RU2746800C1 - Bimetallic plasma torch nozzle and the method of its manufacture - Google Patents
Bimetallic plasma torch nozzle and the method of its manufacture Download PDFInfo
- Publication number
- RU2746800C1 RU2746800C1 RU2020129914A RU2020129914A RU2746800C1 RU 2746800 C1 RU2746800 C1 RU 2746800C1 RU 2020129914 A RU2020129914 A RU 2020129914A RU 2020129914 A RU2020129914 A RU 2020129914A RU 2746800 C1 RU2746800 C1 RU 2746800C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nozzle
- sleeve
- heat
- copper
- blank
- Prior art date
Links
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
Abstract
Description
Изобретение относится к области косвенного нагрева объектов электродуговым разрядом, а именно к устройствам для генерирования плазмы - дуговым плазмотронам, в частности используемым в металлургии для получения сферических порошков и гранул.The invention relates to the field of indirect heating of objects by an electric arc discharge, and in particular to devices for generating plasma - arc plasmatrons, in particular, used in metallurgy to produce spherical powders and granules.
Плазмотроны постоянного тока входят в состав промышленных установок плазменного центробежного распыления вращающихся заготовок, предназначенных для получения сферических металлических порошков и гранул, а также установок для сфероидизации порошков неправильной формы для повышения их качества и технологических свойств.DC plasma torches are part of industrial installations for plasma centrifugal spraying of rotating workpieces designed to produce spherical metal powders and granules, as well as installations for spheroidizing powders of irregular shape to improve their quality and technological properties.
Сопловой канал является наиболее нагруженным элементом дугового плазмотрона. Медь является материалом с наибольшей теплопроводностью и поэтому находит широкое применение в качестве сопла-анода в плазмотронах. Однако при использовании чисто медного сопла в процессе получения высококачественных металлических порошков при нестабильных режимах работы плазмотрона во время поджига дуги происходит термическая эрозия сопла и унос в массу порошка меди, которая для большинства материалов ответственного назначения представляет собой вредную примесь. В связи с этим возникает необходимость изготовления сопла плазмотрона, которое обеспечило бы стабильность горения электрической дуги и исключало бы попадание материала сопла-анода (меди) в распыляемый материал.The nozzle channel is the most loaded element of the arc plasmatron. Copper is the material with the highest thermal conductivity and therefore finds wide application as an anode nozzle in plasmatrons. However, when a pure copper nozzle is used in the process of obtaining high-quality metal powders under unstable operating conditions of the plasmatron, thermal erosion of the nozzle occurs during arc ignition and copper powder is carried away into the mass, which is a harmful impurity for most materials for critical purposes. In this regard, it becomes necessary to manufacture a plasmatron nozzle, which would ensure the stability of the electric arc burning and would exclude the ingress of the nozzle-anode material (copper) into the sprayed material.
Известно сопло дугового плазмотрона, содержащее металлический корпус с кольцевой полостью для охлаждения сопла, термостойкую втулку с каналом для выхода плазмы, которая закреплена в коническом гнезде, выполненном в корпусе сопла соосно с кольцевой полостью, и соединитель, обеспечивающий электрический контакт между втулкой и соплом. Втулку с рабочим сопловым каналом изготавливают из материала, выбранного из группы, состоящей из вольфрама, молибдена и тантала. Втулка выполнена в форме конуса, ближе к отверстию выхода плазмы переходящего в цилиндр (US 2951143 А, 30.08.1960).Known arc plasmatron nozzle containing a metal body with an annular cavity for cooling the nozzle, a heat-resistant sleeve with a channel for the plasma outlet, which is fixed in a conical socket made in the nozzle body coaxially with the annular cavity, and a connector that provides electrical contact between the sleeve and the nozzle. The bushing with a working nozzle channel is made of a material selected from the group consisting of tungsten, molybdenum and tantalum. The bushing is made in the form of a cone, closer to the outlet of the plasma passing into the cylinder (US 2951143 A, 08/30/1960).
Недостатком данного сопла является сложность его конструкции, обусловленная наличием соединителя, который должен быть соединен с элементами сопла паяным или сварным соединением. Наличие между элементами сопла сварной или паянной зоны способствует образованию между ними локальных несплошностей (свищей, пор, микротрещин), что приводит к большому тепловому сопротивлению и ухудшению условий теплоотвода от втулки, выполненной из вольфрама, молибдена или тантала, к медному корпусу сопла, что, в свою очередь, приводит к перегреву и ускоренному износу соплового канала. Эти факторы приводят к невозможности применения данного сопла для получения высококачественных сферических порошков и гранул методом центробежного плазменного распыления вращающейся заготовки и на установках плазменной сфероидизации порошков неправильной формы.The disadvantage of this nozzle is the complexity of its design, due to the presence of a connector, which must be connected to the elements of the nozzle by a soldered or welded joint. The presence of a welded or brazed zone between the elements of the nozzle contributes to the formation of local discontinuities between them (holes, pores, microcracks), which leads to high thermal resistance and deterioration of the conditions for heat removal from the sleeve made of tungsten, molybdenum or tantalum to the copper body of the nozzle, which, in turn, leads to overheating and accelerated wear of the nozzle channel. These factors lead to the impossibility of using this nozzle to obtain high-quality spherical powders and granules by the method of centrifugal plasma spraying of a rotating workpiece and on plasma spheroidization plants for irregularly shaped powders.
