體柱94。環(huán)境氣體122由激波波前98加速到超聲速度并壓縮。壓縮氣體柱94的長(zhǎng)度隨著更多的環(huán)境氣體122被運(yùn)動(dòng)的激波波前98所裹卷而增加。在步驟150中，粉末云96引入到炮膛108的漂移區(qū)128中。在步驟152中，脈沖成形網(wǎng)絡(luò)104停止傳輸電流102，而壓縮氣體柱94由于原來(lái)獲得的慣性繼續(xù)沿炮膛108漂移。壓縮氣體柱94穿過(guò)粉末云96通過(guò)粘性阻力使顆粒加速。在步驟154中，經(jīng)過(guò)加速的顆粒撞擊到待鍍層的基底上。
參考圖5。圖2及圖4的脈沖成形網(wǎng)絡(luò)104的一種實(shí)施方案是在步驟146中在等離子電樞100形成之前開(kāi)始傳輸生成步驟144的電流脈沖102的電壓脈沖。這可減小等離子電樞100會(huì)由于等離子體不穩(wěn)定而在該期間內(nèi)惡化的延遲時(shí)間。脈沖成形網(wǎng)絡(luò)104和軌道炮之間的電感應(yīng)該盡量減小以使電流上升與等離子體不穩(wěn)定性形成時(shí)間相比較很短。在步驟146和148中，等離子電樞很快接近其終端速度。在步驟146和148的加速和壓縮階段之后，等離子電樞100可熄滅，因?yàn)閳D2的壓縮氣體柱94將繼續(xù)前進(jìn)通過(guò)漂移區(qū)128并借助原先取得的動(dòng)量加速粉末顆粒。
3.工作參數(shù)-氣體壓縮，軌道炮電流及軌道炮長(zhǎng)度參考圖2及圖4。電流脈沖102及炮膛108的長(zhǎng)度的選擇應(yīng)能使等離子電樞100迅速達(dá)到超聲速度。這樣，壓縮氣體柱94可生成能夠?qū)⒐磉_(dá)到高密度的環(huán)境氣體122壓縮的激波波前98。等離子電樞100的動(dòng)力學(xué)及壓縮的壓縮氣體柱94可利用牛頓式近似地描述ddt(MVG)=12L′I2......(7)]]>其中L′是關(guān)于導(dǎo)電軌道110，112中循環(huán)的電流I，即圖2的電流102，的沿軌道炮92的電感梯度。M及VG是由等離子電樞100和壓縮氣體柱94組成的復(fù)合系統(tǒng)的質(zhì)量及速度。在初始加速期之后，VG近似地等于氣體本身的壓縮氣體柱94的速度。假如電流脈沖102的上升時(shí)間足夠短，并且脈沖幅度基本上恒定，式(7)的時(shí)間積分給出MVG=12L′I2t......(8)]]>如果在加速期間等離子電樞100的質(zhì)量MA基本上不改變，則由等離子電樞100和壓縮氣體柱94組成的復(fù)合系統(tǒng)的質(zhì)量將隨著裹卷更多的環(huán)境氣體122而增加。這樣，質(zhì)量M滿(mǎn)足式M＝MA+ρ0AZ. (9)其中Z是等離子電樞100運(yùn)動(dòng)的距離，而ρ0是環(huán)境氣體122的密度。由式(9)，可將動(dòng)力學(xué)式(8)全部積分而得到Zρ0AZ2+2MAZ=12L′I2t2.....(10)]]>于是，等離子電樞100的位置Z為Z=ZA2+L′I2t22ρ0A-ZAwithZA≡MA/(ρ0A)....(11)]]>式(11)表明可構(gòu)造專(zhuān)門(mén)的實(shí)施方案使得由等離子電樞100和壓縮氣體柱94組成的復(fù)合系統(tǒng)的速度可迅速接近由下式給出的終端速度
在接近終端速度VG，terminal時(shí)，激波波前98繼續(xù)以近似恒定的速率裹卷環(huán)境氣體122。
式(12)表明，增加導(dǎo)電軌道110，112的電感梯度L′可在較低的軌道炮電流I得到更高的VG，terminal。某些實(shí)施方案可采用擴(kuò)充圈軌道炮，即具有平行及正交的導(dǎo)電軌道，以求增加L′并減小為得到給定的VG，terminal所要求的軌道炮電流I。
參考圖2。壓縮氣體柱94的壓縮因子可利用強(qiáng)激波極限進(jìn)行估計(jì)，即對(duì)于VG，terminal＞＞cs的情況，其中cs為聲速。在強(qiáng)激波極限，壓縮比可由下式給出ρGρ0=γ+1γ-1......(13)]]>其中γ＝CP/CV＝等離子體的比熱比。對(duì)于室溫及大氣壓力下的氬氣，比熱比γ大約為1.4，密度大約為1.78mg/cm3，而壓縮因子，根據(jù)式(13)，大約等于6。這等于壓縮密度為大約0.0107g/cm3。在強(qiáng)激波極限，環(huán)境氣體122基本上由激波波前98壓縮，比如對(duì)氬氣壓縮因子為6，而對(duì)其他惰性環(huán)境氣體壓縮因子大于3。
粉末顆粒的最終速度值由鍍層考慮決定。某些實(shí)施方案的構(gòu)造可獲得的顆粒最終速度，VP超過(guò)2km/s。在如此高的速度下，動(dòng)能可能超過(guò)多數(shù)金屬及很多其他材料的熔解能一倍。粉末顆?？赡苡山饘?，比如鈦、鉻鎳鐵合金、鉻，或非金屬，比如絕緣體，如碳化鎢，構(gòu)成。如粉末顆粒的動(dòng)能等于熔解潛熱的兩倍，粉末顆粒在撞擊時(shí)會(huì)熔化并與基底熔合。對(duì)于上述的粉末材料，滿(mǎn)足下式的終端速度，
