Tobera para una pistola pulverizadora térmica y método de pulverización térmica.

Tobera para una pistola pulverizadora térmica de HVOF, comprendiendo la tobera (100):

al menos una cámara (104) de combustión que tiene al menos una entrada (106) de combustible para recibir almenos un combustible, al menos una zona (110) de combustión dentro de la que tiene lugar la combustión de dichoal menos un combustible para producir una corriente (112) de gases de combustión y al menos un escape (114)para evacuar dicha corriente de gases de combustión; y

medios (116) de separación, ubicados al menos parcialmente dentro de dicha cámara de combustión, para crear unaseparación en dicha corriente de gases de combustión creando así una pluralidad de corrientes o una corrienteanular antes de que converjan en una única corriente en la que dichos medios (116) de separación comprendenademás al menos una entrada (132) de material de recubrimiento para introducir al menos un material derecubrimiento en dicha corriente de dichos gases de combustión en el punto más aguas abajo de dichos medios deseparación en dicha corriente, caracterizada porque dichos medios de separación se extienden al menosparcialmente fuera de dicha cámara de combustión a través de dicho escape.

Tobera para una pistola pulverizadora térmica y método de pulverización térmica La presente invención se refiere a una tobera para una pistola pulverizadora térmica y a un método de pulverización térmica y se refiere particularmente a una tobera para una pistola pulverizadora térmica de oxígeno-combustible de alta velocidad (HVOF) y a un método de pulverización térmica de HVOF.

Se conocen bien las técnicas de pulverización térmica, en las que se pulveriza un recubrimiento de material calentado o fundido sobre una superficie. Una técnica de este tipo es la pulverización térmica de oxígenocombustible de alta velocidad en la que se alimenta un material en polvo, por ejemplo carburo de tungsteno/cobalto (WC-Co) , a un flujo de gas de combustión producido por una pistola pulverizadora y las partículas calentadas se aceleran hacia un sustrato que va a recubrirse. El polvo se calienta mediante la combustión de la mezcla de combustible y oxígeno y se acelera a través de una tobera convergente-divergente (de Laval) .

Se dan a conocer ejemplos de pistolas pulverizadoras térmicas de HVOF en G.D. Power, E.B. Smith, T.J. Barber,

L.M. Chiapetta UTRC Report n.º 91-8, UTRC, East Hartford, CT, 1991, Kamnis S y Gu S Chem. Eng. Sci. 61 54275439, 2006 y S. Kamnis y S. Gu Chem. Eng. Processing. 45 246-253, 2006. Se muestran toberas de dos pistolas pulverizadoras de este tipo en la figura 1. La tobera 10, de una pistola pulverizadora de HVOF, tiene una cámara 12 de combustión en la que se inyecta una mezcla de oxígeno y combustible a través de una entrada 14 junto con un polvo para recubrir un sustrato (no mostrado) . La combustión del combustible tiene lugar en la cámara de combustión y los gases de combustión se expanden y pasan a través de una restricción 16 convergente-divergente y siguen a través de un cañón 18 antes de salir a través de un escape 20.

De manera similar, una tobera 22 tiene una cámara 24 de combustión con diversas entradas 26 para combustible y oxígeno y una tobera 28 convergente-divergente con una parte divergente extendida que forma un cañón que contiene un escape 30. El recubrimiento de polvo se introduce en el cañón a medida que se inicia la separación.

Para evitar la oxidación del material en polvo, el calentamiento debe tener lugar suavemente por un intervalo de temperaturas sin sobrepasar un valor crítico. La temperatura a la que se inicia la oxidación para la mayoría de materiales pulverizados está muy por debajo de la temperatura de llama máxima de aproximadamente 3300K. Por ejemplo, la oxidación de carburo de tungsteno/cobalto se inicia a una temperatura superficial de aproximadamente 1500K. Como resultado, la inyección del polvo en el centro de la cámara de combustión no es apropiada para este material y generalmente para materiales no cerámicos y por tanto el material en polvo debe inyectarse en la corriente de gases supersónicos. Sin embargo, esto proporciona a las partículas un momento en una dirección radial que hace más probable que abandonen la corriente de gas antes de impactar en el artículo que va a recubrirse. Además, las partículas más grandes y más pesadas siguen trayectorias diferentes en comparación con las más pequeñas, más ligeras. En la práctica, el esparcimiento de partículas reduce la precisión de pulverización y disminuye la eficacia de sedimentación porque el impacto de partícula no es normal a la superficie que está recubriéndose.