Известно сопло-анод плазмотрона с выходным каналом, выполненным конусообразным и расширяющимся к выходу, с углом наклона образующей конуса к продольной оси сопла-анода в пределах 8-11°, при этом сопло-анод в зоне выходного канала выполнено биметаллическим в виде соединенных между собой медной стенки и молибденового экрана, толщина которого в поперечном сечении составляет 0,25÷0,4 от толщины медной стенки (RU 2350052 С1, 20.03.2009).It is known the nozzle-anode of a plasmatron with an outlet channel made conical and expanding towards the outlet, with an angle of inclination of the generatrix of the cone to the longitudinal axis of the nozzle-anode within 8-11 °, while the nozzle-anode in the zone of the outlet channel is made bimetallic in the form of interconnected a copper wall and a molybdenum shield, the thickness of which in the cross section is 0.25 ÷ 0.4 of the thickness of the copper wall (RU 2350052 C1, 20.03.2009).
Общим недостатком указанных сопел плазмотрона является использование в них втулки из молибдена, который не образует с материалом сопла (медью) соединения из-за отсутствия взаимодействия (растворимости) между металлами. Отсутствие соединения между молибденовой втулкой и медным соплом в процессе эксплуатации при высоких температурах из-за разницы коэффициентов теплового расширения приводит к образованию зазора определенной толщины на стыке двух сред, через которую затруднен теплоотвод. Уменьшение теплоотвода приводит к снижению времени эксплуатации сопла.A common disadvantage of these plasmatron nozzles is the use of a sleeve made of molybdenum in them, which does not form a connection with the nozzle material (copper) due to the lack of interaction (solubility) between the metals. The lack of connection between the molybdenum sleeve and the copper nozzle during operation at high temperatures due to the difference in the coefficients of thermal expansion leads to the formation of a gap of a certain thickness at the junction of the two media, through which heat removal is difficult. A decrease in heat dissipation leads to a decrease in the operating time of the nozzle.
Недостаточное сцепление между медным соплом и конической молибденовой втулки с образованием зазора под воздействием механических и тепловых нагрузок может создавать аварийную ситуацию, при которой молибденовая втулка вплавляется в медный корпус, а масса получаемого порошка загрязняется медью либо при которой может произойти отделение (выпадение) молибденовой втулки от медного корпуса, что приведет к аварийному отключению установки из-за прожига конического канала сопла и попаданию воды, циркулирующей в кольцевой полости корпуса для охлаждения сопла, в массу порошка.Insufficient adhesion between the copper nozzle and the conical molybdenum sleeve with the formation of a gap under the influence of mechanical and thermal loads can create an emergency situation in which the molybdenum sleeve is fused into the copper body, and the mass of the resulting powder is contaminated with copper or during which separation (loss) of the molybdenum sleeve from copper housing, which will lead to emergency shutdown of the installation due to burning of the conical channel of the nozzle and the ingress of water circulating in the annular cavity of the housing to cool the nozzle into the powder mass.
Наиболее близким аналогом предлагаемого сопла является сопло дугового плазмотрона, содержащее металлический корпус с кольцевой полостью для охлаждения сопла и термостойкую коническую втулку с каналом для выхода плазмы, которая закреплена в коническом гнезде, выполненном в корпусе сопла соосно с кольцевой полостью. Коническая втулка выполнена из материала, имеющего коэффициент теплового расширения по величине меньший, чем коэффициент теплового расширения металла, из которого выполнен корпус сопла, при этом коническая втулка выступает из конического гнезда в корпусе с возможностью последующего углубления ее в гнездо при нагревании в процессе диффузионной сварки втулки с корпусом. Корпус сопла может быть выполнен из меди, а коническая втулка - из молибдена, графита или тугоплавкого металла. В конической втулке канал выхода плазмы выполнен цилиндрической формы (RU 2369050 C1, 1, 7 п.п. ф.и., абзац 4 страницы 4 описания, чертежи, 07.09.2009).The closest analogue of the proposed nozzle is an arc plasmatron nozzle containing a metal body with an annular cavity for cooling the nozzle and a heat-resistant conical sleeve with a channel for plasma outlet, which is fixed in a conical seat made in the nozzle body coaxially with the annular cavity. The tapered bushing is made of a material having a coefficient of thermal expansion smaller than the coefficient of thermal expansion of the metal from which the nozzle body is made, while the tapered bushing protrudes from the conical seat in the body with the possibility of its subsequent deepening into the seat when heated during diffusion welding of the sleeve with a body. The nozzle body can be made of copper and the tapered sleeve can be made of molybdenum, graphite or refractory metal. In the conical sleeve, the plasma exit channel is cylindrical (RU 2369050 C1, 1, 7 pp f.i.,
