RU190126U1 - Плазмотрон для напыления - Google Patents
Плазмотрон для напыленияInfo
- Publication number
- RU190126U1 RU190126U1 RU2019110280U RU2019110280U RU190126U1 RU 190126 U1 RU190126 U1 RU 190126U1 RU 2019110280 U RU2019110280 U RU 2019110280U RU 2019110280 U RU2019110280 U RU 2019110280U RU 190126 U1 RU190126 U1 RU 190126U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- powder
- swirler
- plasma
- conical surface
- Prior art date
Links
- 238000005507 spraying Methods 0.000 title claims description 6
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 53
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 16
- 230000000712 assembly Effects 0.000 claims 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 claims 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 5
- 238000002347 injection Methods 0.000 abstract description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 abstract description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 5
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 abstract description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 238000004157 plasmatron Methods 0.000 description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 2
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 2
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001687 destabilization Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/26—Plasma torches
- H05H1/32—Plasma torches using an arc
- H05H1/42—Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder, liquid
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к дуговым плазмотронам с аксиальным вводом порошка для изготовления изделий и покрытий методом плазменного напыления. Технический результат заключается в увеличении его производительности и повышении КПД по порошку.Плазмотрон для напыления состоит из катодного 1 и анодного 2 узлов, разделенных изоляционной вставкой 3. Анодный узел 2 содержит водоохлаждаемое электропроводящее сопло 4, уплотненное двумя резиновыми кольцами 5. Катодный узел 1 содержит воздушно-охлаждаемый катод 6, который крепится на конце штуцера-катододержателя 7, в центральный канал 8 которого вставлен завихритель 9. Для придания вращательного движения газопорошковой смеси в дуговом канале сопла 4 на конце катода 6 установлен второй завихритель 10 с термостойкой вставкой 11.Второй завихритель 10 выполнен в виде двойного конуса, и его первая коническая поверхность, обращенная к торцу катода, имеет форму усеченного конуса с винтовыми канавками на боковой части для прохождения и закручивания воздушно-порошковой смеси, а его вторая коническая поверхность, обращенная вершиной к первому завихрителю, имеет основание с диаметром D=D1-2h, где D1 - диаметр большого основания усеченной конической поверхности, a h - глубина винтовой канавки на основании D1.
Description
Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к дуговым плазмотронам с аксиальным вводом порошка для изготовления изделий и покрытий методом плазменного напыления.
Известны различные конструкции плазмотронов, которые отличаются по различным признакам, например по месту ввода порошка в плазменную струю. В настоящее время используются четыре основных схемы подачи порошка при плазменном напылении: в столб дугового разряда (в дуговой промежуток); до анодного пятна с использованием части столба дугового разряда; за анодным пятном внутрь канала сопла анода; за срезом сопла анода во внешнюю свободно расширяющуюся часть плазменной струи [1, с. 170; 2, с. 61].
В большинстве существующих на данный момент плазмотронов реализуется радиальная подача порошка за анодным пятном в канал сопла анода или радиальная подача порошка под срез сопла анода, но при этом они имеют наименьший КПД по порошку (около 50% частиц, ударяясь об стенку сопла, не попадают в высокотемпературную область плазменной дуги, и вылетают из сопла, не успев расплавиться).
Наиболее эффективный процесс плазменного напыления реализуется в плазмотронах при вводе порошка в столб дугового разряда или в область анодного пятна. При этом достигается наибольший КПД по порошку (до 70%).
Однако недостатком этих конструкций плазмотронов является то, что их практически очень трудно реализовать из-за сложности конструкторских решений по вводу порошка в область дугового разряда, которые позволили бы избежать дестабилизации дуги и образования настылей на внутренней стенки канала сопла анода.
