本發(fā)明整體上涉及熱噴涂組件和其使用方法用于沉積材料到基底上，特別但不排他性地用于沉積硬質(zhì)層到鋼體上，例如用作采礦、鉆地或道路銑削的工具。

背景技術(shù)：

國際專利申請公開號WO/2013/178550公開了一種制造包括用相對較硬材料層噴涂的鋼基底(substrate)主體(body)的構(gòu)件(construction)的方法。該方法可以包括提供多種含有鐵(Fe)、硅(Si)和碳(C)源的顆粒，其中選擇鐵、硅的相對量使得鐵、硅和碳的組合具有至多約1280攝氏度的液相線溫度(phase liquidus temperature)；并借助于熱噴涂組件(thermal spray assembly)將顆粒沉積到基底主體上。熱噴涂工藝涉及以至少每秒約100攝氏度的平均加熱速率將顆粒加熱到至少約1350攝氏度的溫度，并且在與基底主體接觸時以至少約每秒20攝氏度的平均速率將顆粒冷卻至低于1000攝氏度。

需要提供可用于具有相對低熔點的高效噴涂材料的裝置和方法，以及用于熱噴涂設(shè)備的顆粒和其使用方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

從第一方面來看，提供了一種熱噴涂組件將前體材料(precursor material)轉(zhuǎn)變成接合到基底主體的沉積材料層；其包括一種能夠從等離子體噴嘴(plasma nozzle)產(chǎn)生等離子體射流(plasma jet)的等離子體焰炬(plasma torch)以及一種進料機構(gòu)(feeder mechanism)，該進料機構(gòu)可引導(dǎo)前體材料進入到正在使用的等離子體射流中，同時也能夠在打開狀態(tài)下能夠提供進料孔(feeder orifice)；該進料機構(gòu)包括一個引導(dǎo)室(guide chamber)和一個可移動引導(dǎo)機構(gòu)(moveable guide mechanism)；

該進料機構(gòu)可以構(gòu)造成引導(dǎo)室可引導(dǎo)前體材料進入到進料孔，前體材料可以對引導(dǎo)機構(gòu)的移動做出響應(yīng)，通過進料孔從引導(dǎo)室移動，并以可變平均距離從等離子體噴嘴進入到等離子體射流中。被使用中等離子體射流占據(jù)的區(qū)域可稱為等離子體區(qū)域。當熱噴涂組件處于組裝狀態(tài)時，可稱之為熱噴涂設(shè)備(thermal spray device)。

其中在組裝狀態(tài)和非組裝狀態(tài)下對熱噴涂組件設(shè)想了各種配置和組合，如下列出非限制性和非窮舉性的示例。

盡管不希望受到特定理論的束縛，但是等離子體射流內(nèi)的溫度可能隨著與等離子體噴嘴的軸向距離不同而改變，并且與等離子體噴嘴的合適平均距離，即給定的前體材料進入到等離子體噴嘴的距離，在一定程度上取決于前體材料的熔點或共晶相(eutectic phase)溫度。在一些示例中，前體材料可能是顆粒形式，例如粉末或者包含相應(yīng)晶粒的聚集體的顆粒。前體材料可包括多種不同的材料，該材料可以由其中一種或者多種不同顆?；旌蠘?gòu)成。

在一些配置示例中，對于已通過進料孔的前體材料，引導(dǎo)機構(gòu)可以配置成使其可以改變上述前體材料的路徑。

在一些配置示例中，進料孔相對于等離子體焰炬的相對位置、和/或進料孔的形狀和/或尺寸，可以根據(jù)引導(dǎo)機構(gòu)的配置而改變。

在一些配置示例中，引導(dǎo)機構(gòu)可以與進料孔相連，使得引導(dǎo)機構(gòu)可以提供具有可移動邊界的進料口。

通常如文中所述的，軸向?qū)⒉捎闷涫褂玫牡入x子體射流的取向限定的縱軸進行對齊，其是等離子體噴嘴的中心縱軸。參考方位角(azimuthal)和/或徑向與圓柱坐標系(cylindrical coordinate system)相關(guān)聯(lián)，其中縱軸是圓柱軸。這種坐標系適于描述具有相當程度圓柱對稱性的組件、設(shè)備和機構(gòu)。

在一些配置示例中，引導(dǎo)機構(gòu)可相對于等離子體焰炬軸向移動，其中軸線(axis)是由使用中的等離子體射流的方向限定的。

在一些配置示例中，引導(dǎo)機構(gòu)可包含圍繞等離子體焰炬方位角延伸的可移動套筒。

在一些配置示例中，引導(dǎo)機構(gòu)可進行配置使得進料孔可在其相對邊界之間提供高達1毫米(mm)的軸向位移，軸向位移與使用中的等離子體射流的方向?qū)R(換句話說，軸向位移是沿軸向相對主體上的對應(yīng)點之間的最短軸向距離)。

在一些配置示例中，進料機構(gòu)可處于封閉狀態(tài)，其中阻止前體材料進入等離子體射流。

在一些配置示例中，進料機構(gòu)可以構(gòu)造成使得前體材料的不同部分可從多個方向會聚到等離子體射流上同時導(dǎo)入到等離子體射流中。

在一些配置示例中，引導(dǎo)室的體積可以在更靠近進料孔處會聚。換句話說，引導(dǎo)室當更接近可移動邊界可變得更窄，當更遠離可移動邊界也可以變得更寬。引導(dǎo)室的體積可隨靠近進料孔的距離變小而不斷地變窄(其也可以被看作是錐形(tapering))。在一些示例中，引導(dǎo)室可以大約2至5度的角度逐漸變窄，并且可由內(nèi)錐面(cone surface)和外錐面限界。在一些配置示例中，引導(dǎo)室可以由相應(yīng)的內(nèi)主體和外主體的內(nèi)錐面和外錐面限界，內(nèi)錐面和外錐面限定相應(yīng)的錐角，該錐角有4至10度的差異。雖然不希望受到特定理論的束縛，但是在使用中，當移動的前體材料接近進料口時，可能會有聚焦和/或移動速度加快的效果。

在一些配置示例中，當進料孔處于打開狀態(tài)時，其可具有環(huán)形或圓柱形形狀，圍繞使用中的等離子體射流的軸向方位角延伸。

在一些配置示例中，進料孔可作為引導(dǎo)機構(gòu)的邊界和等離子體焰炬之間的間隙。

在一些配置示例中，進料機構(gòu)可進行構(gòu)造使得進料機構(gòu)提供引導(dǎo)室的外邊界，并且等離子體焰炬提供引導(dǎo)室的內(nèi)邊界。

在一些配置示例中，當熱噴涂組件處于組裝狀態(tài)時，引導(dǎo)室可圍繞等離子體焰炬方位角延伸。

在一些配置示例中，進料機構(gòu)包含一個分配室(distribution chamber)，分配室構(gòu)造成可用于沿方位角圍繞等離子體焰炬引導(dǎo)移動的前體材料，以及多個偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)(deflector structure)，偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)構(gòu)造成用于引導(dǎo)偏轉(zhuǎn)前體材料使其從分配室，偏轉(zhuǎn)進入到引導(dǎo)室，從而使得前體材料在打開狀態(tài)下被引導(dǎo)進入到進料孔。

