RU2196010C2

RU2196010C2 - Plasma spraying plant

Info

Publication number: RU2196010C2
Application number: RU2001109759A
Authority: RU
Inventors: И.К. Батрак; Г.В. Большаков; Г.П. Сорока
Original assignee: Батрак Игорь Константинович; Большаков Геннадий Васильевич; Сорока Геннадий Павлович
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2001-04-13
Publication date: 2003-01-10

Abstract

FIELD: devices and techniques of coatings application, particularly, plants of coatings application by plasma spraying of powder materials to article surfaces. SUBSTANCE: plasma spraying plant uses air as plasma-formation gas and system of combined supply of plasma-formation gas and sprayed powder is made in the form of combination of holes located round cathode in cathode holder. In addition, located between cathode and anode is metal washer-diaphragm electrically connected with anode. Power source in plant consists of main and auxiliary sources. Plasma spraying plant may be used for application of ceramic, metallic and composite powder materials. Plant possesses sufficient power for producing qualitative coatings. Plasma spraying plant is simple in servicing, does not need presence of gas cylinder equipment and may operate from domestic electric mains, for instance, under conditions of stomatologic polyclinics. EFFECT: improved design. 2 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к технике нанесения покрытий, в частности к установкам плазменного напыления покрытий из порошковых материалов на поверхность изделий. The invention relates to a coating technique, in particular to installations for plasma spraying of coatings of powder materials on the surface of products.

Установки плазменного напыления широко используются в промышленности для получения покрытий различного назначения (Кудинов В.В., Пекшев П.Ю., Белащенко В.Е. "Нанесение покрытий плазмой ", М., Наука, 1990 г.). Plasma spraying plants are widely used in industry to produce coatings for various purposes (Kudinov VV, Pekshev P.Yu., Belashchenko V.E. "Plasma coating", M., Nauka, 1990).

Все они, как правило, стационарны, крупногабаритны, имеют большую мощность (десятки и сотни киловатт), питаются от сети трехфазного тока. Значительные энергетические затраты приводят к тому, что такие установки экономически выгодно использовать лишь при большом объеме работ. Однако, в ряде случаев, имеется необходимость в портативных малогабаритных установках плазменного напыления для нанесения покрытий на мелкие изделия, например зубные протезы и имплантаты. All of them, as a rule, are stationary, large-sized, have large power (tens and hundreds of kilowatts), are powered by a three-phase current network. Significant energy costs lead to the fact that such plants are economically viable to use only with a large amount of work. However, in some cases, there is a need for portable small-sized plasma spraying systems for coating small products, such as dentures and implants.

Проблема создания настольной установки плазменного напыления для нанесения покрытий из металлических, керамических и композиционных материалов до настоящего времени остается актуальной. The problem of creating a desktop plasma spraying unit for coating metal, ceramic and composite materials remains relevant to date.

Ближайшим, по мнению авторов, аналогом (прототипом) является патент 2071188, кл. Н 05 Н 1/24, опубл. бюл. 36, 1996 г., в котором описана установка, предназначенная для нанесения различных покрытий методом плазменного напыления. По данному патенту была изготовлена установка "Пласт" ВИТС 942829.001 ТУ. Установка "Пласт" состоит из источника электропитания и соединенного с ним плазмотрона. Плазмотрон выполнен в виде размещенной в корпусе системы катод-анод. В катоде имеется осевое отверстие для подачи плазмообразующего газа (аргона), вместе с ним в межэлектродный промежуток поступает напыляемый порошок. Питание установки осуществляется от бытовой электросети (220 В, 127 В). Плазмообразующий газ (аргон) подается из газового баллона через редуктор. Мощность установки составляет 100-250 Вт. Установка "Пласт" используется в ряде медицинских учреждений и клиник для нанесения ретенционных покрытий на зубные протезы и имплантаты. The closest, according to the authors, analogue (prototype) is patent 2071188, cl. H 05 H 1/24, publ. bull. 36, 1996, which describes the installation intended for applying various coatings by plasma spraying. According to this patent, the Plast installation of VITS 942829.001 TU was manufactured. The Plast installation consists of a power source and a plasma torch connected to it. The plasma torch is made in the form of a cathode-anode system located in the housing. In the cathode there is an axial hole for supplying a plasma-forming gas (argon), along with it a sprayed powder enters the interelectrode gap. The unit is powered by a household power supply (220 V, 127 V). Plasma-forming gas (argon) is supplied from the gas cylinder through the gearbox. The power of the installation is 100-250 watts. The Plast installation is used in a number of medical institutions and clinics for applying retention coatings on dentures and implants.

