EP0706308A1

EP0706308A1 - Plasma arc torch stabilized by gas sheath

Info

Publication number: EP0706308A1
Application number: EP95402218A
Authority: EP
Inventors: Marcel Boncoeur; Pierre Fauchais; Alain Grimaud; Guy Schnedecker
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1994-10-06
Filing date: 1995-10-04
Publication date: 1996-04-10
Also published as: FR2725582B1; FR2725582A1

Abstract

A plasma arc is claimed comprising:- (a) a cooled cathode (20), with a diameter D, of which the end is a conical point with a summit angle alpha; and (b) a cooled anode (22) made up of an inner wall in the shape of truncated cone, of which the section defines the inlet (28) of a cylindrical tuyere (24). The inner wall of the anode (22) is, in its conical part, parallel to the conical end of the cathode (20), at a distance d from it and over a length 1g. The angle alpha, the diameter D, the distance d and the length 1g are such that a plasma gas injected into the torch is accelerated between the two conical walls, in a manner that is sufficient to create a gaseous sheathing of the arc column from where this latter is developed to the point of the cathode (20) and is capable of sheathing it in the tuyere.

Description

Technical field and prior art

La présente invention concerne le domaine de la projection par plasma d'arc et, plus précisément, une torche à plasma d'arc.The present invention relates to the field of arc plasma projection and, more precisely, an arc plasma torch.

La projection par plasma d'arc est maintenant développée dans l'industrie depuis plus de 25 ans.Arc plasma spraying has now been developed in the industry for over 25 years.

Le schéma général des torches développées jusqu'à ce jour est représenté sur la figure 1. La torche comporte une cathode 2 en tungstène thorié, de forme conique. Elle présente également une anode 4 qui sert de tuyère 3 et qui est généralement en cuivre et a une forme délimitant un ou deux troncs de cône dans sa partie centrale, un canal cylindrique dans sa partie inférieure, un alésage cylindrique dans sa partie supérieure. Ce dernier est destiné à recevoir la cathode 2, et définit avec elle un espace annulaire 6. L'anode est refroidie par une circulation d'eau sous pression, de façon à ce que la surface du canal cylindrique soit maintenue, en cours de fonctionnement, à une température d'environ 20 à 30°C.The general diagram of the torches developed to date is shown in FIG. 1. The torch comprises a cathode 2 in thoriated tungsten, of conical shape. It also has an anode 4 which serves as a nozzle 3 and which is generally made of copper and has a shape delimiting one or two truncated cones in its central part, a cylindrical channel in its lower part, a cylindrical bore in its upper part. The latter is intended to receive the cathode 2, and defines with it an annular space 6. The anode is cooled by a circulation of water under pressure, so that the surface of the cylindrical channel is maintained, during operation. , at a temperature of about 20 to 30 ° C.

Le principe de fonctionnement de la torche est le suivant. Une tension de l'ordre de 50-100 V est établie entre les deux électrodes. Un gaz plasmagène 1 est injecté par exemple axialement, autour de la cathode au début de la chambre d'arc constituée par l'espace annulaire 6. L'ordre de grandeur du débit de ce gaz est typiquement de quelques dizaines de Nl/mn (le normolitre Nl représentant un litre du gaz dans des conditions normales de température et de pression). Le gaz plasmagène est habituellement constitué d'argon, d'hélium, d'hydrogène ou d'azote ou de leurs mélanges.The operating principle of the torch is as follows. A voltage of the order of 50-100 V is established between the two electrodes. A plasma gas 1 is injected for example axially, around the cathode at the start of the arc chamber formed by the annular space 6. The order of magnitude of the flow rate of this gas is typically a few tens of Nl / min ( the normolitre Nl representing one liter of the gas under normal conditions of temperature and pressure). The Plasma gas usually consists of argon, helium, hydrogen or nitrogen or their mixtures.

Selon des variantes, le gaz 1 peut être injecté radialement (comme illustré sur la figure 2a), en vortex (comme illustré sur la figure 2b) ou via un étranglement 9 (comme illustré sur la figure 2c).According to variants, the gas 1 can be injected radially (as illustrated in FIG. 2a), in a vortex (as illustrated in FIG. 2b) or via a throttle 9 (as illustrated in FIG. 2c).

Le gaz peut éventuellement subir une accélération lors de son passage dans la partie constrictée entre l'anode et la cathode (référence 9 sur la figure 2c).The gas may possibly undergo an acceleration during its passage through the constricted part between the anode and the cathode (reference 9 in FIG. 2c).

Si l'on revient à la figure 1, le gaz s'engage ensuite dans la tuyère 4 constituée par l'anode.Returning to FIG. 1, the gas then engages in the nozzle 4 formed by the anode.

Le plasma est créé à partir de l'émission thermoionique à la pointe de la cathode suivant la loi de Richardson-Dushman : $j_{s} {=AT}^{2} {exp(-Ø}_{o} /kT)$

où j_s est le courant électronique de saturation, A une constante, Ø_o le potentiel d'extraction des électrons de la cathode (ce potentiel est abaissé par rapport à celui d'une cathode en tungstène pur, du fait du dopage en thorium), k la constante de Boltzmann et T la température absolue de la pointe de la cathode.The plasma is created from the thermionic emission at the tip of the cathode according to Richardson-Dushman law:

j_{s} {=AT}^{2} {exp (-Ø}_{o} / kT)

where j _s is the electronic saturation current, At a constant, Ø _o the extraction potential of the electrons from the cathode (this potential is lowered compared to that of a pure tungsten cathode, due to doping in thorium) , k the Boltzmann constant and T the absolute temperature of the cathode tip.

Du fait de l'écoulement du gaz dans la tuyère, une colonne d'arc se développe entre l'extrémité de la cathode et les parois refroidies de l'anode.Due to the flow of gas through the nozzle, an arc column develops between the end of the cathode and the cooled walls of the anode.

Pour qu'il y ait conduction électrique, la température des gaz plasmagènes classiques (Ar, H₂, N₂) et de leur mélange doit être supérieure à environ 7000K. Pour l'hélium pur, elle doit atteindre 13000 K, mais pour les mélanges Ar-He utilisés (moins de 70% en volume d'hélium) elle est d'environ 7000K. La dimension de la colonne de plasma dépend alors essentiellement des échanges thermiques entre la paroi refroidie de l'anode et la colonne de plasma, c'est-à-dire du diamètre du canal cylindrique de la tuyère et de la conductivité thermique moyenne intégrée des gaz plasmagènes.For there to be electrical conduction, the temperature of conventional plasma gases (Ar, H₂, N₂) and their mixture must be greater than approximately 7000K. For pure helium, it must reach 13000 K, but for the Ar-He mixtures used (less than 70% by volume of helium) it is around 7000K. The size of the plasma column then essentially depends on the heat exchanges between the cooled wall of the anode and the plasma column, that is to say the diameter of the cylindrical channel of the nozzle and the integrated average thermal conductivity of plasma gases.

Du point de vue de l'écoulement du gaz, on peut distinguer entre plusieurs zones (repérées par les références 7, 8, 10, 11, 12 sur la figure 1). D'abord, au voisinage de l'extrémité de la cathode (zone 7) suivant les débits de gaz plasmagène, leur nature, le diamètre de l'anode et la taille de la chambre d'arc, se produisent des mouvements tourbillonnaires entraînant les couches les plus externes de la colonne, couches qui sont les plus froides, vers l'intérieur de la colonne, chassant ainsi les couches les plus "chaudes" vers l'extérieur.From the point of view of gas flow, we can distinguish between several zones (identified by the references 7, 8, 10, 11, 12 in FIG. 1). First, in the vicinity of the end of the cathode (zone 7) depending on the plasma gas flow rates, their nature, the diameter of the anode and the size of the arc chamber, vortex movements occur, causing the outermost layers of the column, which are the coldest layers, towards the inside of the column, thus driving out the "warmest" layers towards the outside.

