RU2366122C1

RU2366122C1 - Plasmatron for application of coatings

Info

Publication number: RU2366122C1
Application number: RU2007147821/06A
Authority: RU
Inventors: Сергей Григорьевич Ребров (RU); Сергей Григорьевич Ребров; Ражудин Насрединович Ризаханов (RU); Ражудин Насрединович Ризаханов; Михаил Николаевич Полянский (RU); Михаил Николаевич Полянский
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша"
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2009-08-27
Also published as: RU2007147821A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to processing of materials, in particular to the devices for application of coatings and is designed for usage in plasma metallurgy, plasma chemistry and machine-building industry. The plasmotron for application of coatings contains the cathode, anode-nozzle, insulator, water cooling system, input channels for the plasma-supporting gas and powder. The input channels for the plasma-supporting gas and powder are united into one channel. The channel is connected with the interelectrode space through the tangential holes of the whirl ring. The total area of the cross sections of the input holes of the whirl ring is equal to the area of the critical cross-section of the anode nozzle. The length of the anode nozzle was selected in the range from 1 to 10 diametres of the critical cross-section of the anode nozzle. The channel between the cathode, insulator, whirl ring and input into the anode nozzle is cone-shaped.

EFFECT: invention is designed to improve effeciency of heating, utilisation factor of the powder at the same time it presents a simplified structure of the plasmotron and improved operational and mechanical-and-physical characteristics of the coatings, better quality of the coatings by strengthening cohesion of the coating with the base.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки материалов, в частности для нанесения покрытий, и может найти применение в плазмометаллургии, плазмохимии и машиностроительной промышленности.The invention relates to the field of processing materials, in particular for coating, and may find application in plasma metallurgy, plasma chemistry and the engineering industry.

Известен плазмотрон для напыления преимущественно тугоплавких материалов (RU 2039613 С1, 20.07.1995), содержащий катод в виде стержня с конусом на рабочем конце, сопло-анод, разделяющий их изолирующий элемент и коммуникации для подвода газа, охлаждающей среды и порошка. Конус на рабочем конце катода выполнен усеченным, цилиндрическая и коническая поверхности катода покрыты диэлектрическим слоем, причем рабочий конец катода расположен в сопле-аноде с образованием их боковыми поверхностями конического канала, фокусирующего частицы тугоплавкого материала на оси канала в прикатодной области. Недостатком данного изобретения является раздельная подача порошка с несущим газом и плазмообразующего газа, так что подводимая к дуге электрическая энергия расходуется на нагрев не только порошка, но и несущего порошок газа. Кроме этого диэлектрический слой, покрывающий катод, подвергается значительному эрозионному воздействию порошка.Known plasma torch for spraying mainly refractory materials (RU 2039613 C1, 07.20.1995), containing a cathode in the form of a rod with a cone at the working end, an anode nozzle separating their insulating element and communications for supplying gas, cooling medium and powder. The cone at the working end of the cathode is truncated, the cylindrical and conical surfaces of the cathode are coated with a dielectric layer, and the working end of the cathode is located in the anode nozzle with the formation of their side surfaces as a conical channel focusing particles of refractory material on the channel axis in the cathode region. The disadvantage of this invention is the separate supply of powder with a carrier gas and a plasma-forming gas, so that the electric energy supplied to the arc is used to heat not only the powder, but also the powder-carrying gas. In addition, the dielectric layer covering the cathode is subjected to significant erosion by the powder.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является плазмотрон для нанесения плазменно-дуговых покрытий с индивидуальным охлаждением анодного и катодного узлов (Орлов В.И. и др. Плазменно-дуговое напыление покрытий. Технология и оборудование: Обзоры по электронной технике. Серия: Технология, организация производства и оборудование. Москва, 1981, вып.18 (833), с.50), выбранный в качестве прототипа. Для стабилизации горения дуги в нем применен вихревой метод стабилизации горения дуги тангенциальной подачей плазмообразующего газа в рабочую камеру. В плазмотроне предусмотрена подача порошка в плазменную струю на срезе водоохлаждаемого сопла-анода. Таким образом, нагрев, диспергирование и разгон частиц напыляемого материала происходит лишь в струе. Недостатком этого плазмотрона является неполное использование энергии плазменной дуги вследствие раздельной подачи плазмообразующего газа и газа, транспортирующего порошок. Это приводит к низкой эффективности процесса плазменного напыления, особенно при напылении тугоплавких материалов, а также к ограничению зоны разгона частиц порошка.Closest to the invention in technical essence is a plasma torch for applying plasma-arc coatings with individual cooling of the anode and cathode assemblies (Orlov V.I. et al. Plasma-arc spraying of coatings. Technology and equipment: Reviews on electronic technology. Series: Technology, organization of production and equipment. Moscow, 1981, issue 18 (833), p.50), selected as a prototype. To stabilize the burning of the arc, a vortex method of stabilizing the burning of the arc by the tangential supply of plasma-forming gas into the working chamber is used in it. The plasma torch provides for the supply of powder into the plasma jet at a section of a water-cooled anode nozzle. Thus, heating, dispersing and dispersing particles of the sprayed material occurs only in a jet. The disadvantage of this plasma torch is the incomplete use of plasma arc energy due to the separate supply of plasma-forming gas and gas transporting the powder. This leads to low efficiency of the plasma spraying process, especially when spraying refractory materials, as well as to limiting the acceleration zone of powder particles.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности нагрева и увеличение коэффициента использования порошка с одновременным упрощением конструкции плазмотрона и улучшением эксплуатационных и физико-механических характеристик покрытий, а также качества покрытий путем повышения прочности сцепления покрытия с основой.The objective of the invention is to increase the heating efficiency and increase the coefficient of powder use while simplifying the design of the plasma torch and improving the operational and physico-mechanical characteristics of the coatings, as well as the quality of the coatings by increasing the adhesion strength of the coating to the substrate.