在一些配置示例中，偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)可包括彼此空間隔開并且從分配室延伸到引導(dǎo)室的突出部(projection)。

分配室可以基本上與等離子體焰炬，特別是等離子體噴嘴同軸。這樣的示例可涉及以下方面，即可允許在引導(dǎo)室內(nèi)前體材料基本均勻地分布在等離子體焰炬周圍。

偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)和偏轉(zhuǎn)通道(deflection channel)可以從分配室延伸到引導(dǎo)室，其可以隨著距離進料孔越近而逐漸變窄，而鄰近偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)和偏轉(zhuǎn)通道時其寬度最大。

在一些配置示例中，在分配室內(nèi)的前體材料的基本上均勻的方位角分布通過偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)器通道的配置來保持，隨后由引導(dǎo)室來保持。前體材料可通過環(huán)形進料孔退出進料機構(gòu)，圍繞等離子體射流的縱軸基本均勻地方位角分布，在等離子體噴嘴的合適距離處會聚到等離子體射流的區(qū)域中(由于選擇性地調(diào)節(jié)保持殼體(containment housing)的軸向位置)。

在一些配置示例中，熱噴涂組件可包含至少兩個能聯(lián)接(couple)在一起的元件，其中一個元件包含等離子體焰炬，另一個元件包含有用于容納等離子體焰炬的保持殼體；元件被協(xié)同地構(gòu)造成使得當元件聯(lián)接在一起時可形成的進料機構(gòu)。例如，一個元件可以包含等離子體焰炬和至少一個其他元件可包含一個保持殼體，該保持殼體可用于容納至少一部分等離子體焰炬。

例如，包含等離子體焰炬的第一元件可以連接到包含上殼體的第二元件，如采用螺紋連接機構(gòu)(threaded attachment mechanism)方式連接。第三元件可包含用于容納等離子體焰炬的相對部分的下殼體，并且可其構(gòu)造成可容納第二元件的一部分。包含在第三元件中的下殼體可以容納和包圍等離子體焰炬的一部分，其取決于與連接端相對的噴射端，并且其還可以容納第二元件的一部分。換句話說，第二元件的一部分可“夾在(sandwich)”內(nèi)側(cè)上的等離子體焰炬和外側(cè)上的下殼體之間。包括冷卻機構(gòu)和/或保護氣體供應(yīng)裝置機構(gòu)的或由冷卻機構(gòu)和/或保護氣體供應(yīng)機構(gòu)組成的第四元件可構(gòu)造成容納下殼體的一部分，并包圍等離子體焰炬的噴射端。第四元件包含用于容納冷卻流體的冷卻劑室和/或用于容納和保護氣體的保護氣體室，其中可提供多個保護氣體孔，以允許惰性氣體(例如)從保護氣體室流出。保護氣體孔可以配置在第四元件的端部，并周向圍繞等離子體射流的位置所有方向(當使用時)。保護氣體(shielding gas)可保護等離子體和/或用從空氣中環(huán)境氧噴射的材料。

在一些配置示例中，熱噴涂組件可用于等離子體轉(zhuǎn)移電弧(plasma transferred arc，PTA)操作。

從第二方面看，提供了一種在組裝狀態(tài)下使用所公開的熱噴涂組件的方法(換句話說，使用所公開的熱噴涂設(shè)備的方法)，該方法包括提供能夠在溫度低于1300攝氏度下融化的前體材料，并且通過流動的載流體將前體材料導(dǎo)入到進料機構(gòu)；配置可移動引導(dǎo)機構(gòu)使得前體材料進入等離子體射流可以足夠遠離等離子體噴嘴，使得前體材料在等離子體射流中熔化時不粘附到熱噴涂設(shè)備上。

本發(fā)明公開設(shè)計了熱噴涂方法的各種版本和變型，其中其非限制性和非窮舉性示例在以下進行描述。

在一些示例中，引導(dǎo)機構(gòu)可包含一個套筒，該套筒圍繞等離子體焰炬所有方向延伸并且可相對于等離子體焰炬軸向移動，進料孔可以作為環(huán)形軸向間隙(annular axial gap)，其邊界與套筒的邊界相連(coterminous)，使得軸向間隙可對套筒的軸向移動做出響應(yīng)而是可變的；并且其中前體材料能夠在1000和1300攝氏度的溫度下熔化；并且方法可包括配置套筒使得進料孔的軸向間隙在0.2至0.5mm以內(nèi)。

在一些示例中，混合的前體材料可以在不低于約800或1000攝氏度下熔化。如果前體材料的熔點太低，則存在著材料可能在等離子體射流內(nèi)蒸發(fā)并且在熱噴涂工藝中產(chǎn)生損失的風險。在一些示例中，(混合的)前體材料能夠在至多約1300攝氏度、低于1280攝氏度或至多約1200攝氏度的溫度下熔化。

所公開的熱噴涂設(shè)備的示例為可適于沉積具有前體材料的材料，材料可在低于約1280攝氏度的溫度下開始熔化，這至少是因為其有可能調(diào)整進料孔的可移動邊界，使得前體材料可引入到等離子體射流的合適區(qū)域中。換句話說，前體材料更可能引入到等離子體射流中，距離等離子體噴嘴足夠遠，由此前體材料的過早熔化導(dǎo)致熱噴涂設(shè)備的孔的堵塞和/或變形的風險被減少或消除。如果部件不需要太頻繁地更換，這可以提高熱噴涂工藝的效率。

在一些示例中，前體材料可適于將材料的硬質(zhì)層沉積到鋼體上，硬質(zhì)層具有至少800HV10的維氏硬度；前體材料通過熱噴涂到鋼體上而轉(zhuǎn)變成硬質(zhì)材料。

在一些示例中，前體材料可包含以下的混合，鐵(Fe)、硅(Si)、碳源(C)和包含金屬碳化物材料的晶粒的混合，其中對Fe、Si和C的相對量進行選擇，使得Fe、Si和C的混合物具有最多約1300攝氏度、低于1280攝氏度或至多約1200攝氏度的液相線溫度。

該方法可以包括使用公開的示例性熱噴涂設(shè)備將材料噴涂到含有鋼或由鋼組成的工具的主體上。例如，工具主體可以是用于路面降解(pavement degradation)或采礦(mining)的截齒(pick)，或用于鉆入巖石中的鉆頭(drill bit)。在一些示例中，工具主體可以用于一些其他在使用中有磨損或腐蝕風險的工具或部件。通常，該方法可包含將相對較硬質(zhì)層沉積到磨損部分上。

