RU2361964C2 - Method of economy plasmatic ultrasonic spatter of high-density powder coatings and plasmatron for its implementation (versions) - Google Patents
Method of economy plasmatic ultrasonic spatter of high-density powder coatings and plasmatron for its implementation (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2361964C2 RU2361964C2 RU2006127104/02A RU2006127104A RU2361964C2 RU 2361964 C2 RU2361964 C2 RU 2361964C2 RU 2006127104/02 A RU2006127104/02 A RU 2006127104/02A RU 2006127104 A RU2006127104 A RU 2006127104A RU 2361964 C2 RU2361964 C2 RU 2361964C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nozzle
- anode
- nipples
- powder
- plasma
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к плазменно-дуговой технике и порошковой металлургии и предназначено для напыления высокоплотных покрытий с помощью сверхзвуковой плазменной струи.The invention relates to a plasma-arc technique and powder metallurgy and is intended for spraying high-density coatings using a supersonic plasma jet.
Известен способ сверхзвукового плазменного газовоздушного напыления высокоплотных покрытий [1], основанный на использовании больших расходов газовоздушной смеси и соответственно удлиненной плазменной струи, вытекающей в затопленное пространство. Мощность, затрачиваемая на генерацию такой струи, достигает 180кВт при высокой производительности, авторы рекомендуют укорачивать длину анодного сопла [1, с.164] для увеличения теплового КПД плазмотрона. Порошок при этом подается под срез сопла или в анодное сопло и, в основном, разгоняется и нагревается в затопленной сверхзвуковой плазменной струе.A known method of supersonic plasma gas-air spraying of high-density coatings [1], based on the use of high costs of the gas-air mixture and, accordingly, an elongated plasma jet flowing into the flooded space. The power spent on generating such a jet reaches 180 kW with high performance; the authors recommend shortening the length of the anode nozzle [1, p.164] to increase the thermal efficiency of the plasma torch. In this case, the powder is supplied under the nozzle exit or into the anode nozzle and, basically, accelerates and heats up in a flooded supersonic plasma jet.
Недостатком такого способа является необходимость использования больших мощностей, и соответственно усложнением конструкций плазмотронов из-за увеличенной тепловой нагрузки на детали плазмотронов и низкий коэффициент использования порошком энергии разряда.The disadvantage of this method is the need to use large capacities, and accordingly, the complexity of the designs of the plasmatrons due to the increased thermal load on the details of the plasmatrons and the low coefficient of use of powder discharge energy.
Известен также способ [2, с.35-38] сверхзвукового плазменного напыления, основанный на использовании длинной до 150 мм насадки, присоединенной к воздушному плазмотрону. На входе в формирующий канал насадки выполнены два отверстия для ввода несущего газа - воздуха. При мощности 50 кВт расход несущего воздуха в 8 раз больше плазмообразующего, при внутреннем диаметре насадки 10 мм. Очевидно, что температуры обесточенной струи будет не достаточно для плавления тугоплавких соединений и оксидов, по расчетам автора она составляет 2000 К, поэтому этот способ пригоден для металлов и их сплавов с температурой плавления до 2000 К. Нет данных о налипании порошков на стенках канала насадки.There is also a known method [2, pp. 35-38] of supersonic plasma spraying, based on the use of a nozzle up to 150 mm long attached to an air plasmatron. At the entrance to the forming channel of the nozzle, two openings are made for introducing a carrier gas - air. At a power of 50 kW, the flow rate of carrier air is 8 times greater than the plasma-forming, with an internal diameter of the nozzle 10 mm. It is obvious that the temperature of the de-energized jet will not be enough for melting refractory compounds and oxides, according to the author’s calculations, it is 2000 K, therefore this method is suitable for metals and their alloys with a melting point up to 2000 K. There is no data on the adhesion of powders on the walls of the nozzle channel.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в устранении указанных выше недостатков - предлагается, например, газовоздушный высокорасходный плазмотрон с катодным узлом, межэлектродной вставкой, анодным узлом с цилиндрическим каналом после зоны привязки дуги, порошок вводится после зоны привязки дуги, прогревается и разгоняется в цилиндрическом канале насадки или анодном сопле с длиной канала не более 15 диаметров до истечения в затопленное пространство, при этом для устранения налипания порошка на стенки канала длина его определяется в соответствии с мощностью дуги, расходами газовой смеси и порошка, но не менее 2-3 диаметров канала.The technical result of the invention consists in eliminating the above disadvantages - it is proposed, for example, a gas-air high-flow plasmatron with a cathode assembly, an interelectrode insert, an anode assembly with a cylindrical channel after the arc attachment zone, the powder is introduced after the arc attachment zone, heats up and accelerates in the cylindrical nozzle channel or anode nozzle with a channel length of not more than 15 diameters before flowing into the flooded space, while to eliminate the sticking of powder on the channel walls, the length it is determined in accordance with the power of the arc, the flow rate of the gas mixture and powder, but not less than 2-3 channel diameters.