足以使粉末顆粒在撞擊時(shí)熔化。這種撞擊也會(huì)引起大量基底熔化，其質(zhì)量基本上可與撞擊的粉末顆粒的質(zhì)量相比，即在某些實(shí)施方案中大約為撞擊的粉末顆粒質(zhì)量的0.5至1.0倍。對(duì)于上述材料，這要求VP≈2.1km/s。在將粉末云96的顆粒加速到大約為氣體終端速度的一半的實(shí)施方案中，壓縮氣體柱94需要達(dá)到的VG，terminal大約等于4.2km/s才能使粉末顆粒在撞擊時(shí)熔化。
參考圖2。根據(jù)上述的結(jié)果及式(6)可估計(jì)出所需的壓縮氣體柱94及軌道炮92的長(zhǎng)度。如使用直徑為100μm、密度大約為8.3g/cm3的鉻鎳鐵合金顆粒進(jìn)行鍍層，可達(dá)到的最終速度大約為2.1km/s，如果壓縮氣體柱94的長(zhǎng)度LG滿(mǎn)足下列式LG≥7.2cm. (15)由于超聲等離子電樞100可以以大約等于6的壓縮因子來(lái)壓縮環(huán)境氬氣，所以在壓縮之前氣體柱94的長(zhǎng)度大約6倍于LG。如氬氣柱94在漂移區(qū)128中加速粉末之前受到壓縮，則軌道炮92的長(zhǎng)度Lrailgun(軌道炮)需要滿(mǎn)足Lrailgun≥6×7.2cm+7.2cm≈50cm. (16)實(shí)施例中使用的軌道炮92的長(zhǎng)度至少為50cm。
壓縮氬氣柱94的長(zhǎng)度允許估計(jì)為壓縮提供動(dòng)力的電流脈沖102的持續(xù)時(shí)間Tpower(電源)及幅度I。如由等離子電樞100和壓縮氣體柱94組成的復(fù)合系統(tǒng)迅速接近VG，terminal，則Tpower近似地滿(mǎn)足
式(12)表明，對(duì)于電流脈沖102，較小的截面面積A和較高的電感梯度L′使得可以在較小的電流幅度I的情況下獲得同樣的VG，terminal。對(duì)于圖2-4所示1/2英寸×1/2英寸的方形炮膛幾何形狀，A等于1.613cm2，而電感梯度L′對(duì)非擴(kuò)充軌道炮大約等于0.5μH/m。由式(12)，對(duì)于上述的幾何形狀，電流脈沖102的幅度I和VG，terminal滿(mǎn)足
實(shí)施例的脈沖成形網(wǎng)絡(luò)104可產(chǎn)生具有基本上由式(17)及(18)給出的持續(xù)時(shí)間及幅度的電流脈沖。
參考圖2-4。軌道炮92的總阻抗確定脈沖成形網(wǎng)絡(luò)104所需要的電壓?？傋杩拱S時(shí)間變化的電阻及隨時(shí)間變化的電感，因?yàn)榈入x子電樞100的運(yùn)動(dòng)改變電流102流過(guò)的導(dǎo)電軌道110，112的長(zhǎng)度。阻抗的電阻分量的來(lái)源是兩個(gè)導(dǎo)電軌道110，112的趨膚深度電阻Rskin(R趨膚)及等離子電樞100的電阻Rarc。如等離子電樞100迅速接近終端速度VG，terminal，則阻抗的電阻分量可由下式近似地給出R＝Rarc+RskinZ. (19)0.5英寸寬的銅道軌的趨膚深度電阻Rskin為Rskin≡2μ0ηATpower=1.76mΩ/m......(20)]]>電感Lrails也近似地是等離子電樞100運(yùn)動(dòng)通過(guò)的距離Z的線(xiàn)性函數(shù)Lrails＝L′Z(21)
L′是電感梯度。由脈沖成形網(wǎng)絡(luò)104生成的電壓V滿(mǎn)足V=RI+ddt(L′ZI)=(R+L′VG,terminal)I.....(22)]]>式(22)的最后一個(gè)等式假設(shè)了電流脈沖102的幅度I近似恒定，并且也假定等離子電樞100接近終端速度VG，terminal的時(shí)間很短。式(22)表示軌道炮92對(duì)脈沖成形網(wǎng)絡(luò)104主要是電阻負(fù)載。等效電阻Rrailgun由下式給出Rrailgun＝Rarc+RskinZ+L′VG，terminal(23)等離子電樞100的恒定速度使電感作用L′VG，terminal對(duì)脈沖成形網(wǎng)絡(luò)104表現(xiàn)為一個(gè)固定的電阻。
參考圖2及圖4。上述實(shí)施方案的參數(shù)允許計(jì)算軌道炮92對(duì)脈沖成形網(wǎng)絡(luò)104的電阻。對(duì)0.5英寸寬的銅軌道L′VG，terminal近似地為2.1mΩ，而VG，terminal＝4.2km/s。弧電阻Rarc是相當(dāng)固定的1mΩ。在接近120μs的電流脈沖102的結(jié)束時(shí)，Rskin的大小變得可與電感項(xiàng)相比。在較早的時(shí)候有效電阻基本上是恒定的。這樣，Rrailgun代表在等離子電樞100的運(yùn)動(dòng)區(qū)域中對(duì)脈沖成形網(wǎng)絡(luò)104的大約為3-4mΩ的電阻性負(fù)載。