Puis, du fait de la création de la colonne de plasma à partir de la pointe de la cathode, de la forte vitesse des gaz plasmagènes dans la colonne, cette dernière subit une expansion plus ou moins importante en fonction du refroidissement de sa périphérie par l'écoulement de gaz plasmagène froid et par les parois de la tuyère (zone 8 sur la figure 1). Dès que la colonne a pénétré dans le canal cylindrique de la tuyère, elle se stabilise du fait de l'existence de la couche limite froide 3 (en abrégé :CLF ) au voisinage de la paroi de la tuyère (zone 10 de la figure 1). Mais, lorsque la couche limite froide au voisinage de cette paroi a été suffisamment chauffée par la couche limite chaude 5 (CLC) entourant la colonne de plasma, la stabilisation de la colonne diminue et de petites instabilités se créent en périphérie jusqu'à ce que l'une d'elles soit suffisamment proche de la paroi de l'anode pour qu'il y ait disruption et que l'arc vienne s'accrocher à l'anode. La colonne d'arc 13 permettant l'accrochage de l'arc à l'anode 4 se déplace alors vers l'aval du fait de la force de traînée F_t du gaz relativement froid passant en périphérie 15 de la colonne d'arc (au voisinage de la paroi anodique) et des forces magnétohydrodynamiques. En fait, le pied d'arc à l'anode reste accroché et c'est le terminus de l'arc (repéré par la référence 21 sur la figure 1) (raccordement colonne d'accrochage, colonne d'arc) qui se déplace.Then, due to the creation of the plasma column from the tip of the cathode, the high speed of the plasma gases in the column, the latter undergoes a more or less significant expansion depending on the cooling of its periphery by l flow of cold plasma gas and through the walls of the nozzle (zone 8 in FIG. 1). As soon as the column has entered the cylindrical channel of the nozzle, it stabilizes due to the existence of the cold boundary layer 3 (abbreviated: CLF) in the vicinity of the wall of the nozzle (zone 10 of FIG. 1 ). However, when the cold boundary layer in the vicinity of this wall has been sufficiently heated by the hot boundary layer 5 (CLC) surrounding the plasma column, the stabilization of the column decreases and small instabilities are created at the periphery until one of them is close enough to the wall of the anode so that there is disruption and the arc comes to hang on the anode. The arc column 13 allowing the arc to be hooked to the anode 4 then moves downstream due to the drag force F _t of the relatively cold gas passing around the periphery 15 of the arc column (near the anode wall) and magnetohydrodynamic forces. In fact, the arch foot at the anode remains hooked and it is the end of the arc (identified by the reference 21 in FIG. 1) (connection of the hanging column, arc column) which moves .

Du fait des instabilités de la colonne d'arc et de l'augmentation de la tension dans la colonne d'accrochage de l'arc de par son allongement, une disruption se produit alors entre la colonne d'arc 13 et l'anode 4 (l'arc "cherche" l'énergie minimale dissipée pour se maintenir) et un nouveau point d'accrochage 19 se produit à l'anode. La fréquence de déplacement du pied d'arc à l'anode varie de 1kHz à 8kHz environ suivant la nature des gaz plasmagènes, le diamètre de l'anode et le courant d'arc. Ce sont ces disruptions permanentes qui permettent à l'anode de "survivre" aux flux thermiques imposés au pied d'arc (de 10¹⁰ à 10¹W/m). Après la zone d'accrochage 11 de l'arc, un plasma en extinction 12 subsiste pour former le jet à la sortie de la tuyère grâce aux recombinaisons ions-électrons et atomes-atomes exothermiques (refroidissement du plasma). Du fait des fluctuations du pied d'arc, correspondant à des fluctuations de puissance dissipée, le jet ainsi produit fluctue à la même fréquence que le pied d'arc en longueur et diamètre.Due to the instabilities of the arc column and the increase in the tension in the attachment column of the arc due to its elongation, a disruption then occurs between the arc column 13 and the anode 4 (the arc "seeks" the minimum energy dissipated to maintain itself) and a new attachment point 19 occurs at the anode. The frequency of displacement of the arc foot at the anode varies from 1 kHz to 8 kHz approximately depending on the nature of the plasma gases, the diameter of the anode and the arc current. It is these permanent disruptions that allow the anode to "survive" the thermal fluxes imposed on the arc foot (from 10¹⁰ to 10¹W / m). After the attachment zone 11 of the arc, an extinguishing plasma 12 remains to form the jet at the exit of the nozzle thanks to the ion-electron and exothermic atom-atom recombinations (plasma cooling). Due to fluctuations in the arc foot, corresponding to fluctuations in dissipated power, the jet thus produced fluctuates at the same frequency as the arc foot in length and diameter.

Pour effectuer un dépôt par projection sur un substrat S, disposé de 80 à 120 mm de la sortie de tuyère, le matériau à déposer est injecté sous forme de poudre dans le jet de plasma (en aval du pied d'arc) afin d'y être accéléré et fondu. L'injection se fait par le bas de la tuyère, par un orifice 14 (figure 1).To deposit by projection onto a substrate S, placed 80 to 120 mm from the nozzle outlet, the material to be deposited is injected in the form of powder into the plasma jet (downstream of the arc foot) in order to be accelerated and melted there. The injection is made from the bottom of the nozzle, through an orifice 14 (FIG. 1).

Les propriétés des dépôts réalisés dépendent notamment de la température et de la vitesse des particules à l'impact sur le substrat. Les particules doivent en effet s'écraser sur le substrat dans un état fondu ou semi-fondu. Si la vitesse des particules est trop élevée, leur temps de séjour dans le jet est trop faible pour que le coeur des particules puisse atteindre un état de fusion suffisant. Par contre, si la vitesse diminue de façon trop sensible, l'étalement des particules sur le substrat n'est pas de bonne qualité.The properties of the deposits produced depend in particular on the temperature and the speed of the particles on impact on the substrate. The particles must indeed crash onto the substrate in a molten or semi-molten state. If the speed of the particles is too high, their residence time in the jet is too low for the core of the particles to reach a sufficient melting state. On the other hand, if the speed decreases too significantly, the spreading of the particles on the substrate is not of good quality.

Les torches connues selon l'art antérieur privilégient les procédés de projection avec vitesse élevée des particules, ce qui nécessite l'utilisation de granulométries faibles (<44µm) pour assurer la fusion.The torches known according to the prior art favor projection methods with high speed of the particles, which requires the use of small particle sizes (<44 μm) to ensure fusion.

De plus, avec les torches de l'art antérieur, les possibilités de réglage des paramètres importants de fonctionnement sont limitées. Par exemple, pour le mélange plasmagène Ar-H₂ (20-25% en vol.), qui est le plus utilisé, le courant d'arc peut varier entre 400 et 700 A et le débit de gaz plasmagène entre 40 et 70 Nl/mn pour une tuyère de 6 mm de diamètre, 50 à 80 Nl/mn pour une tuyère de 7 mm et 60 à 100 Nl/mn pour une tuyère de 8 mm.In addition, with the torches of the prior art, the possibilities for adjusting the important operating parameters are limited. For example, for the Ar-H₂ plasma mixture (20-25% vol.), Which is the most used, the arc current can vary between 400 and 700 A and the plasma gas flow rate between 40 and 70 Nl / min for a 6 mm diameter nozzle, 50 to 80 Nl / min for a 7 mm nozzle and 60 to 100 Nl / min for an 8 mm nozzle.

La puissance de ces torches est généralement comprise, suivant les gaz plasmagènes utilisés, entre 25 et 50 kW. Des puissances supérieures, 60 à 80 kW peuvent également être atteintes, au prix d'un accroissement du diamètre de la tuyère et du débit de gaz plasmagène (par exemple 100 à 125 Nl/mn avec un mélange Ar-H₂ 25% en volume et une tuyère de 8 mm de diamètre). De telles puissances accroissent notablement la vitesse du jet de plasma et réduisent le temps de séjour des particules.The power of these torches is generally between 25 and 50 kW, depending on the plasma gases used. Higher powers, 60 to 80 kW can also be achieved, at the cost of an increase in the diameter of the nozzle and the plasma gas flow rate (for example 100 to 125 Nl / min with an Ar-H₂ mixture 25% by volume and an 8 mm diameter nozzle). Such powers significantly increase the speed of the plasma jet and reduce the residence time of the particles.

En outre, les différents paramètres des torches classiques ne peuvent varier indépendamment. Ainsi, si on veut passer, par exemple, d'une tuyère de 6 mm de diamètre dans laquelle le débit des gaz est d'environ 40 Nl/mn à une tuyère de 8 mm de diamètre pour réduire la vitesse, il faudra, de par la conception des torches actuelles, augmenter le débit de gaz à 60-70 Nl/mn, ce qui revient pratiquement à ne pas changer la vitesse des particules. Des débits inférieurs pour la tuyère de 8 mm sont possibles mais pour des durées relativement brèves incompatibles avec une durée de vie des électrodes normales dans des conditions de projection industrielle.In addition, the different parameters of conventional torches cannot vary independently. Thus, if we want to move, for example, from a nozzle of 6 mm in diameter in which the gas flow is about 40 Nl / min to a nozzle of 8 mm in diameter to reduce the speed, it will be necessary to by the design of current torches, increase the gas flow to 60-70 Nl / min, which practically means not changing the speed of the particles. Lower flow rates for the nozzle of 8 mm are possible but for relatively short durations incompatible with a lifetime of normal electrodes under industrial spraying conditions.