Для достижения этого технического результата в плазмотроне для нанесения покрытий, содержащем катод, сопло-анод, изолятор, систему водоохлаждения и каналы ввода плазмообразующего газа и порошка, каналы ввода плазмообразующего газа и порошка объединены в один канал, который через тангенциальные отверстия завихрительного кольца связан с межэлектродным пространством, причем суммарная площадь поперечных сечений входных отверстий завихрительного кольца равна площади критического сечения сопла-анода, причем длина сопла-анода может быть выбрана в диапазоне от 1 до 10 диаметров критического сечения сопла-анода, а канал между катодом, изолятором, завихрительным кольцом и входом в сопло-анод выполнен в виде конуса.To achieve this technical result, in a coating plasmatron containing a cathode, nozzle-anode, an insulator, a water cooling system and plasma-forming gas and powder inlet channels, plasma-forming gas and powder inlet channels are combined into one channel, which is connected to the interelectrode through the tangential openings of the swirl ring space, and the total cross-sectional area of the inlet openings of the swirl ring is equal to the critical section area of the anode nozzle, and the length of the anode nozzle may be The selected in the range from 1 to 10 diameters of the critical section of the nozzle-anode, and the channel between the cathode insulator, the swirl ring and the entrance to the nozzle-anode is formed as a cone.

Отличительными признаками предлагаемого плазмотрона для напыления порошковых материалов от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является наличие единого канала для плазмообразующего газа и порошка, применение завихрительного кольца с тангенциальными отверстиями, суммарная площадь поперечных сечений которых равна площади критического сечения сопла, а также конусная форма канала между катодом, изолятором, завихрительным кольцом и входом в сопло-анод.The distinctive features of the proposed plasma torch for spraying powder materials from the above known, closest to it, is the presence of a single channel for a plasma-forming gas and powder, the use of a swirl ring with tangential holes, the total cross-sectional area of which is equal to the critical section area of the nozzle, and also the conical shape channel between the cathode, insulator, swirl ring and the entrance to the anode nozzle.

Единый канал для плазмообразующего газа и порошка кроме упрощения конструкции плазмотрона обеспечивает повышение эффективности нагрева и увеличение коэффициента использования порошка за счет максимального использования энергии плазменной дуги для нагрева, плавления и диспергирования напыляемого порошка, а также его разгона в коническом сверхзвуковом сопле-аноде и в струе, расширяющейся в среду с пониженным давлением, что, как следствие, дает возможность получить качественное покрытие с меньшей пористостью и с большей прочностью сцепления покрытия с основой.A single channel for a plasma-forming gas and powder, in addition to simplifying the design of the plasma torch, provides an increase in the heating efficiency and an increase in the powder utilization coefficient due to the maximum use of the plasma arc energy for heating, melting and dispersing the sprayed powder, as well as its acceleration in a conical supersonic anode nozzle and in a jet, expanding into a medium with low pressure, which, as a result, makes it possible to obtain a high-quality coating with lower porosity and with greater strength captivity coating to the substrate.

Завихрительное кольцо с тангенциальными отверстиями обеспечивает симметричный поток плазмообразующего газа с порошком, что увеличивает ресурс работы электрода, а следовательно, эффективность работы плазмотрона.The swirl ring with tangential holes provides a symmetrical flow of plasma-forming gas with powder, which increases the life of the electrode, and therefore, the efficiency of the plasma torch.

Равенство суммы площадей поперечных сечений отверстий завихрительного кольца критическому сечению сопла-анода d_кр, а также конусная форма канала между катодом, изолятором, завихрительным кольцом и входом в сопло-анод предотвращают торможение и скопление частиц порошка, что также ведет к увеличению коэффициента использования напыляемого порошка. Конусность канала варьируется в диапазоне от 30 до 60° - в зависимости от фракционного состава порошка.The equality of the sum of the cross-sectional areas of the holes of the swirl ring to the critical cross section of the anode nozzle d _cr , as well as the conical shape of the channel between the cathode, insulator, swirl ring and the entrance to the nozzle-anode, prevent braking and accumulation of powder particles, which also leads to an increase in the utilization rate of the sprayed powder . The taper of the channel varies in the range from 30 to 60 ° - depending on the fractional composition of the powder.

