RU2225084C1 - Plasmatron - Google Patents
Plasmatron Download PDFInfo
- Publication number
- RU2225084C1 RU2225084C1 RU2003112024/09A RU2003112024A RU2225084C1 RU 2225084 C1 RU2225084 C1 RU 2225084C1 RU 2003112024/09 A RU2003112024/09 A RU 2003112024/09A RU 2003112024 A RU2003112024 A RU 2003112024A RU 2225084 C1 RU2225084 C1 RU 2225084C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel
- powder
- plasma
- section
- cathode
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии плазменной обработки изделий, а более конкретно к электродуговым плазматронам, предназначенным для напыления порошковых материалов, включая тугоплавкие металлы. Напыление производится на поверхности изделий с целью получения покрытий различного функционального назначения. The invention relates to a technology for plasma processing of products, and more particularly to electric arc plasmatrons designed for spraying powder materials, including refractory metals. Spraying is performed on the surface of products in order to obtain coatings for various functional purposes.
Уровень техники
В настоящее время созданы различные типы электродуговых плазматронов, служащих для напыления покрытий на поверхности изделий и материалов.State of the art
Currently, various types of electric arc plasmatrons have been created, which serve to spray coatings on the surface of products and materials.
В процессе плазменного напыления частицы порошкового материала нагреваются и ускоряются в плазменном потоке, после чего они осаждаются на подготовленную поверхность в расплавленном состоянии. Применяемые для плазменного напыления плазматроны можно условно разделить на два типа. In the process of plasma spraying, the particles of the powder material are heated and accelerated in the plasma stream, after which they are deposited on the prepared surface in the molten state. The plasmatrons used for plasma spraying can be conditionally divided into two types.
К первому типу относятся двухэлектродные плазматроны, содержащие катод и анод в форме сопла. В таких плазматронах длина дуги меньше либо равна длине самоустанавливающейся дуги. Плазматроны такого типа генерируют короткую электрическую дугу, поэтому для получения качественных покрытий требуются токи более 200 А. При меньших значениях тока плазматроны данного типа не обеспечивают требуемого нагрева и ускорения частиц порошка из-за недостаточного энерговклада в короткую дугу. Необходимую температуру плазменного потока можно достичь только за счет увеличения тока дуги, однако в этом случае увеличивается эрозия электродов. Увеличение температуры плазмы приводит также к интенсивному испарению мелких частиц, вследствие этого существенно ухудшается качество наносимых покрытий. The first type includes two-electrode plasmatrons containing a cathode and anode in the form of a nozzle. In such plasmatrons, the arc length is less than or equal to the length of the self-aligning arc. Plasmatrons of this type generate a short electric arc, therefore, to obtain high-quality coatings, currents of more than 200 A are required. At lower current values, plasmatrons of this type do not provide the required heating and acceleration of powder particles due to insufficient energy input into a short arc. The required temperature of the plasma flow can be achieved only by increasing the arc current, however, in this case, erosion of the electrodes increases. An increase in plasma temperature also leads to intense evaporation of small particles, as a result of which the quality of the applied coatings is significantly impaired.
К второму типу относятся плазматроны с межэлектродной вставкой, установленной между разрядными электродами. Межэлектродная вставка выполняется в виде двух и более изолированных секций. Секционированная межэлектродная вставка обеспечивает бескаскадное горение дуги. При установке изолятора между секциями межэлектродной вставки создается наиболее благоприятное распределение потенциала вдоль дуги. Длина дуги в таких плазматронах значительно больше самоустанавливающейся дуги, поэтому приложенное напряжение в разрядном промежутке может быть существенно увеличено. В этом случае вкладываемая мощность и температура плазменного потока достигается при меньших значениях разрядных токов. Второй тип плазматронов обладает явными преимуществами, однако при их использовании для плазменного напыления покрытий возникают определенные технические трудности, связанные с вводом порошка напыляемого материала в плазменный поток. The second type includes plasmatrons with an interelectrode insert installed between the discharge electrodes. The interelectrode insert is made in the form of two or more isolated sections. The sectioned interelectrode insert provides non-cascade arc burning. When installing an insulator between sections of the interelectrode insert, the most favorable potential distribution is created along the arc. The arc length in such plasmatrons is much larger than the self-stabilizing arc, therefore, the applied voltage in the discharge gap can be significantly increased. In this case, the input power and the temperature of the plasma flow are achieved at lower values of the discharge currents. The second type of plasmatrons has obvious advantages, however, when using them for plasma spraying of coatings, certain technical difficulties arise associated with the introduction of powder of the sprayed material into the plasma stream.
Если частицы порошка вводятся в высокотемпературную плазменную струю, истекающую из плазматрона, или в анодную область, то потребуются значительные энергозатраты, чтобы обеспечить достаточные для нагрева и ускорения частиц порошка длину и тепловую мощность плазменной струи. Минимальная электрическая мощность таких плазматронов составляет не менее 10 кВт. If powder particles are introduced into a high-temperature plasma jet flowing out of the plasmatron or into the anode region, considerable energy consumption will be required to ensure that the length and thermal power of the plasma jet are sufficient for heating and accelerating the powder particles. The minimum electric power of such plasmatrons is at least 10 kW.
При вводе порошка на начальном участке дуги трудно добиться высокой эффективности использования порошка, так как малая часть частиц порошка попадает и удерживается в центральной (приосевой) зоне электрической дуги. When powder is introduced at the initial arc section, it is difficult to achieve high powder utilization efficiency, since a small part of the powder particles enters and is held in the central (axial) zone of the electric arc.
В патенте US 4621183 (МПК В 23 К 15/00, опубл. 04.11.1986) описан метод напыления порошковых материалов на поверхность изделий и плазматрон, предназначенный для осуществления данного метода. Известный плазматрон содержит стержневой острийный катод, выполненный из тугоплавкого металла, например вольфрама. В состав плазматрона входит межэлектродная вставка, состоящая из двух секций, которые находятся под потенциалом катода, анод, в качестве которого используется обрабатываемая деталь, система охлаждения электродов, система подачи плазмообразующего газа (аргон, азот или их смесь) и система подачи напыляемого порошка в потоке транспортирующего инертного газа. Поток плазмообразующего газа подается в известном плазматроне через кольцевой канал по спиралеобразным изогнутым каналам направляющего устройства к острийному катоду. Наплавляемый порошок подается в межэлектродное пространство через конусообразный канал, образованный между противолежащими коническим поверхностями секций межэлектродной вставки, в направлении к аноду. При этом ввод порошка в плазменный поток осуществляется на расстоянии ~(0,9-1,1)d, где d - диаметр проходного сечения близлежащей к катоду секции межэлектродной вставки, от острийного катода. US Pat. No. 4,621,183 (IPC B 23
Данное конструктивное выполнение плазматрона позволяет частично стабилизировать электрическую дугу и генерируемый поток, что обеспечивает в целом повышение качества покрытия и увеличение ресурса устройства. Однако известное техническое решение не исключает налипания порошка на горячем конце катода и абразивный износ катода за счет ненаправленного движения частиц порошка в прикатодной области дугового разряда. Кроме того, не решена задача по эффективному захвату частиц порошка столбом дугового разряда. This constructive implementation of the plasmatron allows you to partially stabilize the electric arc and the generated flow, which provides a General increase in the quality of the coating and increase the resource of the device. However, the known technical solution does not exclude the sticking of the powder at the hot end of the cathode and the abrasive wear of the cathode due to the undirected movement of the powder particles in the cathode region of the arc discharge. In addition, the problem of the efficient capture of powder particles by an arc discharge column has not been solved.