Способ изготовления данного сопла плазмотрона, взятый за прототип, заключается в следующем. Элементы сопла - корпус и втулку, вытачивают на токарном станке. Сопло в собранном виде помещают в вакуумную нагревательную печь и нагревают в вакууме до 800-1000°С. Вследствие разницы в коэффициентах теплового расширения металлов, из которых выполнены корпус и втулка, образуется кольцевой зазор между указанными деталями. Втулка опускается вглубь конического гнезда под действием собственного веса или с использованием внешней силы, например, груза. Поскольку данная операция происходит в вакууме, где отсутствуют окисление сопрягаемых поверхностей, и при высоких температурах, то происходит диффузионная сварка деталей. После охлаждения сопла коническая поверхность гнезда обжимает втулку. Образуется соединение этих двух деталей с натягом, подобное горячепрессованной посадке (RU 2369050 С1, абзац 3-6 страницы 4 описания, 27.09.2009).The method of manufacturing this nozzle of the plasmatron, taken as a prototype, is as follows. The elements of the nozzle - the body and the sleeve, are turned on a lathe. The assembled nozzle is placed in a vacuum heating furnace and heated in vacuum up to 800-1000 ° C. Due to the difference in the coefficients of thermal expansion of the metals from which the body and the sleeve are made, an annular gap is formed between the specified parts. The sleeve is lowered into the taper seat by its own weight or using an external force such as a weight. Since this operation takes place in a vacuum, where there is no oxidation of the mating surfaces, and at high temperatures, diffusion welding of parts occurs. After the nozzle has cooled, the conical surface of the socket compresses the sleeve. A connection of these two parts with an interference fit is formed, similar to a hot-pressed fit (RU 2369050 C1, paragraph 3-6 of
К недостатку сопла-прототипа можно отнести недостаточную прочность сцепления между коническим гнездом корпуса и втулкой, соединенных между собой посредством диффузионной сварки. При эксплуатации сопла в условиях высоких температур более 800-1000°С вследствие разницы в коэффициентах теплового расширения металлов может произойти разъединение корпуса сопла и втулки. Кроме того, изготовление сопла способом-прототипом в печи при нагреве до 800-1000°С, когда сопло и втулка имеют окончательные размеры, может привести к искажению конечной формы изделия из-за тепловых нагрузок, поскольку температура плавления меди близка к данному значению и составляет 1085°С. Кроме того, соединение элементов сопла путем нагрева и охлаждения не способно устранить дефекты (микротрещины, поры), которые могут изначально присутствовать на поверхности и в объеме корпуса сопла и конической втулки, что может ухудшить соединение между ними.The disadvantage of the prototype nozzle can be attributed to the insufficient adhesion strength between the tapered socket of the body and the sleeve, connected to each other by diffusion welding. When the nozzle is operated at high temperatures of more than 800-1000 ° C, due to the difference in the coefficients of thermal expansion of metals, the nozzle body and the sleeve may become disconnected. In addition, the manufacture of the nozzle by the prototype method in the furnace when heated to 800-1000 ° C, when the nozzle and the sleeve have final dimensions, can lead to distortion of the final shape of the product due to thermal loads, since the melting temperature of copper is close to this value and is 1085 ° C. In addition, the connection of the nozzle elements by heating and cooling is not able to eliminate defects (microcracks, pores) that may initially be present on the surface and in the volume of the nozzle body and the tapered sleeve, which can worsen the connection between them.
Также к недостаткам данной конструкции следует отнести цилиндрический профиль соплового канала, который не обеспечивает качественного проплавления торца заготовки, в связи с чем нарушается стабильность горения, поскольку плазменная дуга будет отрываться от стенки сопла, что приведет к образованию зоны обратных токов в области сопряжения двух цилиндрических поверхностей - корпуса сопла и втулки.Also, the disadvantages of this design include the cylindrical profile of the nozzle channel, which does not provide high-quality penetration of the end of the workpiece, and therefore the stability of combustion is disturbed, since the plasma arc will detach from the nozzle wall, which will lead to the formation of a zone of reverse currents in the area of conjugation of two cylindrical surfaces - nozzle bodies and bushings.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является исключение наличия дефектов на поверхности и в объеме элементов сопла плазмотрона, повышение стойкости (циклов работы) сопла, исключение загрязнения изготавливаемой продукции (порошка, гранул) частицами меди, а также исключение возникновения аварийных ситуаций, связанных с использованием сопла плазмотрона, в процессе плазмообразования.The technical result of the proposed invention is to eliminate the presence of defects on the surface and in the volume of the elements of the plasma torch nozzle, increase the durability (operating cycles) of the nozzle, eliminate the contamination of manufactured products (powder, granules) with copper particles, and also eliminate the occurrence of emergencies associated with the use of the plasma torch nozzle, in the process of plasma formation.
