ES2260689T3

ES2260689T3 - Dispositivo de pulverizacion termica.

Info

Publication number: ES2260689T3
Application number: ES03797778T
Authority: ES
Inventors: Per Nylen; Alice Boussagol; Roger Svensson; Gabriel Mora; Mats-Olov Hansson; Jan Wigren; Jimmy Johansson
Original assignee: Volvo Aero AB
Current assignee: GKN Aerospace Sweden AB
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2023-09-17
Also published as: ATE321437T1; JP4481167B2; EP1552728A1; AU2003263709A1; SE525927C2; DE60304224D1; EP1552728B1; DE60304224T2; SE0202765D0; RU2005111602A; JP2005539144A; WO2004028222A1; RU2314878C2; SE0202765L

Abstract

Dispositivo de pulverización térmica comprendiendo medios (1, 2) para generar una llama y medios (3) para inyectar un polvo en la llama, dichos medios de generación de la llama (1, 2) comprendiendo una pieza extrema (1) fuera de la cual la llama se dirige hacia un sustrato objeto a ser pulverizado, dichos medios de inyección del polvo (3) comprendiendo un elemento de bastidor (6) que se prolonga en la dirección de eyección de la llama desde la pieza extrema (1) y dicho elemento de bastidor rodea por lo menos parcialmente una zona de la llama que se extiende desde la pieza extrema (1) caracterizado porque por lo menos la parte del elemento de bastidor (6) que se prolonga más allá de la pieza extrema (1) en la dirección de eyección de la llama comprende por lo menos un agujero pasante radial (9) para proporcionar refrigeración de aire a la llama para estabilizar el flujo en el área de inyección del polvo.

Description

Dispositivo de pulverización térmica.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un dispositivo de pulverización térmica, que comprende medios para la generación de una llama y medios para inyectar un polvo en la llama, dichos medios de generación de la llama comprendiendo una pieza extrema fuera de la cual se dirige la llama hacia un sustrato sujeto para ser pulverizado.

"Dispositivo de pulverización térmica" se refiere a cualquier dispositivo para generar una llama que pueda ser utilizada con el propósito de depositar un recubrimiento de metal o cerámica sobre un sustrato y puede incluir pistolas de pulverización de plasma de diferentes clases, dispositivos de chorro de llama, dispositivos de proyección térmica de alta velocidad (HVOF - High Velocity Oxygen Fuel), etcétera.

El campo técnico de la invención es particularmente aquél de la aplicación de recubrimientos, tales como recubrimientos de barrera térmica de metal o cerámica, sobre sustratos, en particular sobre sustratos tales como elementos constructivos en construcciones aeroespaciales, en particular piezas de motor de las mismas. Sin embargo, la invención no está limitada a tales aplicaciones sino que puede encontrar una serie de aplicaciones fuera de este campo relativamente estrecho.

Antecedentes de la invención

Los dispositivos la técnica anterior para la pulverización por plasma de un polvo sobre un sustrato comprenden medios de generación de chorro de plasma y uno o más puertos de inyección del polvo a través de los cuales el polvo se inyecta en el chorro de
plasma.

Una pistola de chorro de plasma de este tipo convencional, por ejemplo la pistola ampliamente utilizada F4 Sulzer Metco, comprende una pieza extrema a través de la cual el chorro de plasma se dirige fuera de la pistola y hacia el sustrato que se va a recubrir. Un reborde o pomo provisto con una boquilla para la inyección de un polvo hacia y dentro del chorro de plasma está unido a la pieza extrema.

Durante el funcionamiento, cuando el polvo es inyectado en el chorro de plasma, fundido y depositado sobre un sustrato, se generan modelos de flujo característicos cuando el polvo alcanza el chorro. A menudo, durante las condiciones de funcionamiento normal, un remolino de polvo puede volver a la boquilla, resultando en la obstrucción de la misma. Partículas mayores de polvo agregado en la boquilla o en la pieza extrema, tarde o temprano se soltarán y serán eyectadas en el chorro, causando de ese modo perturbaciones en el proceso de pulverización, dando como resultado la generación de vejigas y grumos en el recubrimiento.