De plus, un accroissement du diamètre conduit à des instabilités de l'arc et du plasma.In addition, an increase in diameter leads to instabilities of the arc and of the plasma.

Par conséquent, les limites de fonctionnement d'une tuyère classique de diamètre donné sont d'une part trop étroites et d'autre part trop rigides pour pouvoir contrôler indépendamment la vitesse des particules et leur état de fusion.Consequently, the operating limits of a conventional nozzle of given diameter are on the one hand too narrow and on the other hand too rigid to be able to independently control the speed of the particles and their state of melting.

Les limites de fonctionnement décrites ci-dessus se retrouvent dans le cas des torches à arc transféré. Une telle torche est illustrée sur la figure 3 et comprend une cathode 16 de forme conique. Une partie 18 est destinée à recevoir la cathode 16 et présente en général une partie dont la paroi intérieure délimite un canal cylindrique dans la partie inférieure. Entre les deux est défini un espace annulaire 17 dans lequel est injecté le gaz plasmagène. Dans ce type de torche, c'est la pièce P sur laquelle le dépôt est à réaliser qui sert d'anode, le jet de plasma étant parcouru par le courant et le circuit électrique se refermant sur la pièce à traiter.The operating limits described above are found in the case of transferred arc torches. Such a torch is illustrated in FIG. 3 and comprises a cathode 16 of conical shape. A part 18 is intended to receive the cathode 16 and generally has a part whose inner wall defines a cylindrical channel in the lower part. Between the two is defined an annular space 17 into which the plasma gas is injected. In this type of torch, it is the part P on which the deposit is to be made which serves as an anode, the jet of plasma being traversed by the current and the electrical circuit closing on the part to be treated.

Avec ce second type de torche se posent les mêmes problèmes en termes de limite de fonctionnement. La striction du jet est assurée par l'écoulement gazeux plasmagène et, avec une injection parallèle à l'axe de la cathode, dès que le débit de gaz plasmagène est augmenté les recirculations au voisinage de la partie conique de cathode deviennent importantes et limitent la vitesse des gaz dans la colonne d'arc. Il devient alors difficile de faire varier la longueur de l'arc pour avoir un accrochage de type diffus à l'anode, cette longueur étant déterminée par la vitesse des gaz dans la colonne d'arc.With this second type of torch, the same problems arise in terms of operating limit. The necking of the jet is ensured by the plasma gas flow and, with an injection parallel to the axis of the cathode, as soon as the plasma gas flow is increased the recirculations in the vicinity of the conical cathode part become significant and limit the gas velocity in the arc column. It then becomes difficult to vary the length of the arc to have a diffuse type attachment to the anode, this length being determined by the speed of the gases in the arc column.

Statement of the invention

La présente invention a justement pour but de répondre à ces problèmes.The object of the present invention is precisely to respond to these problems.

Plus précisément, elle vise à proposer une torche à plasma d'arc permettant un fonctionnement stable du plasma pour de forts diamètres de tuyère (tout en gardant de faibles débits de gaz et une forte intensité) et permettant un contrôle indépendant de la vitesse des particules et de leur état de fusion.More specifically, it aims to propose an arc plasma torch allowing stable operation of the plasma for large nozzle diameters (while keeping low gas flow rates and high intensity) and allowing independent control of the speed of the particles. and their state of fusion.

Le demandeur a découvert de façon surprenante que ces problèmes peuvent être résolus en accroissant l'accélération du gaz plasmagène au voisinage de la pointe de cathode lors de son passage entre la paroi conique de la cathode et la paroi conique de l'anode alors prolongée presque jusqu'à l'extrémité de la cathode, de façon à supprimer les turbulences, au voisinage de l'extrémité de la cathode. Il existe alors toujours une couche limite froide, au voisinage de la paroi refroidie de l'anode, mais il n'y a plus de recirculation, c'est-à-dire de mouvement permettant à une couche froide de revenir vers l'amont de la pointe de la cathode.The Applicant has surprisingly discovered that these problems can be resolved by increasing the acceleration of the plasma gas in the vicinity of the cathode tip during its passage between the conical wall of the cathode and the conical wall of the anode then extended almost to the end of the cathode, so as to eliminate turbulence, in the vicinity of the end of the cathode. There then always exists a cold boundary layer, in the vicinity of the cooled wall of the anode, but there is no longer any recirculation, that is to say movement allowing a cold layer to return upstream of the tip of the cathode.

Ceci a pour conséquence une meilleure stabilisation de la colonne de plasma dans la tuyère, et l'accrochage se fait de façon plus homogène sur toute la périphérie de la tuyère.This results in a better stabilization of the plasma column in the nozzle, and the attachment is made more homogeneously over the entire periphery of the nozzle.

L'effet d'accroissement de l'accélération du gaz est obtenu par la structure géométrique de l'anode et de la cathode dans leur partie conique respective. Cette géométrie doit être telle que le gaz froid est accéléré avec une forte composante parallèle à la pente de la pointe de cathode entre les deux parois coniques et vient "gainer" le jet cathodique dès son départ de la pointe de cathode et jusqu'à son entrée dans la tuyère. Ce gainage est pratiquement indépendant du diamètre de la tuyère, ce qui explique le découplage des différents paramètres par rapport à ce diamètre.The effect of increasing the gas acceleration is obtained by the geometric structure of the anode and the cathode in their respective conical part. This geometry must be such that the cold gas is accelerated with a strong component parallel to the slope of the cathode tip between the two conical walls and comes to "sheath" the cathode jet from its departure from the cathode tip and until its entering the nozzle. This cladding is practically independent of the diameter of the nozzle, which explains the decoupling of the various parameters with respect to this diameter.

De façon plus précise, l'invention a donc pour objet une torche à plasma d'arc comprenant :

une cathode refroidie à extrémité conique, d'angle au sommet α, de diamètre D à la base,
une anode refroidie comportant une paroi intérieure en forme d'un tronc de cône dont la section définit l'entrée d'une tuyère de forme cylindrique,

caractérisé en ce que la paroi intérieure de l'anode est, dans sa partie conique, parallèle à l'extrémité conique de la cathode, à une distance d de celle-ci et sur une longueur l_g et en ce que l'angle α, le diamètre D, la distance d et la longueur l_g sont tels qu'un gaz plasmagène injecté dans la torche est accéléré entre les deux parois coniques de façon suffisante pour créer un gainage gazeux de la colonne d'arc dès que cette dernière est formée à la pointe de la cathode.More specifically, the invention therefore relates to an arc plasma torch comprising:

a cathode cooled with a conical end, of angle at the top α, of diameter D at the base,
a cooled anode comprising an internal wall in the form of a frustoconical cone, the section of which defines the inlet of a nozzle of cylindrical shape,

characterized in that the internal wall of the anode is, in its conical part, parallel to the conical end of the cathode, at a distance d from the latter and over a length l _g and in that the angle α , the diameter D, the distance d and the length l _g are such that a plasma gas injected into the torch is accelerated between the two conical walls sufficiently to create a gaseous sheathing of the arc column as soon as the latter is formed at the tip of the cathode.

Avec un tel dispositif, il a été possible, notamment, d'obtenir des vitesses de particules d'alumine fondue broyée (diamètre compris entre 45 µm et 22 µm) comprises entre 300 m/s (tuyère de 6 mm de diamètre interne) et 80 m/s (tuyère de 11 mm de diamètre interne) avec un gaz plasmagène Ar-H₂ (25% vol. H₂).With such a device, it has been possible, in particular, to obtain speeds of ground molten alumina particles (diameter comprised between 45 μm and 22 μm) comprised between 300 m / s (nozzle 6 mm in internal diameter) and 80 m / s (11 mm internal diameter nozzle) with an Ar-H₂ plasma gas (25% vol. H₂).

Une telle torche peut être utilisée en combinaison avec un prolongateur de tuyère.Such a torch can be used in combination with a nozzle extender.