Предлагаемое биметаллическое сопло дугового плазмотрона представлено на фиг. 1. На фиг. 2 представлен процесс сборки элементов биметаллического сопла посредством горячего изостатического прессования (ГИП). Цифрами обозначены следующие элементы:The proposed bimetallic nozzle of the arc plasmatron is shown in Fig. 1. In FIG. 2 shows the process of assembling the elements of a bimetallic nozzle by means of hot isostatic pressing (HIP). The following elements are indicated by numbers:
1 - медный корпус сопла плазмотрона,1 - copper body of the plasma torch nozzle,
2 - термостойкая коническая втулка с каналом для выхода плазмы,2 - heat-resistant tapered bushing with a channel for plasma outlet,
3 - кольцевая полость корпуса для охлаждения сопла,3 - annular cavity of the body for cooling the nozzle,
4 - канал для выхода плазмы,4 - channel for plasma exit,
5 - насечки на конической втулке, образующие механическое сцепление с коническим гнездом сопла,5 - notches on the tapered sleeve, forming a mechanical bond with the tapered seat of the nozzle,
6 - медная заготовка корпуса сопла,6 - copper blank of the nozzle body,
7 - заготовка термостойкой конической втулки,7 - a blank of a heat-resistant tapered bushing,
8 - коническое гнездо корпуса сопла,8 - conical socket of the nozzle body,
9 - стальная цилиндрическая капсула,9 - steel cylindrical capsule,
10 - крышка капсулы,10 - capsule cover,
11 - патрубок для откачки воздуха,11 - branch pipe for air pumping,
12 - пробка.12 - cork.
Предлагаемый способ изготовления сопла плазмотрона осуществляется следующим образом.The proposed method for manufacturing a plasma torch nozzle is carried out as follows.
Вначале изготавливают медную заготовку (6) корпуса сопла с конической выемкой (8) и заготовку термостойкой конической втулки (7) из тугоплавкого металла с насечками (5), протачиваемыми механическим способом.First, a copper blank (6) of the nozzle body with a conical recess (8) and a blank of a heat-resistant conical sleeve (7) are made of refractory metal with notches (5) mechanically machined.
Заготовку термостойкой конической втулки (7) и корпуса сопла (6) протирают обезжиривающей жидкостью (спирт, бензин), помещают заготовку втулки (7) в коническое гнездо (8) заготовки корпуса сопла и устанавливают их в стальную цилиндрическую оболочку - капсулу (9), предварительно также обезжиренную.The blank of the heat-resistant tapered sleeve (7) and the nozzle body (6) are wiped with a degreasing liquid (alcohol, gasoline), the blank of the sleeve (7) is placed in the conical seat (8) of the blank of the nozzle body and installed in a steel cylindrical shell - a capsule (9), previously also defatted.
К верхней цилиндрической части капсулы приваривают крышку (10), в центральной части которой расположен стальной патрубок для откачки воздуха (11). Капсулу нагревают в вакууме до температуры от 200 до 500°С, после чего в отверстие патрубка устанавливают стальную пробку (12), которую герметично сваривают с патрубком электронно-лучевой сваркой. В результате проведенных технологических операций заготовки медного корпуса и втулки оказываются заключены в вакууме в герметичной стальной капсуле. Наличие вакуума исключает окисление медной заготовки и конической втулки с насечками при нагреве капсулы до высоких температур при газостатическом прессовании, что в дальнейшем обеспечит их качественное диффузионное сваривание. Капсулу помещают в газостат (нагревательную печь, в которой рабочей средой является аргон), нагревают до температуры 800-1030°С и выдерживают в течении 1,0-5,0 часов при давлении аргона 90÷200 МПа, затем охлаждают до комнатной температуры.A lid (10) is welded to the upper cylindrical part of the capsule, in the central part of which there is a steel pipe for pumping air (11). The capsule is heated in vacuum to a temperature of 200 to 500 ° C, after which a steel plug (12) is installed in the opening of the branch pipe, which is hermetically welded to the branch pipe by electron beam welding. As a result of the technological operations carried out, the blanks of the copper body and bushings are enclosed in a vacuum in a sealed steel capsule. The presence of vacuum excludes oxidation of the copper billet and the tapered sleeve with notches when the capsule is heated to high temperatures during gasostatic pressing, which will further ensure their high-quality diffusion welding. The capsule is placed in a gasostat (a heating furnace in which the working medium is argon), heated to a temperature of 800-1030 ° C and kept for 1.0-5.0 hours at an argon pressure of 90-200 MPa, then cooled to room temperature.
В результате ГИП происходит обжим насечек (5) конической втулки (2) медной заготовкой корпуса (6) и их прочное соединение, что исключает их разъединение под воздействием механических и тепловых нагрузок.As a result of the HIP, the notches (5) of the tapered sleeve (2) are crimped with a copper blank of the body (6) and their strong connection, which excludes their separation under the influence of mechanical and thermal loads.
Далее стальную оболочку стачивают и механической обработкой изготавливают биметаллическое сопло, изображенное на фиг. 1.The steel shell is then ground down and the bimetallic nozzle shown in FIG. one.
Выбранный температурный интервал обеспечивает переход в пластическое состояние меди, которая заполняет изготовленные в тугоплавкой вставке насечки. Температура ниже 800°С не обеспечивает достаточной пластичности меди, а температура выше 1030°С может приводить к локальному расплавлению меди.The selected temperature range provides a transition to the plastic state of copper, which fills the notches made in the refractory insert. Temperatures below 800 ° C do not provide sufficient ductility of copper, and temperatures above 1030 ° C can lead to local melting of copper.