El documento US 5,406,046 describe un aparato pulverizador de plasma provisto de medios de generación de llama y puertos de inyección del polvo. Los puertos de inyección del polvo están provistos radialmente a través de agujeros en un bastidor que se prolonga desde dichos medios de generación de la llama. La boquilla está refrigerada por medio de una camisa de agua que rodea al área de salida.

El documento US 5,854,470 muestra una antorcha de arco de plasma, en la cual aire de control es descargado paralelo a la llama desde boquillas dispuestas en un bastidor que se prolonga desde los medios de generación de la llama. Las boquillas de aire se utilizan para conformar y estabilizar la llama.

Objeto de la invención

Es un objeto de la presente invención presentar un dispositivo de pulverización térmica con una producción de polvo mejorada, esto es un rendimiento mejorado, en comparación con dispositivos comparables de acuerdo con la técnica anterior. En otras palabras, el dispositivo de acuerdo con la invención debe garantizar un resultado igual o mejor que los dispositivos de la técnica anterior con menos consumo de polvo.

Es también un objeto de la invención presentar un dispositivo de pulverización térmica para el cual se reduzca o incluso se elimine la tendencia a producir remolinos de polvo poco favorables con el resultado de la obstrucción de las boquillas.

Es un objeto adicional de la invención obtener una velocidad de pulverización mejorada, es decir, un tiempo de pulverización reducido para una cantidad dada de polvo utilizado, con una calidad mantenida satisfactoria del recubrimiento aplicado.

Breve descripción de la invención

El objeto de la invención se consigue por medio del dispositivo de pulverización térmica inicialmente definido, el cual está caracterizado porque los medios de inyección del polvo comprenden un elemento de bastidor que se prolonga en la dirección de eyección de la llama desde la pieza extrema y porque el elemento de bastidor rodea por lo menos parcialmente una zona de la llama que se extiende desde la pieza extrema. Por lo menos 1/4, esto es 90º, de la circunferencia alrededor de la zona de la llama está rodeada por la parte del bastidor.

Gracias a los alrededores, por lo menos la forma parcialmente anular del elemento de bastidor, se obtiene un modelo de flujo mejorado, lo que resulta en una tendencia remarcablemente reducida a los remolinos. Normalmente, la forma y las medidas de la periferia interior de la pieza del elemento de bastidor que se prolonga en la dirección de la llama corresponden a aquellas de la pieza extrema de los medios de generación de la llama. Las boquillas, o los puertos de polvo están localizados en la pieza que se prolonga del elemento de bastidor, dirigiendo de ese modo los chorros de potencia desde la periferia interior del elemento de bastidor en una dirección radial hacia la llama central, perpendicularmente a la dirección de la longitud de la llama o bien oblicuamente, parcialmente en la dirección de la longitud de la llama.

De acuerdo con una realización preferida el elemento de bastidor cubre por lo menos 180º, preferiblemente por lo menos 270º, o, más preferiblemente, 360º de una circunferencia alrededor de una zona de la llama que se extiende desde la pieza extrema.

Preferiblemente, el elemento de bastidor define un elemento en forma de anillo y está diseñado como un anillo continuo con una periferia interior continua que se extiende y cubre 360º. Se comprenderá sin embargo que, como alternativa, puede estar constituido por dos o más piezas de anillos separadas, definiendo cada una de ellas un sector del elemento de bastidor. Las piezas de anillos separadas no necesitan formar un elemento de bastidor que tenga una periferia interior continua, sino que también pueden definir un anillo discontinuo, un anillo partido, extendiéndose de ese modo sobre por lo menos 180º, preferiblemente por lo menos 270º en la dirección de la periferia del mismo. Una o más de las boquillas o de los puertos de polvo pueden estar dispuestas entre piezas de anillo individuales de este tipo o segmentos de
anillo.

Preferiblemente, el elemento de bastidor tiene una periferia interior, la sección transversal de la cual corresponde a la geometría de la sección transversal de la periferia interior de la pieza extrema. La sección transversal puede presentar una simetría giratoria.

