KR100328314B1 - High-Velocity Thermal Spray Apparatus and Mehtod of Coatings or Bulk Materials with the Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산화제 가스와 연료를 혼합하도록 구성된 믹싱어셈블리와; 상기 산화제와 연료의 혼합물을 연소하는 내부 버너와; 상기 혼합물의 연소를 시작하는 점화장치와; 상기 혼합물의 연소 생성물을 수용하고 고속 기체 제트를 형성하도록 구성된 가스 팽창노즐과; 상기 제트 내로 소정의 용소물질을 전송하여 상기 제트에 의하여 상기 용소물질의 융점이하로 가속되고 가열된 입자의 흐름을 형성하도록 구성된 물질전송유니트를 포함하고, 상기 산화제 또는 상기 연료의 압력 및 유동량을 증가시킬 때, 또는 상기 혼합물 내로 비활성가스를 첨가할 때, 상기 혼합물의 연소온도를 상기 용소물질의 융점이하로 저하시키는 상기 내부 버너 내에 위치한 촉매부제를 추가적으로 포함하는 기판상으로 물질을 증착시키는 고속 서멀 스프레이 장치를 개시하고 있다.The present invention relates to a mixing assembly comprising: a mixing assembly configured to mix an oxidant gas and a fuel; An internal burner for burning the mixture of oxidant and fuel; An ignition device for starting combustion of the mixture; A gas expansion nozzle configured to receive combustion products of the mixture and form a high velocity gas jet; A mass transfer unit configured to transfer a predetermined soluble material into the jet to form a flow of heated particles accelerated below the melting point of the soluble material by the jet, and increase the pressure and flow rate of the oxidant or the fuel. A high speed thermal spray that deposits material onto a substrate that further includes a catalyst subsidiary located in the internal burner that, when added to the mixture, or when adding an inert gas into the mixture, lowers the combustion temperature of the mixture below the melting point of the molten material. The device is starting.

Description

고속 서멀 스프레이 장치 및 고속 서멀 스프레이 장치를 이용한 코팅 또는 벌크물질을 형성하는 방법 {High-Velocity Thermal Spray Apparatus and Mehtod of Coatings or Bulk Materials with the Same}High-Velocity Thermal Spray Apparatus and Mehtod of Coatings or Bulk Materials with the Same}

본 발명은 플레임(flame) 스프레이 장치 및, 서멀 스프레이 기술(thermal spraying technique)을 이용하여 코팅(coatings)과 벌크재료(bulk materials)를 증착시키는 방법에 관한 것으로서, 특히 고속 산화제-연료 스프레이 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 산화제로 산소가 사용되는 경우의 서멀 스프레이 기술을 HVOF(High-Velocity Oxygen-Feul) 용사(spraying)라 하고, 산화제로 공기 및 산소가 풍부한 공기가 사용될 경우의 서멀 스프레이 기술을 HVAF(High-Velocity Air-Fuel)용사라 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to flame spray devices and methods of depositing coatings and bulk materials using thermal spraying techniques, and in particular high speed oxidant-fuel spray devices and their It is about a method. Thermal spray technology when oxygen is used as oxidant is called HVOF (High-Velocity Oxygen-Feul) spraying, and thermal spray technology when air and oxygen-rich air is used as oxidant is HVAF (High-Velocity Air). -Fuel) Called a warrior.

서멀 스프레이 기술은, 코팅 및 벌크재료 형태의 금속 및 세라믹을 여러 형태의 기판(substrate)에 도포하기 위하여 폭 넓게 사용된다. 대부분의 서멀 스프레이 방법은 스프레이 물질의 입자를 가열하고 가속화하기 위하여 고온의 기체 제트의 에너지를 활용한다. 입자가 기판과 충돌할 때, 입자는 코팅을 형성한다.Thermal spray technology is widely used to apply metals and ceramics in the form of coatings and bulk materials to various types of substrates. Most thermal spray methods utilize the energy of hot gas jets to heat and accelerate particles of the spray material. When the particles collide with the substrate, the particles form a coating.

HVOF장치는, 통상적으로, 여러 개의 막대 형상으로 된 높은 압력을 가진 내부 버너(burner)에서 연료와 산소를 연소시켜 고온의 기체 제트(jet)를 발생시킨다. 연료는 프로판(propane), 메탄(methane), 프로필렌(propylene), MAPP가스, 수소(hydrogen) 등과 같은 기체 연료와 케로신(kerosene)과 같은 액체 연료가 사용될 수 있다. 기체는 음속(sonic velocity)으로 배기노즐(exhaust nozzle) 또는 배럴(barrel)로 팽창한다. 대기 중에서 팽창하거나 또는 노즐 (예를 들면, 라발 노즐;Laval's nozzle)의 확대된 단면으로 팽창하면 초음속 제트가 형성된다. 이러한 이유로 인하여, '고속(high-velocity)'이라 불린다. 이와 같은 장치는 1982년 8월 등록된 미국 특허 제 4,342,551호 및 제 4,343,605호에 나타나 있다. 미국 특허 제 4,370,538호, 제 4,540,121호, 제 4,634,611호, 제 4,836,447호, 제 5,019,686호, 제 5,206,059호 및 5,535,590호는 용사물질(spraying material)을 가열하고 가속하는 효율을 개선하도록 한 HVOF건(gun)의 개량 발명들이다. 보다 조밀한 코팅을 하였음에도 불구하고, HVOF 공정에서 입자들이 최소한 부분적이라도 융해되기 때문에, HVOF 공정에서 보다 높은 산소 함유량을 가진 물질들이 증착되고, 따라서 입자들의 표면은 매우 활성적으로 된다. 제트는, 불완전 연소와 대기로부터 온 공기의 분출로 인하여 항상 산소 기체를 포함하고 있으므로, 입자가 융해된 표면은 빠르게 산화된다. 또한, 이러한 공정은 압축된 산소를 대량으로 소비하므로 경제적으로 많은 비용을 요한다. 또한, 융해된 용소입자는 긴 노즐을 막을 수 있고, 따라서, HVOF 장치를 작동시키는 데 많은 문제점이 발생한다.HVOF devices typically generate hot gas jets by burning fuel and oxygen in a high pressure internal burner in the form of several rods. The fuel may be a gaseous fuel such as propane, methane, propylene, MAPP gas, hydrogen, or a liquid fuel such as kerosene. The gas expands in an exhaust nozzle or barrel at sonic velocity. Inflation in the atmosphere or in an enlarged cross section of a nozzle (eg, Laval's nozzle) forms a supersonic jet. For this reason, it is called 'high-velocity'. Such a device is shown in US Pat. Nos. 4,342,551 and 4,343,605, registered in August 1982. U.S. Patents 4,370,538, 4,540,121, 4,634,611, 4,836,447, 5,019,686, 5,206,059, and 5,535,590 are HVOF guns designed to improve the efficiency of heating and accelerating spraying material. And improved inventions. Despite the denser coating, because the particles at least partially melt in the HVOF process, materials with higher oxygen content are deposited in the HVOF process, thus making the surface of the particles very active. Since the jet always contains oxygen gas due to incomplete combustion and the release of air from the atmosphere, the surface on which the particles are fused oxidizes quickly. In addition, these processes consume large amounts of compressed oxygen and are economically expensive. In addition, the molten molten particles can block the long nozzles, and thus many problems arise in operating the HVOF apparatus.