Длина сопла-анода конструктивно может варьироваться в диапазоне от 1 до 10 диаметров критического сечения сопла-анода в зависимости от используемого напыляемого материала, его дисперсности и температуры плавления. Так, для относительно легкоплавких металлов типа Аl используется короткое сопло длинойThe length of the anode nozzle can structurally vary in the range from 1 to 10 diameters of the critical section of the anode nozzle, depending on the material being sprayed, its dispersion, and the melting temperature. So, for relatively low-melting metals such as Al, a short nozzle with a length of

(1-3)d_кр до 10 d_кр для тугоплавких материалов типа карбидов и оксидов металлов WC,(1-3) d _cr to 10 d _cr for refractory materials such as carbides and metal oxides WC,

Аl₂O₃ и др.Al ₂ O ₃ and others.

На чертеже представлено поперечное сечение плазмотрона для нанесения порошковых материалов.The drawing shows a cross section of a plasma torch for applying powder materials.

Устройство содержит водоохлаждаемый катод 1, сопло-анод 2 в виде конуса, изолятор 3, завихрительное кольцо 4 с тангенциальными отверстиями 5, канал 6 между завихрительным кольцом 4, катодом 1, изолятором 3 и входом в сопло-анод 2, канал ввода плазмообразующего газа и порошка 7.The device contains a water-cooled cathode 1, a cone-shaped nozzle 2, an insulator 3, a swirl ring 4 with tangential openings 5, a channel 6 between the swirl ring 4, the cathode 1, insulator 3 and the inlet to the nozzle-anode 2, a plasma gas injection channel and powder 7.

Плазмотрон работает следующим образом. Включают подачу охлаждающей воды и рабочего газа, подают напряжение постоянного тока между катодом 1 и соплом-анодом 2. При наличии напряжения постоянного тока между катодом 1 и соплом-анодом 2 возбуждается электрическая дуга. После этого осуществляют подачу порошка в канал ввода подачи рабочего газа 7. Массовые соотношения расходов порошка и рабочего газа для обеспечения устойчивой работы не превышают 50%. Потоком рабочего газа порошок транспортируется через тангенциальные отверстия 5 завихрительного кольца 4 в межэлектродное пространство, далее через критическое сечение сопла-анода 2, где нагревается, плавится. Далее нагрев и диспергирование продолжается в сверхзвуковой части сопла-анода 2, где также происходит интенсивный разгон частиц порошка, что обеспечивает повышенные адгезионные свойства покрытий при нанесении покрытий в среде пониженного давления.The plasma torch works as follows. Turn on the supply of cooling water and working gas, apply a DC voltage between the cathode 1 and the anode nozzle 2. If there is a DC voltage between the cathode 1 and the anode nozzle 2, an electric arc is excited. After that, the powder is fed into the working gas supply inlet 7. The mass ratios of the powder and working gas flow rates to ensure stable operation do not exceed 50%. The powder is transported by the working gas stream through the tangential openings 5 of the vortex ring 4 into the interelectrode space, then through the critical section of the nozzle-anode 2, where it is heated, it melts. Further, heating and dispersion continues in the supersonic part of the anode nozzle 2, where intensive dispersal of the powder particles also occurs, which provides increased adhesion properties of the coatings when coating in a low pressure environment.

Предлагаемый плазмотрон для нанесения порошковых материалов имеет следующие характеристики: электрическая мощность на дуге плазмотрона - до 20 кВт, расход плазмообразующего газа - до 5 г/с, расход порошка - до 2 г/с, плазмообразующие газы - воздух, СO₂, N₂, Аr. В качестве напыляемых порошков могут быть использованы металлы, оксиды, карбиды и другие материалы.The proposed plasmatron for applying powder materials has the following characteristics: electric power on the arc of the plasma torch - up to 20 kW, plasma gas consumption - up to 5 g / s, powder consumption - up to 2 g / s, plasma forming gases - air, СО ₂ , N ₂ , Ar. As sprayed powders can be used metals, oxides, carbides and other materials.

Claims

A plasma torch for coating, comprising a cathode, anode nozzle, an insulator, a water cooling system, plasma-forming gas and powder inlet channels, characterized in that the plasma-forming gas and powder inlet channels are combined into one channel, which is connected to the interelectrode space through the tangential openings of the swirl ring, moreover, the total cross-sectional area of the inlet openings of the vortex ring is equal to the critical section area of the anode nozzle, while the length of the anode nozzle can be selected in the range from 1 to 1 0 diameters of the critical section of the anode nozzle, and the channel between the cathode, insulator, vortex ring and the entrance to the anode nozzle is made in the form of a cone.