В результате обжатия обесточенной плазменной струи с порошком в охлаждаемом канале насадки или в анодном сопле с длиной канала не более 15 диаметров температура и разгон порошка увеличиваются и сверхзвуковое напыление осуществляется при мощности на 25÷35% меньшей, чем при подаче порошка в анод на расстоянии 0,5÷1 диаметра от среза сопла. Для уменьшения эффекта газодинамического запирания и устранения налипания, диаметр канала насадки должен быть равен или больше 1,2 диаметра анодного сопла. Несмотря на уменьшение теплового КПД плазмотрона, из-за отвода энергии водой, охлаждающей анод и насадку, КПД по использованию энергии порошком увеличивается.As a result of compression of a de-energized plasma jet with powder in the cooled nozzle channel or in the anode nozzle with a channel length of no more than 15 diameters, the temperature and acceleration of the powder increase and supersonic spraying is performed at a
Аналогами плазмотронов для экономичного плазменного сверхзвукового напыления выбран плазмотрон газовоздушный высоковольтный с межэлектродной вставкой [3] и плазмотрон газовоздушный низковольтный с самоустанавливающейся длиной дуги [4], устойчиво работающие при больших расходах плазмообразующих газов.The plasma-gas high-voltage plasmatron with an interelectrode insert [3] and the low-voltage gas-air plasma torch with a self-stabilizing arc length [4], which stably operate at high flow rates of plasma-forming gases, were selected as analogs of plasmatrons for economical plasma supersonic spraying.
Плазмотрон газовоздушный высоковольтный состоит из четырех узлов - катодного, промежуточного с межэлектродной вставкой (МЭВ), анодного и добавленной насадки или анодного с удлиненным соплом (фиг.1)The high-voltage gas-air plasma torch consists of four nodes - cathode, intermediate with interelectrode insert (MEV), anode and added nozzle, or anode with an elongated nozzle (figure 1)
Катодный узел состоит из корпуса 1, в который ввинчивается термохимический катод 2, упираясь в уплотнительную прокладку 3. Катодный узел помещен внутри изолятора 4, в котором имеются прорезанные по касательной к корпусу изолятора пазы или отверстия, на верхней части изолятора 4 помещено кольцо 5 с фиксирующими винтами 6. Изолятор упирается в торец МЭВ 7, которая входит в корпус 8. Уплотнение пространства для охлаждения МЭВ осуществляется прокладками 9 и 10. Корпус 8 имеет в верхней части резьбу для прижимной гайки 11, в нижней - резьбу, на которую навинчивается анодный корпус 12 через изолированные от корпуса МЭВ кольцо 13 с резьбами внутри и с наружи, шайба 14 изолирует МЭВ от анодного корпуса 12. В анодный корпус 12 помещено анодное сопло 15 с прокладками 16 и 17 для уплотнения. Корпус насадки 18 навинчивается на анодный корпус 12. Ниппели для подачи порошка 19 входят через резьбу в корпусе насадки 18 и анодном корпусе 12 и заглублены в тело анодного сопла 15. В корпус насадки 18 помещены сопло 20, прокладки 21 и 22, а в нижней части навинчена уплотняющая гайка 23. К корпусу 18 присоединены ниппели 24 для охлаждения.The cathode assembly consists of a housing 1, into which the thermochemical cathode 2 is screwed, resting against the gasket 3. The cathode assembly is placed inside the insulator 4, in which there are grooves or holes cut along the tangent to the insulator housing, and a ring 5 with retaining rings is placed on the upper part of the insulator 4 with screws 6. The insulator abuts against the end of the MEW 7, which enters the housing 8. The sealing of the space for cooling the MEW is carried out by gaskets 9 and 10. The housing 8 has a thread on the upper part for a clamping nut 11, and a thread on the bottom the anode casing 12 is screwed through a ring 13 with threads inside and outside, isolated from the MEW casing, the washer 14 isolates the MEC from the anode casing 12. Anode nozzle 15 with gaskets 16 and 17 for sealing is placed in the anode casing 12. The nozzle housing 18 is screwed onto the anode housing 12. The nipples for feeding the powder 19 enter through the threads in the nozzle housing 18 and the anode housing 12 and are buried in the body of the anode nozzle 15. The nozzle 20, the gaskets 21 and 22 are placed in the nozzle body 18, and in the lower part the sealing nut 23 is screwed. Nipples 24 are connected to the housing 18 for cooling.