De acuerdo con la invención la pieza del elemento de bastidor que se prolonga más allá de la pieza extrema en la dirección de la eyección de la llama comprende por lo menos un agujero radial pasante. Tales agujeros proporcionan refrigeración a la llama para estabilizar el flujo del área de inyección de polvo. Además de los orificios definidos por los agujeros en la periferia interior del elemento de bastidor y las posibles boquillas de inyección de polvo, la superficie periférica interior de la pieza que se prolonga desde la misma es generalmente uniforme, sin presentar prolongaciones o similares que puedan alterar negativamente el modelo de flujo de la llama y el polvo inyectado.

Preferiblemente el elemento de bastidor comprende una pluralidad de agujeros pasantes radiales, normalmente por lo menos 6, preferiblemente más de 10, agujeros pasantes radiales. Los agujeros deben estar uniformemente distribuidos alrededor de la periferia del elemento de bastidor. Por lo tanto, se pueden conseguir condiciones de flujo uniforme todo alrededor de la llama o chorro central.

De acuerdo con una realización, la pieza extrema tiene una anchura interior o diámetro interior d y el elemento de bastidor se prolonga una distancia p. La relación entre d y p es: 0,5d < p < 2d. Ésta ha probado ser una relación preferida por lo menos para piezas extremas con un diámetro interior de 6 u 8 mm y probablemente es la preferida también para la mayor parte de los diámetros utilizados en la práctica.

Cuando la pieza extrema tiene una anchura interior o un diámetro interior d y la pieza que se prolonga del elemento de bastidor tiene la correspondiente anchura interior o diámetro D, D es igual o mayor que d y preferiblemente D < 1,2d. Esta relación ha demostrado ser adecuada por lo menos para piezas extremas con un diámetro interior d de 6 u 8 mm.

De acuerdo con una realización adicionalmente preferida de la invención dos o más puertos de inyección de polvo para dirigir un polvo hacia la llama están distribuidos alrededor de la periferia interior del elemento de bastidor. De ese modo se consigue una distribución del polvo mejorada y más uniforme en el interior del chorro de plasma. Puesto que el polvo inyectado se distribuye a través de una serie de boquillas, una cantidad mayor de polvo por unidad de tiempo puede ser inyectada dentro del plasma sin el mismo problema de la inestabilidad que ocurriría si sólo se utilizará una boquilla o puerto.

Preferiblemente, los puertos de inyección de polvo están uniformemente distribuidos alrededor de la periferia del elemento de bastidor. De ese modo, se promueve una distribución uniforme del polvo en el plasma. Preferiblemente, el dispositivo comprende o está unido a medios para distribuir el polvo uniformemente entre los inyectores de polvo.

De acuerdo con una realización cada puerto de inyección de polvo comprende una boquilla que está insertada en un agujero radial u orificio a través del elemento de bastidor y por lo menos uno o más de los agujeros pasantes están adaptados para acomodar en su interior una boquilla de este tipo. De acuerdo con ello, el elemento de bastidor está equipado con una pluralidad de agujeros pasantes radiales, que se extienden desde el exterior hasta el interior del elemento de bastidor y que permiten que pasen a través de ellos cualquier medio tal como por ejemplo aire. Por lo menos algunos de los agujeros están adaptados para acomodar una boquilla o similar en su interior. Por ejemplo, algunos agujeros pueden estar provistos de una rosca para el acoplamiento con una boquilla, resultando en un dispositivo más versátil.

El elemento de bastidor puede estar fijado de forma que se pueda desmontar a la pieza extrema. Por ejemplo, una pieza del elemento de bastidor puede estar adaptada para ponerla sobre la periferia exterior de la pieza extrema, esa pieza del elemento de bastidor estando provista de tornillos de fijación que penetran en su pared. También se puede utilizar cualquier clase de sujeción o similar a fin de fijar el elemento de bastidor con relación a la pieza extrema.

De acuerdo con la invención la llama generada por los medios de generación de llama es un chorro de plasma, formado dejando un flujo de gas en una trayectoria anular entre un cátodo y un ánodo. Típicamente, la temperatura de un chorro de este tipo puede alcanzar 15000ºC y el polvo introducido dentro del plasma puede obtener una velocidad de hasta 500 m/s cuando es fundido y acelerado por el chorro del plasma antes de chocar con un sustrato.