Диапазон давления ГИП от 90 до 200 МПа обеспечивает пластическое течение меди, уплотнение и заполнение насечек в заготовке термостойкой конической втулки медью. Данный диапазон давления определяется исходя из того, что при более низких давлениях медь не полностью переходит в пластическое состояние и, соответственно, диффузионная сварка между элементами сопла происходит в неполной мере. Значения давления выше 200 МПа приводят к искажению геометрии получаемого сопла. Кроме того, они трудно достижимы на большинстве современных газостатов и являются избыточными с экономической точки зрения.The HIP pressure range from 90 to 200 MPa provides plastic flow of copper, sealing and filling of the notches in the workpiece of the heat-resistant tapered bushing with copper. This pressure range is determined based on the fact that at lower pressures, copper does not completely transform into a plastic state and, accordingly, diffusion welding between the nozzle elements occurs to an incomplete extent. Pressure values above 200 MPa lead to distortion of the geometry of the resulting nozzle. In addition, they are difficult to achieve on most modern gas stations and are redundant from an economic point of view.
Время выдержки обеспечивает полноту пластической деформации и надежное соединение заготовок медного корпуса и термостойкой конической втулки диффузионной сваркой. Нижняя граница времени выдержки (1,0 час) определяется минимальным требуемым временем протекания диффузионных процессов соединения элементов, а верхняя граница (5,0 часов) определяется тем, что при длительных выдержках происходит излишне глубокое диффузионное взаимодействие между стальной капсулой и медной заготовкой корпуса сопла, что потребует снятия при механической обработке большой толщины провзаимодействовавшего со стальной капсулой слоя меди и тугоплавкой втулки.The holding time ensures the completeness of plastic deformation and a reliable connection of the workpieces of the copper body and the heat-resistant tapered sleeve by diffusion welding. The lower limit of the holding time (1.0 hour) is determined by the minimum required time for the diffusion processes of joining the elements, and the upper limit (5.0 hours) is determined by the fact that, with long holding times, an excessively deep diffusion interaction occurs between the steel capsule and the copper blank of the nozzle body, which will require the removal of a large thickness of the copper layer and the refractory sleeve that interacted with the steel capsule during machining.
В отличие от изготовления сопла способом-прототипом посредством нагрева в печи и последующего охлаждения, которое не может устранить изначально имеющиеся дефекты конической втулки и корпуса сопла, его изготовление посредством ГИП с выбранными режимами позволяет их исключить и, как следствие, дополнительно улучшить соединение термостойкой конической втулки с медной заготовкой корпуса сопла.In contrast to the manufacture of the nozzle by the prototype method by means of heating in a furnace and subsequent cooling, which cannot eliminate the initially existing defects of the tapered sleeve and the nozzle body, its manufacture by means of the HIP with the selected modes allows them to be eliminated and, as a result, further improve the connection of the heat-resistant tapered sleeve with a copper blank of the nozzle body.
Предварительный нагрев стальной капсулы с размещенными в ней заготовками медного корпуса сопла и термостойкой конической втулки в вакууме до температуры от 200 до 500°С позволяет произвести полную дегазацию, в том числе удалить конденсат влаги с соединяемых поверхностей. Таким образом, дегазация позволяет исключить образование окисных соединений на соединяемых поверхностях, которые бы препятствовали отводу тепла от термостойкой втулки через медный корпус сопла в охлаждающую воду, которая циркулирует в кольцевой полости корпуса сопла.Preheating the steel capsule with the blanks of the copper nozzle body and the heat-resistant tapered sleeve in vacuum to a temperature of 200 to 500 ° C allows complete degassing, including removing moisture condensate from the surfaces to be joined. Thus, degassing makes it possible to exclude the formation of oxide compounds on the surfaces to be joined, which would prevent heat removal from the heat-resistant sleeve through the copper nozzle body into the cooling water that circulates in the annular cavity of the nozzle body.
Тугоплавкие металлы, в частности ниобий, обладают высокими температурами плавления и испарения и способны при высоких температурах соединяться с медью диффузионной сваркой. Таким образом, использование в конструкции биметаллического сопла плазмотрона термостойкой конической втулки (2) из тугоплавкого металла (например, ниобия) повышает стойкость сопла (увеличивает количество циклов работы) за счет исключения расплавления втулки и ее более прочного сцепления с коническим гнездом корпуса (8).Refractory metals, in particular niobium, have high melting and evaporation temperatures and are capable of bonding with copper by diffusion welding at high temperatures. Thus, the use of a heat-resistant tapered sleeve (2) made of a refractory metal (for example, niobium) in the construction of the bimetallic nozzle of the plasmatron increases the durability of the nozzle (increases the number of operating cycles) by eliminating the melting of the sleeve and its stronger adhesion to the tapered seat of the body (8).