Плазмотрон для экономичного плазменного сверхзвукового напыления с анодом сопла с длиной канала не более 15 диаметров отличается от плазмотрона с насадкой конструкцией анодного узла и системой охлаждения. На фиг.2 и фиг.3 показаны системы охлаждения хвостовика анода, отдельно от охлаждения анода, на фиг.4 показано совместное охлаждение.The plasma torch for economical plasma supersonic spraying with an anode of the nozzle with a channel length of not more than 15 diameters differs from the plasmatron with the nozzle by the design of the anode assembly and the cooling system. Figure 2 and figure 3 shows the cooling system of the shank of the anode, separately from the cooling of the anode, figure 4 shows co-cooling.
На фиг 2. показан хвостовик анода 25, на который надета спираль из медной трубки 26, на которую напылено покрытие из алюминия или меди. Нижняя прижимная гайка 27 надевается на хвостовик анода до установки спирали. Ниппели для подачи порошка 28 входят на резьбе в нижней прижимной гайке 27. На фиг.3 показан удлиненный анод, на хвостовик которого надета и запаяна втулка 29 с полостью для охлаждения, вода подается через ниппели 30. На фиг.4 показан анод с совместным охлаждением анода и хвостовика. В аноде 31 сверлятся отверстия со стороны водяных штуцеров под 90 градусов от точек подвода порошка, на хвостовик напаяна втулка с полостью 32. Вода при входе в анодное сопло через отверстие для воды омывает хвостовик анода.Figure 2. shows the shank of the
Плазмотрон для экономичного плазменного сверхзвукового напыления высокоплотных порошковых покрытий и плазмотрон для его осуществления (варианты) с насадкой или удлиненным каналом анода работает следующим образом.A plasma torch for economical plasma supersonic spraying of high-density powder coatings and a plasma torch for its implementation (options) with a nozzle or an elongated anode channel works as follows.
После включения системы охлаждения плазмообразующий газ - воздух - подается в кольцевой паз корпуса 9 через тангенциальные пазы или отверстия в изоляторе 4, воздух закручивается при входе в МЭВ, далее при входе в анодное сопло воздушный поток подвергается антизакрутке через шайбу 14. Расход воздуха задается согласно технологии, одновременно с плазмообразующим воздухом подается воздух из дозатора через ниппели подачи порошка. Включается выпрямитель, подается напряжение в цепи катод - МЭВ, после включения осциллятора вспыхивает дежурная дуга, которая отключается после замыкания плазмой цепи катод - анод, устанавливаются заданные величины тока и напряжения. При необходимости подаются пропан-бутан или природный газ при включенной воздушной дуге, при этом напряжение увеличивается. После достижения необходимых значений силы тока, напряжения, расходов газов подается порошок в ниппели 19, который разгоняется и нагревается в канале насадки или в удлиненном канале анода. Максимальная длина канала, при котором нет налипания, определяется экспериментально и зависит от соотношения технологических и конструктивных параметров.After turning on the cooling system, a plasma-forming gas - air - is supplied to the annular groove of the housing 9 through tangential grooves or holes in the insulator 4, the air swirls at the entrance to the MEA, then at the entrance to the anode nozzle the air flow is anti-swirl through the washer 14. The air flow is set according to the technology , simultaneously with the plasma-forming air, air is supplied from the dispenser through the powder supply nipples. The rectifier turns on, voltage is supplied to the cathode - MEW circuit, after the oscillator is turned on, a standby arc flashes, which turns off after the plasma closes the cathode - anode circuit, and the set current and voltage values are set. If necessary, propane-butane or natural gas is supplied with the air arc turned on, while the voltage increases. After reaching the required values of current, voltage, gas flow, the powder is fed into the nipples 19, which accelerates and heats up in the nozzle channel or in the elongated anode channel. The maximum length of the channel, at which there is no sticking, is determined experimentally and depends on the ratio of technological and design parameters.