圖6為用來(lái)實(shí)現(xiàn)圖2的脈沖成形網(wǎng)絡(luò)104的一個(gè)實(shí)施方案106，此實(shí)施方案可滿(mǎn)足對(duì)圖2及圖4的軌道炮92的電流脈沖102的上述要求，其中的總阻抗是電阻性的并等于大約3-4mΩ。圖2的第一軌道110與輸出線(xiàn)162電連接，而第二軌道112與共用接地164連接，并且共用接地164上連接4個(gè)電容166中的每一個(gè)。4個(gè)電容166每一個(gè)的電容大約為0.6mF并在輸出線(xiàn)162和共用接地164之間形成電感電容電路。
圖7示出由圖6的脈沖成形網(wǎng)絡(luò)160在具有電阻性且其值大約等于3-4mΩ的等效阻抗的軌道炮產(chǎn)生的電流脈沖170。電流脈沖170的上升時(shí)間小于25μs，其中大約95μs的時(shí)間基本上是恒定的，總的持續(xù)時(shí)間大約為120μs，而峰值幅度大約為150,000A(安)。電流脈沖170可在大約20μs之內(nèi)將圖2的等離子電樞100加速到接近VG，terminal。加速時(shí)間短以及脈沖持續(xù)時(shí)間短，即100-300μs，可減小等離子體不穩(wěn)定對(duì)等離子電樞100的影響。
4.脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的再充電系統(tǒng)圖8示出用于圖6的脈沖成形網(wǎng)絡(luò)160的再充電系統(tǒng)172。系統(tǒng)172包含控制開(kāi)關(guān)174，再充電電路176及“隔離”控制模塊178?？刂崎_(kāi)關(guān)174控制圖2的電流脈沖102的開(kāi)始及停止。在一種實(shí)施方案中，控制開(kāi)關(guān)174是一個(gè)觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)(TVS)。控制模塊178操作控制開(kāi)關(guān)174及再充電電路176。控制模塊178與脈沖成形網(wǎng)絡(luò)160，控制開(kāi)關(guān)174及再充電電路176中的電流電隔離。在一種實(shí)施方案中，控制模塊178，控制開(kāi)關(guān)174及再充電電路176之間的線(xiàn)路179是非導(dǎo)電的光纖。
圖9示出使用再充電電容器組182及充電電感184來(lái)為再充電循環(huán)供電并減小調(diào)節(jié)的再充電電路176的實(shí)施方案180。一組具有隔離柵的雙極型晶體管(IGBT)186控制從再充電電容器182到充電電感184的電流的流動(dòng)。雙極型晶體管186的集電極和發(fā)射極串聯(lián)。串聯(lián)的一組可控硅(SCR)188確保由再充電電容器組182發(fā)出的再充電電流由于具有對(duì)稱(chēng)的電壓截止而不通過(guò)脈沖成形網(wǎng)絡(luò)160。雙極型晶體管組186，可控硅組188及控制開(kāi)關(guān)174每一個(gè)都具有單獨(dú)的開(kāi)關(guān)塊190，192，194。開(kāi)關(guān)塊190，192，194響應(yīng)來(lái)自控制器塊196光學(xué)信號(hào)提供柵極信號(hào)?？刂颇K178也包含一個(gè)傳感器塊198，用來(lái)響應(yīng)于預(yù)先選擇的錯(cuò)誤類(lèi)型而關(guān)掉脈沖成形網(wǎng)絡(luò)160和/或再充電電路176。一種預(yù)先選擇的錯(cuò)誤是雙極型晶體管186不開(kāi)路，就是使6個(gè)高電源供電的雙極型晶體管186承受過(guò)度的電流的錯(cuò)誤。響應(yīng)于這種錯(cuò)誤，傳感器塊198發(fā)出一個(gè)信號(hào)使開(kāi)關(guān)200爆炸，從而關(guān)閉通過(guò)爆炸關(guān)閉開(kāi)關(guān)200的雙極型晶體管186的通路。