미국 특허 제 5,120,582호의 HVAF 장치는 HVOF공정 보다 경제적인 대안책으로 만들어졌다. 공기와 케로신(kerosene)의 연소가 이러한 장치 작동의 주된 모드이다. 미국 특허 제 5,405,085호 및 제 5,520,334호에서는 보다 개량된 디자인을 보여주고 있다. 이러한 장치의 주된 문제는, 연료-공기 혼합물에서의 플레임(flame)의 전파 속도가 연료-산소 혼합물에서 보다 2 등급 낮기 때문에, 기체가 고속으로 흘러갈 때 불안정한 연소를 수행한다는 것이다. 안정하고 완전한 연소를 수행하기 위하여 보다 넓은 내부를 가진 버너를 사용할 지라도, 이것은 체임버가 너무 길어 체임버(chamber) 및 노즐의 축 방향으로 용소 파우더(power), 즉 입자가 통과하지 못하는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 입자를 노즐 측면으로 주입하면, 축 방향으로 주입하는 것을 이용한 HVOF 장치에서 보다 더 큰 문제, 예를 들면, 노즐이 막히는 문제를 야기 시킬 수 있다. 연소의 점화를 위해, HVAF건의 파일럿 플레임(pilot flame)으로 수소 및 메탄을 사용하면 건(gun)을 비실용적이고 불안전하게 할 수 있다.The HVAF device of US Pat. No. 5,120,582 is an economical alternative to the HVOF process. Combustion of air and kerosene is the main mode of operation of these devices. U.S. Patent Nos. 5,405,085 and 5,520,334 show more advanced designs. The main problem with these devices is that the flame propagation rate in the fuel-air mixture is two orders of magnitude lower than in the fuel-oxygen mixture, resulting in unstable combustion when the gas flows at high speed. Although a burner with a wider interior is used to perform a stable and complete combustion, this has the problem that the chamber is too long so that the powder, ie particles, do not pass in the axial direction of the chamber and nozzle. In order to solve this problem, injecting particles to the nozzle side may cause a larger problem, such as clogging of the nozzle, in an HVOF apparatus using axial injection. For the ignition of combustion, the use of hydrogen and methane as the pilot flame of the HVAF gun can render the gun impractical and unsafe.

미국 특허 제 5,932,293호는 HVAF 장치의 디자인에 있어 중대한 개선을 수행하였다. 투과성 버너블록(burner block)을 내부 연소 체임버로 도입하였다. 고온의 벽과 투과성 버너블록의 통로는, 공기-연료 혼합물의 자동 점화 온도 이상으로 가열되었을 때, 계속하여 혼합물을 점화시키고, 따라서 소형 버너에서 안정한 연소를 수행한다. 그러나, 안정한 연소는, 연료대 공기의 비율이 협소한 범위, 즉, 화학량론비(stoichimetrical ratio)에 근접한 비율에서만 수행되고, 기체의 총 유량(flow)은, 기체의 흐름이 투과성 버너 블록을 냉각시키기 때문에 제한된다. 이것은 명백히 서로 다른 물질의 용소에 필요한 기술적 변수의 폭을 제한할 뿐만 아니라, 액화 연료의 액적(液滴)이 버너로 갔을 때에는 기술적 문제를 야기 시킬 수있고, 프로판(propane) 또는 보다 무거운 연료를 사용할 때는 반드시 발생한다. 연료의 액적은, 공기대 연료비를 감소시키고 연소를 불안정하게 하면서 버너에서 급격히 증발한다.U. S. Patent No. 5,932, 293 has made significant improvements in the design of the HVAF device. Permeable burner blocks were introduced into the internal combustion chamber. The hot walls and passages of the permeable burner block continue to ignite the mixture when heated above the autoignition temperature of the air-fuel mixture, thus performing stable combustion in the small burner. However, stable combustion is carried out only in a narrow range of fuel to air ratio, i.e., in a ratio close to the stoichimetrical ratio, and the total flow of gas is such that the flow of gas causes the permeable burner block to cool. Is limited. This obviously not only limits the width of the technical parameters required for the dissolution of different materials, but it can also cause technical problems when the droplets of liquefied fuel go to the burner and use propane or heavier fuels. It always happens. Droplets of fuel evaporate rapidly at the burners, reducing the air-to-fuel ratio and making combustion unstable.

연소 온도(프로판과 공기의 혼합물의 경우 1900°C)가 대부분의 용소물질의 융점을 초과할 때, HAVF 코팅은 더 산화되고, 따라서 최소한 용소입자의 표면은 융해되며, 제트 내의 산소에 의해 활발히 산화된다.When the combustion temperature (1900 ° C for a mixture of propane and air) exceeds the melting point of most soluble materials, the HAVF coating is more oxidized, so that at least the surface of the soluble particles melts and is actively oxidized by oxygen in the jet. do.

한편, 고체성 비 액화의 입자를 용소 할 경우, 용소 할 동안 물질의 산화는 실질적으로 억압된다. 미국 특허 제 5,302,414호는 코팅을 도포하는 기체-다이나믹 스프레이 방법에 대해서 개시하고 있다. 상기 방법에 있어서, 초음속 제트는, 용소물질의 융해 온도 보다 낮은 온도를 가진 압축 기체들을 팽창시킴으로서 만들어진다. 코팅은 고체 입자들이 충돌할 동안 형성되고, 고체 입자들이 가열되지 않으므로 실질적으로 증착될 동안에는 산화되지 않는다. 그러나 가열되지 않은 입자에 의해 형성된 코팅은 HVOF의 코팅과 비교할 때 다공질(多孔質)이다. 전기 히터로 압축된 기체를 미리 가열하는 것은 장치의 부피를 크게 하는 반면에 코팅의 질에는 별다른 효과를 도출하지 못한다.On the other hand, when the solid non-liquefied particles are dissolved, the oxidation of the material during the melting is substantially suppressed. U.S. Patent 5,302,414 discloses a gas-dynamic spray method of applying a coating. In this method, a supersonic jet is made by expanding compressed gases having a temperature lower than the melting temperature of the soluble material. The coating is formed while the solid particles collide, and since the solid particles are not heated, they are not substantially oxidized during deposition. However, the coating formed by the unheated particles is porous compared to the coating of HVOF. Preheating the compressed gas with an electric heater increases the volume of the device, while yielding no significant effect on the quality of the coating.

HVOF와 HVAF 기술을 사용하면 입자들이 용소 물질의 융점이하로 가속화되고 가열될 수 있기 때문에, 더 효과적으로 보일 수 있다. 1992년 12월 서멀 스프레이 테크놀러지 저널의 테크니컬 노트의 289페이지에서 뿐만 아니라 미국 특허 제 5,271,965호에서 이러한 견해를 발표하였다. 그는 고체입자가 기판과 충돌할 동안 운동에너지(충돌 융해)의 방출로 인하여 융해된다고 가정하였다. 따라서, 입자속도는 코팅의 형성에 매우 중요한 인자가 되었다. 문제는, 공지의 HVOF와 HVAF 장치에 있어서 버너 내의 기체 온도의 감소는 항상 기체속도의 감소를 수반한다는 것이다. 이것은 입자 속도의 감소를 초래하고 있다. 상기 문제들을 극복하기 위하여, 독특한 해결책들이 도출되었다. 예를 들면, 입자가 용소 할 동안 고체 상태가 유지되도록 하기 위하여, 미국 특허 제 5,330,798호는 액적을 주입하여 노즐의 제트를 물질의 융점이하로 냉각시킬 것을 제안했다. 그리 하면, 연소 공정 그 자체는 영향을 받지 않게 된다. 이 장치에 있어서의 문제점은 공정이 복잡하고 장치의 효율성이 감소된다는 것이다.The use of HVOF and HVAF techniques can make particles look more effective because they can be accelerated and heated below the melting point of the soluble material. This view was published in December 1992 in US Patent No. 5,271,965, as well as on page 289 of the Technical Note of the Thermal Spray Technology Journal. He assumed that the solid particles melted due to the release of kinetic energy (collision melting) while colliding with the substrate. Therefore, particle velocity has become a very important factor in the formation of the coating. The problem is that in known HVOF and HVAF apparatus, the reduction of the gas temperature in the burner always involves the reduction of the gas velocity. This results in a decrease in particle speed. To overcome the above problems, unique solutions have been derived. For example, to keep the solid state while the particles melt, US Pat. No. 5,330,798 proposed to inject droplets to cool the jet of the nozzle below the melting point of the material. The combustion process itself is then not affected. The problem with this apparatus is that the process is complicated and the efficiency of the apparatus is reduced.