Avec un tel prolongateur, la vitesse des particules est certes accrue jusqu'à 20% mais en partant d'une vitesse beaucoup plus faible qu'avec une torche classique, ce qui permet d'éviter un trop fort écrasement entraînant des particules déchiquetées, voire explosées, réduisant la qualité des dépôts.With such an extender, the speed of the particles is certainly increased up to 20% but starting from a much lower speed than with a conventional torch, which avoids too strong crushing resulting in shredded particles, or even exploded, reducing the quality of deposits.

Selon une autre forme de l'invention, la torche peut fonctionner en mode transféré, sans tuyère, avec une très bonne stabilité de l'arc. Le jet de plasma est alors entièrement parcouru par le courant, le circuit électrique se refermant sur la pièce à traiter, qui joue le rôle d'anode extérieure.According to another form of the invention, the torch can operate in transferred mode, without nozzle, with very good arc stability. The plasma jet is then completely traversed by the current, the electric circuit closing on the part to be treated, which plays the role of external anode.

Selon cet autre mode, la torche à plasma d'arc comprend :

une cathode refroidie à extrémité conique d'angle au sommet α' et de diamètre D' à la base,
une pièce destinée à recevoir la cathode et comportant une paroi intérieure en forme de tronc de cône,

caractérisée en ce que la paroi intérieure de la pièce est, dans sa partie conique, parallèle à l'extrémité conique de la cathode, à une distance d' de celle-ci et sur une longueur l'_g, et en ce que l'angle α', le diamètre D', la distance d' et la longueur l'_g sont tels qu'un gaz plasmagène injecté dans la torche est accéléré entre les deux parois coniques de façon suffisante pour créer un gainage gazeux de toute la colonne de plasma située entre l'extrémité de la cathode et une surface à traiter (prise comme anode).According to this other mode, the plasma arc torch comprises:

a cooled cathode with a conical end with an angle at the top α 'and a diameter D' at the base,
a part intended to receive the cathode and comprising an inner wall in the form of a truncated cone,

characterized in that the inner wall of the piece is, in its conical part, parallel to the tapered end of the cathode, at a distance d 'thereof and a length l' _g, and in that the angle α ', the diameter D ′, the distance d and the length l _g are such that a plasma gas injected into the torch is accelerated between the two conical walls sufficiently to create a gas cladding of the entire plasma column located between the end of the cathode and a surface to be treated (taken as an anode).

Avec une telle géométrie, on peut atteindre un allongement de l'arc avec un accrochage de type diffus à l'anode en lui gardant une bonne stabilité même à faible débit de gaz.With such a geometry, it is possible to achieve an elongation of the arc with a diffuse type attachment to the anode while keeping good stability even at low gas flow.

L'angle au sommet de l'extrémité conique de la cathode peut être compris entre 20° et 60°, le diamètre D' entre 8mm et 14mm, d' étant inférieure à 1,2 mm.The apex angle of the conical end of the cathode may be between 20 ° and 60 °, the diameter D 'between 8mm and 14mm, of being less than 1.2 mm.

De préférence, d' est supérieure à 0,75 mm.Preferably, d is greater than 0.75 mm.

D'autres modes de réalisation apparaissent dans les revendications dépendantes.Other embodiments appear in the dependent claims.

Brief description of the figures

De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels :

la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement une torche à plasma selon l'art antérieur, avec différentes chambres d'arc,
les figures 2a à 2c, déjà décrites, illustrent différentes formes possibles pour la chambre d'arc,
la figure 3 représente une coupe schématique d'une torche à plasma à arc transféré selon l'art antérieur,
la figure 4 représente une torche à plasma selon l'invention, vue en coupe,
les figures 5a et 5b représentent une tuyère d'une torche plasma équipée d'un prolongateur,
la figure 6 représente une torche à plasma à arc transféré selon l'invention,
les figures 7a et 7b représentent l'évolution radiale de la température pour une torche classique avec une tuyère de 7mm de diamètre et une torche SGG avec une tuyère de 10mm de diamètre selon l'invention, à 2mm (figure 7a) et à 30 mm (figure 7b) de la sortie de la tuyère,
les figures 8a et 8b représentent la distribution normalisée radiale de la vitesse 2 mm après la sortie de tuyère, pour une torche classique avec une tuyère de 7mm de diamètre (figure 8a) et une torche selon l'invention avec une tuyère de 10mm de diamètre (figure 8b),
les figures 9a et 9b représentent les distributions radiales de vitesse et de température de surface de particules d'alumine injectées dans une torche classique de diamètre de tuyère 7mm et dans une torche SGG de diamètre de tuyère 10mm,
les figures 10a et 10b représentent des lamelles écrasées obtenues avec des particules d'alumine pour une torche SGG de diamètre de tuyère de 10mm (figure 10a) et une torche classique de diamètre de tuyère 7mm (figure 10b).

In any case, the characteristics and advantages of the invention will appear better in the light of the description which follows. This description relates to the exemplary embodiments, given by way of explanation and without limitation, with reference to the appended drawings in which:

FIG. 1, already described, schematically represents a plasma torch according to the prior art, with different arc chambers,
FIGS. 2a to 2c, already described, illustrate different possible shapes for the arc chamber,
FIG. 3 represents a schematic section of a plasma torch with transferred arc according to the prior art,
FIG. 4 represents a plasma torch according to the invention, seen in section,
FIGS. 5a and 5b represent a nozzle of a plasma torch equipped with an extension,
FIG. 6 represents a plasma torch with transferred arc according to the invention,
Figures 7a and 7b show the radial temperature change for a conventional torch with a 7mm diameter nozzle and an SGG torch with a 10mm diameter nozzle according to the invention, at 2mm (Figure 7a) and 30mm (Figure 7b) from the nozzle outlet,
Figures 8a and 8b show the normalized radial distribution of the speed 2 mm after the nozzle outlet, for a conventional torch with a nozzle of 7mm in diameter (Figure 8a) and a torch according to the invention with a nozzle of 10mm in diameter (Figure 8b),
FIGS. 9a and 9b represent the radial distributions of speed and surface temperature of alumina particles injected into a conventional torch with a nozzle diameter of 7 mm and into an SGG torch with a nozzle diameter of 10 mm,
Figures 10a and 10b show crushed lamellae obtained with alumina particles for an SGG torch with a nozzle diameter of 10mm (Figure 10a) and a conventional torch with a nozzle diameter of 7mm (Figure 10b).

Detailed description of embodiments of the invention

La figure 4 est un schéma représentant la section d'une torche à plasma selon l'invention.Figure 4 is a diagram showing the section of a plasma torch according to the invention.

Sur cette figure, la référence 20 désigne une cathode de diamètre D dont l'extrémité est une pointe, par exemple en tungstène thorié en forme de cône d'angle au sommet α et de diamètre D₁. Une anode 22 sert de tuyère, est de préférence constituée de cuivre électrolytique et a une forme délimitant sans sa partie centrale un tronc de cône, et dans sa partie inférieure un canal cylindrique 24 de diamètre Ø. En fait, la partie inférieure 28 du tronc de cône de l'anode définit l'entrée de la tuyère. La partie supérieure de l'anode présente un alésage cylindrique destiné à recevoir la cathode 20, et définit avec cette dernière un espace annulaire 26 dans lequel est injecté le gaz plasmagène.In this figure, the reference 20 designates a cathode of diameter D, the end of which is a point, for example made of tungsten thorium in the shape of a cone of angle at the apex α and of diameter D₁. An anode 22 serves as a nozzle, is preferably made of electrolytic copper and has a shape delimiting without its central part a truncated cone, and in its lower part a cylindrical channel 24 of diameter Ø. In fact, the lower part 28 of the anode frustum defines the inlet of the nozzle. The upper part of the anode has a cylindrical bore intended to receive the cathode 20, and defines with the latter an annular space 26 into which the plasma gas is injected.

Les parois coniques de la cathode et de l'anode sont parallèles entre elles, à une distance d l'une de l'autre. De même, dans sa partie supérieure, l'anode et la cathode seront disposées, de façon préférée, parallèlement entre elles, à une distance d₁ l'une de l'autre.The conical walls of the cathode and the anode are parallel to each other, at a distance d from one another. Likewise, in its upper part, the anode and the cathode will preferably be arranged parallel to each other, at a distance d₁ from one another.

