RU147567U1 - PLASMOTRON FOR SPRAYING - Google Patents

Abstract

Плазмотрон для напыления порошковых материалов, содержащий катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой, при этом на конце катода выполнены каналы для аксиального ввода в столб дугового разряда смеси напыляемого порошка с транспортирующим газом, расположенные вокруг катодной вольфрамовой вставки, отличающийся тем, что упомянутые каналы выполнены параллельно оси катода, при этом расстояние L от оси каждого канала до оси катода (D-d)*0,5≤L≤(D-d)*0,5, где D- диаметр катодной вольфрамовой вставки, D- диаметр минимального сечения сопла анодного узла, a d - диаметр канала.A plasma torch for spraying powder materials containing a cathode and anode nodes separated by an insulating insert, with channels for axially introducing into the arc discharge column a mixture of the sprayed powder with conveying gas located around the cathode tungsten insert, characterized in that the said channels are made parallel to the cathode axis, while the distance L from the axis of each channel to the cathode axis (Dd) * 0.5≤L≤ (Dd) * 0.5, where D is the diameter of the cathode tungsten insert, D is the diameter of the minimum nozzle section anode node, a d is the diameter of the channel.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения, в частности к дуговым плазмотронам для напыления порошковыми материалами металлических и неметаллических покрытий на изделия.The proposed utility model relates to the field of engineering, in particular to arc plasma torches for spraying powder materials of metal and nonmetallic coatings on products.

Плазменный метод нанесения покрытий использует энергию дуговых или высокочастотных разрядов. Порошок в высокотемпературный поток подается, как правило, в смеси с транспортирующим газом, функциональное назначение которого - создать газодисперсную смесь с максимально однородным распределением массы дисперсной фазы в объеме и придать частицам скорость, достаточную для их проникновения в наиболее нагретую, центральную часть потока. Расплавленные частицы порошка выдуваются потоком газа и приобретают определенную скорость. При соударении с основой нагретые частицы деформируются и охлаждаются, образуя при этом покрытие. Известны различные конструкции плазмотронов, которые отличаются по различным признакам, например по месту ввода порошка в плазменную струю. В большинстве существующих плазмотронов в настоящее время реализуется радиальная подача порошка за анодным пятном в канал сопла анода и радиальная подача порошка под срез сопла-анода, но при этом они имеют наименьший КПД нагрева порошка.The plasma coating method uses the energy of arc or high-frequency discharges. The powder is fed into a high-temperature stream, as a rule, in a mixture with transporting gas, the functional purpose of which is to create a gas-dispersed mixture with the most uniform distribution of the dispersed phase mass in the volume and to give the particles a speed sufficient for them to penetrate the most heated, central part of the stream. The molten powder particles are blown away by a gas stream and acquire a certain speed. Upon collision with the base, the heated particles are deformed and cooled, thus forming a coating. Various plasmatron designs are known, which differ in various ways, for example, at the place where the powder enters the plasma jet. In most existing plasmatrons, a radial powder supply behind the anode spot into the channel of the anode nozzle and a radial powder supply under the cut of the anode nozzle are currently realized, but they have the lowest powder heating efficiency.

Известен плазмотрон, содержащий катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой, в котором газопорошковая смесь подается к осевому каналу катодного узла, выходит через центральное отверстие катода и входит в дуговой канал сопла-анода. (Патент США, Д. Ross. № 5008511, 16.04.1991 г.)Known plasmatron containing cathode and anode nodes, separated by an insulating insert, in which the gas-powder mixture is supplied to the axial channel of the cathode node, exits through the Central hole of the cathode and enters the arc channel of the anode nozzle. (US Patent, D. Ross. No. 5008511, 04/16/1991)

Однако такая форма термического катода предполагает образование налипаний порошка в зоне выхода газопорошковой смеси из катода, нестабильность горения дугового разряда вследствие неравномерной и интенсивной эрозии материала катода в процессе горения дуги, а следовательно, низкий ресурс эксплуатации плазмотрона.However, this form of the thermal cathode involves the formation of powder buildup in the zone of exit of the gas-powder mixture from the cathode, the instability of the arc discharge burning due to uneven and intense erosion of the cathode material during arc burning, and, consequently, the low life of the plasma torch.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является плазмотрон для напыления, содержащий катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой и порошковые каналы, выполненные на конце катода и расположенные вокруг катодной вставки. (Патент Россия № 2320102 Плазматрон для напыления).The closest technical solution to the claimed invention is a plasma torch for spraying, containing the cathode and anode nodes separated by an insulating insert and powder channels made at the end of the cathode and located around the cathode insert. (Russian Patent No. 2320102 Plasmatron for spraying).

Такое выполнение катода позволяет уменьшить эрозию катода. Однако ввод порошка по каналам, расположенным под углом к оси плазмотрона, увеличивает вероятность соударения между частицами порошка, сцепления, появления крупных образований, что ухудшает условия его нагрева, и тем самым сказывается на качестве получаемого покрытия.This embodiment of the cathode can reduce erosion of the cathode. However, the introduction of powder through channels located at an angle to the axis of the plasma torch increases the probability of collision between the powder particles, adhesion, the appearance of large formations, which worsens the conditions for its heating, and thereby affects the quality of the resulting coating.