在一些示例，前體材料適于沉積在硬度大于包含在主體中的鋼的硬質(zhì)材料層上。沉積材料可形成能夠降低使用的工具主體的腐蝕速率和/或機械磨損的層。

附圖說明

圖1顯示了使用中熱噴涂組件處于組裝狀態(tài)的一個實施方案的示意性截面圖；

圖2顯示了等離子體轉(zhuǎn)移電弧(PTA)熱噴涂組件處于組裝狀態(tài)的一個實施方案的示意性側(cè)視圖；

圖3顯示了圖2中使用中的等離子體轉(zhuǎn)移電弧(PTA)熱噴涂組件的實施方案的示意性截面圖A-A；

圖4A顯示了在封閉狀態(tài)下熱噴涂組件處于組裝狀態(tài)的一個實施方案的示意性截面圖；

圖4B顯示了在使用中的熱噴涂組件處于打開狀態(tài)的示例；

圖5顯示了熱噴涂組件處于部分未組裝狀態(tài)的熱噴涂組件的示意性側(cè)面透視圖元素；

圖6顯示了示例性熱噴涂組件的示例性進料機構(gòu)的一部分的示意性側(cè)視透視圖；

圖7和圖8顯示了用于道路銑削或采礦的示例性挖掘工具，每個挖掘工具設(shè)置有一個示例性的保護層；

圖9顯示了示例性顆粒的硬度的數(shù)量頻數(shù)分布(number frequency distribution)的曲線圖；

圖10顯示了多種示例性混合的第一和第二批顆粒的照片；和

圖11顯示了利用熱噴涂組件進行沉積的示例性材料的掃描電子顯微(SEM)圖像。

具體實施方式

參照圖1，顯示了一個示例性熱噴涂組件10(以組裝狀態(tài)顯示，定義為熱噴涂設(shè)備10)將前體材料60轉(zhuǎn)變成接合到基底主體(未顯示)的沉積材料的層；其包括等離子體焰炬20和進料機構(gòu)30，其構(gòu)造成使得等離子體焰炬20能夠產(chǎn)生等離子體射流進入到等離子體區(qū)域50，該組件被使用中等離子體射流占據(jù)，并從等離子體噴嘴28延伸。進料機構(gòu)30能夠?qū)⑶绑w材料60引導(dǎo)進入等離子體區(qū)域50中。進料機構(gòu)30能夠在處于打開狀態(tài)下(如圖1所示)時提供進料孔70，其包括一個引導(dǎo)室34和一個可移動引導(dǎo)機構(gòu)32。該進料機構(gòu)30可以構(gòu)造成使得引導(dǎo)室34能夠引導(dǎo)前體材料60進入到進料孔70，前體材料60通過從引導(dǎo)室34移動，進入到等離子體區(qū)域50中的等離子體射流中，前體材料60對引導(dǎo)機構(gòu)32的移動做出響應(yīng)，以可變平均距離從等離子體噴嘴28進入到等離子體射流中。

進料孔70的配置是可變的，使得前體材料60可以選擇性地進料到等離子體區(qū)域50內(nèi)的任何不同的區(qū)域中，前體材料60與等離子體噴嘴28具有各自不同的平均軸向距離(圖1描述了一個示例區(qū)域80)。換句話說，前體材料60可在距離等離子體焰炬20的噴射端12以選定的軸向距離處進料到等離子體區(qū)域50的一個區(qū)域80，等離子體射流從等離子體焰炬20通過等離子體噴嘴28發(fā)射。在一些配置示例中，縱軸L可以由等離子體焰炬20的圓柱形軸線、等離子體射流(在使用中)、等離子體噴嘴28、引導(dǎo)機構(gòu)32或進料機構(gòu)30所形成的噴孔40，或這些特征功能中的多個同軸配置功能所限定。例如，縱軸可與噴孔40和等離子體焰炬20同軸。

在圖1所示的特定示例中，引導(dǎo)機構(gòu)32可為可移動的保持殼體，其構(gòu)造成容納取決于噴射端12的等離子體焰炬20的一部分。殼體32可相對于等離子體焰炬20軸向移動，并且進料孔70的配置可響應(yīng)于保持殼體32沿著縱軸L通過噴孔40的移動，并且與使用中的等離子體射流對齊而可變的。由進料孔70限定的區(qū)域響應(yīng)于保持殼體32的移動而變化，進料孔70的軸向長度可響應(yīng)于保持殼體32的移動而變化。例如，進料孔70可以在0和0.5毫米之間調(diào)整變化；0毫米的距離對應(yīng)于未顯示在圖1中的熱噴涂組件10的封閉狀態(tài)，其中保持殼體32接觸等離子體焰炬20并阻止前體材料60被進料到等離子體射流中。在該示例中，進料孔70圍繞等離子體區(qū)域50沿所有方向周向延伸，進料機構(gòu)30能夠使前體材料60沿著圍繞等離子體區(qū)域50所有方向的會聚方向延展的方位角引入到等離子體射流中。

所示的示例，如圖1所示，在圍繞等離子體焰炬20和保持殼體32之間形成引導(dǎo)室34，沿周向延伸的等離子體焰炬20。保持殼體32包括與等離子體焰炬的錐形外表面23間隔開的錐形內(nèi)表面33，在其兩者之間形成了引導(dǎo)室34。保持殼體32和等離子體焰炬20沿著縱軸L基本上同軸。在一些示例中，由保持殼體32的內(nèi)錐形表面33限定的錐角可大于由等離子體焰炬20的錐形外表面23限定的錐角，并導(dǎo)致它們之間的引導(dǎo)室34隨著靠近進料口70而變得更窄。

圖2顯示了示例性熱噴涂組件處于組裝狀態(tài)的一個側(cè)視圖；其包括等離子體焰炬20和可移動保持殼體32(在該示例中為引導(dǎo)機構(gòu))，等離子體焰炬20的一部分(在圖2中不可見)被容納在由保持殼體32形成的協(xié)作構(gòu)造的空腔內(nèi)。入口孔31A被配備用于顆粒前體材料引入到進料機構(gòu)中，并隨后其輸送到由等離子體焰炬20產(chǎn)生的等離子體射流(未示出)中從而產(chǎn)生射流90，該射流90包含有從熱噴涂組件10的噴涂端12的噴孔40噴射的材料和等離子體。

圖3示意性地示出了用于將材料沉積到基底100上的等離子體轉(zhuǎn)移電弧(PTA)熱噴涂組件的操作，其中在陰極24和周圍的陽極29以及基底100之間建立電勢差(potential difference)。在所示的特定示例中，等離子體焰炬20的一部分位于由可移動保持殼體32(在該示例中為引導(dǎo)機構(gòu))形成的空腔內(nèi)，構(gòu)造為使得保持殼體32的內(nèi)表面31與等離子體焰炬20的外表面23間隔開以提供導(dǎo)向室34，顆粒前體材料60可通過該導(dǎo)向室34向由處于打開狀態(tài)的進料機構(gòu)30提供的進料孔70輸送，并最終進入使用中的導(dǎo)向等離子體50A和轉(zhuǎn)移等離子體50B。等離子體焰炬20和保持殼體32構(gòu)造成使得進料孔70位于等離子體焰炬20的等離子體噴嘴28(其也可以稱為“收縮形噴嘴”)附近。等離子體噴嘴28和噴孔40可以是同軸的，使得在收縮形噴嘴28附近產(chǎn)生的導(dǎo)向等離子體50A可以伸入(或通過)噴孔40并朝向基底主體100。

