RU204751U1

RU204751U1 - PLASMOTRON FOR ADDITIVE GROWING

Info

Publication number: RU204751U1
Application number: RU2020120231U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Валентинович Петров; Алексей Николаевич Бабенко
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Технологическая лаборатория"
Priority date: 2020-06-17
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2021-06-09

Abstract

Полезная модель, состоящая из катодного и анодного узлов, разделенных изоляционной вставкой, относится к области машиностроения, в частности к дуговым плазмотронам с аксиальным вводом порошка для аддитивного выращивания и напыления металлических и неметаллических защитных покрытий на изделия. Технический результат заключается в том, что данная полезная модель не нуждается в газовой защите, потому что порошок поступает в центр, а плазма образуется вокруг. Из-за этого потери порошка становятся меньше, чем при его подаче либо под срез сопла, либо в камеру плазмообразования.A utility model consisting of a cathode and anode units separated by an insulating insert relates to the field of mechanical engineering, in particular to arc plasmatrons with axial powder injection for additive growth and spraying of metallic and non-metallic protective coatings on products. The technical result consists in the fact that this utility model does not need gas protection, because the powder enters the center, and the plasma is formed around. Because of this, the loss of powder becomes less than when it is fed either under the nozzle cut or into the plasma formation chamber.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения, в частности к дуговым плазмотронам для напыления порошковыми материалами металлических, неметаллических и смешанных покрытий разных толщин на изделия и подложки.The proposed utility model relates to the field of mechanical engineering, in particular to arc plasma torches for spraying metal, non-metallic and mixed coatings of different thicknesses on products and substrates with powder materials.

Известны различные конструкции плазмотронов, которые отличаются по различным признакам, например по месту ввода порошка в плазменную струю, для чего существуют четыре основные схемы подачи порошка при плазменном напылении: в столб сжатого дугового разряда (в дуговой промежуток); до анодного пятна с использованием части столба сжатого дугового разряда; за анодным пятном внутрь канала сопла-анода; за срезом сопла анода во внешнюю свободно расширяющуюся часть плазменной струи (см. Ю.С. Борисов, Р.Л. Борисова - Плазменные порошковые покрытия. - Киев, Техника, с. 14; В.В. Кудинов, Г.В. Бобров - Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. - М.: Металлургия, 1992 г., с. 170; В.И. Костиков, С.И. Педос, И.В. Нарамовский, В.П. Милов - Теория и технология покрытий. - М., МИСиС, 1991 г., с. 61).Various designs of plasmatrons are known, which differ in various features, for example, at the place of introduction of the powder into the plasma jet, for which there are four main schemes for supplying the powder during plasma spraying: into the column of a compressed arc discharge (into the arc gap); to the anode spot using part of the compressed arc discharge column; behind the anode spot inside the nozzle-anode channel; behind the exit of the anode nozzle into the outer freely expanding part of the plasma jet (see Yu.S. Borisov, R.L. Borisova - Plasma powder coatings. - Kiev, Technics, p. 14; V.V. Kudinov, G.V. Bobrov - Spray coating. Theory, technology and equipment. - M .: Metallurgy, 1992, p. 170; V.I.Kostikov, S.I. Pedos, I.V. Naramovsky, V.P. Milov - Theory and coating technology. - M., MISiS, 1991, p. 61).

В большинстве существующих плазмотронов в настоящее время реализуется радиальная подача порошка за анодным пятном в канал сопла анода и радиальная подача порошка под срез сопла-анода, но при этом они имеют наименьший КПД нагрева порошка.In most of the existing plasmatrons, a radial supply of powder behind the anode spot into the channel of the anode nozzle and a radial supply of powder under the cut of the anode nozzle are currently implemented, but at the same time they have the lowest efficiency of heating the powder.

Наиболее эффективный процесс плазменного напыления происходит в плазмотронах при вводе порошка в столб дугового разряда или в область анодного пятна, у которых наибольший КПД нагрева порошка.The most effective plasma spraying process occurs in plasmatrons when the powder is injected into the arc discharge column or into the anode spot region, which have the highest efficiency of heating the powder.

Однако, недостатком этих конструкций плазмотронов является отсутствие конструктивных решений по вводу порошка в область дугового разряда, которые позволили бы устранить трудности по стабилизации дуги, образования настылей на внутренней стенке канала сопла-анода, способствующих появлению дефектов в покрытии.However, the disadvantage of these designs of plasmatrons is the lack of design solutions for introducing the powder into the arc discharge region, which would eliminate the difficulties in stabilizing the arc, the formation of deposits on the inner wall of the nozzle-anode channel, contributing to the appearance of defects in the coating.