Características y ventajas adicionales de la presente invención se harán presentes en la siguiente descripción detallada de una realización preferida del dispositivo de la invención.

Breve descripción de los dibujos

Una realización preferida de la presente invención se describirá ahora con referencia a los dibujos anexos en los cuales:

la figura 1 es una vista a mayor escala de una pieza extrema de un dispositivo de pulverización térmica provisto de medios de inyección de polvo de acuerdo con la técnica anterior,

la figura 2 es una vista desde el extremo del dispositivo representado en la figura 1,

la figura 3 muestra una primera realización del dispositivo de acuerdo con la figura 1, provisto de medios de inyección de polvo que comprenden dos boquillas opuestas dispuestas en un elemento de bastidor formado por dos piezas de anillo separadas,

la figura 4 es una vista desde el extremo del dispositivo representado en la figura 3,

la figura 5 muestra una segunda realización preferida del dispositivo de pulverización térmica de acuerdo con la invención,

la figura 6 es una vista desde el extremo del dispositivo representado en la figura 5,

la figura 7 es una sección transversal del elemento de bastidor representado en las figuras 5 y 6, y

la figura 8 es una sección transversal de un dispositivo de pulverización de plasma atípico de acuerdo con invención.

Descripción detallada de la invención

Las figuras 1 y 2 muestran una pieza extrema 1 de un dispositivo de pulverización térmica, más precisamente un dispositivo de pulverización de plasma, de acuerdo con la técnica anterior. El dispositivo comprende medios 2 para generar una llama, aquí un chorro de plasma. Tales medios incluyen un cátodo y un ánodo, como se representa en la figura 8, dispuestos de un modo conocido por sí mismo y que definen una trayectoria anular entre ellos. También comprende medios 3 para inyectar polvo en el chorro de plasma.

La pieza extrema 1 comprende un tubo con una sección transversal circular y también puede incluir el ánodo. Los medios de inyección del polvo 3 comprenden un reborde o pomo 4 fijado a una pieza extrema 1. El reborde o pomo 4 comprende un agujero radial penetrado por una boquilla de inyección de polvo 5 que define un puerto para la inyección de polvo hacia la llama.

La figura 2 indica como sólo una parte pequeña de la llama está realmente aprovechando la ventaja de la inyección desde la boquilla única 5. Debido al pequeño sector angular cubierto por el reborde o pomo 4, se generará un torbellino de retorno de polvo parcialmente fundido, resultando en la acumulación indeseada en la boquilla 5.

Las figuras 3 y 4 muestran una primera realización del dispositivo de pulverización térmica de acuerdo con la invención. Una llama o chorro de plasma es generado por los mismos medios descritos en las figuras 1 y 2. Un elemento de bastidor 6 formado por dos piezas de anillo separadas 7, 8 cubre aproximadamente 180º de una circunferencia alrededor de la llama. En otras palabras, cubre el 50% de la circunferencia que el correspondiente anillo continuo hubiera cubierto. Aquí cada pieza de anillo 7, 8 define un sector que cubre por lo menos 90º de dicha circunferencia.

El elemento de bastidor 6 se proyecta y prolonga la pieza extrema 1 en la dirección longitudinal del mismo, la cual es la misma que la dirección de la llama. Cada pieza de anillo 7, 8 está provista de uno o más agujeros radiales, por lo menos uno de los cuales está penetrado por una boquilla de inyección de polvo 5. Cada boquilla 5 puede estar dispuesta y dirigida como se ha descrito antes para la boquilla de la técnica anterior en las figuras 1 y 2. Gracias a la disposición de doble boquilla y a la presencia del elemento de bastidor 6 se suprime la tendencia a tener remolinos de polvo y se consigue un chorro de plasma estable y mejor utilizado. De acuerdo con ello se consigue una producción de polvo más elevada comparada con la técnica anterior.