뿐만 아니라, 온도의 저하에 따른 기체 속도의 저하는, HVOF와 HVAF 기술로 고체 입자를 용소하여 양질의 코팅 증착하는 것에 대한 문제점을 가져왔다. 실제로, 연소의 불안정화를 초래하지 않고 기체 온도의 필수적인 저하를 공지의 장치에서 구현한다는 것은 불가능하다. 공지된 바와 같이, 기체가 고속으로 흐르는 상태에서 산화제-연료 혼합물을 안정하게 연소시키는 것은, 화학량론비(stoichimetrical ratio)에 근접한 산화제-연료의 비율이 협소한 범위에서만 수행된다. 연소의 최대 온도는 이러한 범위에서 도달된다. 예를 들면, 산소와 프로판의 혼합물의 경우, 화학량론비는 체적에 있어서는 약 5:1이고 최대 연소 온도는 2800°C를 초과한다. 산소가 과다하면 연소 온도를 저하시킨다. 산소와 프로판의 경우, 2.5:1의 비율에서 연소 온도는 약 2500°C이다. 산소의 함유량이 증가하면 연소를 불가능하게 한다. 산소-프로판 혼합물의 경우에 있어서, 화학량론비는 최대 연소 온도가 약 1900°C이고, 체적에 있어서는 약 25:1이다. 투과성 버너 블록의 '고온' 벽이 있을 때에서도 상기 화학량론비가 10%이상 유동할 때, 이러한 혼합물은 연소를 가능케 하지 않는다(미국 특허 제 5,932.293호). 따라서, HVAF 공정에 있어서, 화학량론비 이상으로 공기 또는 프로판의 함유량의 증가하여 기체 온도를 저하시키는 것은 실질적으로 불가능하다. 상술한 기체 온도는 서멀 스프레이를 위해 사용된 상용화된 대부분의 합금의 융점이상인 것이 좋다. 따라서, 용소입자의 표면은 최소한 융해되고, 용소할 동안 물질이 빨리 산화되도록 한다. 미세한 입자, 예를 들면, 20 ㎛ 이하의 입자들이 사용될 경우에는 문제를 악화시킬 수 있다.In addition, the decrease in gas velocity due to the temperature drop has caused a problem of high quality coating deposition by melting solid particles with HVOF and HVAF techniques. Indeed, it is impossible to implement in the known apparatus the necessary lowering of the gas temperature without causing destabilization of the combustion. As is known, the stable combustion of the oxidant-fuel mixture in a state where the gas flows at high speed is performed only in a range where the ratio of the oxidant-fuel close to the stoichimetrical ratio is narrow. The maximum temperature of combustion is reached in this range. For example, for a mixture of oxygen and propane, the stoichiometric ratio is about 5: 1 by volume and the maximum combustion temperature exceeds 2800 ° C. Excessive oxygen lowers the combustion temperature. For oxygen and propane, the combustion temperature is about 2500 ° C at a ratio of 2.5: 1. Increasing the oxygen content renders combustion impossible. In the case of an oxygen-propane mixture, the stoichiometric ratio has a maximum combustion temperature of about 1900 ° C. and a volume of about 25: 1. Even when there is a 'hot' wall of the permeable burner block, when the stoichiometric ratio flows above 10%, this mixture does not allow combustion (US Pat. No. 5,932.293). Therefore, in the HVAF process, it is substantially impossible to decrease the gas temperature by increasing the content of air or propane above the stoichiometric ratio. The gas temperature mentioned above is preferably above the melting point of most of the commercially available alloys used for thermal spraying. Thus, the surface of the melt particles melts at least, allowing the material to oxidize quickly during melting. The problem may be exacerbated when fine particles, for example particles smaller than 20 μm, are used.

본 발명 목적은 기체 제트의 속도에 근접한 입자 속도를 가진 비 용해 입자를 용소하여 저산화, 고밀도 코팅 및 벌크물질을 형성하는 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for melting low dissolving particles having a particle velocity close to that of a gas jet to form low oxidation, high density coatings and bulk materials.

도 1은 내부 버너를 형성하는 와이어-네트 인서트의 형태의 촉매부재를 가진 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 고속 서멀 스프레이 장치의 개략적 수직 단면도이다.1 is a schematic vertical cross-sectional view of a high speed thermal spray apparatus according to a first preferred embodiment of the present invention having a catalyst member in the form of a wire-net insert forming an internal burner.

도 2는 와이어-네트 인서트 형태의 촉매부재를 가진 고본 발명의 바람직한 제 1 실시예의 변형인 서멀 스프레이 장치의 개략적 수직 단면도이다.FIG. 2 is a schematic vertical cross-sectional view of a thermal spray apparatus, which is a variation of the first preferred embodiment of the present invention having a catalyst member in the form of a wire-net insert.

도 3은 내부 버너를 형성하는 촉매용 세라믹 지지자의 통로와 하부표면상으로 코팅된 촉매부재를 가진 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 고속 서멀 스프레이 장치의 개략적 수직 단면도이다.Figure 3 is a schematic vertical cross-sectional view of a high speed thermal spray apparatus according to a second preferred embodiment of the present invention having a passage of a catalyst ceramic support for forming an internal burner and a catalyst member coated on the lower surface.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1: 연료공급튜브 2: 파우더인젝터1: fuel supply tube 2: powder injector

3: 공기공급튜브 5: 공기분배기3: air supply tube 5: air distributor

6: 믹싱블록 8: 촉매부재6: mixing block 8: catalyst member

A: 공기분배체임버 B: 냉각부A: air distribution chamber B: cooling part

C: 보어 D: 냉각통로C: bore D: cooling passage

E: 에어보어 F: 믹싱체임버E: Air Bore F: Mixing Chamber

G: 혼합물출구보어 H: 체임버G: Mixture Outlet Bore H: Chamber

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 서멀 스프레이 장치는 산화제-연료(oxidizer-fuel) 혼합물 어셈블리와, 내부 버너와, 점화장치와, 팽창노즐과, 용소물질전송유니트으로 이루어진다. 또한, 본 발명에 따른 서멀 스프레이 장치는 압력 및 산화제 또는 연료의 유동율은 화학량론비 이상으로 증가시키거나, 또는 비활성 기체를 혼합물에 첨가할 경우에, 혼합물의 연소온도를 용소물질의 융점이하로 낮추기 위한 내부 버너내의 촉매부재(catalytic member)를 더욱 포함하고 있다.In order to achieve the above object, a thermal spray device according to a preferred embodiment of the present invention comprises an oxidizer-fuel mixture assembly, an internal burner, an ignition device, an expansion nozzle, and a soluble material transfer unit. In addition, the thermal spray apparatus according to the present invention is designed to reduce the combustion temperature of the mixture below the melting point of the soluble material when the pressure and the flow rate of the oxidant or fuel are increased above the stoichiometric ratio, or when an inert gas is added to the mixture. It further comprises a catalytic member in the internal burner.

본 발명에 있어서, 내부 버너의 촉매부재는 다음과 같은 최소한 두 가지의 주 기능을 총족시키고 있다. 첫째, 산화제-연료 혼합물의 점화온도를 현저하게 저하시킨다. 따라서, 연소 가능한 혼합물을 점화하는 촉매 표면을 '과냉(過冷)'시키지 않고도 기체의 총 유동율을 현저하게 증가시킬 수 있다. 둘째, 촉매부재는, 기체의 특정 농도에서 반응(연소)시키는 촉매 표면의 반응성 기체들을 흡수한다. 촉매 표면이 충분히 넓을 경우, 바람직한 산화제-연료의 비율에서 연소를 증진시키는 것이 가능하다. 따라서, 촉매가 있을 때, 산화제 또는 연료의 압력과 유동율을 화학량론비 이상으로 증가시킬 수 있고, 질소와 같은 비활성 가스를 혼합물에 첨가하는 것이 가능하다. 따라서 연소를 불안정하게 하지 않고도 소정의 온도로 기체를 냉각시킬 수 있다. 반면에, 제트의 총 에너지를 증가시키기 위하여 촉매 반응하는 내부 버너를 사용할 경우, 고 융점을 가진 용소물질의 산화제 및 연료의 압력과 유동비율은 실질적으로 증가한다.In the present invention, the catalyst member of the internal burner satisfies at least two main functions as follows. First, it significantly lowers the ignition temperature of the oxidant-fuel mixture. Thus, it is possible to significantly increase the total flow rate of the gas without 'supercooling' the catalyst surface igniting the combustible mixture. Second, the catalyst member absorbs reactive gases on the surface of the catalyst that react (burn) at a particular concentration of gas. If the catalyst surface is sufficiently wide, it is possible to enhance combustion at the desired oxidant-fuel ratio. Thus, in the presence of a catalyst, the pressure and flow rate of the oxidant or fuel can be increased above the stoichiometric ratio, and it is possible to add an inert gas such as nitrogen to the mixture. Thus, the gas can be cooled to a predetermined temperature without destabilizing combustion. On the other hand, when a catalytically internal burner is used to increase the total energy of the jet, the pressure and flow rate of the oxidant and fuel of the high melting point oxidant are substantially increased.