等離子體焰炬20可以包括中心陰極24和等離子體噴嘴28，其中中心陰極24可以包括鎢(W)金屬，等離子體噴嘴28至少部分包圍陰極24并且限定陰極24位于腔室27的至少一部分當中，陰極24和等離子體噴嘴28構(gòu)造成使其可以在它們兩者之間產(chǎn)生電弧。在使用中，惰性氣體25，例如氬氣(Ar)經(jīng)過陰極24朝向等離子體噴嘴28流動。陰極24、等離子體噴嘴28和腔室27構(gòu)造成使得惰性氣體25可被電離，并且等離子體噴嘴28附近產(chǎn)生引導(dǎo)等離子體射流50A，引導(dǎo)等離子體射流50A從腔室27向外噴射進入到噴孔40中并朝向基底100。當熱噴涂組件定位在足夠靠近基底100并且完成操作條件時，生成轉(zhuǎn)移等離子體射流50B，轉(zhuǎn)移等離子體射流50B在陰極24和基底100之間延伸，噴射超過噴孔40。導(dǎo)向等離子體射流50A內(nèi)部的溫度可為大約15000攝氏度，轉(zhuǎn)移等離子體射流50B內(nèi)的溫度可為大約3000至大約4000攝氏度。通常，等離子體射流50A和50B隨著等離子體射流中的軸向位置的不同，即與等離子體噴嘴28的軸向距離不同，其內(nèi)部溫度有所變化。

通常，前體材料60可為顆粒形式，并很可能被選擇使其可通過熱噴涂操作轉(zhuǎn)變成沉積到基底100上的材料。在使用中，前體材料60被引入到熱噴涂組件中并被輸送到引導(dǎo)室34中，在引導(dǎo)室34中，其可以沿著會聚路徑朝進料孔70進一步被輸送，并最終被輸送到等離子體射流50B。會聚在等離子體射流50B上的顆粒60的流量通常是可控的。在本文所述的，顆粒的流量可以根據(jù)每單位時間通過平面的顆粒數(shù)量來表示，并包括顆粒的速度和空間密度的方面。被注入到等離子體射流50B的顆粒60的流量受到由區(qū)域的影響，該區(qū)域是由進料孔70、載氣(carrier gas)內(nèi)顆粒60的密度和朝向等離子體射流50B的顆粒60的速度限定的。顆粒60的速度可通過載流體(carrier fluid)的流速和引導(dǎo)室34的會聚構(gòu)造來控制。

當顆粒60注入等離子體射流50B中時，它們的溫度非?？焖俚厣撸瑥亩赡茉试S前體材料經(jīng)歷相變和化學(xué)反應(yīng)，對于要沉積到基底100上的期望材料，以上工藝可能是必要的。材料的射流90可以相對高的速度從熱噴涂組件朝基底100噴射。當材料撞擊基底100時，其可能傾向于“濺射(splat)”到基底上，開始冷卻，并且根據(jù)反應(yīng)和相變動力學(xué)，形成固態(tài)的期望材料，并連接到基底100上。

控制以下參數(shù)可能是重要的，例如顆粒的組成和機械性能、載流體的流速、載流體內(nèi)的顆粒的數(shù)量密度、注入等離子體的顆粒的流量、陰極和陽極與基底之間的電勢差、導(dǎo)向和轉(zhuǎn)移等離子體電弧的電流、惰性氣體的流速、顆粒在等離子體焰炬和進料孔周圍方位角的分散、以及引導(dǎo)室的構(gòu)造。

參照圖4A和4B，處于組裝狀態(tài)的示例性熱噴涂組件(換句話說，熱噴涂設(shè)備)可以通過由M表示的其中一個方向調(diào)整保持殼體32的位置(在圖示示例中為可移動引導(dǎo)機構(gòu))，從而使得該組件處于封閉狀態(tài)，如圖4A所示，或者打開狀態(tài)，如圖4B所示。在其它配置示例中，保持殼體32可以在其它方向上移動，例如旋轉(zhuǎn)和/或橫向移動。保持殼體32可相對于等離子體噴嘴28移動，其位置能夠調(diào)整朝向或遠離等離子體噴嘴28和等離子體焰炬20的外表面23，從而減小或增加引導(dǎo)室34的體積和使用中顆粒前體材料朝等離子體射流的潛在流量。熱噴涂組件可配備有調(diào)節(jié)機構(gòu)(未示出)來進行該調(diào)節(jié)。

如圖4A所示的封閉狀態(tài)下，可處在引導(dǎo)室34中的顆粒前體材料(未示出)不能退出引導(dǎo)室34并朝噴孔40和等離子體區(qū)域(未示出)移動。在圖4A所示的例子中，可以通過調(diào)節(jié)保持殼體32的位置來實現(xiàn)，使得保持殼體32的內(nèi)表面33的至少一部分與接近噴孔40的等離子體焰炬20的外表面23的至少一部分鄰接(abut)，從而將它們之間的空間基本上減小到零。在圖4A所示的特定示例中，保持殼體32的內(nèi)表面33和接近噴孔40的等離子體焰炬20的外表面23都是基本上錐形的，每個錐形限定稍微不同的錐角，前者大于后者的錐角，相差2θ。在一些示例中，2θ可以為大約7.4度，θ可以為3.7度。換句話說，引導(dǎo)室34可朝噴孔40會聚。在封閉狀態(tài)下，這些相互會聚的錐形表面33,23可以在噴孔40附近彼此鄰接。當進料機構(gòu)處于如圖4B所示的打開狀態(tài)時，引導(dǎo)室34朝噴孔40的變窄效果可加速和聚焦前體材料的流量。

在如圖4B所示的打開狀態(tài)下，保持殼體32已被調(diào)整到一個位置，使得其內(nèi)表面33進一步遠離等離子體焰炬20的相應(yīng)外表面23。因此，在這些表面23,33之間，以它們間的最窄間隔，靠近噴孔40和等離子體區(qū)域(未示出)配備有進料孔70。進料孔70允許前體材料從引導(dǎo)室34出來并進入等離子體區(qū)域，在使用中等離子體射流(在PTA設(shè)備中，這是轉(zhuǎn)移等離子體)存在該等離子體區(qū)域中。在所示的示例中，進料孔70的形狀通常為圓柱形并與等離子體焰炬20同軸。因此，可通過相對于等離子體焰炬20軸向移動保持殼體32來控制在使用中到達等離子體區(qū)域的前體材料的流量,并由此通過改變由保持殼體32的內(nèi)表面33的一部分形成的進料孔70的下端的位置來改變進料孔70的面積和軸向間隔。

在一些示例中，可通過流體載體介質(zhì)(例如Ar氣體)將前體材料連續(xù)地引入到熱噴涂組件中，其中前體材料可以在其中分散和懸浮。前體材料和載流體可以通過進料機構(gòu)中進行分布，將前體材料在引導(dǎo)室34內(nèi)方位角地分散，從而圍繞使用中的噴孔40和等離子體射流方位角地分布。保護氣體室39通過圍繞使用中等離子體射流的多個孔提供氣體，用于屏蔽等離子體射流和從空氣中的氧氣噴射的材料。