Недостатком данной установки является то, что для ее работы необходимо наличие газобаллонного хозяйства, что усложняет процесс обслуживания. Кроме того, установка имеет ограничение по мощности, вследствие чего не всегда удается получать качественные покрытия. Порошковый материал подается рядом с плазменной струей, вследствие чего проплавляется и попадает на напыляемую поверхность лишь его часть, что снижает кпд использования порошка. The disadvantage of this installation is that for its operation requires the presence of gas facilities, which complicates the maintenance process. In addition, the installation has a power limit, as a result of which it is not always possible to obtain high-quality coatings. The powder material is supplied next to the plasma jet, as a result of which only part of it is melted and falls on the sprayed surface, which reduces the efficiency of the use of the powder.

Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание простой в обслуживании установки плазменного напыления, способной работать в условиях, например, стоматологической лаборатории, без использования газобаллонного хозяйства, более мощной, чем прототип, при сохранении возможности подключения к бытовой сети, а также повышение надежности работы установки. The main task to which the invention is directed is to create an easy-to-maintain plasma spraying unit capable of operating in, for example, a dental laboratory, without the use of a gas cylinder, more powerful than a prototype, while maintaining the ability to connect to a household network, and improving the reliability of the installation.

Предлагаемая установка плазменного напыления содержит систему электропитания, анод и катод, размещенные в корпусе и подключенные к источнику питания, и систему подачи плазмообразующего газа и напыляемого порошкового материала, причем в качестве плазмообразующего газа используют воздух, система совместной подачи плазмообразующего газа (воздуха) и напыляемого порошкового материала выполнена в виде совокупности отверстий, размещенных вокруг катода в катододержателе, между катодом и анодом расположена металлическая шайба-диафрагма, электрически соединенная с анодом, а источник электропитания состоит из двух источников: основного и вспомогательного. The proposed plasma spraying installation comprises a power supply system, an anode and a cathode located in the housing and connected to a power source, and a plasma-forming gas and sprayed powder material supply system, wherein air is used as a plasma-forming gas, a system of joint supply of plasma-forming gas (air) and a sprayed powder material is made in the form of a set of holes located around the cathode in the cathode holder, between the cathode and the anode there is a metal washer-diaphragm, el electrically connected to the anode, and the power source consists of two sources: main and auxiliary.

На фиг.1 показана конструктивная схема установки плазменного напыления. Установка плазменного напыления содержит корпус 1, в котором размещены катод 2 и анод 3. Катод и анод соединены с основным 4 и вспомогательным 5 источниками электропитания. Источники питания подключены к электрической цепи переменного напряжения 220 В или 127 В. Между катодом и анодом расположена металлическая шайба-диафрагма 6, которая электрически соединена с анодом. Система совместной подачи плазмообразующего газа (воздуха) и напыляемого порошкового материала выполнена в виде совокупности отверстий 7, расположенных вокруг катода в катододержателе 8. На фиг.2 представлена электрическая схема установки. Figure 1 shows a structural diagram of a plasma spraying installation. The plasma spraying installation comprises a housing 1, in which a cathode 2 and an anode 3 are placed. The cathode and anode are connected to the main 4 and auxiliary 5 power sources. The power sources are connected to an electric circuit of alternating voltage 220 V or 127 V. Between the cathode and the anode there is a metal washer-diaphragm 6, which is electrically connected to the anode. The joint supply system of plasma-forming gas (air) and sprayed powder material is made in the form of a set of holes 7 located around the cathode in the cathode holder 8. Figure 2 shows the electrical circuit of the installation.

Предлагаемая установка плазменного напыления работает следующим образом. The proposed installation of plasma spraying works as follows.

Выбирают мощность дугового разряда в зависимости от свойств напыляемого материала, напыляемой поверхности и других факторов. В зависимости от требуемой мощности устанавливают ток основного источника питания и расход плазмообразующего газа, включают основной 4 и вспомогательный 5 источники электропитания, при этом между катодом и анодом возбуждается дуговой разряд. Через отверстия 7 в катододержателе подается напыляемый порошковый материал совместно с воздухом, играющим роль плазмообразующего газа. Смесь порошка с воздухом проходит через область, занимаемую плазменной струей, и выходит через металлическую шайбу-диафрагму 6 и сопло анода 3, после чего попадает на напыляемую поверхность. The power of the arc discharge is selected depending on the properties of the sprayed material, the sprayed surface and other factors. Depending on the required power, the current of the main power source and the flow rate of the plasma-forming gas are set, the main 4 and auxiliary 5 power sources are turned on, while an arc discharge is excited between the cathode and the anode. Through holes 7 in the cathode holder, a sprayed powder material is supplied together with air playing the role of a plasma-forming gas. The mixture of powder with air passes through the area occupied by the plasma jet and exits through the metal washer-diaphragm 6 and the nozzle of the anode 3, after which it falls onto the sprayed surface.