Необходимо отметить, что приведенное в патенте US 4621183 условие, ограничивающее зону ввода порошка в плазменный поток (протяженность зоны ввода порошка от 0,9d до 1,1d), не связано с условием сохранения ламинарного режима истечения плазменного потока и соответственно с возможностью локального нанесения однородных покрытий. Требуемое качество покрытия в известном плазматроне обеспечивается при иной, в отличие от заявленного изобретения, электродной схеме: анодом в плазматроне по патенту US 4621183 является обрабатываемая деталь, которая удалена от межэлектродной вставки, находящейся под катодным потенциалом. Таким образом, в плазматроне по патенту US 4621183 генерируется самоустанавливающаяся дуга, а само устройство относится к первому типу плазматронов, которому присущи указанные выше недостатки. It should be noted that the condition described in US Pat. No. 4,621,183 restricting the area for introducing powder into the plasma stream (the length of the area for introducing powder from 0.9d to 1.1d) is not related to the condition of maintaining the laminar regime of plasma flow expiration and, accordingly, with the possibility of local application of uniform coatings. The required quality of the coating in the known plasmatron is provided with a different, unlike the claimed invention, electrode circuit: the anode in the plasmatron according to US Pat. No. 4,621,183 is a workpiece that is removed from the interelectrode insert under the cathode potential. Thus, a self-aligning arc is generated in the plasmatron according to US Pat. No. 4,621,183, and the device itself belongs to the first type of plasmatrons, which are characterized by the above disadvantages.
Известны также плазматроны, в которых стабилизация дугового разряда обеспечивается посредством подачи стабилизирующей среды через тангециальные каналы в межэлектродный промежуток. Каналы для подачи стабилизирующей среды сообщены с коническим каналом, образованным между противолежащими поверхностями секций межэлектродной вставки (см., например, патент US 6483070, МПК В 23 К 10/00, опубл. 19.11.2002). Plasmatrons are also known in which stabilization of the arc discharge is ensured by supplying a stabilizing medium through tangential channels into the interelectrode gap. The channels for supplying a stabilizing medium are in communication with a conical channel formed between the opposite surfaces of the sections of the interelectrode insert (see, for example, US Pat. No. 6,430,070, IPC
В опубликованной заявке DE 40 30 541 (МПК В 05 В 7/22, дата публикации 09.04.1992) описан плазматрон для напыления покрытий, включающий в свой состав стержневой острийный катод, выполненный из вольфрама, анод, в качестве которого используется обрабатываемое изделие, межэлектродную вставку, состоящую из двух секций, систему охлаждения межэлектродной вставки, систему подачи плазмообразующего газа и систему подачи напыляемого порошка с потоком транспортирующего газа. DE 40 30 541 (IPC B 05
Подача напыляемого порошка в межэлектродное пространство в известном плазматроне осуществляется через несколько аксиальных каналов, сообщенных с кольцевым каналом, площадь проходного сечения которого в несколько раз превышает суммарную площадь сечения аксиальных каналов. Кольцевой канал, в который подается напыляемый порошок, соединен далее с сужающимся коническим каналом, образованным противолежащими коническими поверхностями секций межэлектродной вставки. The sprayed powder is supplied to the interelectrode space in a known plasmatron through several axial channels in communication with the annular channel, the passage cross-sectional area of which is several times larger than the total cross-sectional area of the axial channels. The annular channel into which the sprayed powder is supplied is further connected to the tapering conical channel formed by the opposite conical surfaces of the sections of the interelectrode insert.
Данное конструктивное выполнение системы подачи напыляемого порошка в разрядный промежуток направлено на обеспечение требуемого качества наносимого покрытия и надежности работы плазматрона. This constructive implementation of the system for feeding the sprayed powder into the discharge gap is aimed at ensuring the required quality of the applied coating and the reliability of the plasmatron.
В известных решениях конический канал, предназначенный для подачи напыляемого порошка профилируется особым образом для того, чтобы исключить налипание порошка на элементах конструкции катодного узла (см., например, заявку WO 01/72462, МПК В 23 К 10/02, опубл. 04.10.2001). In known solutions, the conical channel for supplying the sprayed powder is profiled in a special way in order to prevent powder from sticking to the structural elements of the cathode assembly (see, for example, application WO 01/72462, IPC B 23
Важное значение в отношении качества наносимого покрытия имеет определение пространственной зоны в разрядном канале электродугового плазматрона, в которую должен осуществляться ввод порошка. В патенте US 4080550 (МПК H 01 J 7/26, опубл. 21.05.1978) описан способ ввода в дуговой разряд потока газа, содержащего напыляемый порошок, и плазматрон, с помощью которого осуществляется этот способ. The determination of the spatial zone in the discharge channel of the electric arc plasmatron into which powder should be introduced is important in relation to the quality of the coating applied. US Pat. No. 4,080,550 (IPC H 01
Известное техническое решение направлено на повышение качества наносимого покрытия, которое зависит от распределения, размера и температуры частиц в плазменном потоке. С этой целью порошок, транспортируемый в потоке инертного газа, предварительно охлаждают в подводящих каналах, а затем вводят в начальный участок дугового разряда в непосредственной близости от катода под острым углом к оси симметрии острийного катода. Данный метод ввода порошка в дуговой разряд позволяет, с одной стороны, обеспечить защиту эмиссионной поверхности катода от абразивного и химического воздействия частиц. С другой стороны, ввод порошка на расстоянии от зоны контракции электрической дуги обеспечивает стабилизацию дуги и, соответственно, повышение качества наносимого покрытия. Known technical solution is aimed at improving the quality of the applied coating, which depends on the distribution, size and temperature of the particles in the plasma stream. To this end, the powder transported in an inert gas stream is pre-cooled in the supply channels, and then introduced into the initial section of the arc discharge in the immediate vicinity of the cathode at an acute angle to the axis of symmetry of the tip cathode. This method of introducing the powder into the arc discharge allows, on the one hand, to protect the emission surface of the cathode from the abrasive and chemical effects of particles. On the other hand, the introduction of the powder at a distance from the contraction zone of the electric arc ensures stabilization of the arc and, accordingly, an increase in the quality of the applied coating.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является плазматрон для напыления, раскрытый в описании изобретения к авторскому свидетельству SU 503601 (МПК В 05 В 7/00, опубл. 25.02.1976). Известный плазматрон для напыления покрытий содержит корпус, катодный узел с острийным стержневым катодом, анодный узел, секционированную межэлектродную вставку, состоящую из двух электроизолированных от электродов секций, плазмообразующий канал, образованный стенками межэлектродной вставки и анодного узла, узел подвода охлаждающей среды к электродам, узел подачи плазмообразующего газа в межэлектродное пространство и узел подачи потока транспортирующего газа с порошком, предназначенным для напыления. При этом порошок подается через конусообразный канал, образованный между секциями межэлектродной вставками, в направлении к анодному узлу. The closest analogue of the claimed invention is a plasma torch for spraying, disclosed in the description of the invention to the copyright certificate SU 503601 (IPC B 05
Ввод порошка в известном плазматроне осуществляется в зону дугового разряда, имеющую наибольшую температуру. За счет этого обеспечивается полное расплавление частиц и снижается влияние охлаждающего эффекта при вводе порошка на температуру плазменного потока. The input of the powder in the known plasmatron is carried out in the zone of the arc discharge, which has the highest temperature. This ensures the complete melting of the particles and reduces the influence of the cooling effect when the powder is introduced on the temperature of the plasma stream.
Однако как наиболее близкий аналог заявленного изобретения, так и остальные аналоги изобретения не обеспечивают высоких требований по однородности локально наносимых покрытий, что в первую очередь определяет качество наносимого покрытия. Во всех известных технических решениях не предусмотрены условия, при которых в целом исключается турбулизация плазменного потока, влияющая на однородность распределения концентрации расплавленных частиц в потоке и равномерность нагрева частиц вместе с потоком газа. However, both the closest analogue of the claimed invention and other analogues of the invention do not provide high requirements for the uniformity of locally applied coatings, which primarily determines the quality of the applied coating. All known technical solutions do not provide conditions under which turbulence of the plasma stream is generally excluded, affecting the uniform distribution of the concentration of molten particles in the stream and the uniformity of heating of the particles together with the gas stream.
Сущность изобретения
Патентуемое изобретение направлено на повышение качества наносимых покрытий, в первую очередь однородности покрытий, за счет создания условий для обеспечения ламинарности плазменного потока в зоне ввода порошка в дуговой разряд. Кроме того, патентуемое изобретение направлено на повышение эффективности работы плазматрона за счет наиболее полного использования порошка, вводимого в дуговой разряд, и эффективного использования энергии дугового разряда с целью генерации плазменного потока с равномерным распределением по сечению частиц наносимого материала и равномерным нагревом порошка и плазмообразующего газа.SUMMARY OF THE INVENTION
The patented invention is aimed at improving the quality of the applied coatings, primarily the uniformity of the coatings, by creating conditions for ensuring the laminarity of the plasma flow in the zone of powder input into the arc discharge. In addition, the patented invention is aimed at increasing the efficiency of the plasmatron due to the most complete use of the powder introduced into the arc discharge and the efficient use of arc discharge energy to generate a plasma stream with a uniform distribution over the particle cross section of the applied material and uniform heating of the powder and plasma forming gas.