Технической задачей предлагаемого полезной модели является создание плазмотрона для напыления защитных покрытий из металлических и неметаллических тугоплавких керамических порошковых материалов путем аксиального ввода порошка в столб дугового разряда за счет конструктивного изменения составных элементов катодного узла.The technical task of the proposed utility model is the creation of a plasma torch for spraying protective coatings from metallic and nonmetallic refractory ceramic powder materials by axially introducing powder into an arc discharge column due to a structural change in the constituent elements of the cathode assembly.

Технический результат полезной модели - повышение качества защитных покрытий за счет высокоэффективного нагрева и максимального ускорения напыляемых частиц порошка, обеспечения равномерности этих параметров по сечению плазменной струи.The technical result of the utility model is to increase the quality of protective coatings due to highly efficient heating and maximum acceleration of the sprayed powder particles, to ensure the uniformity of these parameters over the plasma jet cross section.

Технический результат достигается тем, что в плазмотроне для напыления порошковых материалов, содержащем катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой, каналы для аксиального ввода в столб дугового разряда смеси напыляемого порошка с транспортирующим газом, выполненные на конце катода и расположенные вокруг катодной вольфрамовой вставки, упомянутые каналы выполнены параллельно оси катода, при этом расстояние L от оси каждого канала до оси катода (D₁-d)*0,5≤L≤(D₂-d)*0,5, где D₁ - диаметр катодной вольфрамовой вставки, D₂ - диаметр минимального сечения сопла анодного узла, a d - диаметр канала.The technical result is achieved by the fact that in the plasmatron for spraying powder materials containing the cathode and anode nodes separated by an insulating insert, channels for axially introducing into the arc discharge column a mixture of the sprayed powder with transporting gas, made at the end of the cathode and located around the cathode tungsten insert, mentioned the channels are made parallel to the cathode axis, the distance L from the axis of each channel to the cathode axis (D ₁ -d) * 0.5≤L≤ (D ₂ -d) * 0.5, where D ₁ is the diameter of the cathode tungsten insert, D ₂ - diameter m the minimum section of the nozzle of the anode assembly, ad is the diameter of the channel.

При предлагаемом в полезной модели вводе порошка в область дугового разряда вектор скорости каждой частицы порошка параллелен оси плазмотрона, что создает наилучшие условия прохождения частиц через столб дугового разряда в потоке плазмообразующего газа без соударений между частицами порошка, приводящих к увеличению их размеров, что оказывает сильное влияние на нагрев и ускорение напыляемого материала. Как известно, энтальпия и скорость снижаются по закону, близкому к экспоненциальной зависимости, при увеличении размера частиц. Размеры зоны проплавления частиц возрастают при увеличении энтальпии струи и снижении размера напыляемого материала. Прочность же сцепления частиц напыляемого порошка с основой напрямую зависит от их перегрева выше температуры плавления, так как при этом повышается контактная температура, и процесс химического взаимодействия резко ускоряется.When the powder is introduced into the arc discharge region in the utility model, the velocity vector of each powder particle is parallel to the axis of the plasma torch, which creates the best conditions for the passage of particles through the arc discharge column in the plasma-forming gas flow without collisions between the powder particles, leading to an increase in their size, which has a strong effect to heat and accelerate the sprayed material. As is known, enthalpy and speed decrease according to a law close to exponential dependence with increasing particle size. The size of the zone of penetration of particles increases with increasing enthalpy of the jet and a decrease in the size of the sprayed material. The strength of adhesion of the particles of the sprayed powder to the base directly depends on their overheating above the melting temperature, since this increases the contact temperature, and the process of chemical interaction is sharply accelerated.

Кроме того, поскольку энергетическое и агрегатное состояние напыляемого материала в существенной мере определяется траекторией движения частиц в плазменной струе, значит, при отсутствии вынужденных поворотов потока газопорошковой смеси в канале плазмотрона движение частиц будет происходить без потерь осевой скорости.In addition, since the energy and aggregate state of the sprayed material is substantially determined by the trajectory of particles in the plasma jet, it means that in the absence of forced turns of the gas-powder mixture flow in the plasma torch channel, the particles will move without axial velocity loss.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где изображен плазмотрон для напыления со схемой ввода порошка.The proposed utility model is illustrated in the drawing, which shows a plasma torch for spraying with a powder injection circuit.

Плазмотрон для напыления содержит катодный 1 и анодный 2 узлы, которые разделены изоляционной вставкой 3. Катодный узел 1 содержит водоохлаждаемый катод 4 с вольфрамовой катодной вставкой 5. Для аксиального ввода газо-порошковой смеси в столб дугового разряда на конце водоохлаждаемого катода 4, выполнены порошковые каналы 6, которые расположены вокруг вольфрамовой катодной вставки 5 параллельно оси катода 4.The plasma torch for spraying contains the cathode 1 and the anode 2 nodes, which are separated by an insulating insert 3. The cathode assembly 1 contains a water-cooled cathode 4 with a tungsten cathode insert 5. For axial injection of the gas-powder mixture into the arc discharge column at the end of the water-cooled cathode 4, powder channels are made 6, which are located around the tungsten cathode insert 5 parallel to the axis of the cathode 4.