參照圖5和圖6，一個示例中熱噴涂組件可包含第一、第二、第三和第四元件20,120,130,140，其中第一元件由等離子體焰炬20組成。第一元件20可連接第二元件120，第二元件120包含上殼體空腔122,上殼體空腔122可通過從取決于等離子體焰炬20的連接端12A的螺紋連接組件連接。第三元件130可包括用于容納等離子體焰炬20的相對噴射端12的下殼體空腔132，并且第三元件130可構(gòu)造成第二元件120的殼體部分124。換句話說，第二元件120的一部分124可在其內(nèi)側(cè)上“夾在”等離子體焰炬20和在其外側(cè)上“夾在”下外殼體空腔132的壁之間。第四元件140，其包括冷卻機構(gòu)和/或保護氣體供應(yīng)機構(gòu)，第四元件可構(gòu)造成可容納第三元件130的一部分，并包圍等離子體焰炬20的噴射端12。

當組裝時進料機構(gòu)可包括第一、第二和第三元件20，120，130的某些特征功能，可通過這些元件之間的聯(lián)通空間形成的通道或腔室來運輸該前體材料。例如，第二元件120可包括一個圓周通道，當容納在第三元件130的殼體空腔132內(nèi)，這限定一個分配室36的一部分，這便形成了分配室36的邊界。分配室36能圍繞等離子炬20基本上方位角地引導(dǎo)前體材料。多個相互隔開的偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)38，其圍繞等離子炬20方位角地配置，鄰近分配室36并以第二殼體120的徑向突起的形式使循環(huán)前體材料60C偏轉(zhuǎn)到偏轉(zhuǎn)通道37中，并將偏轉(zhuǎn)的前體材料62大致軸向地引導(dǎo)到引導(dǎo)室中。第三元件130可包括用于引入前體材料和一種載流體進入分配室36的一個入口孔31A，和出口孔31B，出口孔31B用于在可能重新使用的工藝中允許載流體和潛在的一些前體材料從熱噴涂組件逸出。

在使用中，前體材料60A和載流體可被引入分配室36，并被引導(dǎo)到分配室36內(nèi)循環(huán)，作為循環(huán)的前體材料60C。在分配室36內(nèi)前體材料60C的循環(huán)效果很可能使前體材料66C基本上均勻一致地分布在等離子炬20(方位角)周圍。一些循環(huán)的前體材料60撞擊偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)38的側(cè)面，并在偏轉(zhuǎn)通道37內(nèi)沿大致軸向路徑62輸送，進入引導(dǎo)腔(在圖5和圖6中未示出)。如果偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)38，和隨后的偏轉(zhuǎn)通道38，被配置以規(guī)則的間距間隔圍繞等離子炬20所有方向，前體材料顆粒60C可能會被引入到同樣規(guī)則隔開間隔的引導(dǎo)室中。導(dǎo)向室內(nèi)的前體材料的流量沿周向均勻性可能取決于偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)38的寬度和數(shù)量,偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)38如果數(shù)量越多，充填越密集，前體材料可能在引導(dǎo)室分布的越均勻。

參照圖7，一個示例性用于采礦的挖掘工具(pick tool)400，其包括一個鋼基底405和熔合到鋼基底405上的硬面層406。硬面層可通過公開的熱噴涂設(shè)備沉積到鋼基底405上。挖掘工具400可包括具有一個沖擊點(strike point)404的硬質(zhì)合金尖端(cemented carbide tip)402，并接合到鋼基底405。在一些示例的尖端402可包括金剛石材料如PCD材料或碳化硅鍵合的金剛石材料。硬面層406可被配置圍繞硬質(zhì)合金尖端402，以防止該鋼基底405在使用中的磨料磨損。例如在使用中破裂巖層包括煤或鉀鹽，巖石材料硬面層很可能降低鋼基底405的磨損，顯著地降低挖掘工具400過早失效的風險。

參照圖8，一個示例性用于路面銑削的挖掘工具500包括設(shè)置有孔的鋼支架505和沖擊尖端504，沖擊尖端504通過收縮配合或壓配合入孔中，接合到硬質(zhì)合金基底502。硬面層506可被熔合到鋼支架505，被配置圍繞孔以保護鋼支架主體505不受到使用中的磨損。硬面層可使用所公開的熱噴涂設(shè)備，通過等離子體轉(zhuǎn)移電弧(TPA)的熱噴涂方法沉積到鋼支架505上。沖擊尖端504可包括一個接合至硬質(zhì)碳化鎢基底的PCD結(jié)構(gòu)。

熱噴涂設(shè)備及其相對硬質(zhì)層材料沉淀到鋼體上的非限制性示例應(yīng)用在下面進行更詳細地描述。

第一批總重量200千克(kg)顆粒的制備如下：

a.混合：144千克具有平均顆粒尺寸0.8微米的碳化鎢(WC)、30千克具有平均顆粒尺寸1微米鐵(Fe)粉、15千克具有平均顆粒尺寸1到2微米的碳化鉻(Cr₃C₂)粉末、6千克硅(Si)粉末和4千克石蠟，并通過磨碎機(attritor mill)使用乙醇(alcohol)作為研磨介質(zhì)，將粉末一起研磨三小時，使混合在一起，和多個具有800千克總質(zhì)量的燒結(jié)碳化鎢球，以提供前體材料漿料(slurry)。干燥漿料以提供混合粉末，并破碎團聚體(agglomeration)以提供松散粉末。

b.第一次制粒(granulation)：粉末在旋轉(zhuǎn)鼓中滾動制粒，與粘合劑材料結(jié)合，然后過篩以提供一批顆粒，其具有平均尺寸約75至約225微米，以提供多個“生(green)”顆粒(換句話說，通過粘合劑材料將含有粉末晶粒的顆粒聚結(jié)在一起)。

c.初步熱處理：生顆粒置于石墨盒中，并加熱至1020℃的溫度。對于基本上不發(fā)生液相燒結(jié)的材料，該溫度足夠低；對于基本上要除去的所有粘合劑材料而言，該溫度足夠高，并且粉末具有足夠程度的固相燒結(jié)，以使顆粒具有足夠的強度去便于處理。