圖10為用于運(yùn)行圖9的再充電系統(tǒng)172的方法204的流程圖。在步驟206控制器塊196關(guān)閉控制開(kāi)關(guān)174，并且脈沖成形網(wǎng)絡(luò)160啟動(dòng)圖7的驅(qū)動(dòng)等離子電樞100沿圖2的軌道炮的炮膛108運(yùn)動(dòng)的電流脈沖170。在步驟208中，控制器塊196打開(kāi)控制開(kāi)關(guān)174，終止圖7的電流脈沖170。這將終止放電階段并啟動(dòng)再充電階段，以便準(zhǔn)備下一個(gè)等離子電樞100沿圖2的軌道炮92加速。在步驟210中，控制器塊196操作雙極型晶體管186的柵極使電流從再充電電容器組182流向充電電感184。此電流在充電電感184中建立磁場(chǎng)?？煽毓杞M188停止電流的流動(dòng)，否則會(huì)同時(shí)在步驟210中對(duì)脈沖成形網(wǎng)絡(luò)160充電。在步驟212中，控制器塊196為雙極型晶體管186的柵極施加偏壓來(lái)停止電流進(jìn)一步流入電路202。在步驟214中，充電電感184產(chǎn)生一個(gè)電流，該電流響應(yīng)于選通成為導(dǎo)電狀態(tài)的可控硅188及不再允許電流回流到再充電電容器組182的雙極型晶體管186在圖9的電路216中流動(dòng)?？煽毓?88允許磁能存儲(chǔ)于充電電感184中以便產(chǎn)生一個(gè)從充電電感184流向脈沖成形網(wǎng)絡(luò)160的電流，從而對(duì)脈沖成形網(wǎng)絡(luò)160進(jìn)行再充電。步驟210，212，214的兩階段再充電循環(huán)利用充電電感184的阻抗作為電流電平及再充電速度的控制器。
在具體的實(shí)施方案中，電路塊190，192，194在電學(xué)上與其他的電路塊190，192，194，控制模塊178及地(圖中未示出)隔離。對(duì)電路塊190，192的較低功率的電力要求是由鋰電池(圖中未示出)提供的，而較高功率的要求則是由單個(gè)的電動(dòng)交流發(fā)電機(jī)(圖中未示出)提供。所有的控制及傳感器通信都是利用光纖179傳輸。這可以減少在圖10的再充電和放電循環(huán)期間高電磁場(chǎng)所生成的寄生信號(hào)。所有的電子學(xué)線(xiàn)路190，192，194及178裝設(shè)在法拉第屏蔽中。在某些實(shí)施方案中，電路塊190，192，194及控制模塊178中的邏輯采用設(shè)置有電壓比較器(圖中未示出)的可編程硬件。
圖9的再充電電容器組182的大小決定圖2-4的軌道炮92可基本上不間斷地進(jìn)行放電的次數(shù)。如再充電電容器組182的電容為大約28mF時(shí)，圖9的再充電電路176可以提供達(dá)10次的30赫頻率的放電。在其他的實(shí)施方案中，通過(guò)增加圖9的再充電電容器182的電容，圖8的再充電系統(tǒng)172可提供更多次數(shù)的30赫頻率的放電。比如，通過(guò)采用附加的并聯(lián)電容(圖中未示出)增加再充電電容器182的電容，可做到基本上不間斷地進(jìn)行100次以上的放電。曾經(jīng)采用上述的圖9的再充電電路180來(lái)對(duì)有關(guān)原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。生產(chǎn)系統(tǒng)(圖中未示出)可采用連續(xù)工作的電源(圖中未示出)來(lái)操作電磁粉末淀積系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的涂敷。本發(fā)明企圖涵蓋再充電系統(tǒng)172所有的、理解本發(fā)明公開(kāi)內(nèi)容的技術(shù)人員無(wú)需進(jìn)行過(guò)度的實(shí)驗(yàn)即可構(gòu)造的改型。
5.等離子電樞的啟動(dòng)器圖11A示出用于圖2等離子電樞100的電弧啟動(dòng)器118的實(shí)施方案220。電弧啟動(dòng)器220具有共軸的幾何形狀，包含一個(gè)位于具有圓形截面的腔體222中心的固體絲電極221。腔體222中注滿(mǎn)環(huán)境氣體123，該環(huán)境氣體123注滿(mǎn)圖2及圖4的軌道炮92的一部分之中。腔體222具有一個(gè)狹窄的隙縫223，該隙縫223沿圖2-4的第一導(dǎo)電軌道110的炮膛108的整個(gè)寬度上開(kāi)放。在一個(gè)實(shí)施方案中，絲電極221由鎢制作，腔體222的直徑大約為3mm，而隙縫223大約為1mm寬。高頻信號(hào)發(fā)生器224通過(guò)連接到絲電極221的第一導(dǎo)線(xiàn)225及連接到導(dǎo)電軌道110的第二導(dǎo)線(xiàn)230向電弧啟動(dòng)器220提供電力。
圖11B示出圖11A的高頻信號(hào)發(fā)生器224的一個(gè)實(shí)施方案。射頻放大器(RF)226，比如ENI公司制作的3200L型，可向?yàn)殡娀?dòng)器220供電的導(dǎo)線(xiàn)225，230提供射頻功率。射頻放大器226輸入端接收射頻信號(hào)發(fā)生器227，比如HP(Hewlett-Packard)公司制作的8654A型，發(fā)出的輸入信號(hào)。函數(shù)發(fā)生器228，比如Tektronix公司制作的FG 501-A型，調(diào)制射頻信號(hào)發(fā)生器227的輸出。