Стойкость и прочность конструкции сопла повышается также благодаря наличию на конической втулке (2) насечек, обеспечивающих образование механического сцепления втулки (2) и корпуса сопла (1) с коническим гнездом и повышение площади их контакта, благодаря чему, помимо непосредственно более высокой прочности сцепления, обеспечивается более эффективный отвод тепла от втулки из тугоплавкого металла через медный корпус сопла (1).The durability and strength of the nozzle structure is also increased due to the presence of notches on the tapered sleeve (2), which ensure the formation of mechanical adhesion of the sleeve (2) and the nozzle body (1) with the tapered seat and an increase in their contact area, due to which, in addition to the directly higher adhesion strength, more efficient heat removal from the refractory metal sleeve through the copper nozzle body (1) is provided.
Таким образом, использование термостойкой втулки из тугоплавкого металла с нанесенными на ее внешнюю поверхность насечками и подобранные режимы ГИП исключают возникновение аварийных ситуаций в процессе плазмообразования за счет более высокого качества соединения поверхностей корпуса сопла и тугоплавкой втулки и улучшенного теплоотвода.Thus, the use of a heat-resistant sleeve made of a refractory metal with notches applied to its outer surface and the selected HIP modes exclude the occurrence of emergency situations in the process of plasma formation due to the higher quality of the connection of the surfaces of the nozzle body and the refractory sleeve and improved heat removal.
Использование втулки из тугоплавкого металла также позволяет исключить попадание в массу получаемого порошка материала корпуса (1) сопла - меди, которая является вредной примесью для большинства современных жаропрочных сплавов на никелевой основе.The use of a sleeve made of a refractory metal also makes it possible to exclude the ingress of the material of the nozzle body (1) into the mass of the resulting powder - copper, which is a harmful impurity for most modern high-temperature nickel-based alloys.
В качестве тугоплавкого металла втулки (2) предпочтительно использовать ниобий, поскольку он является компонентом большинства современных жаропрочных сплавов на никелевой основе, из которых путем плазменного распыления получают порошки, и, таким образом, в случае попадания в них не может привести к их загрязнению.It is preferable to use niobium as the refractory metal of the sleeve (2), since it is a component of most modern high-temperature nickel-based alloys, from which powders are obtained by plasma spraying, and, therefore, if it gets into them, it cannot lead to their contamination.
Примеры осуществления.Examples of implementation.
В газостате «Quintus-16» фирмы ASEA предложенным способом было изготовлено восемь биметаллических сопел плазмотрона №№1-8 с режимом горячего изостатического прессования при температуре 800-1030°С, давлении 90÷200 МПа с выдержкой в течение 1,0-5,0 часов, и пять биметаллических сопел №№9-13 с отклонениями от предложенного режима ГИП (для сравнения).Eight bimetallic nozzles of the plasmatron No. 1-8 with the hot isostatic pressing mode at a temperature of 800-1030 ° C, a pressure of 90 ÷ 200 MPa with a holding time of 1.0-5, were manufactured in the ASEA Quintus-16 gasostat by the proposed method. 0 hours, and five bimetallic nozzles No. 9-13 with deviations from the proposed HIP mode (for comparison).
Конические втулки изготавливались из ниобия марки НБ-1.Tapered bushings were made of NB-1 niobium.
Режимы совместного ГИП заготовки медного корпуса и конической втулки и температура, до которой предварительно нагревали стальную капсулу, для каждого из 13 биметаллических сопел, приведены в таблице 1.The modes of the joint HIP of the copper body billet and the tapered sleeve and the temperature to which the steel capsule was preheated for each of the 13 bimetallic nozzles are shown in Table 1.
Также было изготовлено биметаллическое сопло №14 согласно способу-прототипу. В собранном виде заготовку сопла помещали в вакуумную нагревательную печь и нагревали в вакууме до 90°С. Молибденовая втулка в результате термического расширения опускалась вглубь конического гнезда под действием собственного веса.A bimetallic nozzle No. 14 was also manufactured according to the prototype method. Once assembled, the nozzle blank was placed in a vacuum heating furnace and heated in vacuum to 90 ° C. As a result of thermal expansion, the molybdenum sleeve sank deep into the conical seat under its own weight.
Полная толщина конических втулок предлагаемого сопла составляла 2,7 мм, на уровне насечек - 2,5 мм, втулки сопла-прототипа - 2,7 мм.The total thickness of the tapered bushings of the proposed nozzle was 2.7 mm, at the level of the notches - 2.5 mm, the prototype nozzle bushing - 2.7 mm.
Далее проводили плазменную плавку и центробежное распыление на установке типа УЦР (установка центробежного распыления вращающейся заготовки) с применением изготовленных пяти сопел. Для плазменного распыления применялись заготовки жаропрочного никелевого сплава типа ЭП741НП с габаритными размерами ∅80 мм и длинной 700 мм.Then, plasma melting and centrifugal spraying were carried out on an installation of the UCR type (installation for centrifugal spraying of a rotating workpiece) using five manufactured nozzles. For plasma spraying, we used EP741NP type heat-resistant nickel alloy billets with overall dimensions ∅80 mm and a length of 700 mm.
При проведении плазменной плавки и центробежного распыления поддерживались значения режима распыления, приведенные в таблице 2.When carrying out plasma melting and centrifugal spraying, the values of the spraying mode were maintained as shown in Table 2.