Перечисленные технические результаты связаны с определенными условиями ввода порошка напыляемого материала в начальный участок дугового разряда, зажигаемого в плазмообразующем канале плазматрона. При выбранных условиях частицы порошка независимо от их размеров и массы должны попадать в центральную (приосевую) зону дугового разряда и захватываться плазменным потоком под действием вязкостных сил. Данные условия являются предметом изобретения. The listed technical results are associated with certain conditions for introducing the powder of the sprayed material into the initial section of the arc discharge ignited in the plasma forming channel of the plasmatron. Under the selected conditions, powder particles, regardless of their size and mass, should fall into the central (axial) zone of the arc discharge and be captured by the plasma flow under the action of viscous forces. These conditions are the subject of the invention.
Достижение перечисленных выше технических результатов обеспечиваются с помощью плазматрона для напыления покрытий, содержащего корпус, катодный узел с острийным катодом, анодный узел, секционированную межэлектродную вставку, состоящую, по меньшей мере, из двух электроизолированных от электродов секций, плазмообразующий канал, образованный стенками межэлектродной вставки и анодного узла. Кроме того, в состав плазматрона входит узел подвода охлаждающей среды, по меньшей мере, к одному из электродов, узел подачи плазмообразующего газа в межэлектродное пространство и узел подачи потока транспортирующего газа с порошком, предназначенным для напыления, через конусообразный канал, образованный между секциями межэлектродной вставками, в направлении к анодному узлу. The achievement of the above technical results is achieved using a plasmatron for spraying coatings, comprising a housing, a cathode assembly with a tip cathode, an anode assembly, a sectioned interelectrode insert, consisting of at least two sections insulated from the electrodes, a plasma forming channel formed by the walls of the interelectrode insert and anode assembly. In addition, the plasmatron includes a node for supplying a cooling medium to at least one of the electrodes, a node for supplying a plasma-forming gas into the interelectrode space, and a node for supplying a flow of transporting gas with powder intended for spraying through a cone-shaped channel formed between the sections of the interelectrode inserts towards the anode assembly.
При этом согласно настоящему изобретению выходная часть конусообразного канала удалена от острийного катода вдоль оси симметрии плазмообразующего канала на расстояние не более 3d, но не менее 0,5d, где d - диаметр проходного сечения ближайшей к катоду секции межэлектродной вставки. Конусообразный канал сообщен с узлом подачи транспортирующего газа с порошком через кольцевую промежуточную камеру. Узел подачи транспортирующего газа с порошком содержит, по меньшей мере, один канал, обеспечивающий тангенциальную подачу потока транспортирующего газа с порошком в кольцевую промежуточную камеру. Moreover, according to the present invention, the output of the cone-shaped channel is removed from the tip cathode along the axis of symmetry of the plasma-forming channel by a distance of not more than 3d, but not less than 0.5d, where d is the diameter of the passage section of the interelectrode insert section closest to the cathode. The cone-shaped channel is in communication with the conveying gas supply unit with the powder through the annular intermediate chamber. The powder conveying gas supply unit comprises at least one channel providing a tangential supply of the conveying gas and powder gas stream to the annular intermediate chamber.
Основная идея патентуемого изобретения заключается в подаче напыляемого порошка в определенную зону начального участка дугового разряда (в прикатодную область), в которой происходит активный нагрев плазмообразующего газа, ионизация, ускорение и активный захват холодного транспортирующего газа с порошком. Скорость основного плазменного потока в зоне ввода порошка составляет более 100 м/с. Выбор пространственной зоны ввода порошка (0,5d-3d от острийного катода, где d - диаметр проходного сечения ближайшей к катоду секции межэлектродной вставки) обусловлен тем, что в данной области формируется плазменный поток с установившимся распределением скорости, температуры и плотности потока. Кроме того, в этой зоне происходит активное расширение столба дугового разряда и образование так называемой катодной струи, что в целом способствует захвату частиц порошка центральной зоной плазменного потока. The main idea of the patented invention is to supply the sprayed powder to a specific area of the initial arc discharge section (in the cathode region), in which the plasma-forming gas is actively heated, ionization, acceleration and active capture of the cold carrier gas with the powder. The velocity of the main plasma flow in the powder injection zone is more than 100 m / s. The choice of the spatial zone of the powder injection (0.5d-3d from the tip cathode, where d is the diameter of the passage section of the section of the interelectrode insert closest to the cathode) is due to the fact that a plasma flow is formed in this region with a steady distribution of velocity, temperature and flux density. In addition, an active expansion of the arc discharge column and the formation of the so-called cathode jet occur in this zone, which generally contributes to the capture of powder particles by the central zone of the plasma flow.
Ввод порошка в указанную зону не нарушает ламинарного режима течения плазменного потока и тем самым обеспечивается равномерный одновременный нагрев в дуговом разряде плазмообразующего газа, транспортирующего газа и напыляемого порошка. Интенсивный нагрев и ускорение частиц порошка в этом случае обеспечивается в высокотемпературной зоне дугового разряда, обжатой стенками секционированной межэлектродной вставки. The introduction of the powder into the specified zone does not violate the laminar regime of the plasma flow and thereby ensures uniform simultaneous heating in the arc discharge of the plasma-forming gas, the transporting gas and the sprayed powder. Intensive heating and acceleration of powder particles in this case is provided in the high-temperature zone of the arc discharge, compressed by the walls of the sectioned interelectrode insert.
Вторым важным фактором, определяющим достижение перечисленных технических результатов, является, как показали экспериментальные исследования, направление ввода порошка с потоком транспортирующего газа. Для решения поставленных задач частицы порошка должны попадать в приосевую область дугового разряда и удерживаться в нем под действием вязкостных сил на всем протяжении дуги. Данное условие обеспечивается за счет спиралеобразного вращения твердых частиц в приосевой зоне разряда. The second important factor determining the achievement of the listed technical results is, as shown by experimental studies, the direction of the input of the powder with the flow of the transporting gas. To solve the problems posed, powder particles must fall into the axial region of the arc discharge and remain in it under the action of viscous forces throughout the arc. This condition is ensured by the spiral-shaped rotation of solid particles in the axial zone of the discharge.
Указанный эффект достигается посредством профилирования каналов подачи порошка в потоке транспортирующего газа. В результате движение порошка в потоке газа в каналах узла подачи порошка сначала формируется тангенциальный двухфазный (газ и порошок) поток, который затем направляется в промежуточную кольцевую камеру для создания ламинарного режима течения потока. После этого двухфазный поток через конусообразный канал подается в прикатодную область дугового разряда. Таким образом, в зоне ввода порошка твердые частицы напыляемого материала имеют три составляющих вектора скорости: осевую, радиальную и тангенциальную. Изменяя геометрические параметры каналов ввода газопорошковой смеси можно добиться оптимальных результатов для используемых энергетических и газодинамических характеристик плазматрона. The indicated effect is achieved by profiling the powder supply channels in the flow of the conveying gas. As a result, the movement of the powder in the gas stream in the channels of the powder supply unit first generates a tangential two-phase (gas and powder) stream, which is then sent to the intermediate annular chamber to create a laminar flow regime. After this, a two-phase flow through a conical channel is supplied to the near-cathode region of the arc discharge. Thus, in the powder injection zone, solid particles of the sprayed material have three components of the velocity vector: axial, radial, and tangential. By changing the geometric parameters of the input channels of the gas-powder mixture, optimal results can be obtained for the energy and gas-dynamic characteristics of the plasmatron used.