한가지 중요한 요인(factor)은 기체의 압력과 유동율이 증가하면, 온도 하강과 노즐내의 기체 속도의 저하가 효율적으로 보상된다는 것이다. 뿐만 아니라, 기체의 농도가 증가하게 된다. 그 결과, 용소입자의 속도는 온도 저하와 함께 감소되지 않는다. 반면, 입자 속도의 다음의 두 가지 조건이 만족될 때 현저하게 증가한다. 첫째, 1~20㎛ 이하의 미세한 입자를 용소하는 것이다. 이러한 입자는 기체 제트의 속도까지 가속될 수 있다. 둘째, 고체 입자에 의한 노즐이 막히지 않고 입자를 가속할 수 있는 긴 노즐을 사용하는 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 에어-프로판 가열성(加熱性) 혼합물의 사용 시 입자 속도는 최소한 600m/s-800m/s이다.One important factor is that as the pressure and flow rate of the gas increases, the temperature drop and the drop in gas velocity in the nozzle are effectively compensated. In addition, the concentration of gas is increased. As a result, the velocity of the dissolved particles does not decrease with decreasing temperature. On the other hand, it significantly increases when the following two conditions of the particle velocity are satisfied. First, to melt the fine particles of 1 ~ 20㎛ or less. These particles can be accelerated up to the velocity of the gas jet. Second, the use of long nozzles that can accelerate particles without clogging the nozzles by solid particles. In a preferred embodiment of the present invention, the particle velocity when using an air-propane heating mixture is at least 600 m / s-800 m / s.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치 및 그 방법에 있어서, 촉매부재는 플래티늄(platinum), 팰라디윰(palladium), 라듐(rhodium)과 같은 귀금속(noble metal)의 그룹으로부터 선택된 촉매, 또는 상기 귀금속과 희토류금속(rare earth metal; Ce, La, Nd) 중 최소한 하나 이상의 이성분 산소, 또는 바륨(barium), 스트론튬(strontium) 및 희토류금속에 의해서 형성된 최소한 하나 이상의 이성분 산소, 또는 고온 산화에 잘 견디고 사용된 산화제-연료 혼합물의 점화온도를 저하시킬 수 있는 촉매를 포함한다.In the apparatus and method according to a preferred embodiment of the present invention, the catalyst member is a catalyst selected from the group of noble metals such as platinum, palladium, rhodium, or the precious metals. At least one binary oxygen of rare earth metals (Ce, La, Nd) or at least one binary oxygen formed by barium, strontium and rare earth metals, or at high temperature oxidation And a catalyst capable of withstanding and lowering the ignition temperature of the oxidant-fuel mixture used.

촉매부재는 와이어-네트 인서트(wire-net insert)의 형태로 만들어 질 수 있고, 또한 와이어-네트 인서트 대신 내부 버너의 벽 및 통로의 코팅 또는 내부 버너에 위치한 최소한 하나의 다공질 세라믹 지지자(ceramic support)의 코팅으로서도 만들어 질 수 있다. 촉매코팅은 연소가 수행되어야 하는 표면에만 도포될 수 있고, 따라서, 필요한 영역에서만 국부적인 연소를 일으키고, 버너의 다른 표면을 과열(overheating)로부터 보호하고 있다.The catalyst element can be made in the form of a wire-net insert, and also at least one porous ceramic support positioned on the inner burner or on the coating of the walls and passages of the inner burner instead of the wire-net insert. It can also be made as a coating of. Catalytic coating can only be applied to the surface where combustion is to be performed, thus causing local combustion only in the required area and protecting the other surface of the burner from overheating.

고속 서멀 스프레이 장치는 또한 제 1 팽창노즐을 두르는 환상형(annular geometry)의 적어도 하나 이상의 제 2 내부 버너와 적어도 하나 이상의 제 2 팽창노즐을 포함할 수 있다. 버너와 노즐의 이러한 '케이스케이드(casecade)'는 입자들을 더욱 가속시키고, 입자들을 용소물질의 융점이하로 상대적으로 느리고 균일하게 가열하도록 구성된다.The high speed thermal spray apparatus may also include at least one or more second internal burners and at least one or more second expansion nozzles of annular geometry surrounding the first expansion nozzle. This 'casecade' of burners and nozzles is configured to further accelerate the particles and to heat the particles relatively slowly and evenly below the melting point of the melt.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 물질전송유니트는 파우더 또는 와이어를 장치내부로 이송할 수 있다. 파우더스톡(powder stock)의 경우에 있어서, 물질 전송 유니트는 파우더 입자들을 소정의 위치에 위치한 내부 버너 및/또는 팽장노즐 내로 전송하도록 적어도 하나 이상의 인젝터(injector)를 포함하고 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우더는 내부 버너의 축 방향으로 주입되고, 따라서 가열 및 가속 효율은 최대로 된다.The material transfer unit according to the preferred embodiment of the present invention can transfer powder or wire into the device. In the case of powder stock, the material transfer unit comprises at least one injector to transfer the powder particles into an internal burner and / or expansion nozzle located at a predetermined position. The powder according to a preferred embodiment of the invention is injected in the axial direction of the internal burner, so that the heating and acceleration efficiency is maximized.

와이어스톡(wire stock)의 경우에 있어서, 물질 전송유니트는 전기 아크 와이어팁(electric arc wire tip)에 의하여 녹은 용융물을 내부 버너의 축방향 또는 팽창노즐 방향으로 전송하도록 구성된 이중-와이어(dual-wire) 전기 아크 장치이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치 및 그 방법에 있어서, 용융 와이어는, 연료가 과다한 산화제-연료 혼합물의 연소로 인하여 형성된 고속 기체 제트에 의하여 미세한 입자로 세분화되고, 가속되고, 냉각된다. 화학량존비보다 높은 유동율(flow rate)은 용소물질의 융점이하로 기체 온도를 감소시키기 위하여 필요할 뿐만 아니라, 제트 내 환경의 영향을 감소시키기 위하여 필요하고, 따라서, 용소할 동안에 가능한 산화를 억제한다. 차가운 제트로 코팅을 도포하면 할수록, 노즐과 기판사이의 거리는 더 짧아지고, 제트는 대기로부터 분출된 공기와 덜 희석되기 때문에 연소된 연료가 원인이 아닌 산화를 보다 효율적으로 억제할 수 있다.In the case of wire stock, the material transfer unit is a dual-wire configured to transfer the melt melted by the electric arc wire tip in the direction of the axial or expansion nozzle of the internal burner. A) Electric arc device. In the apparatus and method according to a preferred embodiment of the invention, the molten wire is subdivided into fine particles, accelerated and cooled by a high velocity gas jet formed by the combustion of the excess oxidant-fuel mixture. A flow rate higher than the stoichiometric ratio is necessary not only to reduce the gas temperature below the melting point of the soluble material, but also to reduce the influence of the environment in the jet, thus inhibiting possible oxidation during melting. The more the coating is applied with a cold jet, the shorter the distance between the nozzle and the substrate, and the jet is less diluted with the air blown out of the atmosphere, which makes it possible to more efficiently inhibit oxidation, not caused by burned fuel.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 서멀 스프레이 장치는 공기-기체연료 혼합물에 의해 작동한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 서멀 스프레이 장치는 연료공급튜브(1), 공기공급튜브(3)와, 공기분배기(5)와, 믹싱블록(mixing block;6)에 의해 형성된 믹싱어셈블리(mixing assembly)을 가지고 있다. 본 발명의 서멀 스프레이 장치는 또한 체임버(H)의 와이어-네트 인서트로서 만들어진 촉매부재(8)에 의하여 형성된 촉매버너를 가지고 있다. 체임버(H)의 하부는 연소의 기체 생산물의 켈렉터(collector)로서 역할한다. 가스켈렉터하우징(9)은 체임버의 하부를 감싸고 있다. 본 발명의 서멀 스프레이 장치는 가스팽창노즐(10)과, 파우더인젝터(2)형태의 물질전송유니트를 포함하고 있다. 본체하우징(7)과, 본체후부하우징(4)과 노즐하우징(11)으로 이루어진 원통형상의 본체 내에서 각각의 구성요소들이 조립된다.As shown in FIG. 1, the thermal spray apparatus according to the invention is operated by an air-gas fuel mixture. According to a preferred embodiment of the present invention, a thermal spray apparatus includes a mixing assembly formed by a fuel supply tube 1, an air supply tube 3, an air distributor 5, and a mixing block 6. Has) The thermal spray apparatus of the present invention also has a catalyst burner formed by the catalyst member 8 made as a wire-net insert of the chamber H. The lower part of the chamber H serves as a collector of the gaseous products of combustion. The gas collector housing 9 surrounds the lower part of the chamber. The thermal spray apparatus of the present invention includes a gas expansion nozzle 10 and a mass transfer unit in the form of a powder injector 2. The respective components are assembled in a cylindrical body consisting of a main body housing 7, a main body rear housing 4 and a nozzle housing 11.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 압축된 공기는 공기공급튜브(3)을 통하여 공기분배체임버(A)로 들어간다. 공기의 일부는 분배기보어(bore; C)를 통하여 냉각부(B)로 들어가고, 그 후 냉각통로(D)로 들어가 서멀 스프레이 장치를 냉각시킨다. 이러한 공기의 일부는, 메인 기체 제트 주위에서 환상흐름(annular stream)을 형성하면서 노즐냉각통로(D1)를 통하여 서멀 스프레이 장치 밖으로 흘러나온다.In a preferred embodiment of the invention, the compressed air enters the air distribution chamber (A) through the air supply tube (3). Part of the air enters the cooling section B through the distributor bore C, and then enters the cooling passage D to cool the thermal spray apparatus. Some of this air flows out of the thermal spray apparatus through the nozzle cooling passage D1, forming an annular stream around the main gas jet.