Además, la inyección del polvo en la tobera da como resultado un daño en la tobera, en particular una erosión de la pared del cañón, y como resultado la tobera, o al menos la sección de cañón, normalmente debe reemplazarse cada diez horas de funcionamiento.

Cuando el caudal de partículas de polvo y gases quemados se acelera hasta velocidades supersónicas, tienen lugar una serie de expansiones y compresiones dentro del cañón. La corriente de gas en el interior se expande y se enfría y se comprime y se calienta a medida que pasa a través de los diamantes de choque. Los diamantes de onda de choque dan como resultado una pérdida de temperatura y la expansión al salir del cañón aumenta la pérdida de temperatura. Una disminución global de la temperatura estática (desde aproximadamente 3000K hasta aproximadamente 2000K) y un aumento global de la velocidad (desde aproximadamente 200 m/s hasta aproximadamente 1800 m/s) después de la compresión y expansión en la región de tobera convergente-divergente, produce este comportamiento dentro del cañón. Cuando se inyecta el polvo en la corriente de gas de alta velocidad, se disminuye su tiempo de permanencia debido a una tasa aumentada de aceleración. Por tanto para garantizar un calentamiento de partícula suficiente, se necesita un cañón largo para mantener altas temperaturas de gas. Este cañón largo, normalmente de 350 mm, limita las aplicaciones a las que puede aplicarse el pulverizador térmico, por ejemplo, son imposibles de pulverizar superficies internas de componentes incluso bastantes grandes.

Prácticamente no pueden usarse partículas pequeñas, por debajo de 10 µm, porque tal material en polvo pequeño se dispersa en el campo gaseoso y por consiguiente rebotan en o nunca alcanzan el artículo que está pulverizándose. Como resultado, las partículas pequeñas nunca alcanzan la línea central de flujo y por tanto no pueden beneficiarse de las regiones de flujo de alta velocidad/temperatura. En su lugar siguen una ruta en el borde del chorro libre y cuando se inicia el mezclado con el aire ambiente fuera del cañón, se esparcen en todas las direcciones. Por tanto, las partículas ligeras persiguen la dirección de flujo y por consiguiente se soplan alejándose del sustrato.

Se da a conocer un ejemplo de la técnica anterior en el documento RU2160640. El dispositivo dado a conocer en este documento aplica un recubrimiento protector decorativo o anticorrosivo a diversas superficies e incluye una cámara de combustión y un tubo axial para el suministro de material pulverizado. Una parrilla cónica está instalada en la salida de la cámara de combustión.

Realizaciones preferidas de la presente invención pretenden resolver las desventajas descritas anteriormente de la técnica anterior.

Según un aspecto de la presente invención, se proporciona una tobera para una pistola pulverizadora térmica de HVOF, comprendiendo la tobera:

al menos una cámara de combustión que tiene al menos una entrada de combustible para recibir al menos un combustible, al menos una zona de combustión dentro de la que tiene lugar la combustión de dicho al menos un combustible para producir una corriente de gases de combustión y al menos un escape para evacuar dicha corriente de gases de combustión; y

medios de separación, ubicados al menos parcialmente dentro de dicha cámara de combustión, para crear una separación en dicha corriente de gases de combustión creando así una pluralidad de corrientes o una corriente anular antes de que converjan en una única corriente en la que dichos medios de separación comprenden además al menos una entrada de material de recubrimiento para introducir al menos un material de recubrimiento en dicha corriente de dichos gases de combustión en el punto más aguas abajo de dichos medios de separación en dicha corriente, caracterizada porque dichos medios de separación se extienden al menos parcialmente fuera de dicha cámara de combustión a través de dicho escape.