La longueur l_g sur laquelle les deux parois coniques sont parallèles définit la longueur de guidage du gaz plasmagène, c'est-à-dire la longueur sur laquelle ce gaz va être accéléré entre les deux parois. Des considérations géométriques simples permettent de voir que l_g dépend de α, de D et de Ø.The length l _g over which the two conical walls are parallel defines the guide length of the plasma gas, that is to say the length over which this gas will be accelerated between the two walls. Simple geometric considerations allow us to see that l _g depends on α, D and Ø.

Ainsi, à α et Ø fixés, un diamètre D large permet d'accroître la longueur de guidage du gaz. Accessoirement, un fort diamètre D permet le bon centrage de la cathode 20 par rapport à l'anode 22 ainsi que la possibilité d'utiliser des courants d'arc jusqu'à 1000 A en Ar-He et 850 A en Ar-H₂.Thus, with α and Ø fixed, a large diameter D makes it possible to increase the guide length of the gas. Incidentally, a large diameter D allows good centering of the cathode 20 relative to the anode 22 as well as the possibility of using arc currents up to 1000 A in Ar-He and 850 A in Ar-H₂.

Les paramètres essentiels déterminant l'accélération étant l'angle au sommet α, le diamètre D et la distance d entre les deux parois coniques, on les choisit de telle façon que l'accélération radiale du gaz entre les parois des parties coniques respectives de l'anode et de la cathode soit suffisante pour que, dès l'arrivée à l'entrée de la tuyère, le gaz froid vienne gainer le jet cathodique. Ceci a pour conséquence que les turbulence sont supprimées dans la zone supérieure de la tuyère, et évite ainsi toute recirculation du gaz au voisinage de la pointe de la cathode, au contraire de ce qui se passe dans les torches classiques.The essential parameters determining the acceleration being the angle at the top α, the diameter D and the distance d between the two conical walls, they are chosen in such a way that the radial acceleration of the gas between the walls of the respective conical parts of l anode and cathode is sufficient so that, upon arrival at the inlet of the nozzle, the cold gas sheaths the cathode jet. This has the consequence that the turbulence is eliminated in the upper zone of the nozzle, and thus avoids any recirculation of the gas in the vicinity of the tip of the cathode, unlike what happens in conventional torches.

Ce phénomène de gainage est indépendant du diamètre Ø de la tuyère. Bien sûr, celui-ci doit pouvoir permettre une longueur l_g d'accélération suffisante, et ne devra pas excéder 10 mm. Mais, sur toute la plage de valeurs 3 mm-10 mm, le phénomène de gainage se produit. De ce fait, on atteint le découplage des différents paramètres de fonctionnement de la torche par rapport au diamètre Ø.This sheathing phenomenon is independent of the diameter Ø of the nozzle. Of course, this must be able to allow a length l _g of sufficient acceleration, and must not exceed 10 mm. However, over the whole range of values 3 mm-10 mm, the sheathing phenomenon occurs. Therefore, the decoupling of the various operating parameters of the torch with respect to the diameter Ø is achieved.

Notons qu'avec ce type de torche il est préférable d'injecter les gaz axialement le long de la partie cylindrique 26 de la cathode.Note that with this type of torch it is preferable to inject the gases axially along the cylindrical part 26 of the cathode.

Avec la géométrie définie ci-dessus, on peut modifier le diamètre des tuyères, de 3 à 10 mm, indépendamment du gaz plasmagène. Ceci revient à faire varier la vitesse moyenne de l'écoulement dans une proportion de pratiquement 1 à 4 pour un même débit et une même composition de gaz plasmagène et une même intensité de l'arc.With the geometry defined above, it is possible to modify the diameter of the nozzles, from 3 to 10 mm, independently of the plasma gas. This amounts to varying the average speed of the flow in a proportion of practically 1 to 4 for the same flow and the same composition of plasma gas and the same intensity of the arc.

La torche peut alors fonctionner avec une tuyère de grand diamètre pour des débits de gaz faibles. La vitesse du gaz plasma est donc beaucoup plus faible que dans les torches classiques. Pour l'utilisation en projection, la vitesse des poudres est beaucoup plus faible et le temps de séjour plus grand. Ceci permet, avec des gaz moins conducteurs du point de vue thermique, d'atteindre le chauffage au coeur du grain avec moins de vaporisation superficielle, notamment lorsque ce dernier a une faible conductivité thermique.The torch can then operate with a large diameter nozzle for low gas flow rates. The speed of the plasma gas is therefore much lower than in conventional torches. For spraying use, the speed of the powders is much lower and the residence time greater. This allows, with less thermally conductive gases, to reach the heating at the heart of the grain with less surface vaporization, especially when the latter has a low thermal conductivity.

En particulier, on peut choisir l'angle α entre 30° et 60° (par exemple : 35°, 45°, 55°) et le diamètre D entre 8mm et 16mm (par exemple : 10mm, 12mm, 14mm). La distance d sera de préférence inférieure à 1,2 mm et de préférence supérieure à 0,75mm (par exemple 0,8mm ; 0,9mm ; 1mm ; 1,1mm). Des problèmes technologiques de centrage compliquent la torche aux plus faibles distances et, aux plus fortes distances, le gainage de l'arc n'est pas suffisant.In particular, you can choose the angle α between 30 ° and 60 ° (for example: 35 °, 45 °, 55 °) and the diameter D between 8mm and 16mm (for example: 10mm, 12mm, 14mm). The distance d will preferably be less than 1.2 mm and preferably greater than 0.75mm (for example 0.8mm; 0.9mm; 1mm; 1.1mm). Technological problems of centering complicate the torch at the shortest distances and, at the longest distances, the sheathing of the arc is not sufficient.

Les valeurs de α et de D dépendent du courant d'arc utilisé. La valeur de α doit être de préférence adaptée au maintien d'une petite tache en fusion à l'extrémité de la pointe de la cathode. Si le courant d'arc augmente, l'angle au sommet doit être de préférence augmenté afin d'éviter la surchauffe de l'extrémité de la cathode. Il est également raisonnable d'accroître D.The values of α and D depend on the arc current used. The value of α should preferably be adapted to the maintenance of a small molten spot at the end of the tip of the cathode. If the arc current increases, the apex angle should preferably be increased to avoid overheating of the cathode end. It is also reasonable to increase D.

Ainsi, il a été réalisé une torche ayant les paramètres suivants :

D = 14 mm et D₁=10 mm. Ces diamètres permettent d'assurer une longueur de guidage suffisante du gaz, et un fonctionnement jusqu'à 800 A en Ar-He et 650 A en Ar-H₂,
α = 40° et D₁ = 10 mm, aux conditions usuelles de projection (courant de 400 à 600 A et mélange Ar-H₂), ces valeurs de D1 et α permettent d'assurer un équilibre thermique convenable de la pointe de la cathode, c'est-à-dire d'y maintenir une petite tache en fusion de quelques dixièmes de mm,
d₁ = 2 mm,
0,75 mm ≤ d ≤ 1,2 mm,
3 mm ≤ Ø ≤ 10 mm.

Thus, a torch was produced having the following parameters:

D = 14 mm and D₁ = 10 mm. These diameters ensure a sufficient guide length of the gas, and operation up to 800 A in Ar-He and 650 A in Ar-H₂,
α = 40 ° and D₁ = 10 mm, under the usual projection conditions (current from 400 to 600 A and mixture Ar-H₂), these values of D1 and α make it possible to ensure a suitable thermal equilibrium of the tip of the cathode, that is to say to maintain there a small spot in fusion of a few tenths of mm,
d₁ = 2 mm,
0.75 mm ≤ d ≤ 1.2 mm,
3 mm ≤ Ø ≤ 10 mm.

D'autres variantes peuvent être obtenues pour des valeurs différentes de certains paramètres. Le problème est alors de savoir si le jeu de paramètres proposés permet d'atteindre le régime avec stabilisation par gainage gazeux (ou encore, régime "SGG" en abrégé). Les exemples comparatifs donnés à la fin de cette description montrent qu'on peut, par de simples essais, contrôler si on est en présence de ce régime SGG, ou pas.Other variants can be obtained for different values of certain parameters. The problem is then to know if the proposed set of parameters makes it possible to reach the regime with stabilization by gas cladding (or, alternatively, "SGG" regime for short). The comparative examples given at the end of this description show that one can, by simple tests, check whether one is in the presence of this SGG regime, or not.