Известна также конструкция плазмотрона с аксиальным вводом порошка в столб дугового разряда, в котором газопорошковая смесь подается к осевому каналу катодного узла, выходит через центральное отверстие катода и входит в дуговой канал сопла-анода. При этом катодный материал (вольфрам) расположен коаксиально к потоку газопорошковой смеси и представляет собой толстостенную трубку с небольшим отверстием. Плазмотрон также содержит катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой. Катод выполнен полым из вольфрама, а в качестве плазмообразующего газа использован инертный газ - аргон (см. Патент США D. Ross, №5008511, 16.04.1991 г.).Also known is the design of a plasmatron with axial injection of powder into the arc discharge column, in which the gas-powder mixture is supplied to the axial channel of the cathode unit, exits through the central hole of the cathode and enters the arc channel of the nozzle-anode. In this case, the cathode material (tungsten) is located coaxially to the flow of the gas-powder mixture and is a thick-walled tube with a small hole. The plasmatron also contains a cathode and anode assembly, separated by an insulating insert. The cathode is made of tungsten hollow, and an inert gas, argon, is used as the plasma-forming gas (see US Patent D. Ross, No. 5008511, 04.16.1991).

Однако недостаток этой конструкции заключается в том, что такая форма термического катода предполагает образование настылей в зоне выхода газопорошковой смеси из катода, нестабильность горения дугового разряда вследствие неравномерной и интенсивной эрозии материала катода в процессе горения дуги, а, следовательно, низкий ресурс эксплуатации плазмотрона.However, the disadvantage of this design lies in the fact that this form of the thermal cathode presupposes the formation of deposits in the zone of the gas-powder mixture exit from the cathode, the instability of the arc discharge combustion due to the uneven and intense erosion of the cathode material during the arc burning, and, consequently, a low service life of the plasmatron.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является плазмотрон для напыления, содержащий катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой и порошковые каналы, выполненные на конце катода и расположенные вокруг катодной вставки (см. Патент РФ, В.Б. Доржиев, №2320102 «Плазматрон для напыления», 20.03.2008 г.). Согласно изобретению, плазмотрон для напыления состоит из катодного и анодного узлов, разделенных изоляционной вставкой. Анодный узел содержит водоохлажадаемый сопло-анод, уплотненный двумя резиновыми кольцами. Катодный узел содержит воздушноохлаждаемый катод с термохимической катодной вставкой, который крепится на конце штуцеракатододержателя, в центральный канал которого вставлен завихритель. Для аксиального ввода газопорошковой смеси в столб дугового разряда на конце воздушноохлаждаемого катода выполнены порошковые каналы, которые расположены вокруг термохимической катодной вставки под острым углом к его оси.The closest technical solution to the claimed utility model is a plasma torch for spraying, containing a cathode and anode assemblies separated by an insulating insert and powder channels made at the end of the cathode and located around the cathode insert (see RF Patent, VB Dorzhiev, No. 2320102 " Plasmatron for spraying ", 03/20/2008). According to the invention, the plasma torch for spraying consists of a cathode and anode units, separated by an insulating insert. The anode assembly contains a water-cooled nozzle-anode, sealed with two rubber rings. The cathode assembly contains an air-cooled cathode with a thermochemical cathode insert, which is attached to the end of the cathode holder, into the central channel of which a swirler is inserted. For axial injection of the gas-powder mixture into the arc discharge column, powder channels are made at the end of the air-cooled cathode, which are located around the thermochemical cathode insert at an acute angle to its axis.

Недостатком этого решения является то, что порошковый материал поступает либо под срез сопла (в этом случае потери порошкового материала могут достигать значения 60%), либо в камеру плазмообразования (в этом случае процесс напыления порошкового материала происходит неравномерно, поскольку порошок скапливается в камере плазмообразования, после чего происходит налипание на стенки камеры и плазмотрон на выходе выдает сгустки полурасплавленного порошкового материала). Также в данной конструкции происходит перегрев порошка, что приводит к выгоранию химических элементов из порошковой смеси.The disadvantage of this solution is that the powder material enters either under the nozzle cut (in this case, the loss of the powder material can reach 60%), or into the plasma formation chamber (in this case, the process of spraying the powder material occurs unevenly, since the powder accumulates in the plasma formation chamber, after which there is adhesion to the walls of the chamber and the plasmatron at the outlet produces clots of semi-molten powder material). Also, in this design, the powder overheats, which leads to the burnout of chemical elements from the powder mixture.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание плазмотрона для аддитивного выращивания из металлических и неметаллических порошковых материалов путем аксиального ввода порошка в столб дугового разряда за счет конструктивного изменения составных элементов катодного узла.The technical task of the proposed utility model is the creation of a plasmatron for additive growth from metallic and non-metallic powder materials by axial injection of the powder into the arc discharge column due to structural changes in the constituent elements of the cathode assembly.