С другой стороны для стабилизации самой плазменной дуги применяют три основных метода: аксиальным или тангенциальным потоком газа и магнитной закруткой столба дуги [3, с. 8]. При этом тангенциальный ввод газа не только эффективнее всего стабилизирует плазменную дугу, но и если частицы порошка попали в ее высокотемпературную область, обеспечивает лучшие условия для их нагрева за счет более длительного времени нахождения частиц порошка в плазменной струе, поскольку длина пути частицы порошка при винтовом движении больше, чем при прямолинейном.
Известен плазмотрон для напыления [4], содержащий катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой, причем на конце воздушно-охлаждаемого катода под острым углом α к его оси выполнены порошковые каналы диаметром d в количестве n, которые расположены вокруг термохимической катодной вставки с возможностью прохождения через них, закрученной завихрителем, воздушно-порошковой смеси для аксиального ввода ее в столб дугового разряда в дуговом канале водоохлаждаемого сопла анода с одновременным поступлением основного плазмообразующего газа - воздуха, при этом завихритель установлен в центральном канале штуцера-катододержателя воздушно-охлаждаемого катода.
В данной конструкции реализована аксиальная подача воздушно-порошковой смеси и аксиальная стабилизация плазменной дуги, обеспечивающая высокий КПД плазмотрона по порошку (до 80%). При этом завихрение воздушно-порошковой смеси используется только для повышения равномерности подачи порошка через отверстия в нижней части катода в столб дугового разряда. Недостатками данной конструкции плазмотрона являются:
- Низкая производительность. При мощности плазменной струи 9-10 кВт (например при напылении оксида алюминия) она не превышает 1,2 кг\час, что соответствует КПД плазменной струи 11-12%, хотя КПД плазмотрона по порошку составляет 75-80%;
- Небольшой ресурс работы (30-35) часов сопла анода, вследствие его эрозии от воздействия плазменной струи, поскольку она стабилизируется исключительно методом аксиальной подачи воздушно - порошковой смеси, так как ее вращение относительно центральной оси плазмотрона прекращается при прохождении порошковых каналов. В результате, при небольшом КПД плазменной струи большая часть ее энергии тратится не на нагрев и расплавление порошка, а на нагрев и ионизацию воздуха и на нагрев и эрозию сопла водоохлаждаемого анода;
- Необходимость изготовления нового катода сложной конфигурации при выгорании термостойкой вставки, поскольку по мере ее эрозии разрушается и торец катода.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является плазмотрон [5] (Фиг. 1), содержащий катодный 1 и анодный 2 узлы, которые разделены изоляционной вставкой 3. Анодный узел 2 содержит водоохлаждаемый анод с соплом 4, уплотненный двумя резиновыми кольцами 5. Сопло 4 анода имеет водяное охлаждение, так как основная термическая нагрузка приходится на область анодного пятна дугового разряда. Катодный узел 1 содержит воздушно-охлаждаемый катод 6, который закреплен на конце штуцера-катододержателя 7, в центральном канале 8 которого установлен завихритель 9, позволяющий закрутить воздушно-порошковую смесь при его прохождении по каналу 8.
Для дополнительной закрутки воздушно-порошковой смеси и ввода ее в закрученном состоянии в столб дугового разряда с одновременной подачей основного плазмообразующего газа на конце воздушно-охлаждаемого катода 6 установлен второй завихритель 10 с термостойкой вставкой 11. При этом второй завихритель выполнен в виде усеченного конуса с винтовыми канавками на боковой части. Второй завихритель 10 крепится в нижней части катода 6 по инструментальной конусной посадке (конусу Морзе), что с одной стороны обеспечивает необходимую прочность и электропроводность соединения, а с другой стороны облегчает разборку и ремонт катодного узла 1 при выгорании термостойкой вставки 11.
Недостатками данной конструкции плазмотрона являются:
- Не очень высокая производительность, поскольку при увеличении содержания порошка в воздушно-порошковой смеси или давления транспортирующего газа винтовые канавки второго завихрителя забиваются порошком. При этом, если забивается хотя бы одна канавка, то происходит искривление плазменной струи и на покрытии появляются дефекты, а если забивается несколько канавок, то плазмотрон полностью выходит из строя из-за перегрева.