還是參考圖11B。示例性的工作參數(shù)為從射頻放大器226發(fā)出的具有在200和30伏之間變化的峰值的電源功率信號(hào)，由射頻信號(hào)發(fā)生器227發(fā)出的具有在1和0.2伏之間變化的峰值和頻率大約為40MHz的調(diào)制信號(hào)，以及由函數(shù)發(fā)生器228發(fā)出的大約為500Hz的調(diào)制信號(hào)。在不同的實(shí)施方案中，射頻信號(hào)具有在5至200MHz之間的頻率。函數(shù)發(fā)生器228調(diào)制射頻信號(hào)發(fā)生器227的輸出以生成峰值大約為1伏和持續(xù)時(shí)間大約為200μs的尖峰信號(hào)脈沖，脈沖之間的間隔時(shí)間大約為2ms，其中的射頻信號(hào)發(fā)生器227的輸出具有大約為0.2伏的峰值。為電弧啟動(dòng)器220供電的信號(hào)的峰值大約為200伏，脈沖寬度大約為200μs，間隔時(shí)間為2ms，其中的峰值電壓大約為30伏。
參考圖11A及圖11B。在大氣壓力下，在高頻信號(hào)發(fā)生器224以上述示例性工作參數(shù)用于施加于電弧啟動(dòng)器220的射頻信號(hào)運(yùn)行并且氬氣流的流量大約為0.23m3/h時(shí)，電弧啟動(dòng)器220形成的一個(gè)等離子體線(xiàn)基本上可覆蓋圖2-4的軌道炮92的隙縫223的整個(gè)寬度。其他的實(shí)施方案可能以30-200MHz運(yùn)行高頻信號(hào)發(fā)生器224以便在大氣壓力下形成圖2的等離子電樞100。經(jīng)過(guò)調(diào)制的射頻信號(hào)在圖2-4中的軌道炮92中的先前的等離子電樞100通過(guò)之后可啟動(dòng)等離子體放電。
參考圖2和圖11A。圖7的電流脈沖170啟動(dòng)等離子電樞100。不穩(wěn)定性可能會(huì)在完全生成壓縮氣體柱94之前引起等離子片崩潰形成絲狀。如等離子電樞100崩潰形成絲狀，則等離子電樞100裹卷環(huán)境氣體122的效率就會(huì)降低。
本發(fā)明希望涵蓋其他的生成全炮膛寬度線(xiàn)等離子源的方法，那些方法對(duì)于所有本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該是公知的。這些其他方法可使用激光器，核輻射和/或電場(chǎng)來(lái)生成線(xiàn)等離子源。
6.診斷工具參考圖2，4及13A。軌道炮92的工作參數(shù)，VP，VG，VG，terminal，PK及等離子電樞100的速度本身可利壓力傳感器256，光纖252，254，磁探頭242，244，246，248以及高速攝影機(jī)(圖中未示出)進(jìn)行測(cè)定。這些測(cè)量在調(diào)整軌道炮92和脈沖成形網(wǎng)絡(luò)104以便在具體的鍍層應(yīng)用中提供所希望的VP時(shí)可能有用。
參考圖12A，等離子電樞100的位置及速度可通過(guò)檢測(cè)在等離子電樞100中流過(guò)的電流120的磁場(chǎng)240進(jìn)行測(cè)量。電樞電流120的磁場(chǎng)240可利用置于炮膛108外部并且平行于炮膛108的軸線(xiàn)的軸向小線(xiàn)圈242，244進(jìn)行測(cè)量。磁場(chǎng)240在軸向小線(xiàn)圈242，252中感應(yīng)出與通過(guò)其中的磁通的時(shí)間導(dǎo)數(shù)成比例的電壓。當(dāng)?shù)入x子電樞100通過(guò)軸向小線(xiàn)圈242的位置時(shí)，感應(yīng)電壓改變符號(hào)。將數(shù)個(gè)軸向小線(xiàn)圈242，244置于不同的位置就可以確定等離子電樞100的位置及速度。
參考圖12A，徑向小線(xiàn)圈246，248可置于與炮膛108的軸線(xiàn)垂直的位置以便可以測(cè)量電流脈沖102和由其感應(yīng)的磁場(chǎng)250。由流過(guò)軌道炮92的導(dǎo)電軌道110，112的電流102產(chǎn)生的磁場(chǎng)250可根據(jù)其方向與在等離子電樞100中的電流120引起的磁場(chǎng)240區(qū)別開(kāi)?？蓪?duì)在徑向小線(xiàn)圈246，248中感應(yīng)的電壓進(jìn)行積分而確定通過(guò)導(dǎo)電軌道110，112的積分電流。在某些實(shí)施方案中，徑向和軸向線(xiàn)圈246，248，242，244位于離開(kāi)脈沖成形網(wǎng)絡(luò)104(圖中未示出)的電力布線(xiàn)線(xiàn)束的位置以減小其中電流產(chǎn)生的噪聲尖峰脈沖。