d.第二次制粒：在熱處理之后，顆粒過篩以選擇一批顆粒，其直徑為約75至225微米。

e.燒結(jié)熱處理：然后所選的顆粒再次放入石墨盒中并在1160攝氏度的溫度下在真空中燒結(jié)45分鐘，以允許顆粒基本上液相燒結(jié)并提供燒結(jié)顆粒。在燒結(jié)工藝中，雖然一定量的碳化鉻(Cr₃C₂)可能分解，但是僅有相對少量的碳化鎢可溶解到粘合劑材料中。雖然不希望受到特定假設(shè)的約束，但是潛在地基本上所有的碳化鉻(Cr₃C₂)可以溶解在液態(tài)粘合劑材料中，并且混合碳化物材料其包含鐵族金屬(例如鐵或鈷)、鉻和碳，該混合碳化物材料可在材料的凝固期間產(chǎn)生結(jié)晶。溶解的碳化鎢的量可能約為5至8％(質(zhì)量)，對應(yīng)于至多約1.5至2.5％(原子)，其可能基本上不影響粘合劑材料的熔化溫度。如果顆粒含有比它們實質(zhì)上更多的鐵，則顆粒明顯熔化的風險很高，導(dǎo)致在燒結(jié)熱處理結(jié)束時鐵基材料產(chǎn)生較大的、堅硬的聚集體(aggregation)，這使聚集體很難破壞從而提供第一批顆粒。但是，如果顆粒中的鐵太少時，就出現(xiàn)了材料的不充分液相燒結(jié)，顆粒很可能缺乏足夠的強度。例如，如果嘗試為熱噴涂工藝提供和使用僅僅一批顆粒，避免引入另外一批富鐵顆粒的需求，則顆粒需要包含約69％(質(zhì)量)鐵，取代本示例中使用的15％(質(zhì)量)，這導(dǎo)致可能產(chǎn)生較硬的、基于鐵的主體，該主體不可行地難以制粒。

f.第三次制粒：燒結(jié)顆粒在氬氣(Ar)50巴的壓力下熱等靜壓(hot iso-statically pressed,HIP)，得到致密主體(compacted body)。然后破碎致密主體，通過篩分選擇尺寸為約60至180微米的顆粒，以提供第一批顆粒。

第一批顆粒(其也可以稱為“第一顆?！?基本上缺少鐵，其在熱噴涂和成功融合它們到基底主體是不可行的，即使主體含有鋼。雖然理論上可以將缺乏鐵的第一顆粒噴涂到基底上而不引入額外包含鐵的顆粒，但使用存在于鋼板中的鐵，在其上噴涂顆粒，這樣做所需的能量可能非常高。

第一顆粒的尺寸分布使得d(10)值為90微米，中值尺寸(d(50))為141微米，d(90)尺寸為221微米(換句話說為10％、50％和90％的顆粒的直徑尺寸分別小于或等于90、141和221微米)。隨機選擇五個顆粒的樣品用于破壞性機械測試。每個顆粒放置在一個剛性平臺和將一個剛性板以恒定速度緩慢壓在顆粒上，從而用盡可能少的50毫牛頓(millinewton,mN)和最大為2000牛頓(N)的增加的力壓縮它，直到顆粒破裂。由于顆粒的機械性能可能取決于顆粒的尺寸，所以測試的顆粒直徑尺寸為125至160微米。平均141±14微米直徑。測定顆粒的破壞載荷(failure load)為6.0±2.3牛頓(N)，并且考慮到顆粒的負載變形(loading deformation)，顆粒的抗壓強度(compressive strength)為402.6±187.9兆帕(MPa)。圖10中顆粒的數(shù)量頻率N分布作為維氏硬度H(HV10)的一種圖形展示。用于制造顆粒的方法成功地制造了相對堅硬、致密和強大的顆粒。

第二批顆粒包含有由以被提供水霧化法(water atomisation)制備的市售的鐵晶粒(特別是，使用了赫格納斯^TM ABC100.30)，提供第二批顆粒，并篩分以提取落入在約60至180微米的尺寸范圍內(nèi)的晶粒。第二批鐵顆粒的抗壓強度沒有測定，因為水霧化導(dǎo)致顆粒的形狀不規(guī)則(如果第二顆粒通過氣體霧化已被制成，它們很可能比較接近球形以及它們的抗壓強度可被測量；第二批顆粒的流動性很可能在一定程度上也會得到增強)。

第一和第二顆粒以75:25的質(zhì)量比混合在一起，以提供一批混合的顆粒，其含有總體約35％質(zhì)量的鐵。圖11顯示了第一批顆粒200和第二批顆粒的混合的顯微照片。第一和第二批顆粒中的每種顆粒的組成總結(jié)在表1中?；旌系念w粒適合于熱噴涂，其在焊接容易性和硬度兩個方面具有良好的平衡。

表1

然后借助于如以上描述參照圖4A和4B的示例性的等離子體轉(zhuǎn)移電弧(PTA)熱噴涂設(shè)備將混合的顆粒噴涂到鋼板上，從而在其上沉積相對硬且耐磨的材料層。鋼板為100毫米(mm)長，60毫米寬，10毫米厚。調(diào)節(jié)保持殼體32相對于等離子體焰炬20的軸向位置，使得進料孔70在保持殼體32和等離子體焰炬20之間限定0.2毫米至0.4毫米的軸向間隙。PTA熱噴涂設(shè)備的其它操作參數(shù)如表2中所概述。

表2

沉積層的厚度為約3毫米(mm)，且具有1000±100維氏單位的硬度。圖12示出了層的微觀結(jié)構(gòu)的顯微照片。它包括在基質(zhì)(matrix)304內(nèi)的樹枝狀η相(dendritic eta-phase)碳化物相302，小碳化鎢(WC)晶粒和基于鐵(Fe)的基質(zhì)，該基質(zhì)采用以納米級晶須(nano-scale whisker)和納米級圓盤(nano-scale disc)形式沉淀的納米級η相碳化物的納米晶粒進行強化。

使用ASTMG65試驗測量沉積層的耐磨性，并與三種不同等級的鈷-硬質(zhì)碳化鎢(Co-WC)材料比較，其材料包含8、10和15質(zhì)量百分數(shù)(％)的鈷(Co)。在該試驗中，使用包含上述各種級別的硬質(zhì)合金的三個機床刀片(machine tool insert)來加工在上述示例中沉積在鋼板上的材料層。當包含8％質(zhì)量百分比鈷的工具用于加工沉積層時，從工具和層中除去基本上相同體積的材料(約3.8立方毫米)，表明如上示例沉積的材料的耐磨性與該等級的硬質(zhì)合金材料相當。從包含10和15質(zhì)量百分比％鈷(Co)的硬質(zhì)合金等級中去除的體積分別為9.1立方毫米和12.2立方毫米，表明包含在該層中的材料顯著比這些等級更加耐磨損。

在第二示例中，與上述第一示例中的15％質(zhì)量百分比相比，鐵(Fe)的相對含量增加至20％質(zhì)量百分比，用于制造第二示例中的顆粒的前體材料包含20％質(zhì)量百分比的鐵、13％質(zhì)量百分比的碳化鉻(Cr₃C₂)、3％質(zhì)量百分比的硅和約64％質(zhì)量百分比的碳化鎢晶粒。盡管有可能在第二示例中制造和熱噴涂第一顆粒，但是基本上更難以破碎在燒結(jié)熱處理步驟中產(chǎn)生的燒結(jié)聚集體。

在第三示例中，與上述第一示例中的15％質(zhì)量百分比相比，鐵(Fe)的相對含量減少至10％質(zhì)量百分比，用于制造第二示例中的顆粒的前體材料包含10％質(zhì)量百分比的鐵、6.67％質(zhì)量百分比的碳化鉻(Cr₃C₂)、3％質(zhì)量百分比的硅和80％質(zhì)量百分比的碳化鎢晶粒。盡管相對更容易破碎在燒結(jié)熱處理中產(chǎn)生的燒結(jié)聚集體，但是實質(zhì)上更難以達到顆粒的密度。