공기의 다른 일부는, 공기분배체임버(A)로부터 믹싱블록(6)의 에어보어(E)를 통해 믹싱체임버(F)로 흘러 간다. 프로판(propane) 또는 프로필렌(propylene)과 같은 기체연료는 연료공급튜브(1)를 통해 믹싱체임버(F)로 공급된다. 소형 에어보어(E)로부터의 대형 믹싱체임버(F)로의 압축 공기의 팽창으로 인하여, 공기는 공기-연료 혼합물을 형성하는 연료를 분출한다. 믹싱블록(6)의 혼합물출구보어(G)를 통하여, 혼합물은 촉매부재(8)가진 체임버(H)로 흘러 들어간다. 체임버(H)는 연소체임버의 기능을 한다. 혼합물은 촉매부재(8) 내부의 점화플러그 또는 글로플러그(glowing device)(미도시)로 점화되어 촉매의 표면에서 연소한다. 기체는 연소되면서 고속 제트를 형성하고 노즐(10)로 팽창한다. 제트는 노즐(10)로부터 대기로 팽창할 때 초음속에 도달하게 된다. 용소물질의 입자는 압축된 질소와 같은 캐리어가스(carrier gas)를 통하여 파우더인텍터(2)를 통하여 체임버(H)의 축 방향으로 전송된다. 체임버(H)와 노즐(10)을 통하여 흘러가는 입자는 입자(I)의 활성화된 에너지를 형성하는 기체 제트의 연소생산물에 의하여 가열되어 가속화된다. 입자는 기판(J)에 충돌하여 코팅 또는 벌크물질을 형성한다.The other part of the air flows from the air distribution chamber A to the mixing chamber F through the air bore E of the mixing block 6. Gas fuel such as propane or propylene is supplied to the mixing chamber (F) through the fuel supply tube (1). Due to the expansion of the compressed air from the small air bore (E) into the large mixing chamber (F), the air ejects the fuel forming the air-fuel mixture. Through the mixture outlet bore G of the mixing block 6, the mixture flows into the chamber H with the catalyst member 8. The chamber (H) functions as a combustion chamber. The mixture is ignited with a spark plug or a glowing device (not shown) inside the catalyst member 8 to burn on the surface of the catalyst. As the gas burns, it forms a high velocity jet and expands to the nozzle 10. The jet reaches supersonic speed as it expands from the nozzle 10 into the atmosphere. Particles of the dissolved material are transmitted in the axial direction of the chamber (H) through the powder detector (2) through a carrier gas (carrier gas) such as compressed nitrogen. Particles flowing through the chamber H and the nozzle 10 are heated and accelerated by the combustion products of the gas jet forming the energized energy of the particles I. The particles impinge upon the substrate J to form a coating or bulk material.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 내부 버너의 촉매부재는 최소한 두가지 주요 기능을 수행한다. 첫째, 촉매부재는 산화제-연료 혼합물의 점화온도를 현저하게 저하시킨다. 이러한 메카니즘은, 상기 산소와 연료분자들을 촉매 표면 상의 가역 가능한 산화-환원반응에 포함시킴으로서, 산소와 연료 분자 사이의 반응에 대한 활성화 에너지를 감소시키는 것을 기본으로 하고 있다. 따라서, 기체의 총 유동량(flow)은, 가열성 혼합물을 점화시키는 촉매표면을 '과냉각'시키지 않고도, 현저하게 증가될 수 있다. 둘째로, 촉매부재는, 기체의 특정 농도에서 반응(연소)하는 촉매의 표면 상의 반응성 기체들을 흡수한다. 촉매의 표면이 넓어 질 때, 바람직한 산화제-연료비에서 연소를 증진시키는 것이 가능하다. 그 결과, 촉매가 있을 때, 산화제 또는 연료의 압력 및 유동율을 화학량론비 이상으로 증가시키거나, 또는 질소와 같은 비활성 기체를 첨가하는 것이 가능해지고, 따라서, 불안정 연소 없이 기체를 소정의 온도로 냉각시킬 수 있다. 특히, 동일한 크기의 연소체임버의 경우, 안정한 연소를 수행하면서 촉매가 없는 경우 분당 10~12 큐빅미터(cubic meter)부터 촉매가 있는 경우 20~25 큐빅미터까지 공기의 흐름을 증가시키는 것이 가능하다. 따라서, 1900°C에서 1000~1200°C로 제트온도를 저하시킬 수 있다. 물론, 촉매버너를 통하여 산화제와 연료의 압력 및 유동율을 증가시키는 것이 가능하고, 따라서, 총 제트에너지를 증가시킬 수 있다. 내화성 금속(refractory metal) 또는 티타늄합금(titanium alloy)과 같은 융점이 높은 물질의 용소에도 적합하다.In a preferred embodiment of the present invention, the catalyst member of the internal burner performs at least two main functions. First, the catalyst member significantly lowers the ignition temperature of the oxidant-fuel mixture. This mechanism is based on reducing the activation energy for the reaction between oxygen and fuel molecules by including the oxygen and fuel molecules in a reversible redox reaction on the catalyst surface. Thus, the total flow of gas can be increased significantly without 'supercooling' the catalyst surface igniting the heatable mixture. Secondly, the catalyst member absorbs reactive gases on the surface of the catalyst that reacts (burns) at a particular concentration of gas. When the surface of the catalyst is widened, it is possible to enhance combustion at the desired oxidant-fuel ratio. As a result, when the catalyst is present, it becomes possible to increase the pressure and flow rate of the oxidant or fuel above the stoichiometric ratio or to add an inert gas such as nitrogen, thus cooling the gas to a predetermined temperature without unstable combustion. Can be. In particular, in the case of combustion chambers of the same size, it is possible to increase the flow of air from 10 to 12 cubic meters per minute in the absence of a catalyst and 20 to 25 cubic meters in the absence of a catalyst while performing stable combustion. Therefore, it is possible to lower the jet temperature from 1900 ° C to 1000 ~ 1200 ° C. Of course, it is possible to increase the pressure and flow rate of the oxidant and fuel through the catalyst burner, thus increasing the total jet energy. It is also suitable for the melting of high melting point materials such as refractory metals or titanium alloys.

기체 압력 및 유동율의 증가는 온도 저하에 따른 노즐내의 기체의 속도의 손실을 효율적으로 보상한다. 그리고, 기체의 밀도 또한 증가한다. 그 결과, 용소입자의 속도는 온도의 저하와 함께 저하되지 않는다. 반면, 입자 속도 다음의 두 조건이 만족할 때 현저하게 증가한다. 첫 번째 조건은, 기체 제트의 속도로 가속될 수 있는 1 ~ 20 ㎛ 이하의 분말 물질의 미세 입자를 용소하는 것이다. 둘째는 고체 입자로 인하여 노즐이 막히지 않고 입자를 가속할 수 있는 길이를 가진 노즐을 사용하는 것이다.The increase in gas pressure and flow rate effectively compensates for the loss of velocity of gas in the nozzle as the temperature drops. And the density of the gas also increases. As a result, the velocity of the dissolved particles does not decrease with the decrease in temperature. On the other hand, it significantly increases when the two conditions following the particle velocity are met. The first condition is to melt fine particles of powder material of 1-20 μm or less that can be accelerated at the velocity of the gas jet. The second is to use nozzles with a length that can accelerate the particles without clogging the nozzles due to solid particles.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 촉매부재는 플래티늄(platinum), 팰라디윰(palladium), 라듐(rhodium)과 같은 귀금속(noble metal) 그룹으로부터 선택된 촉매, 또는 상기 귀금속과 희토류금속(rare earth metal; Ce, La, Nd) 중 최소한 하나 이상의 이성분 산소, 또는 바륨(barium), 스트론튬(strontium) 및 희토류금속에 의해서 형성된 최소한 하나 이상의 이성분 산소, 또는 고온 산화에 잘 견디고사용된 산화제-연료 혼합물의 점화온도를 저하시킬 수 있는 촉매를 포함한다.In a preferred embodiment of the present invention, the catalyst member is a catalyst selected from the group of noble metals such as platinum, palladium, rhodium, or the noble and rare earth metals. At least one binary oxygen of Ce, La, Nd, or at least one binary oxygen formed by barium, strontium and rare earth metals, or an oxidant-fuel mixture well tolerated at high temperature oxidation and used It includes a catalyst that can lower the ignition temperature of.