Использование в предлагаемой установке плазменного напыления в качестве плазмообразующего газа воздуха позволяет избежать применения газов (аргона, азота, гелия, водорода), которые традиционно используют в плазменных установках. Кроме того, отпадает необходимость в газобаллонном хозяйстве, что позволяет использовать предлагаемую установку, например, в условиях стоматологической поликлиники. The use of plasma spraying as a plasma-forming gas in the proposed installation avoids the use of gases (argon, nitrogen, helium, hydrogen), which are traditionally used in plasma installations. In addition, there is no need for a gas balloon farm, which allows you to use the proposed installation, for example, in a dental clinic.

Система совместной подачи плазмообразующего газа (воздуха) и напыляемого порошкового материала в виде совокупности отверстий, размещенных вокруг катода в катододержателе, обеспечивает более полное взаимодействие порошка с высокотемпературной частью плазменной струи. В качестве катода используют следующие материалы: цирконий и его сплавы, серебряно-кадмиевую керамику, серебряный припой. The system of joint supply of plasma-forming gas (air) and a sprayed powder material in the form of a set of holes located around the cathode in the cathode holder provides a more complete interaction of the powder with the high-temperature part of the plasma jet. The following materials are used as cathode: zirconium and its alloys, silver-cadmium ceramics, silver solder.

Наличие металлической шайбы-диафрагмы между катодом и анодом, электрически соединенной с анодом, позволяет при выдувании дуги из плазмотрона перемещать анодное пятно на внешнюю сторону шайбы-диафрагмы и тем самым увеличить напряжение и мощность разряда, а кроме того, избежать эрозии самого анода. Это дает возможность продлить срок службы сложного анодного узла и в случае значительного износа ограничиться лишь заменой шайбы. Для увеличения срока службы катодно-анодного узла может быть использована также система охлаждения. The presence of a metal diaphragm washer between the cathode and the anode, electrically connected to the anode, allows the anode spot to be moved to the outer side of the diaphragm when blowing the arc from the plasma torch and thereby increase the voltage and discharge power, and in addition, to prevent erosion of the anode itself. This makes it possible to extend the life of the complex anode assembly and, in the event of significant wear, limit itself to replacing the washer. To increase the life of the cathode-anode assembly, a cooling system can also be used.

Источник электропитания плазменной установки для надежного удержания дугового разряда должен иметь крутопадающую характеристику, пересекающую вольтамперную характеристику разряда только в одной точке, соответствующей выбранному току разряда. В предлагаемой установке плазменного напыления данная проблема решается с помощью вспомогательного источника питания, который поддерживает дугу от срыва. Основной источник электропитания является рабочим и обеспечивает основные энергетические параметры установки. The power supply of the plasma installation for reliable retention of the arc discharge must have a steeply dropping characteristic that crosses the current-voltage characteristic of the discharge at only one point corresponding to the selected discharge current. In the proposed plasma spraying installation, this problem is solved using an auxiliary power source that supports the arc from stall. The main power source is operational and provides the main energy parameters of the installation.

Предлагаемую установку плазменного напыления отличает простота обслуживания, достаточная мощность для получения качественных металлических, керамических и композиционных покрытий, мобильность и возможность использования для нанесения ретенционных покрытий, например, для зубных протезов и имплантатов в условиях стоматологических поликлиник и других медицинских учреждений. The proposed plasma spraying unit is distinguished by ease of maintenance, sufficient power to produce high-quality metal, ceramic and composite coatings, mobility and the possibility of use for applying retention coatings, for example, for dentures and implants in the conditions of dental clinics and other medical institutions.

Предложенные признаки, а именно использование в качестве плазмообразующего газа воздуха, наличие системы совместной подачи плазмообразующего газа и напыляемого порошкового материала в виде совокупности отверстий, размещенных вокруг катода в катододержателе, а также металлической шайбы-диафрагмы, электрически соединенной с анодом, и источника электропитания, состоящего из двух источников: основного и вспомогательного, в известных технических решениях не обнаружены, что позволяет сделать вывод о том, что предложенное решение отвечает критериям "новизна" и "изобретательский уровень". The proposed features, namely the use of air as a plasma-forming gas, the presence of a joint supply system of plasma-forming gas and a sprayed powder material in the form of a set of holes placed around the cathode in the cathode holder, as well as a metal diaphragm washer electrically connected to the anode and an electric power source consisting of from two sources: the main and the auxiliary, were not found in the known technical solutions, which allows us to conclude that the proposed solution meets the criteria of "novelty" and "inventive step".