在第四示例中，如第一示例中所述的第一和第二顆粒以60:40的比例(與第一示例中的比率為75:25相反)混合，因此導(dǎo)致基本上更大量的鐵被包含在被熱噴涂的混合前體材料中。這會導(dǎo)致基本上更軟的沉積層。

在第五示例中，如第一示例中所述的第一和第二顆粒以90:10的比例(與第一示例中的比率為75:25相反)混合，因此導(dǎo)致基本上更少量的鐵被包含在被熱噴涂的混合前體材料中。在一些情況下，這可能基本上導(dǎo)致更軟的沉積層。然而，基底的確切組成以及其在與所沉積的材料接觸時可能熔化的程度。

在一些示例中，鋼基底可以相對小和/或薄，并且在熱噴涂工藝中需要使用相對低水平的功率，以避免或降低損壞鋼的風險。在這種情況下，來自鋼的熔融鐵族金屬不可能有效地與噴涂材料反應(yīng)，并可能使用相對較高比例的第二批顆粒(包含鐵族金屬)。

在其它示例中，鋼基底可以相對較大，因此，有可能在熱噴涂工藝中采用相對高水平的功率。在這種情況下，更高的功率可能導(dǎo)致來自鋼的熔融鐵族金屬在基底上形成，其可與噴涂材料有效地進行反應(yīng)。由于更高的熱噴涂功率，更大的基底也不太可能由于加熱的增加而顯著變形。在這種情況下，可以使用相對較低比例的第二批顆粒(包含鐵族金屬)。

通常，第一和第二批顆粒的混合(其中第二批顆粒包含或由鐵族金屬如鐵或鈷組成)可以根據(jù)被涂布的基底形狀、尺寸和組成進行調(diào)整。如果在基底表面上提供過多的熔融鐵族金屬，則涂層可能不夠硬。例如，如果包含或由鐵族金屬組成的顆粒的比例太高，或者如果由于過高的熱噴涂功率而導(dǎo)致基底的熔化過多，則可能出現(xiàn)過量的鐵族金屬。

所公開的示例性配置、顆粒和方法中的至少某些的各種潛在方面將進行簡要討論。

在一些示例中，熱噴涂組件可用于將轉(zhuǎn)變的前體材料噴涂到基底上并在其上沉積一層材料，其中該層可包含具有與基底的基本不同性質(zhì)的材料。例如，該層可以比基底(其可包含鋼)更硬或更耐磨損。例如，顆?？梢园瘜W(xué)元素、化學(xué)化合物、陶瓷晶?；蚝辖?，其中至少一些可以在使用中注入等離子體中時發(fā)生相互化學(xué)反應(yīng)或發(fā)生相變，并且在等離子體中在相對短的時間內(nèi)經(jīng)受非常高的溫度，通過等離子體射流輸送到基底表面，并相對快速地冷卻到基本上較低的溫度。當注入等離子體中時，顆粒內(nèi)的反應(yīng)和相變可非?？扉_始發(fā)生，導(dǎo)致在等離子體焰炬和基底之間產(chǎn)生一種或多種中間材料，其具有基本上不同于顆粒和沉積材料的特性。

某些公開的示例性熱噴涂組件可具有可以減少或基本消除前體或中間材料附著并可能阻塞噴孔的風險。當該前體或中間材料可能傾向于在相對低的溫度下至少部分熔化的情況下，這種風險可能更大。因此，所公開的示例性熱噴涂組件可能更適合與包含具有相對低的共晶溫度(eutectic temperature)(即對應(yīng)于構(gòu)成材料的特定質(zhì)量比的相對低的最低熔點)的混合前體材料的顆粒一起使用。在一些示例中，噴孔被附著材料堵塞或扭曲的風險可以通過調(diào)節(jié)引導(dǎo)室和進料孔，從而控制入射到等離子中的前體材料顆粒的流量。在一些示例中，這可以通過相對于等離子體焰炬軸向地和/或徑向地移動保持殼體來實現(xiàn)。因此，當用于噴涂這種材料時，所公開的熱噴涂組件可以延長工作壽命。

某些公開的示例性的熱噴涂組件可降低前體材料的某些組分降解的風險，例如通過氧化或在高溫條件下等離子體內(nèi)其他潛在的不希望發(fā)生的可能的化學(xué)反應(yīng)。例如，碳化鎢(WC)晶粒降解的風險(如暴露于等離子體的高溫中使晶粒的尺寸顯著減少)，可以大幅減少。

盡管不希望受到特定理論的限制，進料孔的調(diào)整，例如通過移動保持殼體，可具有改變等離子體內(nèi)的前體材料顆粒流量的平均軸向位置的效果。例如，當該前體材料包含有可能在相對低的溫度下熔融，或者為了降低前體材料降解的風險，進料孔可被調(diào)整，使得一個較高比例的(或基本上全部)前體材料顆粒流向具有相對較低溫度的等離子體的區(qū)域。

此外，所公開的示例性顆粒分布機構(gòu)還可能具有降低噴孔被附接材料阻塞或變形的風險，該連接材料由于顆粒在導(dǎo)向室內(nèi)方位角地足夠均勻地分布，并且在等離子體周圍。

所公開的熱噴涂組件的其它方面可包含在相對長的時間段內(nèi)提高材料沉積的均勻性，減少操作中的等離子體和導(dǎo)頻電流(pilot current)，使得有可能沉積相對薄的層(4-5毫米)并且根據(jù)需要改變參數(shù)；增加粉末向等離子體射流的遞送速率(以每單位時間的質(zhì)量計)，使得在單次操作中沉積高達7至8毫米的層的操作變得可行。公開的示例性熱噴涂組件和使用所公開的示例性顆粒的熱噴涂或激光熔覆(laser cladding)的方法可能具有以下方面：具有至少約30厘米(cm)的橫截面尺寸的相對大的主體和/或具有相對復(fù)雜形狀的主體，可用保護材料相對有效地涂布，特別但不排他性地用于防止磨損或腐蝕性磨損。有可能提供具有相對均勻的厚度和質(zhì)量的涂層。

公開的示例性熱噴涂組件，其包含一個公開的圓周分配室、偏轉(zhuǎn)機構(gòu)、引導(dǎo)室和一個可調(diào)節(jié)進料孔。該熱噴涂組件可能具有顯著降低孔堵塞的風險以及增加基底材料的有效沉積的概率的方面。