參考圖13A及13B，某些實(shí)施方案使用透明的聚碳酸酯作為用來(lái)絕緣側(cè)壁114的材料。光纖252，254的第一端部安裝在聚碳酸酯的側(cè)壁114的側(cè)面上以便接受從等離子電樞100發(fā)出的光。光纖252，254的第二端部(圖中未示出)連接到感光裝置(圖中未示出)，如光敏二極管(圖中未示出)。感光裝置產(chǎn)生與接收到的從通過(guò)的電樞100發(fā)出的光成比例的電壓。光纖252，254及感光裝置可用來(lái)確定等離子電樞100的位置及速度。某些實(shí)施方案采用石英光纖及對(duì)等離子電樞100發(fā)射的紫外光敏感的感光裝置以減小背景噪聲。參考圖13A及圖13B。某些實(shí)施方案采用一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器256來(lái)測(cè)定激波波前98的位置。沿著炮膛108的長(zhǎng)度在不同的距離上有數(shù)個(gè)孔洞穿過(guò)圖2的側(cè)壁110，114。安裝壓力傳感器256是用來(lái)檢測(cè)孔洞258中的壓力的變化。某些實(shí)施方案利用Kapton帶覆蓋壓力傳感器256的面部以減小與通過(guò)的等離子電樞100耦合的電荷。
7.由電磁粉末淀積形成宏觀構(gòu)造圖13示出由電磁粉末淀積形成的宏觀構(gòu)造270。宏觀構(gòu)造具有由圖2-4示出的軌道炮92進(jìn)行的多次電磁粉末淀積生成的多重層體272，273，274。宏觀構(gòu)造270的最下面的一層273與基底276熔合，并且層272，273，274在撞擊時(shí)由于粉末顆粒和/或可觀的基底276的物質(zhì)熔化而互相熔合。在某些實(shí)施方案中，層272，273，274的厚度大約為0.0001英寸至0.005英寸之間。用來(lái)形成層的顆粒由各種材料構(gòu)成，比如金屬，聚合物，陶瓷，介電體或難熔材料。宏觀構(gòu)造270具有與形成粉末顆粒的材料類(lèi)似的微觀結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿刍念w粒和/或基底合流在團(tuán)塊中形成的氣孔很少，即孔洞較采用熱噴涂技術(shù)時(shí)形成的少。在電磁淀積過(guò)程完成之后對(duì)層272，273，274進(jìn)行的機(jī)械加工可為宏觀構(gòu)造270生成非普通的三維形狀。宏觀構(gòu)造270的尺寸，形狀和構(gòu)造依應(yīng)用而不同，對(duì)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)不是至關(guān)重要的問(wèn)題。
圖14A為說(shuō)明生成圖13的宏觀構(gòu)造270的方法280的流程圖。在步驟282中，粉末顆粒的第一層273淀積在基底276的表面上，比如利用圖2-4的軌道炮92。在撞擊時(shí)粉末顆粒熔化并在第一層273和基底276之間形成熔合。在步驟284中，粉末顆粒的第二層272淀積在第一層273之上。由于在撞擊時(shí)粉末顆粒熔化第二層272與第一層273熔合。
圖14B為說(shuō)明生成圖13的宏觀構(gòu)造270的某些方法286的附加步驟的流程圖。在步驟288中，淀積在圖14A中的步驟284中生成的第二層272之上。由于在與底下的各層272，273，274撞擊時(shí)粉末顆粒熔化，附加層272，274互相之間及和第二層272之間形成熔合。在某些實(shí)施方案中，各層之間的連接點(diǎn)由于熔化及熔合而消失。各層272，273，274可能具有不同的厚度，并可能是由不同材料形成的。在步驟290中，淀積層272，273，274經(jīng)機(jī)械加工而使最后的宏觀構(gòu)造270具有所選擇的三維形狀。對(duì)基底270及底下各層272，273，274也可在淀積步驟中施加掩模以生成三維形狀。最后的宏觀構(gòu)造270也可具有各種形狀，并且在某些實(shí)施方案中厚度大約為0.0002至大于1英寸。最后的宏觀構(gòu)造270的形狀及尺寸由應(yīng)用的具體考慮確定，對(duì)本發(fā)明不是至關(guān)重要的問(wèn)題。
上面公開(kāi)的具體實(shí)施方案只是示例性的，因?yàn)楸景l(fā)明可以以所有能受益于此處教導(dǎo)的本領(lǐng)域技術(shù)人士熟悉的、不同但等效的方式實(shí)現(xiàn)。另外，除了在下面的權(quán)利要求中描述的以外，并不想對(duì)與此處示出的結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)有所限制。因此，很明顯，上面公開(kāi)的具體實(shí)施方案可以改變或修改，并且所有的變化都應(yīng)認(rèn)為在本發(fā)明的范圍及精神之內(nèi)。因此，本發(fā)明所尋求的保護(hù)如下面的權(quán)利要求所示。
權(quán)利要求