촉매부재는 와이어-네트 인서트(wire-net insert)의 형태로 만들어 질 수 있고, 또한 와이어-네트 인서트 대신 내부 버너의 벽 및 통로의 코팅, 또는 내부 버너에 위치한 적어도 하아 이상의 다공질 세라믹 지지자(ceramic support)의 코팅으로서도 만들어 질 수 있다. 촉매코팅은 연소가 수행되어야 하는 표면에만 도포될 수 있고, 따라서, 필요한 영역에서만 국부적인 연소를 일으키고, 버너의 다른 표면을 과열(overheating)로부터 보호하고 있다.The catalyst member may be made in the form of a wire-net insert, and also at least one porous ceramic support positioned on the inner burner or on the coating of the walls and passages of the internal burner instead of the wire-net insert. Can also be made as a coating. Catalytic coating can only be applied to the surface where combustion is to be performed, thus causing local combustion only in the required area and protecting the other surface of the burner from overheating.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고속 공기-연료 장치는 제 1(내부) 팽창노즐과 제 2 노즐 주위의 고리형상을 가진 제 2 내부 버너를 포함하고 있다. 제 1 버너와 노즐은 상술한 바와 같이 동작한다. 제 2 체임버(N)는 내부 팽창노즐(10)의 출구와 노즐하우징(11) 사이에 위치하고 있다. 제 2 체임버(N)에 있어서, 제 2 버너는 SiC-Al2O3세라믹으로 만들어진 내부 촉매지지링(13)과 Al2O3계 세라믹으로 만들어진 외부 촉매지지링(14)에 의해 감싸지고 있다. 내부링(13)의 외면과 하부 측면 그리고 외부링(14)의 내면은, 산화백금 또는 플래티늄-세륨 옥사이드와 같은 촉매코팅(17)으로 덮여있다. 제 2 팽창노즐(15)은 SiC세라믹으로 만들어지고, 노즐하우징(11) 내에서 노즐너트(16)로 고정된다. 제 2 버너용 연료는 제 2 연료공급튜브(12)를 통하여 공급되어 냉각통로(D)로부터 오는 냉각공기와 함께 제 2 체임버(K)에서 혼합된다. 상기 공기와 연료의 혼합물은 내부촉매지지링(13)의 촉매반응 표면과 외부 촉매지지링이 감싸고 있는 슬롯(M)의 형태로 제 2 혼합물출구보어(L)를 통하여 제 2버너로 흘러 들어간다. 혼합물은 내부 노즐(10)로부터 팽창하는 제 1 기체 제트의 백플래쉬(back-flash)로부터 점화된다. 연소 생성물은 제 2 노즐로 팽창하여 그 속에서 입자의 흐름을 나르는 제 1 제트와 함께 혼합된다. 이러한 방법은, 입자를 용소하는 매우 '부드럽고(soft)' 균일한 열을 제공하며, 또한 입자의 가속에 커다란 영향을 준다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 입자의 속도는 600m/s를 초과한다. 특히, 제 2 노즐의 길이가 200mm이고, 입자의 평균 크기가 10㎛인 합금 625-형 파우더의 경우에, 평균 입자 속도는 가열성(加熱性) 공기-프로판 혼합물이 사용될 때에는 800m/s에 도달한다.As shown in FIG. 2, a high speed air-fuel device according to a preferred embodiment of the present invention includes a first (inner) expansion nozzle and a second internal burner having an annular shape around the second nozzle. The first burner and the nozzle operate as described above. The second chamber N is located between the outlet of the internal expansion nozzle 10 and the nozzle housing 11. In the second chamber N, the second burner is wrapped by an inner catalyst support ring 13 made of SiC-Al 2 O 3 ceramic and an outer catalyst support ring 14 made of Al 2 O 3 based ceramic. . The outer and lower sides of the inner ring 13 and the inner surface of the outer ring 14 are covered with a catalyst coating 17 such as platinum oxide or platinum-cerium oxide. The second expansion nozzle 15 is made of SiC ceramic and is fixed to the nozzle nut 16 in the nozzle housing 11. The fuel for the second burner is supplied through the second fuel supply tube 12 and mixed in the second chamber K with the cooling air coming from the cooling passage D. The mixture of air and fuel flows into the second burner through the second mixture outlet bore (L) in the form of a slot (M) surrounded by the catalytic reaction surface of the inner catalyst support ring (13) and the outer catalyst support ring. The mixture is ignited from the back-flash of the first gas jet expanding from the inner nozzle 10. The combustion product is mixed with a first jet that expands to a second nozzle and carries a stream of particles therein. This method provides a very 'soft' uniform heat to melt the particles and also has a great impact on the acceleration of the particles. In a preferred embodiment of the invention, the speed of the particles exceeds 600 m / s. In particular, in the case of an alloy 625-type powder having a length of 200 mm and an average particle size of 10 μm, the average particle velocity reaches 800 m / s when a heatable air-propane mixture is used. do.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제 2실시예에 따른 서멀 스프레이 장치는 SiC-Al2O3세라믹으로 만들어진 내부 촉매지지링(9)을 고정시키는 본체(7)와, Al2O3계 세라믹으로 만들어진 외부 촉매지지링(8)으로 이루어진다. 버너는 상기 두 링 사이에서 만들어진 연소슬롯(D)의 형태로 되어 있다. 슬롯(D)를 형성하면서, 상기 두 링의 원주형 표면과 상기 내부링(9)의 하부표면은 산화바륨(barium oxide), 산화랜타늄(lanthanum oxide), 또는 금속플래티늄(metallic platinum)으로 만들어진 촉매코팅(13)으로 덮여 있다. 본체후부하우징(5)은, 냉각공기공급튜브(1)와, 가열성 혼합물공급튜브(4)와, 두 개의 스프레잉와이어(3)를 팽창노즐(12)의 축 방향으로 향하게 하는 두 개의 콘택튜브(2)를 고정하면서 본체(7)에 장착되어 있다. 상기 콘택튜브(2)의 위치는 본체 내에 위치한 포지셔너(11)에 의하여 조정된다. 컬렉터하우징(10)은 본체(7)의정면에 장착되고, 그 출구는 팽창노즐(12)의 형태로 만들어진다. 본체(7)의 정면은 에어캡(6)으로 덮여 있다. 가열성 혼합물, 예들 들면, 공기-프로판 혼합물은 튜브(4)를 통하여 본체(7) 내의 링(ring) 모형의 혼합물분배체임버(C)로 공급된다. 그 후, 혼합물은 연소슬롯(D)을 통과하면서 촉매코팅(13)의 표면상으로 연소한다. 연소을 위해 점화플러그(미도시)가 사용된다. 미 반응 기체들은 촉매코팅으로 덮힌 내부링(9)의 하부 표면상에서 연소한다. 기체 연소 생성물은 컬렉터하우징(10)에 의하여 컬렉터체임버(F)로 향하고, 그 후 팽창노즐(12)로 향한다. 노즐(12)로부터 팽창하는 기체 제트는 초음속에 도달하게 된다. 용소(spraing)를 위한 두 개의 소모성 와이어(3)는 와이어 전송메카니즘(L)에 의하여 콘택튜브(2)를 통하여 노즐(12)의 축 방향으로 전송된다. 아크메카니즘용 전원공급장치(K)에 의하여 지원되는 전기아크(G)는 노즐(12) 내에 있는 와이어팁(wier tip)을 융해시킨다. 연소 생성물의 기체 제트는 융해된 와이어팁을 미세한 입자로 세분화하고, 가속시켜 활성화된 입자흐름(H)을 형성한다. 입자가 기판(J)과 충돌할 때, 코팅(I)은 형성된다. 슬롯(D) 내에서의 연소는, 첫째는 세분화된 입자들을 효과적으로 냉각시키기 위해 용소물질의 융점이하로 연소생성물의 기체 제트를 냉각시키기 위하여, 둘째는 용소입자들이 제트 내에서 산화되는 것을 방지하기 위하여, 화학량론비 이상으로 연료를 초과 공급하여 수행된다. 특히, 공기-프로판 혼합물의 경우에, 촉매지지부재를 사용하면, 연소를 중단하지 않고도 프로판 3~4 폴드(fold)의 유동율을 화학량론비 이상으로 증가시킬 수 있다. 냉각공기는 튜브(1)를 통하여 공기분배체임버(A)로 공급된다. 본체(7)의 냉각보어(B)를 통하여, 냉각공기는 에어캡(6)과 컬렉터하우징(10) 사이의 냉각통로(E)로 흘러 들어가고 환상흐름(annular stream)을 형성하면서 노즐(12) 둘레의 장치를 떠난다. 이러한 흐름은 대기로부터 온 산소의 분출을 억압하면서 기체의 고속 제트를 둘러싸고 있다.As shown in FIG. 3, the thermal spray apparatus according to the second preferred embodiment of the present invention includes a main body 7 for fixing the internal catalyst support ring 9 made of SiC-Al 2 O 3 ceramic, and Al 2 O. It consists of an external catalyst support ring 8 made of three -phase ceramic. The burner is in the form of a combustion slot D made between the two rings. While forming the slot D, the cylindrical surface of the two rings and the lower surface of the inner ring 9 are made of barium oxide, lanthanum oxide, or metallic platinum. It is covered with a catalyst coating 13. The main body rear housing 5 has two contacts for directing the cooling air supply tube 1, the heating mixture supply tube 4, and the two spraying wires 3 in the axial direction of the expansion nozzle 12. The tube 2 is fixed to the main body 7 while being fixed. The position of the contact tube 2 is adjusted by the positioner 11 located in the body. The collector housing 10 is mounted on the front face of the body 7, the outlet of which is made in the form of an expansion nozzle 12. The front of the main body 7 is covered with an air cap 6. The heatable mixture, for example the air-propane mixture, is fed through a tube 4 into a ring-shaped mixture distributor chamber C in the body 7. Thereafter, the mixture burns onto the surface of the catalyst coating 13 while passing through the combustion slot D. Spark plugs (not shown) are used for combustion. Unreacted gases burn on the lower surface of the inner ring 9 covered with a catalyst coating. The gaseous combustion products are directed to the collector chamber F by the collector housing 10 and then to the expansion nozzle 12. The gas jet expanding from the nozzle 12 reaches supersonic speed. Two consumable wires 3 for sparing are transmitted in the axial direction of the nozzle 12 via the contact tube 2 by a wire transfer mechanism L. The electric arc G supported by the power supply K for the arc mechanism melts a wire tip in the nozzle 12. The gas jet of the combustion product subdivides the molten wire tip into fine particles and accelerates to form an activated particle flow (H). When the particles collide with the substrate J, the coating I is formed. Combustion in the slot (D) is first to cool the gas jet of the combustion product below the melting point of the soluble material to effectively cool the granular particles, and second to prevent the soluble particles from oxidizing in the jet. In excess of fuel, above the stoichiometric ratio. In particular, in the case of an air-propane mixture, the use of a catalyst support member can increase the flow rate of propane 3-4 folds above the stoichiometric ratio without interrupting combustion. Cooling air is supplied to the air distribution chamber (A) through the tube (1). Through the cooling bore (B) of the main body (7), the cooling air flows into the cooling passage (E) between the air cap (6) and the collector housing (10) and forms an annular stream (nozzle 12). Leaving the device around. This flow surrounds the high velocity jet of gas while suppressing the release of oxygen from the atmosphere.