En las figuras 5-7 se presenta una segunda realización preferida del dispositivo de acuerdo con la invención. El dispositivo comprende medios para la generación de una llama, preferiblemente como se ha descrito antes con respecto a las figuras 1-4. Difiere de la realización representada en las figuras 3 y 4 porque comprende un elemento de bastidor 6 formado por un anillo único continuo.

El anillo 6 está unido de forma que se puede desmontar y se prolonga una distancia p más allá del extremo de la pieza extrema 1 en la dirección del chorro de plasma. La pieza extrema 1 tiene un diámetro interior d, en el que 0,5d < p < 2d y preferiblemente d \cong p.

El anillo 6 tiene una periferia interior circular con un diámetro D el cual es aproximadamente igual al diámetro interior d de la pieza extrema 1. Más precisamente, como en este caso, el diámetro interior D corresponde al diámetro exterior d de la pieza extrema 1 más el grosor de la pared de la pieza extrema 1.

El elemento de bastidor 6 adicionalmente comprende una pluralidad de agujeros radiales pasantes 9 uniformemente distribuidos alrededor de la periferia de la pieza que se prolonga desde el mismo. Por lo menos algunos de los agujeros 9 están provistos de una rosca para el acoplamiento con una boquilla de inyección de polvo 5 que puede acomodarse en su interior. Alternativamente, un conjunto separado de agujeros, alineados o no alineados con los agujeros 9, puede estar dispuesto para actuar como agujeros para acomodar las boquillas o puertos de polvo.

Los agujeros 9 están generalmente alineados unos con otros alrededor de la periferia del anillo 6. Aquellos de los agujeros que no acomodan una boquilla de inyección de polvo 5 contribuyen a la comunicación radial entre los lados interior y exterior del anillo. Normalmente, el exterior comprende aire de la atmósfera y los agujeros 9 actúan como agujeros de refrigeración de aire que adicionalmente estabiliza el chorro y también contrarresta los remolinos de polvo hacia las boquillas 5.

Preferiblemente, las boquillas (o puertos de polvo) están uniformemente distribuidas (a la misma distancia angular una de otra) alrededor de la periferia interior del elemento de bastidor 6. El número de boquillas 5 puede variar, pero en simulaciones por ordenador se ha demostrado que a menudo se prefieren tres boquillas, resultando en una producción de polvo ventajosa (menos pérdidas de polvo) y unas condiciones de flujo estable.

A fin de fijar fácilmente y desmontar de la pieza extrema 1, los medios de inyección de polvo 3, aquí el elemento de bastidor 6, están adaptados para ser montados sobre el extremo de la pieza extrema 1 y fijados en posición por medio de tornillos de fijación 16. También se pueden utilizar como una alternativa otros medios de unión, tales como sujeciones o similares.

Un dispositivo de pulverización de plasma de acuerdo con invención se representa esquemáticamente en la figura 8. El dispositivo comprende un ánodo 10 que rodea a un cátodo central 11 y que forma una boquilla o paso anular para gases, esta clase de dispositivo es muy conocido en el estado actual de la técnica y no necesita una explicación detallada adicional. Un arco eléctrico o chorro de plasma 12 se genera por medio de control de la diferencia de tensión entre el ánodo 10 y el cátodo 11 y dejando que los gases fluyan a través de la boquilla. El dispositivo adicionalmente comprende medios 3 de acuerdo con la invención para introducir una corriente de partículas de polvo 13 en el chorro de plasma 12. El chorro 10 se dirige hacia un sustrato 15 y transportará las partículas de polvo 13 hacia el sustrato 15 mientras al mismo tiempo funde por lo menos parcialmente dichas partículas 13.

Una ventaja particular de la invención es que se puede utilizar un elemento de bastidor 6 como se ha descrito antes para sustituir la disposición de reborde y boquilla únicos de la técnica anterior en las pistolas de chorro de plasma ampliamente utilizadas disponibles actualmente en el mercado, tal como la pistola F4, sin un trabajo excesivo, resultando en una producción de polvo, rendimiento del chorro de plasma y estabilidad mejorados, así como un menor riesgo de obstrucción del puerto de polvo.