- Низкий КПД плазмотрона по порошку (на уровне 70-75%), указанный в описании к патенту на известную конструкцию плазматрона.
Причиной невозможности увеличения производительности плазматрона известной конструкции путем повышения давления транспортирующего газа является турбулентность, возникающая на большом основании конуса (торце) второго завихрителя. При этом частицы порошка, ударяясь об него при высоком давлении транспортирующего газа, теряют свою скорость и скапливаются в образующейся "мертвой зоне".
Далее, по достижении некоторого критического значения массы скопившихся частиц, начинает происходить периодическое частичное разрушение "мертвой зоны", при котором большие порции слежавшегося порошка попадают в винтовые канавки, что и вызывает их закупорку.
В случае же, если вырвавшаяся из "мертвой зоны" порция порошка успешно преодолевает винтовую канавку, то она не успевает полностью расплавиться в плазменной струе из-за своей массы. Этим и объясняется низкий КПД плазмотрона по порошку.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является увеличение производительности плазмотрона и повышение его КПД по порошку.
Поставленная задача решается за счет исключения турбулентности, возникающей перед вторым завихрителем.
Данный технический результат достигается за счет выполнения второго завихрителя в виде двойного конуса, при этом его коническая поверхность, обращенная вершиной к первому завихрителю, имеет основание с диаметром D=D1-2h, где D1 - диаметр большого основания усеченной конической поверхности, a h- глубина винтовой канавки на основании D1.
Предлагаемый плазмотрон для напыления показан на фиг.2.
В процессе работы плазмотрона плазмообразующий газ (воздух или воздушно-пропановая смесь) проходя через катодный узел 1, обтекает коаксиально катод 6, охлаждая его наружную поверхность. Далее нагретый плазмообразующий газ поступает в дуговой канал анода 2, где он нагревается дугой, ионизируется, ускоряется и выходит из сопла 4 в виде плазменной струи. Одновременно с подачей основного плазмообразующего газа воздушно-порошковая смесь, проходя через завихритель 9, установленный в центральном канале 8 штуцера-катододержателя 7, охлаждает катод 6 по его внутренней поверхности и закручивается, что обеспечивает равномерную и непрерывную подачу нагретой газопорошковой смеси на второй завихритель.
Далее воздушно-порошковая смесь по первой конусной поверхности, обращенной вершиной к первому завихрителю, попадает прямо в область винтовых канавок внешней (второй) конической поверхности второго завихрителя.
При прохождении по винтовым канавкам второго завихрителя 10 воздушно-порошковая смесь дополнительно закручивается и проходит через столб дугового разряда в дуговой канал сопла 4 анода, где происходит окончательный нагрев и ускорение частиц напыляемого порошка.
А поскольку на всем пути движения стабилизированной вращением воздушно-порошковой смеси не происходит резких смен направления движения и отсутствует "мертвая зона", то подача порошка в винтовые канавки происходит более равномерно и они не забиваются порошком даже при больших скоростях подачи смеси и более высоком содержании порошка в ней.
Таким образом, предполагаемая конструкция плазмотрона позволяет не только повысить производительность плазматрона по напыляемому порошку, но и увеличить КПД плазматрона по порошку.
Пример:
Испытание известной [5] и предлагаемой конструкции плазмотронов проводили на установке плазменного напыления УПН - 350. Катод известной конструкции плазмотрона был изготовлен из меди с толщиной в нижней части 12 мм с конусным отверстием по конусу Морзе КМ 2 по ГОСТ 25557-2006 (конусность≈1:20).