Распыление проводили многократно для определения количества циклов работы сопел.Spraying was carried out several times to determine the number of nozzle cycles.
Далее исследовали поверхность сопловых каналов на наличие каверн - мест застоя дуги плазмотрона, в которых происходит местные выплавления и вырывы материала термостойкой втулки, и зазора между медным корпусом сопла плазмотрона и термостойкой конической втулки с каналом для выхода плазмы. Сопла, имеющие каверны глубиной более 1,5 мм, подлежали снятию, так как их эксплуатация потенциально опасна из-за возможного прожига сопла в процессе дальнейшей эксплуатации. Также снятию подлежали сопла с наличием/образованием зазора между медным корпусом и термостойкой втулкой, который приводит практически к полному прекращению теплоотвода и возникновению аварийной ситуации.Next, the surface of the nozzle channels was investigated for the presence of cavities - places of stagnation of the plasma torch arc, in which local melting and breakouts of the material of the heat-resistant sleeve occur, and the gap between the copper body of the plasma torch nozzle and the heat-resistant conical sleeve with a channel for the plasma outlet. Nozzles with cavities more than 1.5 mm deep were to be removed, since their operation is potentially dangerous due to the possible burning of the nozzle during further operation. Also, nozzles with the presence / formation of a gap between the copper body and the heat-resistant sleeve were subject to removal, which leads to an almost complete cessation of heat removal and the occurrence of an emergency.
Данные по стойкости изготовленных сопел приведены в таблице 1.The data on the resistance of the manufactured nozzles are given in Table 1.
Как видно полученных данных, стойкость сопел №№1-8, изготовленных предлагаемым способом, по режимам в предлагаемом диапазоне значений составляет от 774 до 1002 циклов распылений заготовок. Биметаллические сопла №№10-13, изготовленные по режимам, отклоненным от предлагаемого, имеют сниженную стойкость от 249 до 470 циклов (таблица 1).As can be seen from the data obtained, the durability of nozzles No. 1-8, manufactured by the proposed method, in terms of modes in the proposed range of values is from 774 to 1002 cycles of spraying blanks. Bimetallic nozzles No. 10-13, manufactured according to modes deviated from the proposed one, have a reduced durability from 249 to 470 cycles (Table 1).
Сопло №14, изготовленное способом-прототипом, было снято с производства после 29 циклов в связи с образованием зазора между вставкой и медной основой из-за термического расширению в процессе эксплуатации. Также из-за ухудшений условий теплоотвода в сопле №6 образовалась глубокая каверна с выходом меди на поверхность.Nozzle No. 14, manufactured by the prototype method, was discontinued after 29 cycles due to the formation of a gap between the insert and the copper base due to thermal expansion during operation. Also, due to the deterioration of the heat removal conditions in the nozzle No. 6, a deep cavity was formed with the release of copper to the surface.
Стойкость биметаллических сопел №№1-8, изготовленных предлагаемым способом и по оптимальным режимам приблизительно в 30 раз выше стойкости сопла, изготовленного способом-прототипом. Низкая стойкость сопла прототипа связана с плохим качеством соединения поверхностей корпуса сопла и тугоплавкой втулки, что привело к образованию зазора, а также каверны более 1,5 мм за короткий срок эксплуатации (29 циклов).The durability of bimetallic nozzles No. 1-8, manufactured by the proposed method and according to optimal modes, is approximately 30 times higher than the durability of a nozzle manufactured by the prototype method. The low durability of the prototype nozzle is associated with the poor quality of the connection of the surfaces of the nozzle body and the refractory sleeve, which led to the formation of a gap, as well as a cavity of more than 1.5 mm in a short service life (29 cycles).
Сопла №№9-13, изготовленные по неоптимальным режимам, имели значения стойкости выше сопла, изготовленного способом-прототипом, но существенно ниже значений для сопле №№1-8, изготовленных предлагаемым способом по оптимальным режимам.Nozzles No. 9-13, manufactured according to non-optimal modes, had resistance values higher than the nozzle manufactured by the prototype method, but significantly lower than the values for nozzle No. 1-8, manufactured by the proposed method according to optimal modes.
На всех отстоящих соплах №1-13 отсутствуют выходы меди на поверхности дугового канала биметаллического сопла, что показывает работоспособность конструкции и позволяет полностью исключить попадание частиц меди в массу гранул.On all spaced nozzles No. 1-13, there are no copper outlets on the surface of the arc channel of the bimetallic nozzle, which shows the efficiency of the structure and completely eliminates the ingress of copper particles into the mass of granules.