실례excuse

입자 크기가 10~45㎛인 합금 671-형 파우더(Ni-계-43%Cr-0.5%-Ti-0.9%Si)의 코팅이, 상기 도 2의 바람직한 실시예에서 설명된 바와 같이, 두 개의 내부 버너와 두 개의 노즐로 이루어진 장치를 통하여 용소되었다. 촉매부재는, 플래티늄 촉매 코팅가지고, 64%의 다공도(多孔度)를 가지며, SiC-Al2O3세라믹으로 만들어진 다공질 촉매지지링의 형태로 만들어졌다. 서멀 스프레이 장치는 분(minute)당 20큐빅미터의 유동량(flow)과, 8.4바(bar)의 입구압력과, 분당 2kg의 프로판 유동량과, 5바(bar)의 압력으로 작동되었다. 총 공기 유동량은, 화학량존비 보다 70% 증가 하였고, 배기가스온도를 약 1400℃까지 저하시켰다. 0.4mm 두께의 코팅이, ASTM C633 표준에 따라 접착강도측정을 위한 샘플로서 만들어진 1018형 탄소강 기판과, 코팅구조조사를 위하여 75×25×6mm의 쿠폰(coupon)과, ISO 4022 표준에 따라 코팅가스투과도(coating gas permeability)를 측정하기 위하여 25mm의 직경과, 6mm의 두께와, 2㎛ 크기의 공(孔)을 가진 다공질 스테인리스 스틸(316SS형)필터-샘플 상에 증착되었다. 코팅의 외관 산소 함유량과 외관 다공도는 금속조직영상분석법(metallographic image analysis method)을 사용하여 쿠폰의 단면에서 측정되었다. 코팅 내의 총 산소 함유량은 비활성 캐리어 가스의 흐름에서 융해를 감소시키는 방법으로 측정되었다(LECO 산소 분석기). 파우더 스톡 물질(powder stock material) 내의 총 산소 함유량은 0.6%이다.A coating of an alloy 671-type powder (Ni-based-43% Cr-0.5% -Ti-0.9% Si) with a particle size of 10-45 μm, as described in the preferred embodiment of FIG. It was fired through a device consisting of an internal burner and two nozzles. The catalyst member has a platinum catalyst coating, has a porosity of 64%, and is made in the form of a porous catalyst support ring made of SiC-Al 2 O 3 ceramic. The thermal spray apparatus was operated at a flow rate of 20 cubic meters per minute, an inlet pressure of 8.4 bar, a propane flow rate of 2 kg per minute, and a pressure of 5 bar. The total air flow was 70% higher than the stoichiometric ratio and lowered the exhaust gas temperature to about 1400 ° C. A 0.4 mm thick coating is a 1018 type carbon steel substrate made as a sample for adhesion strength measurement in accordance with ASTM C633 standard, a 75 x 25 x 6 mm coupon for coating structure investigation, and a coating gas according to ISO 4022 standard. To measure the permeability (coating gas permeability) was deposited on a porous stainless steel (316SS type) filter-sample having a diameter of 25 mm, a thickness of 6 mm, and a ball size of 2 μm. The apparent oxygen content and the apparent porosity of the coatings were measured on the cross section of the coupon using a metallographic image analysis method. The total oxygen content in the coating was measured by reducing melting in the flow of inert carrier gas (LECO Oxygen Analyzer). The total oxygen content in the powder stock material is 0.6%.

다음의 코팅 특성이 얻어진다.The following coating properties are obtained.

(1) 외관 다공도(%) 측정불가(1) Appearance porosity (%) measurement not possible

(2) 외관 산화 함유량(%) 측정불가(2) Appearance oxidation content (%) measurement not possible

(3) 총 산소 함유량(%) 0.16(3) Total oxygen content (%) 0.16

(4) 통기성(通氣性; nm2) 측정불가(4) Breathability (nm 2 ) not available

(0.01 이하)(0.01 or less)

(5) 접착 강도(MPa) 80.0 이상(5) Adhesive strength (MPa) 80.0 or more

(rupture through epoxy glue)(rupture through epoxy glue)

상기 물질을 공지의 HVOF 및 HAF 기술을 이용하여 스프레이할 경우, 코팅 내의 산소함유량은 1.0에서부터 3.5(%)까지 변하며, 이것은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열스프레이 장치에서 보다 높은 크기의 등급이다. 공지의 HVOF 및 HVAF 코팅의 통기성(관통 다공도(through porosity)에 적합한 )은 0.05 ~ 2.0(nm2)로 측정되며, 이것은 본 발명보다 현저하게 높은 것이다.When the material is sprayed using known HVOF and HAF techniques, the oxygen content in the coating varies from 1.0 to 3.5 (%), which is a higher size grade in a heat spray device according to a preferred embodiment of the present invention. The air permeability (suitable for through porosity) of known HVOF and HVAF coatings is measured from 0.05 to 2.0 (nm 2 ), which is significantly higher than the present invention.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 증착된 코팅은, 공지의 HVOF 및HVAF 기술에 비교할 때 보다 우수한 밀도와 실질적으로 적은 산소함유량을 보여주고 있다.Thus, coatings deposited according to a preferred embodiment of the present invention show better density and substantially lower oxygen content compared to known HVOF and HVAF techniques.