В целом при использовании в плазматроне всех существенных признаков, приведенных в независимом пункте формулы изобретения, обеспечивается высокое качество наносимого покрытия и высокая эффективность использования напыляемого порошка, поскольку весь поток вводимого в дуговой разряд порошка преобразуется в узконаправленную компактную плазменную струю на выходе из плазматрона. Угол раскрытия плазменной струи составляет менее 15o, а размер пятна с высокой степенью однородности покрытия не превышает 5 мм на расстоянии 15 мм от среза выходного сечения плазматрона.In general, when using the plasma torch of all the essential features described in the independent claim, high quality of the applied coating and high efficiency of the use of the sprayed powder are ensured, since the entire flow of powder introduced into the arc discharge is converted into a narrowly directed compact plasma jet at the exit of the plasmatron. The opening angle of the plasma jet is less than 15 o , and the spot size with a high degree of uniformity of the coating does not exceed 5 mm at a distance of 15 mm from the exit section of the plasmatron.
Целесообразно, чтобы углы между осью симметрии плазмообразующего канала и образующими конических поверхностей конусообразного канала составляли не менее 45o. При таких углах наклона направляющего канала обеспечивается наиболее оптимальное соотношение осевой и радиальной составляющих скорости частиц порошка, вводимого в дуговой разряд. Оптимальность осевой и радиальной составляющих скорости частицы характеризует гарантированный захват частиц начальным участком дугового разряда за счет вязкостных свойств плазменного потока.It is advisable that the angles between the axis of symmetry of the plasma forming channel and the generatrices of the conical surfaces of the conical channel are at least 45 o . At such angles of inclination of the guide channel, the most optimal ratio of the axial and radial components of the velocity of the powder particles introduced into the arc discharge is ensured. The optimality of the axial and radial components of the particle velocity characterizes the guaranteed capture of particles by the initial portion of the arc discharge due to the viscous properties of the plasma stream.
Диаметр проходного сечения анодного узла предпочтительно составляет 1,1-1,5 диаметра проходного сечения ближайшей к нему секции межэлектродной вставки. Длина канала анодного узла вдоль оси симметрии плазмообразующего канала преимущественно составляет 2,5-3,5 диаметра минимального проходного сечения канала анодного узла. При соблюдении данных условий обеспечиваются оптимальные условия для поддержания ламинарного режима течения плазменного потока, при этом наблюдается существенное снижение налипания порошка на поверхности анодного узла, контактирующей с плазменным потоком. The diameter of the passage section of the anode assembly is preferably 1.1 to 1.5 times the diameter of the passage section of the interelectrode insert section nearest to it. The channel length of the anode assembly along the axis of symmetry of the plasma forming channel is preferably 2.5-3.5 times the diameter of the minimum passage section of the channel of the anode assembly. Subject to these conditions, optimal conditions are provided for maintaining the laminar regime of the plasma flow, while there is a significant decrease in powder buildup on the surface of the anode assembly in contact with the plasma flow.
Канал анодного узла может содержать последовательно соединенные конический и цилиндрический участки, при этом длина цилиндрического участка вдоль оси симметрии плазмообразующего канала составляет 0,8-1,5 диаметра минимального проходного сечения канала анодного узла. Данное условие способствует поддержанию ламинарного режима истечения плазменного потока через канал анодного узла и позволяет дополнительно снизить налипание порошка на стенки анодного канала. The channel of the anode assembly may contain conically and cylindrical sections connected in series, the length of the cylindrical section along the axis of symmetry of the plasma forming channel being 0.8-1.5 times the diameter of the minimum passage section of the channel of the anode assembly. This condition helps maintain the laminar regime of the plasma flow through the channel of the anode assembly and further reduces the buildup of powder on the walls of the anode channel.
В предпочтительном варианте выполнения диаметр проходного сечения каждой последующей в направлении к анодному узлу секции межэлектродной вставки составляет не менее 1,1 диаметра проходного сечения предыдущей секции межэлектродной вставки. In a preferred embodiment, the diameter of the passage section of each subsequent section towards the anode assembly of the interelectrode insert section is at least 1.1 the diameter of the passage section of the previous section of the interelectrode insert.
Конусообразный канал может быть образован между двумя ближайшими к катоду секциями межэлектродной вставки, которые выполнены электроизолированными друг от друга. Данное конструктивное выполнение наиболее приемлемо, поскольку в большинстве случае расчетная зона ввода порошка располагается между первыми двумя секциями межэлектродной вставки. A cone-shaped channel can be formed between two sections of the interelectrode insert closest to the cathode, which are electrically insulated from each other. This constructive implementation is most acceptable, since in most cases the calculated area of the input powder is located between the first two sections of the interelectrode insert.
Канал, обеспечивающий тангенциальную подачу потока транспортирующего газа с порошком в промежуточную камеру, может быть образован винтовой канавкой, выполненной на внешней поверхности ближайшей к катоду секции межэлектродной вставки. Такое выполнение канала наиболее приемлемо с технологической точки зрение и позволяет упростить конструкцию плазматрона. A channel providing a tangential supply of a flow of transporting gas with powder to the intermediate chamber can be formed by a helical groove made on the outer surface of the section of the interelectrode insert closest to the cathode. This embodiment of the channel is most technologically acceptable and can simplify the design of the plasmatron.
Целесообразно, чтобы площадь проходного сечения конусообразного канала превышала не менее чем в 2,5 раза площадь проходного сечения винтовой канавки. Данное условие направлено на оптимизацию скорости частиц перед их вводом в область начального участка дугового разряда. При расширении канала подачи транспортирующего газа с порошком в кольцевом конусообразном канале происходит снижение скорости газового потока. Вследствие этого уменьшается скорость частиц до оптимального уровня (менее 20 м/с). It is advisable that the area of the passage section of the cone-shaped channel exceeded not less than 2.5 times the area of the passage section of the helical groove. This condition is aimed at optimizing the velocity of particles before they enter the region of the initial portion of the arc discharge. With the expansion of the channel for supplying carrier gas with powder in the annular conical channel, the gas flow rate decreases. As a result, the particle velocity decreases to the optimum level (less than 20 m / s).
В предпочтительном варианте выполнения узел подачи транспортирующего газа с порошком может содержать равномерно расположенные по окружности три канала, каждый из которых образован винтовой канавкой, выполненной на внешней поверхности ближайшей к катоду секции межэлектродной вставки. В этом случае также целесообразно, чтобы площадь проходного сечения конусообразного канала превышала не менее чем в 2,5 раза суммарную площадь проходных сечений винтовых канавок. In a preferred embodiment, the conveyor gas supply unit with the powder may comprise three channels evenly spaced around the circumference, each of which is formed by a helical groove made on the outer surface of the section of the interelectrode insert closest to the cathode. In this case, it is also advisable that the area of the passage section of the conical channel exceed at least 2.5 times the total area of the passage sections of the helical grooves.
Шаг винтовой канавки преимущественно составляет 2,0-9,0 мм. Данное условие определяет соотношение между осевой и тангенциальной составляющей скорости частицы на выходе из винтовой канавки. Выбранный диапазон шага винтовой канавки характерен для большинства микроплазматронов, используемых для напыления порошка. The pitch of the helical groove is preferably 2.0 to 9.0 mm. This condition determines the relationship between the axial and tangential components of the particle velocity at the exit of the helical groove. The selected pitch range of the helical groove is characteristic of most microplasmatrons used for powder spraying.
Перечень чертежей
Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера реализации изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:
на фиг.1 показан продольный разрез плазматрона в плоскости расположения каналов, предназначенных для подачи охлаждающей среды;
на фиг.2 - поперечный разрез А-А плазматрона (см. фиг.1);
на фиг. 3 - продольный разрез плазматрона в плоскости расположения трубопровода, предназначенного для подвода транспортирующего газа с порошком;
на фиг.4 - поперечный разрез В-В плазматрона (см. фиг.2);
на фиг.5 - продольный разрез электродной части плазматрона в увеличенном масштабе;
на фиг.6 - вид на секцию межэлектродной вставки, на внешней поверхности которой образованы три винтовые канавки.List of drawings
The invention is further explained in the description of a specific example implementation of the invention with reference to the accompanying drawings, which depict the following:
figure 1 shows a longitudinal section of a plasmatron in the plane of the arrangement of channels intended for supplying a cooling medium;
figure 2 is a transverse section aa of the plasmatron (see figure 1);
in FIG. 3 is a longitudinal section of the plasmatron in the plane of the pipeline, intended for the supply of conveying gas with powder;
figure 4 is a transverse section bb plasmatron (see figure 2);
figure 5 is a longitudinal section of the electrode part of the plasmatron on an enlarged scale;
Fig.6 is a view of a section of the interelectrode insert, on the outer surface of which three helical grooves are formed.