1.一種在基底上淀積粉末顆粒的方法，其中包括下列步驟形成等離子電樞；加速等離子電樞；利用等離子電樞加速氣體柱；以及利用氣體柱加速粉末顆粒。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中加速氣體柱的步驟還包括以3～6的因子壓縮氣體柱。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中壓縮的步驟包括壓縮環(huán)境氣體，該環(huán)境氣體為大氣壓強(qiáng)，
4.如權(quán)利要求1的方法，其中加速等離子電樞的步驟包括加速等離子電樞到超聲速度。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中形成等離子電樞的步驟包括在基本為大氣壓強(qiáng)的環(huán)境氣體中產(chǎn)生等離子體電弧。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中加速等離子電樞的步驟包括沿軌道炮的炮膛的一部分加速等離子電樞。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中加速粉末顆粒的步驟包括在軌道炮的炮膛中形成粉末顆粒云。
8.如權(quán)利要求6的方法，其中加速粉末顆粒的步驟包括將顆粒加速到其動(dòng)能大到足以引起粉末顆粒在撞擊基底時(shí)熔化的程度。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中氣體柱主要加熱粉末顆粒。
10.如權(quán)利要求6的方法，其中加速等離子電樞的步驟包括在軌道炮的軌道中生成電流脈沖，與此電流脈沖相關(guān)聯(lián)的磁場(chǎng)加速等離子電樞。
11.如權(quán)利要求10的方法，其中還包括結(jié)束電流脈沖，加速粉末顆粒的步驟在結(jié)束電流脈沖后完成。
12.如權(quán)利要求10的方法，其中形成等離子電樞的步驟包括基本上與形成電流脈沖的步驟同時(shí)使環(huán)境氣體區(qū)域電離。
13.如權(quán)利要求10的方法，其中使環(huán)境氣體區(qū)域電離的步驟包括將頻率為5～200MHz的電壓信號(hào)施加到與軌道炮的內(nèi)部相連接的腔體中的電極上。
14.如權(quán)利要求1的方法，其中加速粉末顆粒的步驟包括加速直徑為10～200μm的顆粒。
15.如權(quán)利要求1的方法，其中加速粉末顆粒的步驟包括利用惰性氣體柱加速粉末顆粒。
16.一種軌道炮，其中包括第一和第二導(dǎo)電軌道；第一和第二絕緣軌道，絕緣和導(dǎo)電軌道形成軌道炮的炮膛，第一和第二導(dǎo)電軌道被絕緣軌道分隔；并且至少軌道之一在其壁上具有孔洞，該孔洞用來(lái)將粉末顆粒引入炮膛內(nèi)。
17.如權(quán)利要求16的軌道炮，其中還包括粉末供應(yīng)器，該粉末供應(yīng)器具有與孔洞相連接的輸出。
18.如權(quán)利要求16的軌道炮，其中還包括用于等離子電樞的啟動(dòng)器，該啟動(dòng)器位于炮膛內(nèi)部并附加于所述軌道之一上。
19.如權(quán)利要求18的軌道炮，其中啟動(dòng)器是用來(lái)產(chǎn)生基本上在炮膛的整個(gè)截面上延伸的等離子電樞。
20.如權(quán)利要求16的軌道炮，其中炮膛具有方形截面。
21.如權(quán)利要求16的軌道炮，其中還包括脈沖成形網(wǎng)絡(luò)，第一端子與第一導(dǎo)電軌道相連接，而第二輸出端子與第二導(dǎo)電軌道相連接。
22.如權(quán)利要求21的軌道炮，其中還包括具有第一和第二輸出端子的再充電電路，再充電電路的第一和第二輸出端子與脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的第一和第二端子相連接，再充電電路用來(lái)完成脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的重復(fù)再充電。
23.如權(quán)利要求21的軌道炮，其中脈沖成形網(wǎng)絡(luò)用來(lái)形成基本上平坦的脈沖，其上升時(shí)間小于50μs并且相應(yīng)于軌道炮的導(dǎo)電軌道中的峰值電流大于100,000安培。
24.如權(quán)利要求16的軌道炮，其中還包括至少兩個(gè)位于軌道炮的炮膛外部的軸向線(xiàn)圈，該軸向線(xiàn)圈用來(lái)確定在軌道炮內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的等離子電樞的速度。
25.一種設(shè)備，其中包括軌道炮，具有第一和第二導(dǎo)電軌道及第一和第二絕緣軌道，絕緣軌道形成軌道炮的炮膛的相對(duì)側(cè)面；脈沖成形網(wǎng)絡(luò)，具有與第一導(dǎo)電軌道相連接的第一輸出線(xiàn)及與第二導(dǎo)電軌道相連接的第二輸出線(xiàn)；以及粉末供應(yīng)器，具有與孔洞相連接的輸出線(xiàn)，該孔洞形成軌道炮炮膛及外部的連通口。