Второй завихритель был изготовлен из медной цилиндрической заготовки диаметром 17,72 мм и высотой 12 мм. Предварительно на цилиндрической заготовке были нарезаны четыре винтовые канавки под углом 30° к оси цилиндра: ширина канавок - 1,8 мм; глубина - 1,2 мм. После получения конуса Морзе (КМ 2) из цилиндрической заготовки, диаметр малого основания усеченного конуса стал 17,14 мм, а глубина канавок на малом основании уменьшилась до 0,9 мм. Термостойкая вставка диаметром 2,5 мм была изготовлена из гафния.
Режимы напыления: сила тока 100 А, напряжение 100 В, плазмообразующий и транспортирующий газ-воздух, давление воздуха на входе в плазматрон изменяли от 1,5 до 4,0 атм.
Напыляемый материал - порошок электрокорунда марки 25А по ГОСТ 28818-90 фракции F 320 со средним размером частиц 32 мкм. Напыление материала проводили на водоохлаждаемую стальную оправку для изготовления высокоточной термостойкой керамической трубы диаметром 200 мм и длиной 500 мм.
Максимальная производительность плазмотрона по напыляемому материалу составила (при давлении воздуха 2,6 атм) 5,27 кг\час, КПД по порошку - 72,1%, КПД плазменной струи - 49,9%. При увеличении давления воздуха выше 2,6 атм происходила закупорка винтовых канавок второго завихрителя.
Испытание предлагаемой конструкции плазмотрона проводили на той же установке, на том же катоде и при аналогичных режимах напыления.
Второй завихритель был изготовлен из медной цилиндрической заготовки диаметром 17,72 мм (D1) и высотой 16 мм. Предварительно на одном конце цилиндрической заготовки (на длине 4 мм) диаметр заготовки был уменьшен до 15,32 мм (D). На другом конце цилиндрической заготовки (на длине 12 мм) были нарезаны четыре винтовые канавки под углом 30° к оси цилиндра: ширина канавок - 1,8 мм; глубина (h) - 1,2 мм. После получения конуса Морзе (КМ 2) на втором конце цилиндрической заготовки диаметр малого основания усеченного конуса стал 17,14 мм, а глубина канавок на малом основании уменьшилась до 0,9 мм. Далее для придания второму завихрителю форму двойного конуса, на оставшемся цилиндрическом конце заготовки диаметром D был выточен конус (конусность 2:1). Термостойкая вставка диаметром 2,5 мм была так же изготовлена из гафния.
Максимальная производительность плазмотрона по материалу (при давлении воздуха 3,6 атм) составила 7,64 кг\час, КПД по порошку 81,3%, КПД плазменной струи 54,4%. При увеличении давления воздуха выше 3,6 атм наблюдалась закупорка винтовых канавок второго завихрителя. Как видно из приведенных результатов, использование плазмотрона предлагаемой конструкции позволяет увеличить его производительность по напыляемому порошку почти на 40% при повышении КПД по порошку более чем на 10%.
/56/ Источники, принятые во внимание:
1. В.В. Кудинов, Г.В. Бобров - Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. - М.: Металлургия, 1992 г.
2. В.И. Костиков, С.И. Педос, И.В. Нарамовский, В.П. Милов - Теория и технология покрытий. - М., МИСиС, 1991 г.
3. В.В. Кудинов - Плазменные покрытия. - М.: Наука, 1977 г.
4. Патент РФ №2320102, Н05Н 1/42, С23С 4/00, В05В 7/22, оп. 20.03. 2008 г.
5. Патент РФ на полезную модель №142250, Н05Н 1/42, оп. 20.06.2014.