Технический результат полезной модели - уменьшение потерь, а также предотвращение окисления и перегрева порошкового материала.The technical result of the utility model is the reduction of losses, as well as the prevention of oxidation and overheating of the powder material.

Технический результат достигается тем, что в конструкции данной полезной модели порошковый материал поступает к месту непосредственного нанесения, минуя камеру плазмообразования, а плазма образуется вокруг канала выхода газопорошковой смеси и фокусируется в точке за соплом, что позволяет не использовать газовую защиту в данной конструкции. Тем самым, потери порошкового материала становятся меньше, чем при его подаче либо под срез сопла, либо в камеру плазмообразования.The technical result is achieved by the fact that in the design of this utility model, the powder material enters the place of direct application, bypassing the plasma formation chamber, and the plasma is formed around the outlet channel of the gas-powder mixture and is focused at a point behind the nozzle, which makes it possible not to use gas shielding in this design. Thus, the loss of powder material becomes less than when it is fed either under the nozzle cut or into the plasma formation chamber.

Исходя из чертежа (см. фиг. 1), заявляемая полезная модель состоит из следующих конструктивных элементов: катода 1, трубки 2, водоохлаждаемого радиатора 3, расекателя-завихрителя 4, керамических изоляторов 5 и 7, водоохлаждаемого анода 6, сопла 8.Based on the drawing (see Fig. 1), the claimed utility model consists of the following structural elements: cathode 1, tube 2, water-cooled radiator 3, diffuser-swirler 4, ceramic insulators 5 and 7, water-cooled anode 6, nozzle 8.

Принцип действия конструкции данной полезной модели состоит в том, что плазма образуется в камере плазмообразования при поступлении плазмообразующего газа через трубку 2, а также рассекатель-завихритель 4 и образовании дугового разряда между водоохлаждаемым анодом 6 и катодом 1 изолированными между собой керамическими изоляторами 5 и 7. Плазма движется по камере и выходит через кольцевой зазор водоохлаждаемого сопла 8. Затем плазма фокусируется на определенном фокусном расстоянии от среза сопла. Порошковый материал в виде газопорошковой смеси подается через внутренний канал катода 1, минуя камеру плазмообразования, и выходит из центра сопла, попадая в фокусное расстояние. Катод 1 охлаждается за счет водоохлаждаемого радиатора 3 и сопла 8, за счет ребер выполненных на катоде, находящихся в области кольцевого канала в выходной части сопла 8. Таким образом, вокруг газопорошковой струи образуется кольцевая струя плазмы, противодействуя доступу воздуха к порошковому материалу, что предотвращает его окисление и перегревание.The principle of operation of the structure of this utility model is that the plasma is formed in the plasma formation chamber when the plasma-forming gas enters through the tube 2, as well as the divider-swirler 4 and the formation of an arc discharge between the water-cooled anode 6 and the cathode 1 by ceramic insulators 5 and 7 insulated between themselves. Plasma moves through the chamber and exits through the annular gap of the water-cooled nozzle 8. Then the plasma is focused at a certain focal distance from the nozzle exit. Powder material in the form of a gas-powder mixture is fed through the inner channel of the cathode 1, bypassing the plasma formation chamber, and leaves the center of the nozzle, falling into the focal length. The cathode 1 is cooled due to the water-cooled radiator 3 and the nozzle 8, due to the ribs made on the cathode, located in the area of the annular channel in the outlet part of the nozzle 8. Thus, an annular plasma jet is formed around the gas-powder jet, opposing the access of air to the powder material, which prevents its oxidation and overheating.

Claims

1. Plasmatron for additive growth, which has a channel in the rod cathode, which ensures the flow of powder into the center of the focusing zone of the plasma jet behind the nozzle exit, consisting of a cathode and anode units, separated by an insulating insert, related to arc plasmatrons with axial powder injection, characterized in that, that the gas-powder mixture enters the center of the nozzle exit, bypassing the plasma formation chamber.

2. Plasmatron for additive growth according to claim 1, characterized in that the cathode has ribs made on the cathode in the region of the annular channel in contact with the nozzle.