Creando una separación en la corriente de gases de combustión, que después se recombinan en una única corriente, se proporcionan varias ventajas. En primer lugar, la tobera de la presente invención genera un chorro supersónico más estable que alcanza una velocidad axial mayor (aproximadamente mach 2) y se mantiene durante más tiempo que en los dispositivos de la técnica anterior en las mismas condiciones de mezcla de oxígeno/ combustible y caudal másico. El dispositivo de la presente invención también reduce las ondas de choque de salida (ondas de choque de diamante vistas en el chorro de la técnica anterior) reduciendo así la pérdida de energía/temperatura de las partículas de polvo. Esto da como resultado una única expansión del flujo, justo después de la punta de los medios de separación, que reduce la pérdida de energía. Como resultado de la estabilidad aumentada del chorro, la parte de cañón de la tobera no es necesaria y puede eliminarse. Por tanto, se reduce la longitud global de la tobera permitiendo la pulverización de superficies previamente inaccesibles, por ejemplo, superficies internas de los componentes.

Además, como se crea una separación en la corriente de gas de combustión, que produce o bien dos o más corrientes de gas lineales con los medios de... [Seguir leyendo]

1. Tobera para una pistola pulverizadora térmica de HVOF, comprendiendo la tobera (100) :

al menos una cámara (104) de combustión que tiene al menos una entrada (106) de combustible para recibir al menos un combustible, al menos una zona (110) de combustión dentro de la que tiene lugar la combustión de dicho al menos un combustible para producir una corriente (112) de gases de combustión y al menos un escape (114) para evacuar dicha corriente de gases de combustión; y

medios (116) de separación, ubicados al menos parcialmente dentro de dicha cámara de combustión, para crear una separación en dicha corriente de gases de combustión creando así una pluralidad de corrientes o una corriente anular antes de que converjan en una única corriente en la que dichos medios (116) de separación comprenden además al menos una entrada (132) de material de recubrimiento para introducir al menos un material de recubrimiento en dicha corriente de dichos gases de combustión en el punto más aguas abajo de dichos medios de separación en dicha corriente, caracterizada porque dichos medios de separación se extienden al menos parcialmente fuera de dicha cámara de combustión a través de dicho escape.

2. Tobera según la reivindicación 1, en la que dicho escape (114) comprende una abertura sustancialmente anular que se extiende entre dicha cámara (104) de combustión y dichos medios (116) de separación.

3. Tobera según la reivindicación 1, en la que dicho escape (114) comprende una pluralidad de aberturas sustancialmente lineales que se extienden entre dicha cámara (104) de combustión y dichos medios (116) de separación.

4. Pistola pulverizadora térmica de HVOF que comprende:

al menos una tobera (100) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3;

medios (108) de suministro de combustible para suministrar combustible a dicha al menos una entrada (106) de combustible; y

medios (134) de suministro de material de recubrimiento para suministrar material de recubrimiento a dicha entrada (132) de material de recubrimiento.

5. Método de HVOF de aplicación de un material de recubrimiento sobre un objeto, que comprende las etapas de:

introducir al menos un combustible en una cámara (104) de combustión de una tobera (100) de una pistola pulverizadora térmica y quemar dicho combustible para producir gases de combustión que forman una corriente (112) de gases dentro de dicha cámara de combustión hacia un escape (114) ;

separar dicha corriente (116) alrededor de al menos un dispositivo de separación creando así una pluralidad de corrientes en una pluralidad de corrientes o una corriente anular antes de que dichas corrientes converjan en una única corriente;

introducir al menos un material de recubrimiento en dicha corriente a través de al menos una entrada (132) de material de recubrimiento en el punto más aguas abajo de dicho dispositivo de separación y pulverizar dicho material sobre un objeto, caracterizado porque dicho al menos un dispositivo de separación se extiende al menos parcialmente fuera de dicha cámara de combustión a través de dicho escape.

6. Método según la reivindicación 5, en el que dicho al menos un material de recubrimiento se introduce en dichas corrientes (112) en el espacio entre una pluralidad de corrientes separadas o en el centro de la corriente anular.