Плазмотрон газовоздушный низковольтный с насадкой показан на фиг.5. Корпус плазмотрона выполнен разъемным из двух частей - верхней 33 и нижней 34. В верхней части размещен катодный узел 35 с изолятором - завихрителем 36, в нижней - анод 37, причем дуговая камера анода состоит из двух цилиндрических каналов - входного и выходного, между которыми имеется поверхность привязки анодного пятна в виде усеченного конуса. В выходной канал помещена вставка 38. Для подачи порошка предусмотрен штуцер 39. На нижнюю часть 34 навинчен корпус насадки 40 с ниппелями водяного охлаждения, в который помещена насадка 41, причем внутренний диаметр насадки равен внутреннему диаметру вставки 38. Уплотнение осуществляется прокладками 42 и 43. Нижняя гайка 44 навинчена на корпус насадки 40 и упирается в насадку 41.A low-voltage gas-air plasma torch with a nozzle is shown in Fig. 5. The plasma torch case is made detachable from two parts - the upper 33 and the lower 34. The
Плазмотрон газовоздушный низковольтный с насадкой работает следующим образом. После включения охлаждения электродов плазмотрона плазмообразующий газ - воздух подается в кольцевой паз верхней части корпуса 33 закручивается через пазы изолятора 36 и, омывая катод 35, истекает через каналы анода 37, вставки 38 и насадки 41 в затопленное пространство. Включается выпрямитель, между катодом и анодом подается напряжение от осциллятора, после чего вспыхивает дуга между катодом и анодом, причем анодное пятно вращается по конусной поверхности. При необходимости подается пропан-бутан или природный газ, при этом напряжение на дуге увеличивается. Подбор всех параметров и геометрии анода обеспечивает отсутствие шунтирования во входном цилиндрическом канале анода. Отсутствие налипания порошка обеспечивается подбором оптимальной длины канала насадки в зависимости от соотношения технологических параметров.Low-voltage gas-air plasma torch with nozzle works as follows. After turning on the cooling of the electrodes of the plasma torch, plasma-forming gas - air is supplied into the annular groove of the upper part of the
Важнейший технологический параметр - коэффициент использования материала (КИМ) при одной и той же мощности и других параметрах значительно увеличивается при использовании насадки или анода с удлиненным каналом.The most important technological parameter - material utilization coefficient (CMM) at the same power and other parameters increases significantly when using a nozzle or anode with an elongated channel.
В таблице приведены экспериментальные данные о влиянии насадки или анода с удлиненным каналом на КИМ.The table shows the experimental data on the effect of the nozzle or anode with an elongated channel on the CMM.
кг/см2
Air pressure in dispenser P,
kg / cm 2
Напылялся оксид алюминия (электрокорунд) фракции М50 (средний размер порошка 40 мкм). Плазмотрон с МЭВ [3] подключался к выпрямителю с напряжением холостого хода 500 В. Расход пропан-бутана составляет 10% от расхода воздуха, покрытие толщиной 1 мм напылялось на пластину из Ст3 на дистанции 250 мм. Соотношение длины канала сопла насадки к диаметру анодного сопла равно 5. Для увеличения КИМ без насадки до 60-70% необходимо было увеличить ток до 250 А или снизить расход воздуха на 30%, что приводило к уменьшению скорости порошка, снижению адгезии и увеличению пористости покрытия.Alumina (electrocorundum) was sprayed on the M50 fraction (
Несмотря на увеличение теплового КПД плазмотрона из-за отвода энергии при охлаждении насадки или анода с удлиненным каналом коэффициент использования энергии порошком увеличивается на 20÷40%.Despite the increase in thermal efficiency of the plasma torch due to energy removal during cooling of the nozzle or anode with an elongated channel, the energy use coefficient of the powder increases by 20–40%.
ЛитератураLiterature
1. С.В.Петров, И.Н.Карп. Плазменное газовоздушное напыление. Киев. Наукова Думка, 1993 г. Академия Украины, институт газа.1.S.V. Petrov, I.N. Karp. Airborne plasma spraying. Kiev. Naukova Dumka, 1993. Academy of Ukraine, Institute of Gas.