Дополнительно из массы гранул, полученных с применением изготовленных сопел, производили отбор по шесть проб суммарной массой 12 г (по 2 г каждая), которые исследовались под микроскопом на наличие медных включений. Ни в одной из проб полученных гранул с применением сопел №1-13 частиц меди обнаружено не было. В одной из шести проб, взятых из массы порошка, изготовленного с применением сопла №14, изготовленным способом-прототипом, была обнаружена одна частица меди.Additionally, from the mass of granules obtained using the manufactured nozzles, six samples with a total mass of 12 g (2 g each) were taken, which were examined under a microscope for the presence of copper inclusions. Copper particles were not detected in any of the samples of the granules obtained using nozzles No. 1-13. In one of six samples taken from a mass of powder made using nozzle # 14, made by the prototype method, one particle of copper was found.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020129914A RU2746800C1 (en) | 2020-09-10 | 2020-09-10 | Bimetallic plasma torch nozzle and the method of its manufacture |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020129914A RU2746800C1 (en) | 2020-09-10 | 2020-09-10 | Bimetallic plasma torch nozzle and the method of its manufacture |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2746800C1 true RU2746800C1 (en) | 2021-04-21 |
Family
ID=75584782
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020129914A RU2746800C1 (en) | 2020-09-10 | 2020-09-10 | Bimetallic plasma torch nozzle and the method of its manufacture |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2746800C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US951738A (en) * | 1908-12-18 | 1910-03-08 | Jacob Mussell | Conveyer mechanism. |
| US2951143A (en) * | 1958-09-25 | 1960-08-30 | Union Carbide Corp | Arc torch |
| DD222811A1 (en) * | 1984-04-03 | 1985-05-29 | Automobilwerk Eisenach Veb | CONTACT DUESE FOR WELDING BURNERS |
| RU2350052C1 (en) * | 2008-03-19 | 2009-03-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша" (ФГУП "Центр Келдыша") | Plasma jet |
| RU2369050C1 (en) * | 2008-02-05 | 2009-09-27 | Открытое акционерное общество "Ступинская металлургическая компания" | Arc plasmatron nozzle |
| US9516738B2 (en) * | 2013-09-30 | 2016-12-06 | Hypertherm, Inc. | Plasma torch electrode materials and related systems and methods |
-
2020
- 2020-09-10 RU RU2020129914A patent/RU2746800C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US951738A (en) * | 1908-12-18 | 1910-03-08 | Jacob Mussell | Conveyer mechanism. |
| US2951143A (en) * | 1958-09-25 | 1960-08-30 | Union Carbide Corp | Arc torch |
| DD222811A1 (en) * | 1984-04-03 | 1985-05-29 | Automobilwerk Eisenach Veb | CONTACT DUESE FOR WELDING BURNERS |
| RU2369050C1 (en) * | 2008-02-05 | 2009-09-27 | Открытое акционерное общество "Ступинская металлургическая компания" | Arc plasmatron nozzle |
| RU2350052C1 (en) * | 2008-03-19 | 2009-03-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша" (ФГУП "Центр Келдыша") | Plasma jet |
| US9516738B2 (en) * | 2013-09-30 | 2016-12-06 | Hypertherm, Inc. | Plasma torch electrode materials and related systems and methods |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8956478B2 (en) | Process for joining refractory ceramic parts by spark plasma sintering (SPS) | |
| CN105935774B (en) | Process for manufacturing an article | |
| CN105665908B (en) | Using the point of resistance welding steel and aluminium workpiece of electrode package | |
| TW457154B (en) | Electrode for surface treatment by electric discharge, process for making the same, method and apparatus for surface treatment by electric discharge | |
| JP2004527878A (en) | Composite electrode for plasma arc torch | |
| CN112805103B (en) | Soldering process for joining ceramics and metals and semiconductor processing and industrial equipment using the same | |
| CN104014922B (en) | A kind of hard alloy and the quick diffusion welding method of steel | |
| EP1514630B1 (en) | Resistance welding electrode and method for its manufacture | |
| WO2019118991A1 (en) | A process and method for producing titanium and titanium alloy billets, spherical and non-spherical powder | |
| EP2674243B1 (en) | Method for repairing metallic articles | |
| RU2746800C1 (en) | Bimetallic plasma torch nozzle and the method of its manufacture | |
| US7141754B2 (en) | Method for repairing defects in a conductive substrate using welding | |
| KR101816050B1 (en) | Method for manufacturing friction stir tool for high strength materials | |
| RU2325257C2 (en) | Method of metallic product manufacture, metallic product, method of connection of metallic parts, and design with connection | |
| US10207355B2 (en) | Welding electrodes and methods of manufacturing same | |
| KR101206534B1 (en) | manufacturing method of Fabrication of WC-Co for friction stir weldingFSW tool | |
| EP2284361A2 (en) | Developments in or relating to drum rotors | |
| US10300531B2 (en) | Methods of manufacturing composite materials, composite wires, and welding electrodes | |
| RU2369050C1 (en) | Arc plasmatron nozzle | |
| CN113579389A (en) | Vacuum brazing method for dissimilar metals of concrete machinery | |
| JP3908062B2 (en) | Plasma torch structure | |
| JPS6213294A (en) | Method for restoring and reutilizing tool for rolling | |
| RU2654398C2 (en) | Method of cladding inner surfaces | |
| RU2220832C2 (en) | Method for making and heat treatment of parts of alumina ceramics and precision alloys for electric thrusters | |
| JPH09300024A (en) | Complex tool material joining steel and cemented carbide and production thereof |