Изображения плазматрона, представленные на чертежах, показаны в увеличенном масштабе (для фиг.1-4 масштаб 2:1, для фиг.5 и 6 - 4:1). Images of the plasmatron shown in the drawings are shown on an enlarged scale (for Figs. 1-4, a 2: 1 scale, for Figs. 5 and 6, 4: 1).
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Плазматрон, изображенный на фиг.1-6, представляет собой один из вариантов реализации изобретения. Плазматрон содержит корпус 1, в котором установлен острийный катод 2, запрессованный в катодержателе 3. Катод 2, являющийся частью катодного узла, выполняется из тугоплавкого металла с высокой эмиссионной способностью. В рассматриваемом варианте исполнения катод выполнен из вольфрама. Катодержатель 3 изготавливается из электро- и теплопроводящего материала, например меди, бронзы или латуни.Information confirming the possibility of carrying out the invention
The plasmatron depicted in figures 1-6, is one of the options for implementing the invention. The plasmatron contains a
Катод 2 подключается к отрицательному полюсу источника электропитания (на чертеже не показан). Внутри катодержателя 3 выполнен цилиндрический осевой канал 4 для подачи плазмообразующего газа. С одной стороны канал 4 подключен к системе подачи плазмообразующего газа (на чертеже не показана), а с другой - через радиальные каналы 5 с подводящими каналами 6, образованными между стенками цилиндрического канала, в котором установлен катодержатель 3, и параллельными лысками, выполненными на внешней поверхности катодержателя 3 (см. фиг. 4). Система каналов 4, 5 и 6 образует узел подвода плазмообразующего газа. The
В состав плазматрона входит также межэлектродная вставка, состоящая из двух электроизолированных друг от друга секций 7 и 8, и анодный узел 9. Стенки осевых отверстий, выполненных в секциях 7 и 8 межэлектродной вставки и в анодном узле 9, образуют плазмообразующий канал. The plasmatron also includes an interelectrode insert, consisting of two
Катодержатель 3 фиксирует острийный катод 2 вдоль оси симметрии плазмообразующего канала, обеспечивая тем самым осесимметричность дугового разряда. Кроме того, катодержатель 3 устанавливается в полости корпуса 1 с минимальными зазорами с контактирующими деталями катодного узла для обеспечения теплового контакта с трубопроводами 10 узла подвода охлаждающей жидкости. The
Проходной канал анодного узла 9 включает последовательно соединенные конический и цилиндрический участки (см. фиг.5). Длина lац цилиндрического участка канала анодного узла 9 вдоль оси симметрии плазмообразующего канала равна диаметру dац=3 мм цилиндрического участка канала (минимального проходного сечения канала анодного узла). Данный размер выбран в соответствии с условием: длина цилиндрического участка канала анодного узла вдоль оси симметрии плазмообразующего канала составляет 0,8-1,5 диаметра минимального проходного сечения канала анодного узла.The passage channel of the
При этом длина lа анодного узла вдоль оси симметрии плазмообразующего канала составляет lа=2,5dац=7 мм, что соответствует условию: длина анодного узла вдоль оси симметрии плазмообразующего канала должна составлять 2,5-3,5 диаметра минимального проходного сечения канала анодного узла.The length l and the anode assembly along the axis of symmetry of plasma channel and l = 2,5d aij = 7 mm, which corresponds to the condition that the anode unit length along the axis of symmetry of the plasma channel should be 2.5-3.5 minimum diameter of the through passage cross section anode assembly.
Минимальный диаметр dац проходного сечения анодного узла равен 1,2d2, где d2=2,5 мм - диаметр проходного сечения ближайшей к анодному узлу второй секции 8 межэлектродной вставки. Данный размер также выбран согласно установленному условию: минимальный диаметр проходного сечения анодного узла составляет 1,1-1,5 диаметра проходного сечения ближайшей к нему секции межэлектродной вставки.The minimum diameter d ac of the passage section of the anode assembly is 1.2d 2 , where d 2 = 2.5 mm is the diameter of the passage section of the
Диаметр d1 ближайшей к катоду первой секции 7 межэлектродной вставки выбирается равным d2/1,25=2 мм в соответствии со следующим условием: диаметр проходного сечения каждой последующей в направлении к анодному узлу секции межэлектродной вставки составляет не менее 1,1 диаметра проходного сечения предыдущей секции межэлектродной вставки.The diameter d 1 of the first
Трубопроводы 10 сообщены с двумя полостями 11 для протока охлаждающей жидкости. С другой стороны трубопроводы 10 подключены к системе прокачки охлаждающей среды (на чертеже не показана). Полости 11 образованы между изолирующей втулкой 12 и лысками, выполненными на внешних поверхностях первой секции 7 межэлектродной вставки, уплотняющей втулки 13, изолирующей втулки 14 и второй секции 8 межэлектродной вставки. Уплотняющая втулка 13 выполняется из электро- и теплопроводящего материала, например из меди, латуни или бронзы. Далее тракт подвода охлаждающей жидкости сообщен с кольцевой полостью, выполненной в корпусе 15 анодного узла 9. The
Узел подачи потока транспортирующего газа с порошком содержит трубопровод 16 подвода транспортирующего газа с порошком (см. фиг.3), который сообщен с системой подготовки и подачи рабочей смеси (на чертеже не показана). Трубопровод 16 выполняется из диэлектрического материала и проходит через внутренний канал втулки 17 катодного узла. Далее трубопровод 16 соединен с каналом 18, образованным в диэлектрической втулке 19. Канал 18 сообщен через канал 20, выполненный в первой секции 7 межэлектродной вставки, с кольцевым каналом 21. Далее поток транспортирующего газа с порошком подводится к каналам 22, обеспечивающим тангенциальную подачу потока транспортирующего газа с порошком в кольцевую промежуточную камеру 23. Три канала 22, равномерно расположенные по окружности, образованы винтовыми канавками 24, которые выполнены на внешней поверхности первой секции 7 межэлектродной вставки (см. фиг.6). Шаг винтовой канавки 24 составляет lш=2 мм (в соответствии с диапазоном оптимальных размеров: 2,0-9,0 мм).The feed flow of the conveying gas with the powder contains a
Выходы канавок 24 сообщены с кольцевой промежуточной камерой 23, которая переходит в конусообразный канал 25, образованный между секциями 7 и 8 межэлектродной вставки. Углы между осью симметрии плазмообразующего канала и образующими конусообразный канал 25 коническими поверхностями секций 7 и 8 составляют 45o. Ширина канала 25 вдоль направления потока может изменяться от 2 до 1 мм.The outputs of the
Площадь проходного сечения канала 25 превышает в 10 раз суммарную площадь проходных сечений каналов, образованных винтовыми канавками 24. Выбор данного соотношения размеров определяется условием: площадь проходного сечения конусообразного канала превышает не менее чем в 2,5 раза суммарную площадь проходных сечений каналов, образованных винтовыми канавками. The passage area of
Далее тракт подачи потока транспортирующего газа с порошком соединен с плазмообразующим каналом плазматрона. Выходная часть конусообразного канала 25, ограниченная противолежащими кромками секций 7 и 8 межэлектродной вставки, удалена от острийного катода 2 вдоль оси симметрии плазмообразующего канала на расстояние в диапазоне от l1=d1 до l2=1,2d1, где d1=2 мм - диаметр проходного сечения первой секции 7 межэлектродной вставки. Данный диапазон размеров выбран в соответствии с установленным условием: выходная часть конусообразного канала должна быть удалена от острийного катода вдоль оси симметрии плазмообразующего канала на расстояние не более чем на 3d, но не менее чем на 0,5d, где d - диаметр проходного сечения ближайшей к катоду секции межэлектродной вставки.Next, the path of the flow of the conveying gas with the powder is connected to the plasma forming channel of the plasmatron. The output of the cone-shaped
Кроме перечисленных выше узлов, агрегатов и деталей, в состав плазматрона входят следующие уплотнительные, изолирующие и соединительные элементы. In addition to the above nodes, assemblies and parts, the following sealing, insulating and connecting elements are included in the plasmatron.