2. В.С.Клубникин. Сверхзвуковое плазменное напыление высокоплотных и прочных покрытий. Труды 5-й Международной конференции «Пленки и покрытия 98». 23-25 сентября 1998 г. Под редакцией В.С.Клубникина. Санкт-Петербург 1998 г., с. 35-38.2. V.S. Klubnikin. Supersonic plasma spraying of high-density and durable coatings. Proceedings of the 5th International Conference “Films and Coatings 98”. September 23-25, 1998 Edited by V.S. Klubnikin. St. Petersburg 1998, p. 35-38.
3. Шестаков А.И., Беленов А.С. Плазмотрон газовоздушный высоковольтный. Патент РФ №2113775 от 5.11.1996 г.3. Shestakov A.I., Belenov A.S. High-voltage gas-air plasma torch. RF patent №2113775 from 11/05/1996
4. Шестаков А.И., Беленов А.С. Плазмотрон газовоздушный низковольтный. Патент РФ №2216133 от 16.07.2002 г.4. Shestakov A.I., Belenov A.S. Plasmatron gas-air low voltage. RF patent No. 2216133 dated July 16, 2002.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006127104/02A RU2361964C2 (en) | 2006-07-26 | 2006-07-26 | Method of economy plasmatic ultrasonic spatter of high-density powder coatings and plasmatron for its implementation (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006127104/02A RU2361964C2 (en) | 2006-07-26 | 2006-07-26 | Method of economy plasmatic ultrasonic spatter of high-density powder coatings and plasmatron for its implementation (versions) |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006127104A RU2006127104A (en) | 2008-02-10 |
RU2361964C2 true RU2361964C2 (en) | 2009-07-20 |
Family
ID=39265618
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006127104/02A RU2361964C2 (en) | 2006-07-26 | 2006-07-26 | Method of economy plasmatic ultrasonic spatter of high-density powder coatings and plasmatron for its implementation (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2361964C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2462533C1 (en) * | 2011-04-26 | 2012-09-27 | Учреждение Российской академии наук Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН (ИТПМ СО РАН) | Method of plasma spraying of wear resistant coating |
-
2006
- 2006-07-26 RU RU2006127104/02A patent/RU2361964C2/en active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2462533C1 (en) * | 2011-04-26 | 2012-09-27 | Учреждение Российской академии наук Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН (ИТПМ СО РАН) | Method of plasma spraying of wear resistant coating |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006127104A (en) | 2008-02-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2569861C2 (en) | System of plasma transferred wire arc thermal spraying | |
RU2675420C2 (en) | Plasma-arc cutting system, including swirl rings and other consumable components, and related working methods | |
US7375302B2 (en) | Plasma arc torch having an electrode with internal passages | |
CA1271229A (en) | Plasma flame spray gun method and apparatus with adjustable ratio of radial and tangential plasma gas flow | |
US8779323B2 (en) | Electrode for plasma torch with novel assembly method and enhanced heat transfer | |
JP5396609B2 (en) | Plasma device | |
US7375303B2 (en) | Plasma arc torch having an electrode with internal passages | |
US3851140A (en) | Plasma spray gun and method for applying coatings on a substrate | |
KR930005953B1 (en) | Plasma arc torch starting process having separated generated flows of non-oxidizing and oxidizing gas | |
EP0342388A2 (en) | High-velocity controlled-temperature plasma spray method and apparatus | |
CN107920411B (en) | Hybrid plasma generator for processing silicon-based materials | |
JPH03150341A (en) | Conjugate torch type plasma generator and plasma generating method using the same | |
US3114826A (en) | High-temperature spray apparatus | |
KR100486939B1 (en) | Non-Transferred Type Plasma Torch With Step-Shaped Nozzle | |
RU2320102C1 (en) | Spraying plasmatron | |
JPH0533520B2 (en) | ||
US3375392A (en) | Plasma generator utilizing a ribbonshaped stream of gas | |
RU2361964C2 (en) | Method of economy plasmatic ultrasonic spatter of high-density powder coatings and plasmatron for its implementation (versions) | |
RU2672054C1 (en) | Electric arc plasma torch for coatings from refractory dispersed materials application | |
CN110524096B (en) | Plasma welding gun for connecting vacuum welding box | |
CN110213874B (en) | Three-phase alternating current arc plasma spray gun device | |
JPS61116799A (en) | Axial supply type large output plasma jet generator | |
RU159626U1 (en) | SPRAY PLASMOTRON | |
RU2387107C1 (en) | Electric arc plasmatron | |
RU190126U1 (en) | PLASMOTRON FOR SPRAYING |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20220427 |