所公開的示例性方法可以具有導(dǎo)致非常有效的緊密地焊接到主體上的硬面結(jié)構(gòu)的方面，并且所公開的主體可以在使用中具有改進的耐磨性能。

用于磨損保護層的熱噴涂沉積的某些前體材料可以具有在混合使用時具有相對低的熔點(低共晶相溫度)，至多約1300攝氏度，低于1280攝氏度或至多約1200攝氏度的，這可能增加對其熱噴涂的難度并降低對其熱噴涂的效率。提供呈多于一批顆粒形式的前體材料，其中每批顆粒包含不同的組成或其它特性，其可具有允許混合物和顆粒的某些性質(zhì)，例如它們的熔點和流動行為，以上特性可被用于選擇熱噴涂設(shè)備的進料機構(gòu)內(nèi)的增強行為。附加地或替代地，它可以具有調(diào)高制造顆粒效率或易于顆粒生產(chǎn)的方面。

磨損保護材料能夠通過熱噴涂沉積在某些主體上的示例中，磨損保護材料包括鐵族金屬例如鐵(Fe)、鉻(Cr)、硅(Si)和碳(C)，并且前體材料可以具有至多約1300攝氏度，低于1280攝氏度或至多約1200攝氏度的共晶相溫度。如果單一批顆粒用于熱沉積材料層，每一個包含材料混合的顆粒表現(xiàn)出至多約1300攝氏度，低于1280攝氏度或至多約1200攝氏度的共晶相溫度，鐵族金屬的量可以是相對高的，有可能對顆粒制造潛在地引起挑戰(zhàn)。過高的鐵族含量可能增加混合的前體材料可能在顆粒制造的過早階段熔化的風險，這使得破碎通過凝固的鐵族金屬固結(jié)在一起的產(chǎn)生的堅硬固化的聚集體變得非常困難。制備包含基本上較少的鐵族金屬的第一批顆粒，該第一批顆粒最終需要提供給等離子體射流，可以顯著降低這種風險并使其更容易將熱處理的前體材料制粒。然而，如果用于制備第一批顆粒的混合物含有太少量的鐵族金屬，則在制造顆粒的階段制備的材料的聚集體強度可能太低，并且難以制造足夠強的顆粒。如果使用太少的鐵族金屬制備第一批顆粒，則顆粒的制造可以更容易和/或更有效。鐵族金屬的缺陷可以通過以下手段進行彌補，將包含鐵族金屬或由鐵族金屬組成的第二批顆粒引入到熱噴涂設(shè)備的進料機構(gòu)中，使得來自兩批或所有批顆粒存在于等離子體中，并能夠彼此接觸和熔融。第二批顆粒可以由市售的尺寸合適的鐵族金屬晶粒組成。

如果前體晶粒或顆粒足夠大，則該前體材料可傾向于更均一地流動并且可預(yù)見地通過進料機構(gòu)，可能會減少在角落或細小空間中的殘留的風險。如果晶?；蝾w粒太大，它們不可能通過進料機構(gòu)的各種孔、通道和腔室，并可能導(dǎo)致堵塞。如果多于一批顆粒的尺寸分布和平均尺寸基本上不同，則顆?？梢跃哂胁煌牧鲃犹匦?，比如因此可能不以相似的速率通過進料機構(gòu)，并且顆粒到達等離子體射流的相對量可能不如期望的或可能是不規(guī)則的。

下面簡要解釋本文使用的某些術(shù)語和概念。

如本文所述的，熱噴涂工藝包括用材料層涂布主體，其中通過將前體材料(其也可以稱為涂層前體或“原料(feedstock)”)加熱而產(chǎn)生的熔融相材料噴涂到表面上，從而將涂層材料沉積到主體的表面上。原料材料可以通過各種方式進行加熱，如等離子體或電弧、或化學(xué)手段。一般來說，熱噴涂可能在高沉積速率下在相對大的面積上提供約20微米至幾毫米(取決于工藝和原料)的相對厚的涂層。前體材料可以是顆粒形式，并且其被加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并且熔融或半熔融材料的細分的(也稱為“霧化(atomised)”)液滴(droplet)朝將被涂布的主體方向被加速。涂層可能來自于液滴在主體上的積聚，其凝固為多個扁平晶粒，其可以稱為薄片(lamellae)。各種操作參數(shù)可能影響涂層的性質(zhì)，包括前體材料的組成、形式和物理性質(zhì)、等離子體氣體組成和流速、能量輸入、焰炬和基底之間的距離(其也可以被稱為偏移距離)和基底的冷卻。

在電弧等離子體噴涂方法中，可以通過電弧放電(arc discharge)和適當?shù)臍怏w通過在陽極和陰極之間的離子化而產(chǎn)生從等離子體焰炬發(fā)出的高溫等離子體射流。等離子體內(nèi)的溫度可能改變并可能超過約10000攝氏度。包含前體材料的原料可以是粉末或顆粒的形式，并通過一個進料機構(gòu)輸送到電弧等離子體。鎢電極可以位于等離子體焰炬的腔室內(nèi)，并且可以迫使惰性氣體流過電極并通過收縮形噴嘴的孔，產(chǎn)生延伸通過該孔的等離子體射流?？梢試@收縮形噴嘴引入保護氣體，以保護等離子體射流免受環(huán)境大氣的影響。原料顆?？梢苑稚⒃诙栊暂d氣中，例如氬(Ar)中，并被引導(dǎo)到等離子體射流中。其它熱噴涂方法包括爆炸噴涂(detonation spraying)、電弧噴涂(wire arc spraying)、高速氧-燃料涂層噴涂(high velocit oxy-fuel coating spraying,HVOF)。

在等離子體轉(zhuǎn)移電弧(PTA)工藝中，可以在中心電極和含有銅的周圍水冷噴嘴之間產(chǎn)生“引導(dǎo)電弧(pilot arc)”，并且可以在電極和被涂布的主體之間產(chǎn)生“轉(zhuǎn)移電弧(transferred arc)”。在PTA工藝中通過引導(dǎo)電弧的氬(Ar)氣的電離可以達到相對高的等離子體電弧密度，引導(dǎo)電弧通常在熱噴涂操作期間永久燃燒?？梢酝ㄟ^“節(jié)流(throttling)”增加轉(zhuǎn)移電弧的溫度，以獲得具有約8,000至18,000攝氏度的等離子體柱(plasma column)，并且如果轉(zhuǎn)移電弧等離子體射流包含金屬，例如含有鋼，則可導(dǎo)致主體的表面區(qū)域熔化。電弧點火設(shè)備可能用于在接近收縮形噴嘴的陰極和陽極之間產(chǎn)生火花，使得當氣體流過收縮形噴嘴，產(chǎn)生導(dǎo)向等離子體(也可稱為“非轉(zhuǎn)移電弧(non-transferred arc)”)。引導(dǎo)電弧在陰極和基底之間形成低電阻路徑，以便于隨后產(chǎn)生轉(zhuǎn)移電弧?？梢愿鶕?jù)焰炬、粉末和應(yīng)用，可以調(diào)節(jié)PTA操作參數(shù)，從而以1至13千克每小時(kg/h)的速率提供具有約1到至少約3毫米厚度的層。

如本文所使用的，硬面結(jié)構(gòu)是例如，但不限于接合到基底以保護基底免受磨損或耐受腐蝕的層的結(jié)構(gòu)。硬面結(jié)構(gòu)顯示出比基底基本更大的耐磨性，并且可以冶金熔合到基底。