26.如權(quán)利要求25的設(shè)備，其中還包括有一個(gè)端子與第一導(dǎo)電軌道電連接的電弧啟動(dòng)器，該電弧啟動(dòng)器與炮膛的內(nèi)部物理連接。
27.如權(quán)利要求26的設(shè)備，其中電弧啟動(dòng)器包括位于第一導(dǎo)電軌道的腔體中的電極，該腔體具有一個(gè)進(jìn)入軌道炮炮膛的開(kāi)口，該電極與第一導(dǎo)電軌道電絕緣；以及具有第一和第二輸出線(xiàn)的電壓信號(hào)發(fā)生器，第一輸出線(xiàn)與電極相連接，而第二輸出線(xiàn)與第一導(dǎo)電軌道相連接。
28.如權(quán)利要求27的設(shè)備，其中開(kāi)口基本上跨過(guò)電鍍液導(dǎo)電軌道的寬度。
29.如權(quán)利要求25的設(shè)備，其中脈沖成形網(wǎng)絡(luò)是用來(lái)在第一和第二導(dǎo)電軌道中產(chǎn)生電流脈沖，該電流脈沖可將等離子電樞加速到超聲速度。
30.如權(quán)利要求25的設(shè)備，其中脈沖成形網(wǎng)絡(luò)可產(chǎn)生頻率不大于30Hz的脈沖。
31.如權(quán)利要求25的設(shè)備，其中至少還包括第一和第二導(dǎo)電軌道，它們用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電軌道之一中的電流的徑向線(xiàn)圈。
32.如權(quán)利要求25的設(shè)備，其中至少還包括用來(lái)測(cè)量軌道炮的炮膛中的等離子電樞的位置的第一和第二軸向線(xiàn)圈。
33.如權(quán)利要求25的設(shè)備，其中脈沖成形網(wǎng)絡(luò)是用來(lái)將從包括鈦、鉻鎳鐵合金和鉻的一組材料中選擇的粉末顆粒加速到至少大到2km/s的速度。
34.一種在基底上淀積粉末顆粒的方法，其中包括下列步驟向著基底加速氣體柱；利用氣體柱加速粉末顆粒；以及響應(yīng)于和基底的撞擊，在一部分粉末顆粒和基底之間形成熔合。
35.如權(quán)利要求34的方法，其中形成的動(dòng)作包括響應(yīng)于一部分粉末顆粒撞擊基底，使一部分粉末顆粒熔化。
36.如權(quán)利要求35的方法，其中形成的動(dòng)作包括響應(yīng)于一個(gè)粉末顆粒撞擊基底，使基底一部分熔化，且基底熔化的部分至少等于一個(gè)粉末顆粒的質(zhì)量的一半。
37.如權(quán)利要求34的方法，其中加速氣體柱的動(dòng)作包括將氣體柱壓縮到環(huán)境氣體的密度的至少三倍。
38.如權(quán)利要求35的方法，其中加速粉末顆粒的動(dòng)作使一部分粉末顆粒達(dá)到超聲速度。
39.一種在基底上產(chǎn)生宏觀構(gòu)造的方法，其中包括下列步驟通過(guò)在基底上淀積粉末顆粒形成第一層，粉末顆粒形成與基底的熔合；以及通過(guò)在第一層上淀積粉末顆粒形成第二層，第二層的粉末顆粒形成與第一層的熔合。
40.如權(quán)利要求39的方法，其中形成的動(dòng)作包括利用電磁粉末淀積來(lái)加速粉末顆粒。
41.如權(quán)利要求39的方法，其中還包括通過(guò)在第二層上淀積粉末顆粒形成附加層，附加層的粉末顆粒形成與底下各層的熔合。
42.如權(quán)利要求41的方法，其中還包括對(duì)淀積層進(jìn)行機(jī)械加工以形成具有三維形狀的對(duì)象。
43.如權(quán)利要求41的方法，其中至少兩個(gè)形成動(dòng)作利用不同結(jié)構(gòu)的顆粒。
44.如權(quán)利要求41的方法，其中形成的動(dòng)作產(chǎn)生具有至少兩個(gè)不同厚度的層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在基底上淀積粉末顆粒的方法,包括:形成一個(gè)等離子電樞(100),加速此等離子電樞,利用此等離子電樞加速氣體柱(94);并且利用此氣體柱加速粉末顆粒(96)。還提供一種由第一和第二導(dǎo)電軌道(110,112)及第一和第二絕緣軌道(114,116)組成的軌道炮(92),絕緣和導(dǎo)電軌道形成軌道炮的炮膛(108)。第一和第二導(dǎo)電軌道由絕緣軌道分隔,至少一個(gè)軌道在其壁上有一個(gè)用來(lái)將粉末顆粒裝入炮膛(108)內(nèi)的孔口(124)。
文檔編號(hào)C23C4/12GK1267242SQ98808197
公開(kāi)日2000年9月20日 申請(qǐng)日期1998年6月19日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月20日
發(fā)明者詹姆斯·L·培根, 達(dá)爾文·G·戴維斯, 羅伯特·L·斯勒杰, 羅伯特·J·博萊茲, 小約翰·R·烏格盧姆, 威廉·F·韋爾登, 雷蒙德·C·澤瓦爾 申請(qǐng)人:德克薩斯州立大學(xué)董事會(huì)