A la base de la tuyère, du côté opposé à la cathode, se trouve une arrivée d'injection 30 d'un gaz porteur des poudres à déposer.At the base of the nozzle, on the side opposite the cathode, there is an injection inlet 30 for a gas carrying the powders to be deposited.

La tuyère peut également comporter, en face de l'arrivée 30 une autre arrivée 32 de même diamètre que l'arrivée 30 pour un gaz de compensation de même débit et de même nature que le gaz porteur. Cette injection de gaz de compensation, simultanée à l'injection du gaz porteur, permet de ne pas déstabiliser l'arc en sortie de tuyère et d'équilibrer l'influence du gaz porteur. Cette injection symétrique de gaz favorise également une trajectoire des poudres injectées plus proche de l'axe de la tuyère.The nozzle may also include, opposite the inlet 30 another inlet 32 of the same diameter as the inlet 30 for a compensation gas of the same flow rate and of the same nature as the carrier gas. This injection of compensating gas, simultaneous with the injection of the carrier gas, makes it possible not to destabilize the arc at the outlet of the nozzle and to balance the influence of the carrier gas. This symmetrical gas injection also promotes a trajectory of the injected powders closer to the axis of the nozzle.

On peut prolonger la tuyère par un prolongateur 34, ainsi qu'illustré sur les figures 5a et 5b.The nozzle can be extended by an extension 34, as illustrated in FIGS. 5a and 5b.

Le prolongateur est constitué d'un cône ayant un profil droit (ou une forme plus complexe) en cuivre refroidi par eau sous pression (1 à 2 MPa) placé dans le prolongement de la tuyère 22. Un cône différent s'adapte à chaque diamètre de tuyère.The extension consists of a cone with a straight profile (or a more complex shape) in copper cooled by pressurized water (1 to 2 MPa) placed in the extension of the nozzle 22. A different cone adapts to each diameter nozzle.

L'angle du sommet du cône est compris entre 6 et 12° suivant le diamètre de la tuyère, le débit et la nature du gaz plasmagène, la puissance dissipée. La longueur du prolongateur peut varier de 20 à 50 mm.The angle of the tip of the cone is between 6 and 12 ° depending on the diameter of the nozzle, the flow rate and the nature of the plasma gas, the power dissipated. The length of the extension can vary from 20 to 50 mm.

L'injection de poudre par l'arrivée 30 peut alors être réalisée soit dans la tuyère 22 (figure 5a) soit dans le prolongateur 34 (voir figure 5b).The powder injection via the inlet 30 can then be carried out either in the nozzle 22 (FIG. 5a) or in the extension 34 (see FIG. 5b).

De même, si une injection de gaz de compensation a lieu, elle se fera soit dans la tuyère, soit dans le prolongateur.Similarly, if an injection of compensating gas takes place, it will be done either in the nozzle or in the extension.

Comme nous l'avons déjà signalé, le prolongateur évite en grande partie les inconvénients liés à la présence de l'air ambiant autour du jet de plasma, soit :

un refroidissement (et raccourcissement) du plasma par suite du pompage puis de la dissociation de l'oxygène de l'air,
une oxydation importante malgré un temps de séjour faible, dans le cas de métaux notamment.

As we have already pointed out, the extender largely avoids the drawbacks linked to the presence of ambient air around the plasma jet, namely:

cooling (and shortening) of the plasma as a result of pumping and then dissociation of the oxygen from the air,
significant oxidation despite a short residence time, in the case of metals in particular.

Le principal avantage qu'il y a d'utiliser un prolongateur avec la torche SGG est que la vitesse initiale des particules pouvant être beaucoup plus faible qu'avec une torche classique, l'accélération des particules dans le prolongateur n'a pas les conséquences néfastes qu'elle a avec les torches classiques.The main advantage of using an extender with the SGG torch is that the initial particle speed can be much lower than with a conventional torch, the acceleration of the particles in the extender does not have the consequences harmful that it has with conventional torches.

L'utilisation d'un prolongateur permet en outre de réduire considérablement le pompage de l'atmosphère ambiante, d'augmenter corrélativement la longueur du jet de plasma et donc d'accroître le temps de séjour des particules, sous réserve de l'utilisation d'une torche à vitesse lente (ce qui est le cas de la présente invention).The use of an extender also makes it possible to considerably reduce the pumping of the ambient atmosphere, to correlatively increase the length of the plasma jet and therefore to increase the residence time of the particles, subject to the use of a slow speed torch (which is the case with the present invention).

Ainsi, avec la torche selon l'invention, suivie d'un prolongateur, on peut améliorer notablement le transfert thermique tout en utilisant des gaz à plus faible conductivité thermique permettant un chauffage plus uniforme de particules mauvaises conductrices de la chaleur et une diminution de l'évaporation de surface, ce qui entraîne généralement une augmentation du rendement pondéral.Thus, with the torch according to the invention, followed by an extender, it is possible to significantly improve the heat transfer while using gases with lower thermal conductivity allowing a more uniform heating of bad heat-conducting particles and a reduction in l evaporation of surface, which generally leads to an increase in weight yield.

L'invention concerne également les torches à plasma à arc transféré.The invention also relates to plasma torches with transferred arc.

Une telle torche est illustrée sur la figure 6, où les références 40, 42, 46 désignent respectivement :

une cathode 40 de diamètre D', dont la pointe (par exemple en tungstène thorié) est de forme conique avec un angle α' au sommet et de diamètre D'₁,
une pièce 42, constituée par exemple de cuivre, et destinée à recevoir la cathode 40, et qui comporte une paroi intérieure en forme de cône dans sa partie inférieure, parallèle à la paroi conique de la cathode 40, et située à une distance d' de celle-ci,
un espace annulaire 46 défini par la paroi de la cathode 40 d'une part et la paroi d'un alésage cylindrique pratiqué dans la pièce 42. C'est dans cet espace qu'est injecté le gaz plasmagène 48 (généralement axialement, c'est-à-dire parallèlement à l'axe de la cathode).

Such a torch is illustrated in FIG. 6, where the

references

40, 42, 46 respectively designate:

a cathode 40 of diameter D ', the tip of which (for example in thoriated tungsten) is conical in shape with an angle α' at the top and of diameter D'₁,
a part 42, made for example of copper, and intended to receive the cathode 40, and which has an interior wall in the shape of a cone in its lower part, parallel to the conical wall of the cathode 40, and located at a distance of of it,
an annular space 46 defined by the wall of the cathode 40 on the one hand and the wall of a cylindrical bore formed in the part 42. It is in this space that the plasma gas 48 is injected (generally axially, it is that is to say parallel to the axis of the cathode).

La longueur l'_g définit la longueur d'accélération du gaz plasmagène. l'_g dépend de α', D' et Ø' (Ø' est le diamètre de la section du tronc de cône qui définit la paroi intérieure de la pièce 42. Il peut être compris entre 6 et 10mm).The length l ' _g defines the acceleration length of the plasma gas. the _g depends on α ', D' and Ø '(Ø' is the diameter of the section of the truncated cone which defines the interior wall of the part 42. It can be between 6 and 10mm).

Les mêmes considérations que celles développées pour la torche à tuyère guideront le choix des valeurs numériques des différents paramètres.The same considerations as those developed for the nozzle torch will guide the choice of the numerical values of the different parameters.

En particulier, on peut choisir l'angle α' entre 20° et 60°, le diamètre D' entre 8 et 14mm, la distance d' entre 0,75mm et 1,2mm.In particular, one can choose the angle α 'between 20 ° and 60 °, the diameter D' between 8 and 14mm, the distance d 'between 0.75mm and 1.2mm.

Signalons de plus que plus le courant d'arc augmente, plus α' et D' doivent être importants.Let us point out moreover that the more the arc current increases, the more α 'and D' must be important.

Ainsi, il a été réalisé une torche à arc transféré avec :

D' = 8mm,
D'₁ = 6mm,
α' = 30°,
d'₁ = 2mm,
d' = 0,75mm,
l'_g = 5mm,
Ø' = 7mm.

Thus, a transferred arc torch was produced with:

D '= 8mm,
₁ = 6mm,
α '= 30 °,
₁ = 2mm,
d = 0.75mm,
the _g = 5mm,
Ø '= 7mm.

Cette torche fonctionne jusqu'à 300 A, avec un mélange Ar-H₂ (25% vol.).This torch works up to 300 A, with an Ar-H₂ mixture (25% vol.).