Уплотняющая диэлектрическая вставка 26 установлена между секцией 8 межэлектродной вставки и корпусом 15 анодного узла и служит для герметизации тракта подвода охлаждающей жидкости и электроизоляции анодного узла 9. Уплотняющая втулка 27 обеспечивает герметизацию стыка каналов 10 и 11 подачи охлаждающей жидкости. A sealing
Изолирующая втулка 28 служит для электроизоляции первой секции 7 межэлектродной вставки и катодержателя 3. Накидная гайка 29 обеспечивает вместе с фиксирующей шайбой 30 соединение анодного узла 15 с корпусом 1 плазматрона. С помощью внутренней кольцевой гайки 31 и фиксирующей шайбы 32 осуществляется крепление катодного узла в полости корпуса 1. The insulating
Уплотняющие кольца 33 и 34 обеспечивают герметизацию стыков между анодным узлом, катодным узлом, изолирующей втулкой 12 и корпусом 1. Тракт охлаждающей жидкости в каналах 11 герметизируется с помощью уплотняющего кольца 35, установленного между уплотняющей втулкой 13 и изолирующей втулкой 14 (см. фиг.1). The sealing rings 33 and 34 provide sealing joints between the anode assembly, the cathode assembly, the insulating
Работа плазматрона осуществляется следующим образом. The plasmatron is as follows.
Перед включением плазматрона трубопроводы 12 подключаются к системе прокачки охлаждающей жидкости, канал 4 к системе подачи плазмообразующего газа, а катод 2 и анодный узел 9 - к источнику электропитания через коммутирующие элементы. Охлаждающая жидкость поступает по одному из трубопроводов 10 в соответствующую полость 11 протока жидкости, а затем в кольцевую полость, образованную в корпусе 15. Из полости анодного узла охлаждающая жидкость выводится через диаметрально противоположную полость 11 протока жидкости и диаметрально противоположный трубопровод 10. Before turning on the plasmatron,
Электрические соединения, газовые и гидромагистрали подключаются к плазматрону через общий электрогидрогазовый разъем. Electrical connections, gas and hydraulic lines are connected to the plasmatron through a common electrohydrogen-gas connector.
При включении плазматрона катод 2 подключают с помощью коммутирующих элементов (на чертеже не показаны) к отрицательному полюсу источника электропитания (на чертеже не показан), а анодный узел - к положительному полюсу источника. Разрядный ток составляет не более 35 А. Зажигание дугового разряда в плазмообразующем канале, ограниченном стенками секций межэлектродной вставки, осуществляется после его заполнения плазмообразующим газом. When the plasmatron is turned on, the
Подача плазмообразующего газа осуществляется через осевой канал 4, радиальные каналы 5 и диаметрально противоположные каналы 6. Далее плазмообразующий газ подается в полость, образованную между острийным катодом 2 и внутренней поверхностью первой секции 7 межэлектродной вставки. Сечение этой полости значительно превосходит суммарное проходное сечение подводящих каналов 6, вследствие этого снижается осевая скорость потока плазмообразующего газа и обеспечивается ламинарный режим течения плазмообразующего газа на входе в разрядный промежуток. Каналы 6 выполняют также функцию стабилизаторов потока плазмообразующего газа, поступающего из внешней системы подачи газа. The plasma-forming gas is supplied through the
Ламинарный режим течения плазменного потока в плазмообразующем канале обеспечивается посредством специального профилирования канала. Для этого диаметр секции 8 межэлектродной вставки выбирается равным не менее 1,1 диаметра проходного сечения секции 7 вставки, а диаметр цилиндрического участка канала анодного узла 9 составляет 1,1-1,5 диаметра проходного сечения секции 8 вставки. Ламинарный режим течения плазменного потока поддерживается также за счет того, что канал анодного узла 9 включает последовательно соединенные конический и цилиндрический участок. Длина цилиндрического участка анодного узла 9 вдоль оси симметрии плазмообразующего канала составляет 0,8-1,5 от его диаметра. Общая длина канала анодного узла 9 вдоль оси симметрии плазмообразующего канала составляет 2,5-3,5 диаметра цилиндрического участка канала. The laminar regime of the plasma flow in the plasma-forming channel is ensured by means of a special channel profiling. For this, the diameter of the
После зажигания дугового разряда в плазмообразующем канале в заданную область начального участка дуги (в прикатодную зону), которая определяется в соответствии с установленным согласно предмету изобретения условием, подается ламинарный поток транспортирующего газа с порошком, предназначенным для напыления. Предварительное смешение транспортирующего газа с порошком производится в системе подготовки и подачи рабочей смеси (на чертеже не показана), которая сообщена с трубопроводом 16. Указанный трубопровод выполняется из диэлектрического материала с целью электроизоляции тракта подачи транспортирующего газа с порошком от катодного узла. Далее двухфазный поток через каналы 18 и 20 поступает во входной кольцевой канал 21, обеспечивающий расширение и соответственно стабилизацию двухфазного потока. After ignition of the arc discharge in the plasma-forming channel to a predetermined area of the initial arc section (in the cathode zone), which is determined in accordance with the condition established according to the subject of the invention, a laminar flow of transporting gas with a powder intended for spraying is supplied. Preliminary mixing of the transporting gas with the powder is performed in the preparation and supply of the working mixture (not shown in the drawing), which is in communication with the
После этого стабилизированный двухфазный поток направляется к каналам 22, обеспечивающим тангенциальную подачу потока транспортирующего газа с порошком. Каналы 22 образованы в рассматриваемом варианте выполнения плазматрона тремя винтовыми канавками 24, выполненными на внешней поверхности первой секции 7 межэлектродной вставки. Однако данный пример выполнения не исключает возможности использования канала 22, образованного одной винтовой канавкой 24 на внешней поверхности секции 7 межэлектродной вставки. After that, the stabilized two-phase flow is directed to the
Каналы 22 ограничены с внешней стороны внутренней поверхностью уплотняющей втулки 13. После прохождения двухфазного потока по каналам 22 двухфазный поток приобретает тангенциальную составляющую скорости. Оптимальное соотношение между осевой и тангенциальной составляющей скорости частиц порошка в потоке транспортирующего газа обеспечивается за счет выбора соответствующего шага винтовой канавки 24 (см. фиг.6).
Изменяя шаг lш, можно добиться наиболее оптимального соотношения осевой и тангенциальной составляющей вектора скорости частиц с точки зрения наиболее эффективного захвата частиц в плазменном потоке. Регулирование соотношения тангенциальной и осевой составляющей скорости двухфазного потока, например, при изменении состава газа, материала и размера частиц порошка, может осуществляться посредством использования сменных секций 7 межэлектродной вставки с различным шагом винтовой канавки и, при необходимости, с различным количеством заходов винтовых канавок.By changing the step l w , it is possible to achieve the most optimal ratio of the axial and tangential components of the particle velocity vector from the point of view of the most efficient capture of particles in the plasma stream. The ratio of the tangential and axial components of the velocity of the two-phase flow, for example, when changing the composition of the gas, material, and particle size of the powder, can be controlled by using
Далее тангенциально закрученный двухфазный поток поступает в кольцевую промежуточную камеру 23, в которой происходит расширение потока и, следовательно, его торможение. Вследствие этого скорость газового потока уменьшается прямо пропорционально увеличению площади проходного сечения канала. Следует отметить, что снижение скорости частиц порошка в потоке транспортирующего газа происходит сравнительно менее заметно по отношению к снижению скорости транспортирующего газа за счет большей инерционности частиц. Then the tangentially swirling two-phase flow enters the annular
Затем двухфазный поток направляется в конусообразный канал 25, образованный между секциями 7 и 8 межэлектродной вставки. Поскольку площадь проходного сечения канала 25 в 10 раз превосходит суммарную площадь проходных сечений каналов 22 осуществляется последующее торможение частиц порошка в потоке транспортирующего газа. В результате частицы приобретают заданный уровень скорости перед вхождением в прикатодную зону дугового разряда. Скорость транспортирующего газа на выходе из канала 25 составляет не более 20 м/с, а скорость плазменного потока в области ввода порошка превышает 100 м/с. По этой причине поток транспортирующего газа с порошком оказывает минимальное отрицательное влияние на динамику, структуру и характер течения плазменного поток, не нарушая ламинарный режим течения основного потока. Then the two-phase flow is directed into a
Изменяя шаг канавок, например, за счет использования сменных секций 7 межэлектродной вставки, можно добиться наиболее оптимального соотношения осевой и тангенциальной составляющей вектора скорости частиц с точки зрения наиболее эффективного захвата частиц в плазменном потоке. By changing the pitch of the grooves, for example, by using
В конусообразном канале 25 частицы порошка вместе с транспортирующим газом приобретают радиальную составляющую вектора скорости. Величина радиальной составляющей скорости зависит от угла между осью симметрии плазмообразующего канала и образующими конических поверхностей конусообразного канала 25. Данный угол составляет не менее 45o для обеспечения требуемого соотношения осевой и радиальной составляющей вектора скорости частицы порошка.In the cone-shaped
С целью поддержания ламинарного режима течения основного потока плазмообразующего газа и изменения скорости частиц в радиальном направлении ширина канала 25 в оптимальных условиях выбирается в диапазоне от 1 до 2 мм. In order to maintain the laminar flow regime of the main plasma-forming gas stream and to change the particle velocity in the radial direction, the
Частицы порошка, вследствие движения по перечисленным выше направляющим каналам, на входе в плазмообразующий канал имеют три составляющие скорости: осевую (вдоль оси симметрии плазмообразующего канала), радиальную и тангенциальную. При данных условиях частицы порошка двигаются в плазмообразующем канале по конической спирали, сходящейся к оси симметрии канала. В этом случае происходит эффективный захват частиц порошка плазменным потоком под действием вязкостных сил, поскольку частицы не отражаются приосевой областью разряда, не пролетают через приосевую область разряда и не попадают на стенки канала. Powder particles, due to movement along the above-mentioned guide channels, have three velocity components at the entrance to the plasma-forming channel: axial (along the axis of symmetry of the plasma-forming channel), radial and tangential. Under these conditions, powder particles move in a plasma-forming channel along a conical spiral that converges to the axis of symmetry of the channel. In this case, an effective capture of powder particles by a plasma flow occurs under the action of viscous forces, since the particles are not reflected by the axial region of the discharge, do not fly through the axial region of the discharge, and do not fall on the channel walls.