Claims (1)
- Плазмотрон для напыления, содержащий катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой, систему подачи плазмообразующего газа в дуговой канал анода и два завихрителя, один из которых установлен в центральном канале штуцера-катододержателя воздухоохлаждаемого катода, а второй установлен на конце катода и его коническая поверхность, обращенная к торцу катода, имеет форму усеченного конуса с винтовыми канавками на боковой части для прохождения и закручивания воздушно-порошковой смеси, отличающийся тем, что второй завихритель выполнен в виде двойного конуса, при этом его вторая коническая поверхность, обращенная вершиной к первому завихрителю, имеет основание с диаметром D=D1-2h, где D1 - диаметр большого основания усеченной конической поверхности, a h - глубина винтовой канавки на основании D1.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019110280U RU190126U1 (ru) | 2019-04-08 | 2019-04-08 | Плазмотрон для напыления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019110280U RU190126U1 (ru) | 2019-04-08 | 2019-04-08 | Плазмотрон для напыления |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU190126U1 true RU190126U1 (ru) | 2019-06-20 |
Family
ID=66947973
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019110280U RU190126U1 (ru) | 2019-04-08 | 2019-04-08 | Плазмотрон для напыления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU190126U1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2320102C1 (ru) * | 2006-05-30 | 2008-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Восточно-Сибирский государственный технологический университет | Плазмотрон для напыления |
RU142250U1 (ru) * | 2014-02-24 | 2014-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие" Центр плазменного напыления" | Плазмотрон для напыления |
US20150152541A1 (en) * | 2009-09-01 | 2015-06-04 | General Electric Company | Nozzle insert for thermal spray gun apparatus |
-
2019
- 2019-04-08 RU RU2019110280U patent/RU190126U1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2320102C1 (ru) * | 2006-05-30 | 2008-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Восточно-Сибирский государственный технологический университет | Плазмотрон для напыления |
US20150152541A1 (en) * | 2009-09-01 | 2015-06-04 | General Electric Company | Nozzle insert for thermal spray gun apparatus |
RU142250U1 (ru) * | 2014-02-24 | 2014-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие" Центр плазменного напыления" | Плазмотрон для напыления |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US12030078B2 (en) | Plasma transfer wire arc thermal spray system | |
US8389888B2 (en) | Plasma torch with a lateral injector | |
EP0244774B1 (en) | Improved plasma flame spray gun method and apparatus with adjustable ratio of radial and tangential plasma gas flow | |
US4841114A (en) | High-velocity controlled-temperature plasma spray method and apparatus | |
US4916273A (en) | High-velocity controlled-temperature plasma spray method | |
US3684911A (en) | Plasma-jet generator for versatile applications | |
US5420391A (en) | Plasma torch with axial injection of feedstock | |
US6372298B1 (en) | High deposition rate thermal spray using plasma transferred wire arc | |
KR100486939B1 (ko) | 계단형 노즐 구조를 갖는 자장인가형 비이송식 플라즈마토치 | |
RU2320102C1 (ru) | Плазмотрон для напыления | |
CN101954324A (zh) | 一种低压等离子喷涂用等离子喷枪 | |
JPS61119000A (ja) | プラズマアークトーチ | |
RU190126U1 (ru) | Плазмотрон для напыления | |
RU142250U1 (ru) | Плазмотрон для напыления | |
US7397013B2 (en) | Plasma lineation electrode | |
RU2614533C1 (ru) | Электродуговой плазмотрон | |
RU2092981C1 (ru) | Плазмотрон для напыления порошковых материалов | |
RU2366122C1 (ru) | Плазмотрон для нанесения покрытий | |
RU204751U1 (ru) | Плазмотрон для аддитивного выращивания | |
JPH0341822Y2 (ru) | ||
RU2818187C1 (ru) | Электродуговой плазмотрон и узел кольцевого ввода исходных реагентов в плазмотрон | |
RU2361964C2 (ru) | Способ экономичного плазменного сверхзвукового напыления высокоплотных порошковых покрытий и плазмотрон для его осуществления (варианты) | |
RU2222121C2 (ru) | Электродуговой плазмотрон | |
RU2575202C1 (ru) | Электродуговой плазмотрон постоянного тока для установок плазменной переработки отходов | |
RU159626U1 (ru) | Плазмотрон для напыления |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20200409 |