Pour des intensités de courant supérieures, le diamètre D'₁ de la cathode peut être augmenté, par exemple jusqu'à 10 mm pour des intensités de 600A et plus.For higher current intensities, the diameter ₁ of the cathode can be increased, for example up to 10 mm for intensities of 600A and more.

Avec ce type de torche à plasma à arc transféré, le jet cathodique est stabilisé et protégé de l'air ambiant par le gaz. Il peut donc rester stable pour une distance anode-cathode de 2 à 30 mm dans l'air.With this type of plasma torch with transferred arc, the cathode jet is stabilized and protected from the ambient air by the gas. It can therefore remain stable for an anode-cathode distance of 2 to 30 mm in the air.

Deux torches à plasma fonctionnant avec un débit de 45 Nl/mm d'argon et 15 Nl/mm d'hydrogène ont été comparées :

l'une de structure classique, c'est-à-dire sans gainage gazeux avec un diamètre de tuyère de 7 mm, un courant d'arc de 622 A, une tension de 62 V et un rendement thermique de 58%,
l'autre étant une torche selon l'invention, c'est-à-dire à gainage gazeux, de diamètre de tuyère égal à 10 mm, de courant d'arc égal à 632 A pour une tension de 61 V et un rendement thermique de 53%.

Two plasma torches operating with a flow rate of 45 Nl / mm of argon and 15 Nl / mm of hydrogen were compared:

one of conventional structure, that is to say without gas sheathing with a nozzle diameter of 7 mm, an arc current of 622 A, a voltage of 62 V and a thermal efficiency of 58%,
the other being a torch according to the invention, that is to say with gas sheathing, of nozzle diameter equal to 10 mm, of arc current equal to 632 A for a voltage of 61 V and a thermal efficiency 53%.

Les figures 7a et 7b représentent respectivement l'évolution radiale des températures stationnaires (mesurées par spectroscopie d'émission à partir de la raie 727,2 nm d'ArI) à 2 et à 30 mm de la sortie des deux tuyères.Figures 7a and 7b respectively represent the radial evolution of temperatures stationary (measured by emission spectroscopy from the 727.2 nm line of ArI) at 2 and 30 mm from the outlet of the two nozzles.

Au voisinage de la tuyère la distribution radiale de température est plus large de près de 2 mm avec la tuyère SGG de diamètre 10 mm alors que les maximum de température sont quasi-identiques. 30 mm en aval de la sortie de tuyère le jet de la tuyère de diamètre 7 mm est plus évasé, probablement du fait de sa plus grande vitesse induisant un pompage plus grand. Avec la tuyère de 10 mm à gainage gazeux, la zone à haute température (T>10000 K) est plus large, ce qui améliore le transfert thermique vers les particules passant en périphérie du jet.In the vicinity of the nozzle the radial temperature distribution is wider by almost 2 mm with the SGG nozzle with a diameter of 10 mm while the maximum temperatures are almost identical. 30 mm downstream of the nozzle outlet the jet of the 7 mm diameter nozzle is more flared, probably due to its greater speed inducing greater pumping. With the 10 mm gas-clad nozzle, the high temperature zone (T> 10000 K) is wider, which improves the heat transfer to the particles passing around the periphery of the jet.

Les figures 8a et 8b montrent les distributions radiales de vitesse à 2 mm de la sortie de tuyère. Comme pour les températures, la distribution radiale de vitesse est beaucoup plus large avec la torche selon l'invention (tuyère de 10 mm et gainage gazeux, figure 8b), qu'avec la torche classique à tuyère de 7 mm de diamètre (figure 8a).Figures 8a and 8b show the radial speed distributions at 2 mm from the nozzle outlet. As with temperatures, the radial speed distribution is much wider with the torch according to the invention (10 mm nozzle and gas cladding, FIG. 8b), than with the conventional 7 mm diameter nozzle torch (FIG. 8a ).

De plus, et ceci est capital, la vitesse maximale avec la tuyère selon l'invention n'est que de 770 m/s contre 2166 m/s avec la tuyère classique. Enfin, comme pour la distribution de température, le profil de vitesse est plus plat avec la tuyère de 10 mm, ce qui induit un traitement plus uniforme des particules.In addition, and this is crucial, the maximum speed with the nozzle according to the invention is only 770 m / s against 2166 m / s with the conventional nozzle. Finally, as with the temperature distribution, the speed profile is flatter with the 10 mm nozzle, which induces a more uniform treatment of the particles.

L'effet de la torche selon l'invention, par rapport aux torches selon l'art antérieur, sur la vitesse et la température de surface des particules est illustré sur les figures 9a et 9b. Les particules considérées sont des particules d'alumine fondues broyées de taille comprise entre 22 µm et 45 µm.The effect of the torch according to the invention, compared to torches according to the prior art, on the speed and the surface temperature of the particles is illustrated in FIGS. 9a and 9b. The particles considered are ground molten alumina particles between 22 µm and 45 µm in size.

Les mesures sont effectuées à 100 mm en aval de la sortie de tuyère. Dans les deux cas, le débit de gaz porteur d'argon m_gp (pour un injecteur de 1,8 mm de diamètre, sans injecteur à 180° avec contre débit) est ajusté pour obtenir une trajectoire moyenne identique (exemple pour Al₂O₃ fondu broyé : m_gp=5,5Nl/mn avec une tuyère classique de 7 mm, et m_gp=3,5 Nl/mn avec une tuyère de 10 mm selon l'invention).The measurements are made 100 mm downstream of the nozzle outlet. In both cases, the flow rate of argon carrier gas m _gp (for a 1.8 mm diameter injector, without 180 ° injector with counter flow) is adjusted to obtain an identical average trajectory (example for Al₂O₃ ground melt : m _gp = 5.5 Nl / min with a conventional nozzle of 7 mm, and m _gp = 3.5 Nl / min with a nozzle of 10 mm according to the invention).

On peut constater que :

la vitesse maximale des particules est réduite de 100 m/s (soit 40%) avec la torche selon l'invention,
le profil de vitesse obtenu est plus plat et plus large avec la torche selon l'invention,
les températures de surface des particules sont pratiquement identiques, ce qui vraisemblablement correspond pour la torche de 10 mm à gainage gazeux à une propagation de chaleur plus faible.

We can note that :

the maximum particle speed is reduced by 100 m / s (i.e. 40%) with the torch according to the invention,
the speed profile obtained is flatter and wider with the torch according to the invention,
the particle surface temperatures are practically identical, which probably corresponds for the 10 mm gas-clad torch to a lower heat propagation.

On peut également étudier l'aspect des dépôts obtenus avec l'une et l'autre torches.We can also study the appearance of deposits obtained with both torches.

D'une façon générale, les lamelles écrasées sur des lames de verre ont des morphologies très différentes. Ainsi, elles peuvent avoir la forme :

(a) - de disque plans,
(b) - de disques avec bourrelet torique en périphérie,
(c) - de disques à profils hémisphériques ou granulaires,
(d) - de disques avec la périphérie déchiquetée,
(e) - de disques avec partie centrale hémisphérique et périphérie identique,
(f) - de lamelles en forme d'étoile avec ou sans discontinuité centrale.

Generally speaking, the strips crushed on glass slides have very different morphologies. Thus, they can have the form:

(a) - of disk plans,
(b) - discs with toric bead on the periphery,
(c) - discs with hemispherical or granular profiles,
(d) - discs with the jagged periphery,
(e) - discs with a hemispherical central part and identical periphery,
(f) - star-shaped strips with or without central discontinuity.

Toutes ces formes dépendent de la vitesse et de la température d'impact des particules, mais aussi de la température et de la nature du substrat.All these forms depend on the speed and the temperature of impact of the particles, but also on the temperature and the nature of the substrate.

Pour des particules d'alumine de diamètre compris entre 45 et 22 µm, avec la tuyère classique de 7 mm, les lamelles sont principalement de type (d), (e) et (f) plus de très petites gouttelettes résultant de particules explosées. Par contre, la tuyère de diamètre 10 mm à gainage gazeux selon l'invention, en dépit de l'existence de lamelles de type (d) et (e), plus de 50% d'entre elles sont de type (a), (b) ou (c).For alumina particles between 45 and 22 µm in diameter, with the conventional 7 mm nozzle, the lamellae are mainly of type (d), (e) and (f) plus very small droplets resulting from exploded particles. On the other hand, the 10 mm diameter gas-sheathed nozzle according to the invention, despite the existence of lamellae of type (d) and (e), more than 50% of them are of type (a), (goat).