Оптимальный при выбранных условиях работы плазматрона режим ввода порошка в плазмообразующий канал достигается посредством регулирования расхода транспортирующего газа, выбором количества винтовых канавок, подбором размеров проходного сечения и шага винтовых канавок. The optimum mode for introducing the powder into the plasma-forming channel under the selected plasmatron operating conditions is achieved by controlling the flow rate of the conveying gas, selecting the number of screw grooves, and selecting the dimensions of the passage section and the pitch of the screw grooves.
Возможность выбора необходимой длины винтовой канавки 24 и размеров ее проходного сечения позволяет придать частице заданную скорость для наиболее эффективного вхождения в плазменный поток. При этом под оптимальным вводом частицы в плазменный поток понимается такой ввод порошка, когда большая часть частиц (более 70%) захватывается за счет действия вязкостных сил центральной (приосевой) областью плазменного потока. В этой области происходит наиболее эффективный нагрев и ускорение частиц. Кроме того, при оптимальном вводе порошка в плазменный поток практически исключается налипание порошка на стенках секций межэлектродной вставки и на электродах. The ability to select the required length of the
Благодаря тому, что выходная часть канала 25 удалена от острийного катода 2 вдоль оси симметрии плазмообразующего канала на расстояние не более чем на 3d, но не менее чем на 0,5d (где d - диаметр проходного сечения ближайшей к катоду секции межэлектродной вставки), область ввода порошка совпадает с областью начального участка дуги, в которой происходит активный захват периферийного холодного газа центральной приосевой зоной электрической дуги. Напыляемый порошок попадает в наиболее нагретую центральную область электрической дуги, обеспечивая тем самым эффективный нагрев и ускорение частиц напыляемого материала. Due to the fact that the output part of the
Указанное выше расчетное условие для подачи напыляемого порошка в область начального участка дуги (прикатодную зону) характеризует область дугового разряда, в которой происходит активное расширение столба дуги, ионизация и ускорение частиц плазмы вдоль оси плазмообразующего канала. В данной области образуется так называемая катодная струя. Поэтому в этой зоне наиболее эффективно осуществляется захват холодного газа в столб электрической дуги. The above calculation condition for feeding the sprayed powder to the region of the initial arc segment (cathode zone) characterizes the region of the arc discharge, in which the arc column expands actively, ionizes and accelerates plasma particles along the axis of the plasma forming channel. In this area, the so-called cathode stream is formed. Therefore, in this zone, the capture of cold gas into the electric arc column is most effectively carried out.
Важное значение имеет азимутально равномерная подача порошка в плазменный поток через коаксиально направленный конусообразный канал 25. В этом случае частицы порошка вместе с потоком транспортирующего газа имеют осесимметричное распределение скоростей. Захват частиц, двигающихся по спирали, в приосевой области электрической дуги происходит естественным образом без какого-либо воздействия извне вследствие использования свойств начального участка дуги. Of great importance is the azimuthally uniform supply of powder into the plasma stream through a coaxially directed
При выбранных условиях ввода порошка в плазменный поток проявляются следующие положительно влияющие на работу плазматрона эффекты:
- катод находится области, защищенной от попадания на него частиц порошка;
- плазменный поток в зоне ввода порошка с транспортирующим газом имеет уже сформированное распределение скорости, температуры и плотности по диаметру плазмообразующего канала, т.е. вводимый поток не влияет на распределение указанных параметров;
- плазмообразующий газ, порошок и транспортирующий газ одновременно нагреваются в области наибольшего энерговклада в электрическую дугу;
- поддерживается ламинарный режим истечения плазменного потока.Under the selected conditions for introducing the powder into the plasma stream, the following effects are positively affecting the operation of the plasmatron:
- the cathode is located in a region protected from the ingress of powder particles;
- the plasma stream in the zone of powder input with the transporting gas has an already formed distribution of velocity, temperature and density over the diameter of the plasma forming channel, i.e. the input stream does not affect the distribution of these parameters;
- the plasma-forming gas, powder and transporting gas are simultaneously heated in the region of the largest energy input into the electric arc;
- the laminar regime of the expiration of the plasma stream is supported.
В результате совместного влияния перечисленных положительных эффектов на выходе из плазматрона генерируется компактная плазменная струя с малым углом расходимости (менее 15o), с помощью которой создается пятно напыления диаметром не более 5 мм с однородным по свойствам покрытием.As a result of the combined influence of these positive effects, a compact plasma jet with a small angle of divergence (less than 15 o ) is generated at the exit from the plasmatron, with the help of which a spray spot is created with a diameter of not more than 5 mm with a coating uniform in properties.
Охлаждение электродов и секций межэлектродной вставки, контактирующих в процессе работы плазматрона с плазменным потоком, производится за счет теплопроводности деталей, непосредственно контактирующих с трактом прокачки охлаждающей жидкости. Для обеспечения необходимого теплового контакта катодержателя 3 и втулки 17 катодного узла детали катодного узла устанавливаются с минимальными радиальными зазорами. Втулка 17 выполняется из материала, обладающего высокой теплопроводностью: из меди, бронзы или латуни. В трубопроводах 10 теплопередача осуществляется посредством теплоотдачи от стенок трубопроводов 10 в поток прокачиваемой охлаждающей жидкости. Наряду с этим теплоотвод от острийного катода 2 осуществляется потоком плазмообразующего газа, обтекающим его поверхность. The cooling of the electrodes and sections of the interelectrode insert in contact with the plasma stream during operation of the plasmatron is carried out due to the thermal conductivity of the parts directly in contact with the coolant pumping path. To ensure the necessary thermal contact of the
Аналогичным образом происходит теплопередача от секций 7 и 8 межэлектродной вставки и анодного узла 9 к прокачиваемой через диаметрально противоположные каналы 11 охлаждающей жидкости. Теплопередача от секций 7 и 8, а также от уплотняющей втулки 13 осуществляется за счет теплоотдачи от плоских боковых поверхностей данных деталей, которые выполнены в виде лысок и являются стенками каналов 11 (см. фиг.1 и 2). От анодного узла 9 тепловые потоки непосредственно отводятся потоком охлаждающей жидкости, прокачиваемой через кольцевую полость корпуса 15 анодного узла. Similarly, heat transfer occurs from
В ряде проведенных экспериментов с помощью плазматрона, выполненного согласно заявленному изобретению, были получены покрытия из различных материалов с высокой адгезией и низкой пористостью при уровне потребляемой мощности менее 2 кВт. Угол расходимости потока напыляемых частиц составлял 3o-5o при диаметре выходного отверстия анодного узла dац=3 мм. Удельный тепловой поток в пятне напыления составляет от 1,5 до 15,0 кВт/см2 на дистанциях напыления соответственно от 40 до 6 мм. Данные параметры плазматрона позволяют локально наносить покрытия при незначительном влиянии теплового потока на обрабатываемую деталь.In a number of experiments carried out using a plasmatron made according to the claimed invention, coatings were obtained from various materials with high adhesion and low porosity at a power consumption level of less than 2 kW. The divergence angle of the flow of sprayed particles was 3 o -5 o with the diameter of the outlet of the anode assembly d ac = 3 mm The specific heat flux in the spraying spot is from 1.5 to 15.0 kW / cm 2 at spraying distances from 40 to 6 mm, respectively. These parameters of the plasmatron allow locally applying coatings with a slight influence of the heat flux on the workpiece.