Пример 1. Была изготовлена установка плазменного напыления, предназначенная для нанесения ретенционных покрытий на зубные протезы и имплантаты. Мощность установки составляла 1,2-1,5 кВт. Полезная мощность дуги - 0,4 кВт. Вспомогательный источник питания был рассчитан на ток до 1 А, основной источник питания - на ток до 10 А. Для изготовления катода применяли циркониевый стержень ⌀ 2-3 мм. Анод был изготовлен из меди. В качестве материала для шайбы-диафрагмы был выбран циркониевый сплав Э-125, который используется для изготовления дентальных имплантатов. Сплав состоял из 97,5% циркония и 2,5% ниобия. Плазмообразующий газ и напыляемый порошок совместно подавали через 4 отверстия ⌀ 1,5 мм в катододержателе. Подача воздуха осуществлялась с помощью автомобильного компрессора "Мустанг-М" (напряжение питания - 12 В, постоянный ток -14,5 А). Example 1. A plasma spraying unit was made for applying retention coatings to dentures and implants. The power of the installation was 1.2-1.5 kW. The net power of the arc is 0.4 kW. The auxiliary power source was designed for current up to 1 A, the main power source - for current up to 10 A. A zirconium rod ⌀ 2-3 mm was used to manufacture the cathode. The anode was made of copper. The material for the diaphragm washer was selected zirconium alloy E-125, which is used for the manufacture of dental implants. The alloy consisted of 97.5% zirconium and 2.5% niobium. The plasma-forming gas and the sprayed powder were simultaneously supplied through 4 ⌀ 1.5 mm holes in the cathode holder. Air was supplied using a Mustang-M automobile compressor (supply voltage - 12 V, direct current -14.5 A).

Пример 2. Была изготовлена установка плазменного напыления, аналогичная описанной в примере 1. Основное отличие заключалось в том, что анод и катод имели систему принудительного охлаждения проточной водой. Мощность установки - 1,8-2,0 кВт. Полезная мощность установки составляла 0,6 кВт. Катод представлял собой стержень из ПСР-45 ГОСТ 19746-85 ⌀ 3 мм. Напыляемый материал и плазмообразующий газ подавался через систему 8 отверстий ⌀ 0,8 мм или 6 отверстий ⌀ 1,0 мм. Шайба-диафрагма и анод были изготовлены из меди. Диаметр выходного отверстия шайбы-диафрагмы составлял ⌀ 3 мм, анода - ⌀ 4 мм. Для подачи воздуха использовали бытовой компрессор "Скалярий" Ty 16-539.630.77 с электропитанием от бытовой сети (220 В) или автомобильный компрессор F-1 "Дубаи" (электропитание - 12 В). Example 2. A plasma spraying unit was manufactured, similar to that described in example 1. The main difference was that the anode and cathode had a forced cooling system with running water. The power of the installation is 1.8-2.0 kW. The net power of the installation was 0.6 kW. The cathode was a rod made of PSR-45 GOST 19746-85 ⌀ 3 mm. The sprayed material and plasma-forming gas were supplied through a system of 8 holes ⌀ 0.8 mm or 6 holes ⌀ 1.0 mm. The diaphragm washer and anode were made of copper. The diameter of the outlet of the diaphragm washer was ⌀ 3 mm, and the anode ⌀ 4 mm. For air supply, we used the Skalyariy Ty 16-539.630.77 household compressor with power from the household network (220 V) or the Dubai F-1 automobile compressor (power supply - 12 V).

Предлагаемая установка плазменного напыления может быть использована для нанесения керамических, металлических и композиционных порошковых материалов. The proposed installation of plasma spraying can be used for applying ceramic, metal and composite powder materials.

Claims

A plasma spraying apparatus comprising a power supply, an anode and a cathode located in a housing and connected to a power supply, and a plasma-forming gas and sprayed powder material supply system, characterized in that air is used as a plasma-forming gas, a joint supply system of plasma-forming gas and sprayed powder material is made in the form of a set of holes located around the cathode in the cathode holder, between the cathode and the anode there is a metal washer-diaphragm electrically connected to the anode, and the power source consists of two sources: main and auxiliary.