Hay que considerar que la presentación anterior de la invención ha sido realizada a título de ejemplo y que realizaciones alternativas se harán evidentes a las personas expertas en la técnica. Sin embargo, el ámbito de protección reivindicado se define en las reivindicaciones de la patente apoyadas por la descripción de los dibujos anexos.

Claims

1. Dispositivo de pulverización térmica comprendiendo medios (1, 2) para generar una llama y medios (3) para inyectar un polvo en la llama, dichos medios de generación de la llama (1, 2) comprendiendo una pieza extrema (1) fuera de la cual la llama se dirige hacia un sustrato objeto a ser pulverizado, dichos medios de inyección del polvo (3) comprendiendo un elemento de bastidor (6) que se prolonga en la dirección de eyección de la llama desde la pieza extrema (1) y dicho elemento de bastidor rodea por lo menos parcialmente una zona de la llama que se extiende desde la pieza extrema (1) caracterizado porque por lo menos la parte del elemento de bastidor (6) que se prolonga más allá de la pieza extrema (1) en la dirección de eyección de la llama comprende por lo menos un agujero pasante radial (9) para proporcionar refrigeración de aire a la llama para estabilizar el flujo en el área de inyección del polvo.

2. Dispositivo de pulverización térmica de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el elemento de bastidor (6) cubre por lo menos 90º, preferiblemente 180º, de una circunferencia alrededor de la zona de la llama que se extiende desde la pieza extrema (1).

3. Dispositivo de pulverización térmica de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el elemento de bastidor (6) cubre por lo menos 270º de una circunferencia alrededor de la zona de la llama que se extiende desde la pieza extrema (1).

4. Dispositivo de pulverización térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3 caracterizado porque el elemento de bastidor (6) tiene una periferia interior, la sección transversal de la cual corresponde a la geometría de la sección transversal de la periferia interior de la pieza extrema (1).

5. Dispositivo de pulverización térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4 caracterizado porque el elemento de bastidor (6) define un elemento en forma de anillo.

6. Dispositivo de pulverización térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende una pluralidad de agujeros pasantes radiales (9).

7. Dispositivo de pulverización térmica de acuerdo con la reivindicación 6 caracterizado porque comprende por lo menos 6, preferiblemente más de 10, agujeros pasantes radiales (9).

8. Dispositivo de pulverización térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6-7 caracterizado porque los agujeros pasantes (9) están uniformemente distribuidos alrededor de la periferia del elemento de bastidor (6).

9. Dispositivo de pulverización térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-8 caracterizado porque la pieza extrema (1) tiene una anchura interior o diámetro interior d y porque el elemento de bastidor (6) se prolonga una distancia p y porque 0,5d < p <6d, preferiblemente 0,5d < p < 2d.

10. Dispositivo de pulverización térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-9 caracterizado porque la pieza extrema (1) tiene una anchura interior o diámetro interior d y porque la pieza que se prolonga del elemento de bastidor (6) tiene una anchura interior correspondiente o diámetro D y porque D es igual o mayor que d y preferiblemente D < 1,2d.

11. Dispositivo de pulverización térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-10 caracterizado porque dos o más puertos de inyección de polvo (5) para dirigir un polvo hacia la llama están distribuidos alrededor de la periferia interior del elemento de bastidor (6).

12. Dispositivo de pulverización térmica de acuerdo con la reivindicación 11 caracterizado porque los puertos de inyección del polvo (5) están uniformemente distribuidos alrededor de la periferia del elemento de bastidor (6).

13. Dispositivo de pulverización térmica de acuerdo con la reivindicación 11 o 12 caracterizado porque cada puerto de inyección del polvo (5) comprende una boquilla que está insertada en un agujero u orificio radial a través del elemento de bastidor y porque por lo menos uno o más de los agujeros pasantes (9) están adaptados para acomodar una boquilla de este tipo (5) en su interior.

14. Dispositivo de pulverización térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-13 caracterizado porque el elemento de bastidor (6) está unido de forma que se puede desmontar a la pieza extrema (1).

15. Dispositivo de pulverización térmica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-14 caracterizado porque la llama generada por los medios de generación de llama es un chorro de plasma.