Claims (9)

산화제 가스와 연료를 혼합하도록 구성된 믹싱어셈블리와;A mixing assembly configured to mix the oxidant gas and the fuel; 상기 산화제와 연료의 혼합물을 연소하는 내부 버너와;An internal burner for burning the mixture of oxidant and fuel; 상기 혼합물의 연소를 시작하는 점화장치와;An ignition device for starting combustion of the mixture; 상기 혼합물의 연소 생성물을 수용하고 고속 기체 제트를 형성하도록 구성된 가스 팽창노즐과;A gas expansion nozzle configured to receive combustion products of the mixture and form a high velocity gas jet; 상기 제트 내로 소정의 용소물질을 전송하여 상기 제트에 의하여 상기 용소물질의 융점이하로 가속되고 가열된 입자의 흐름을 형성하도록 구성된 물질전송유니트A mass transfer unit configured to transfer a predetermined soluble material into the jet to form a flow of heated particles accelerated below the melting point of the soluble material by the jet 를 포함하고,Including, 상기 산화제 또는 상기 연료의 압력 및 유동량을 증가시킬 때, 또는 상기 혼합물 내로 비활성가스를 첨가할 때, 상기 혼합물의 연소온도를 상기 용소물질의 융점이하로 저하시키는 상기 내부 버너 내에 위치한 촉매부제를 추가적으로 포함하는 기판상으로 물질을 증착시키는 고속 서멀 스프레이 장치.And further comprising a catalyst subsidiary located in said internal burner that reduces the combustion temperature of said mixture below the melting point of said soluble material when increasing the pressure and flow rate of said oxidant or said fuel, or adding an inert gas into said mixture. A high speed thermal spray apparatus for depositing a material on a substrate. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매부재는, 플래티늄(platinum), 팰라디윰(palladium), 라듐(rhodium)과 같은 귀금속(noble metal) 중 적어도 하나 이상으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 촉매, 또는 상기 귀금속과 희토류금속(rare earth metal; Ce, La, Nd) 중 적어도 하나 이상의 이성분 산소, 또는 바륨(barium), 스트론튬(strontium) 및 상기 희토류금속에 의해서 형성된 적오도 하나 이상의 이성분 산소, 또는 상기 산화제와 연료의 혼합물의 점화온도를 저하시킬 수 있는 고 내열성 촉매를 포함하는 고속 서멀 스프레이 장치.The catalyst member may include a catalyst selected from the group consisting of at least one of noble metals such as platinum, palladium, and rhodium, or the noble metal and rare earth metal; At least one binary oxygen of Ce, La, Nd, or at least one binary oxygen formed by barium, strontium and the rare earth metal, or the ignition temperature of the mixture of oxidant and fuel A high speed thermal spray device comprising a high heat resistant catalyst that can be degraded. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매부재는 와이어 또는 와이어-네트 인서트와, 상기 내부 버너의 벽과 통로의 코팅과, 상기 내부 버너 내에 위치한 적어도 하나 이상의 촉매 세라믹 지지자의 코팅으로서 만들어진 고속 서멀 스프레이 장치.The catalyst member is made of a wire or a wire-net insert, a coating of the walls and passages of the inner burner, and a coating of at least one catalytic ceramic supporter located within the inner burner. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 팽창노즐을 두르는 적어도 하나 이상의 환상형의 제 2내부 버너와, 상기 입자를 더욱 가속하고 상기 용소물질의 융점 아래로 상기 입자들을 균일하게 가열하도록 구성된 적어도 하나 이상의 제 2 노즐을 더욱 포함하는 고속 서멀 스프레이 장치.A high speed thermal further comprising at least one annular second internal burner surrounding the expansion nozzle and at least one second nozzle configured to further accelerate the particles and uniformly heat the particles below the melting point of the soluble material; Spray device. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 물질전송유니트는 상기 용소물질의 상기 입자를 소정의 위치에 위치한 상기 내부 버너 또는 상기 팽창노즐 내로 전송하는 적어도 하나의 인젝터를 포함하는 고속 서멀 스프레이 장치.The mass transfer unit includes at least one injector for transferring the particles of the dissolved material into the internal burner or the expansion nozzle located at a predetermined position. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 물질전송유니트는 전기 아크 와이어 팁에 의하여 녹은 용융물을 상기 내부 버너의 축 방향 또는 상기 팽창노즐로 전송하는 이중-와이어 전기 아크장치인 고속 서멀 스프레이 장치.The mass transfer unit is a high speed thermal spray apparatus which is a double-wire electric arc device for transferring melt melted by an electric arc wire tip to an axial direction of the internal burner or to the expansion nozzle. 믹싱어셈블리 내에서 산화제가스와 연료를 혼합하는 단계와;Mixing the oxidant gas and the fuel in the mixing assembly; 내부 버너 내에서 상기 산화제와 연료의 혼합물을 점화하고 연소하는 단계와;Igniting and burning the mixture of oxidant and fuel in an internal burner; 가스 팽창노즐 내에서 상기 혼합물의 연소 생성물의 고속 기체 제트를 형성하는 단계와;Forming a high velocity gas jet of combustion products of the mixture in a gas expansion nozzle; 물질전송유니트에 의하여 상기 제트로 소정의 용소물질을 도입하여 상기 용소물질의 융점이하로 상기 제트에 의하여 가속되고 가열된 입자의 흐름을 형성하는단계Introducing a predetermined soluble material into the jet by a mass transfer unit to form a flow of particles accelerated and heated by the jet below the melting point of the soluble material; 를 포함하고,Including, 상기 산화제 또는 상기 연료의 압력 및 유동율이 화학량존비 이상으로 증가시킬 때, 또는 상기 혼합물에 비활성 기체를 첨가할 때, 상기 용소물질의 융점이하로 상기 혼합물의 연소온도를 저하시키기 위하여 상기 배부 버너 내에 촉매부제를 사용하는 단계를 더욱 포함하는, 고속 서멀 스프레이 장치를 이용하여 기판 상으로 물질을 증착하여 코팅 또는 벌크물질을 형성하는 방법.When the pressure and flow rate of the oxidant or fuel increases above the stoichiometric ratio, or when an inert gas is added to the mixture, a catalyst in the distribution burner to lower the combustion temperature of the mixture below the melting point of the soluble material A method of forming a coating or bulk material by depositing material onto a substrate using a high speed thermal spray apparatus, further comprising using a subsidiary agent. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 제트내에서 녹지 않은 파우더의 형태로 상기 고속 서멀 스프레이 장치 내로 상기 용소물질을 도입하는 단계를 더욱 포함하는 코팅 또는 벌크물질을 형성하는 방법.Incorporating the soluble material into the high speed thermal spray apparatus in the form of undissolved powder in the jet. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 코팅 또는 벌크물질을 형성할 동안 발생할 수 있는 산화를 억제하기 위하여 상기 버너 및 가스 팽창노즐 내에서 과다한 량의 연료로 상기 제트에 의하여 상기 용소물질을 세분화하고, 가속하고, 냉각시키면서, 와이어, 로드(rod)의 전기 아크 팁에 의하여 용융물의 형태로 상기 고속 서멀 스프레이 장치 내로 상기 용소물질을 도입하는 단계를 더욱 포함하는 코팅 또는 벌크물질을 형성하는 방법.Wires, rods, while subdividing, accelerating and cooling the dissolved material by the jet with an excess amount of fuel in the burner and gas expansion nozzles to inhibit oxidation that may occur during the formation of the coating or bulk material. introducing the molten material into the high speed thermal spray apparatus in the form of a melt by means of an electric arc tip of a rod.
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