Расстояние L от оси каждого канала 6 до оси катода находится в интервале (D₁-d)*0,5≤L≤(D₂-d)*0,5, где D₁ - диаметр катодной вольфрамовой вставки 5, D₂ - диаметр минимального сечения сопла 7 анодного узла 2, a d - диаметр порошкового канала 6. При таком исполнении катодного узла обеспечивается движение газопорошковой смеси параллельно оси катода. При L>(D₁-d)*0,5 поток смеси ударяет о стенку сопла анодного узла 2, и траектория движения частиц газо-порошковой смеси перестает быть прямолинейной. Кроме того, при этом может иметь место налипания порошка на стенки сопла. Расстояние L≤(D₂-d)*0,5 выбрано по технологическим условиям выполнения вольфрамовой катодной вставки 5.The distance L from the axis of each channel 6 to the axis of the cathode is in the range (D ₁ -d) * 0.5≤L≤ (D ₂ -d) * 0.5, where D ₁ is the diameter of the cathode tungsten insert 5, D ₂ - the diameter of the minimum section of the nozzle 7 of the anode assembly 2, ad is the diameter of the powder channel 6. With this design of the cathode assembly, the movement of the gas powder mixture is parallel to the axis of the cathode. At L> (D ₁ -d) * 0.5, the mixture flow hits the nozzle wall of the anode assembly 2, and the trajectory of the particles of the gas-powder mixture ceases to be rectilinear. In addition, powder sticking to the nozzle walls may occur. The distance L≤ (D ₂ -d) * 0.5 is selected according to the technological conditions of the tungsten cathode insert 5.

При таком исполнении катодного узла снижается отрицательное влияние порошка на стабильное горение дуги.With this design of the cathode assembly, the negative effect of the powder on the stable burning of the arc is reduced.

Предлагаемая полезная модель работает следующим образом:The proposed utility model works as follows:

Одним из известных способов возбуждается электрическая дуга между катодным 1 и анодным 2 узлами. Напыляемый материал транспортируют через порошковые каналы 6 катода 4, соединенные с системой подачи напыляемого материала (не указано) в приосевую высокотемпературную область дугового разряда. где частицы порошка нагреваясь, одновременно приобретают высокую скорость. Далее расплавленные частицы материала при соударении с основой деформируются и охлаждаются, образуя при этом покрытие.One of the known methods is excited by an electric arc between the cathode 1 and anode 2 nodes. The sprayed material is transported through the powder channels 6 of the cathode 4 connected to the feed system of the sprayed material (not specified) in the axial high-temperature region of the arc discharge. where the powder particles are heated, at the same time acquire a high speed. Further, the molten particles of the material upon collision with the base are deformed and cooled, thus forming a coating.

Выполнение на конце катода параллельно его оси порошковых каналов, расположенных вокруг вольфрамовой катодной вставки, обеспечивает прохождение частиц порошка через столб дугового разряда и область анодного пятна с наиболее эффективным нагревом, ускорением частиц напыляемого порошка и достижением высокой плотности распределения частиц напыляемого порошка с заданной температурой в гетерогенной плазменной струе.Performing at the end of the cathode parallel to its axis of the powder channels located around the tungsten cathode insert ensures the passage of powder particles through the arc discharge column and the region of the anode spot with the most effective heating, acceleration of the particles of the sprayed powder and the achievement of a high particle density distribution of the sprayed powder with a given temperature in a heterogeneous plasma jet.

Claims (1)

Плазмотрон для напыления порошковых материалов, содержащий катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой, при этом на конце катода выполнены каналы для аксиального ввода в столб дугового разряда смеси напыляемого порошка с транспортирующим газом, расположенные вокруг катодной вольфрамовой вставки, отличающийся тем, что упомянутые каналы выполнены параллельно оси катода, при этом расстояние L от оси каждого канала до оси катода (D₁-d)*0,5≤L≤(D₂-d)*0,5, где D₁ - диаметр катодной вольфрамовой вставки, D₂ - диаметр минимального сечения сопла анодного узла, a d - диаметр канала.

A plasma torch for spraying powder materials containing a cathode and anode nodes separated by an insulating insert, while channels are made at the end of the cathode for axially introducing into the arc discharge column a mixture of the sprayed powder with transporting gas located around the cathode tungsten insert, characterized in that the said channels are made parallel to the axis of the cathode, the distance L from the axis of each channel to the axis of the cathode (D ₁ -d) * 0.5≤L≤ (D ₂ -d) * 0.5, where D ₁ is the diameter of the cathode tungsten insert, D ₂ - diameter of the minimum cross section nozzle anode assembly, ad - channel diameter.

Images