При использовании изобретения достигается оптимальный баланс между локальным тепловым потоком в пятне напыления и интегральной тепловой мощностью, подводимой к обрабатываемой детали за весь технологический процесс напыления покрытия. Вследствие этого, получаемые характеристики покрытия, включая адгезию, когезию, пористость и окисление, превосходят характеристики покрытий, получаемых при большей вкладываемой в разряд мощности. When using the invention, an optimal balance is achieved between the local heat flux in the spraying spot and the integral thermal power supplied to the workpiece for the entire technological process of coating spraying. As a result of this, the obtained coating characteristics, including adhesion, cohesion, porosity and oxidation, exceed the characteristics of coatings obtained at a higher power input into the discharge.
Локальный нагрев поверхности деталей при напылении покрытия оказывает минимальное влияние на структуру сплава, поэтому эксплуатационные характеристики покрытия близки к характеристикам основного материала обрабатываемой детали. Металлографические исследования показывают, что оплавленный материал практически не имеет пористости при величине диффузионной зоны до 300 мкм. Local heating of the surface of the parts during coating spraying has a minimal effect on the alloy structure; therefore, the operational characteristics of the coating are close to the characteristics of the main material of the workpiece. Metallographic studies show that the fused material has practically no porosity with a diffusion zone of up to 300 μm.
Перечисленные свойства получаемых с помощью плазматрона покрытий позволяют исключить деформацию обрабатываемого изделия и структурные изменения в основном материале изделия. При этом непроизводительный расход порошка и плазмообразующего газа сокращается в среднем в 6 раз. После нанесения покрытий с помощью такого плазматрона требуются минимальные припуски на механическую обработку. The listed properties of coatings obtained using a plasmatron make it possible to exclude deformation of the workpiece and structural changes in the main material of the product. At the same time, the unproductive consumption of powder and plasma-forming gas is reduced by an average of 6 times. After coating with such a plasmatron, minimal machining allowances are required.
Кроме того, появляется возможность с помощью генерируемой компактной плазменной струи вести работы в труднодоступных местах, наносить покрытия и восстанавливать острые кромки деталей, в том числе кромки компрессорных лопаток, а также наносить покрытия на тонкостенные детали. In addition, it is possible to use the generated compact plasma jet to work in hard-to-reach places, apply coatings and restore sharp edges of parts, including the edges of compressor blades, as well as apply coatings on thin-walled parts.
Промышленная применимость
Изобретение может использоваться в различных областях техники, где требуется высококачественное нанесение порошковых металлических материалов с толщиной покрытия от 0,1 мм до нескольких миллиметров. В частности, изобретение может использоваться для следующих технологических процессов:
- ремонта литейных (пор, раковин, трещин и т.п.) и эксплуатационных (забоин, трещин и т.п.) дефектов на деталях из высоколегированных сталей и жаропрочных сплавов;
- ремонта и восстановления пресс-форм, штамповой оснастки, литейных форм и другого технологического оборудования;
- восстановления изношенных деталей машин и механизмов, включая узлы, агрегаты и детали газотурбинных авиационных двигателей, газо- и нефтеперекачивающих станций;
- нанесения износостойких, коррозионностойких, защитных и декоративных покрытий, в том числе из бронзы, титана, никеля, алюминия и других металлов, толщиной от 0,5 мм и пористостью покрытия в пределах от 1 до 3%;
- нанесения высокотемпературных припоев в процессе производства теплообменников и агрегатов тепловых машин;
- нанесение покрытий на заготовки стоматологических изделий.Industrial applicability
The invention can be used in various fields of technology where high-quality application of powder metal materials with a coating thickness of 0.1 mm to several millimeters is required. In particular, the invention can be used for the following processes:
- repair of foundry (pores, sinks, cracks, etc.) and operational (nicks, cracks, etc.) defects on parts made of high alloy steels and heat-resistant alloys;
- repair and restoration of molds, die tooling, foundry molds and other technological equipment;
- restoration of worn parts of machines and mechanisms, including components, assemblies and parts of gas turbine aircraft engines, gas and oil pumping stations;
- application of wear-resistant, corrosion-resistant, protective and decorative coatings, including those made of bronze, titanium, nickel, aluminum and other metals, with a thickness of 0.5 mm and a coating porosity ranging from 1 to 3%;
- applying high-temperature solders in the production process of heat exchangers and units of heat engines;
- coating of blanks of dental products.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003112024/09A RU2225084C1 (en) | 2003-04-25 | 2003-04-25 | Plasmatron |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003112024/09A RU2225084C1 (en) | 2003-04-25 | 2003-04-25 | Plasmatron |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2225084C1 true RU2225084C1 (en) | 2004-02-27 |
Family
ID=32173608
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003112024/09A RU2225084C1 (en) | 2003-04-25 | 2003-04-25 | Plasmatron |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2225084C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111286693A (en) * | 2020-03-26 | 2020-06-16 | 天津大学 | Microporous anode for cluster plasma spray gun and cluster plasma spraying method |
-
2003
- 2003-04-25 RU RU2003112024/09A patent/RU2225084C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111286693A (en) * | 2020-03-26 | 2020-06-16 | 天津大学 | Microporous anode for cluster plasma spray gun and cluster plasma spraying method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US12030078B2 (en) | Plasma transfer wire arc thermal spray system | |
| EP0368547B1 (en) | Plasma generating apparatus and method | |
| JP3258694B2 (en) | Plasma spraying apparatus for spraying powder material or gaseous material | |
| US5733662A (en) | Method for depositing a coating onto a substrate by means of thermal spraying and an apparatus for carrying out said method | |
| EP0282310B1 (en) | High power extended arc plasma spray method and apparatus | |
| US3312566A (en) | Rod-feed torch apparatus and method | |
| EP0775436B1 (en) | Plasma torch with axial injection of feedstock | |
| JPH03150341A (en) | Conjugate torch type plasma generator and plasma generating method using the same | |
| EP0342388A2 (en) | High-velocity controlled-temperature plasma spray method and apparatus | |
| JPH0584455A (en) | Plasma melt-spraying device for melt-spraying powder material or gas material | |
| JP5515277B2 (en) | Plasma spraying equipment | |
| KR100486939B1 (en) | Non-Transferred Type Plasma Torch With Step-Shaped Nozzle | |
| RU2225084C1 (en) | Plasmatron | |
| RU2646858C2 (en) | Arc-let plasmatron | |
| RU2672054C1 (en) | Electric arc plasma torch for coatings from refractory dispersed materials application | |
| RU2614533C1 (en) | Electric-arc plasmatron | |
| RU2092981C1 (en) | Plasma generator for deposition of powder materials | |
| RU2366122C1 (en) | Plasmatron for application of coatings | |
| RU2672961C2 (en) | Electric arc plasmotron | |
| RU2783203C1 (en) | Plasma coating torch | |
| US20150060413A1 (en) | Wire alloy for plasma transferred wire arc coating processes | |
| RU2546974C1 (en) | Plasmatron for application of coatings in dynamic vacuum | |
| Anshakov et al. | Material processing using arc plasmatrons with thermochemical cathodes | |
| RU159626U1 (en) | SPRAY PLASMOTRON | |
| EP3742869A1 (en) | Miniaturised plasma torch |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150426 |