Par contre, avec les particules de diamètre compris entre 90 et 45 µm où la vitesse maximale ne dépasse pas 100 m/s avec la tuyère de diamètre 10 mm à gainage gazeux selon l'invention, la morphologie des lamelles est essentiellement de type (a, b, c) comme illustré sur la figure 10a ; elle est de type (d), (e), (f) pour les particules projetées avec la tuyère de 7 mm, comme illustré sur la figure 10b. Il faut également souligner qu'avec la tuyère de 7 mm ces grosses particules ne sont que partiellement fondues en dépit de la fragmentation en périphérie des lamelles.On the other hand, with particles of diameter between 90 and 45 μm where the maximum speed does not exceed 100 m / s with the nozzle of diameter 10 mm with gas cladding according to the invention, the morphology of the lamellae is essentially of type (a , b, c) as illustrated in FIG. 10a; it is of type (d), (e), (f) for particles projected with the 7 mm nozzle, as illustrated in FIG. 10b. It should also be noted that with the 7 mm nozzle these large particles are only partially melted despite the fragmentation at the periphery of the lamellae.

Enfin, on peut comparer, dans les deux cas (tuyère classique de 7 mm, tuyère à gainage gazeux de 10 mm) les rendements massiques et la dureté Vickers des dépôts.Finally, in both cases (conventional 7 mm nozzle, 10 mm gaseous clad nozzle), the mass yields and the Vickers hardness of the deposits can be compared.

Le tableau I résume les résultats obtenus pour des particules de taille comprise entre 90 et 45 µm d'une part et par des particules de taille comprise entre 45 et 22 µm d'autre part. TABLEAU I Taille des particules (µm) -90 + 45 Diamètre tuyère (mm) 7 10 Débit de gaz plasma Ar-H₂ (Nl/mn) 35/12 45/15 35/12 45/15 Rendement de dépôt (%) 44 37 67 60 Dureté Vickers HV₅ 1125±60 1200±70 Taille des particules (µm) -45 + 22 Diamètre tuyère (mm) 7 10 Débits gaz plasma Ar-H₂ (Nl/mn) 35/12 45/15 35/12 45/15 Rendement de dépôt (%) 62 65 71 74 Dureté Vickers HV₅ 1040±90 1100±75 Table I summarizes the results obtained for particles of size between 90 and 45 μm on the one hand and by particles of size between 45 and 22 μm on the other hand. TABLE I Particle size (µm) -90 + 45 Nozzle diameter (mm) 7 10 Ar-H₂ plasma gas flow rate (Nl / min) 12/35 45/15 12/35 45/15 Deposit yield (%) 44 37 67 60 Vickers HV₅ hardness 1125 ± 60 1200 ± 70 Particle size (µm) -45 + 22 Nozzle diameter (mm) 7 10 Ar-H₂ plasma gas flow rates (Nl / min) 12/35 45/15 12/35 45/15 Deposit yield (%) 62 65 71 74 Vickers HV₅ hardness 1040 ± 90 1100 ± 75

On peut constater qu'avec la tuyère de 10 mm selon l'invention, le rendement massique de dépôt est particulièrement amélioré, en particulier pour les poudres -90+45 µm. Lorsque le débit de gaz est réduit (vitesse d'écoulement plus lente) le rendement de dépôt est également amélioré et, dans les deux gammes granulométriques, la dureté Vickers des dépôts est également améliorée avec la tuyère de 10 mm, ce qui traduit une meilleure cohésion des dépôts.It can be seen that with the 10 mm nozzle according to the invention, the mass deposition yield is particularly improved, in particular for powders -90 + 45 μm. When the gas flow is reduced (slower flow speed) the deposition efficiency is also improved and, in the two particle size ranges, the Vickers hardness of the deposits is also improved with the 10 mm nozzle, which translates into better cohesion of deposits.

On voit, comme il a été indiqué plus haut, que divers tests peuvent être proposés, qui permettent de décider si le jeu de paramètres géométriques choisis pour la torche permet ou non d'atteindre l'effet recherché, c'est-à-dire la stabilisation par gainage gazeux. On peut, par exemple, étudier l'aspect des dépôts obtenus, ou bien encore la distribution radiale des vitesses en sortie de tuyère.We see, as indicated above, that various tests can be proposed, which make it possible to decide whether the set of geometric parameters chosen for the torch allows or not to achieve the desired effect, that is to say stabilization by gas cladding. We can, for example, study the appearance of the deposits obtained, or even the radial distribution of the velocities at the nozzle outlet.

Les torches SGG décrites ci-dessous peuvent avantageusement être utilisées dans les domaines suivants :

projection de particules plus grosses qu'avec les torches classiques (par exemple de taille comprise entre 90µm et 45µm contre une gamme de tailles de 45µm à 22µm pour des particules d'alumine),
projection de particules réfractaires en utilisant moins d'hydrogène, c'est-à-dire réduisant le phénomène de propagation de la chaleur, ce qui est particulièrement intéressant pour l'utilisation de poudres agglomérées,
densification de poudres agglomérées,
utilisation de prolongateur de tuyère pour limiter l'oxydation des métaux, des alliages métalliques et des cermets (avec pour ces derniers moins de rebond des particules de céramiques qui ne doivent pas être fondues lors de la projection de tels matériaux,
fusion-refusion superficielle pour durcissement des surfaces,
rechargement notamment à forte puissance (jusqu'à 60 à 80kW), le faible débit de gaz plasmagène nécessaire limitant considérablement l'effet de soufflage de la zone en fusion.

The SGG torches described below can advantageously be used in the following fields:

projection of larger particles than with conventional torches (for example of size between 90 μm and 45 μm against a range of sizes from 45 μm to 22 μm for alumina particles),
projection of refractory particles using less hydrogen, that is to say reducing the phenomenon of propagation of heat, which is particularly advantageous for the use of agglomerated powders,
densification of agglomerated powders,
use of a nozzle extender to limit the oxidation of metals, metal alloys and cermets (with the latter less rebound of ceramic particles which must not be melted during the projection of such materials,
surface fusion-reflow for hardening of surfaces,
recharging in particular at high power (up to 60 to 80kW), the low flow of plasma gas required considerably limiting the blowing effect of the molten zone.

Claims

Arc plasma torch including: - a cooled cathode (20), of diameter D, the end of which is a conical point with an angle at the apex α, a cooled anode (22) having an internal wall in the form of a truncated cone, the section of which defines the inlet (28) of a nozzle (24) of cylindrical shape, characterized in that the internal wall of the anode (22) is, in its conical part, parallel to the conical end of the cathode (20), at a distance d from the latter and over a length l _g , and in that the angle α, the diameter D, the distance d and the length l _g are such that a plasma gas injected into the torch is accelerated between the two conical walls, sufficiently to create a gas cladding of the column as soon as the latter is formed at the tip of the cathode.

Plasma torch according to claim 1, characterized in that the angle α is between 30 ° and 60 °, the diameter D between 8mm and 14mm, the distance d being less than 1.2 mm.

Torch according to claim 2, characterized in that the distance d is greater than 0.75mm.

Torch according to claim 3, characterized in that α is approximately 40 ° and D is approximately 14 mm.

Torch according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter of the nozzle is between 3 and 10 mm.

Torch according to one of the preceding claims, characterized in that the torch is equipped with an extension (34).

Arc plasma torch including: - a cooled cathode (40) of diameter D ', the end of which is a conical point with an angle at the apex α', - a part (42) intended to receive the cathode and comprising an internal wall in the form of a truncated cone, characterized in that the inner wall of the workpiece (42) is, in its conical part, parallel to the tapered end of the cathode, at a distance d 'thereof and a length l' _g, and in that the angle α ', the diameter D', the distance of the length and the _g are such that a plasma gas injected into the torch is accelerated between the two conical walls sufficiently to create a gas cladding all the plasma column located between the end of the cathode and a surface to be treated.

Arc plasma torch according to claim 7, characterized in that the angle α 'is between 20 ° and 60 °, the diameter D' between 8mm and 14mm, the distance d ' being less than 1.2 mm.

Plasma torch according to claim 8, characterized in that d is greater than 0.75mm.

Arc plasma torch according to claim 8 or 9, characterized in that α 'is approximately 30 ° and D' is approximately 8 mm.

Arc plasma torch according to one of Claims 7 to 10, characterized in that the diameter Ø 'of the section of the frustoconical part of the part (42) intended to receive the cathode is between 6 and 10 mm.