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WO1998038841A1 - Plasma torch for plasma spraying equipment and pertaining anode - Google Patents

Plasma torch for plasma spraying equipment and pertaining anode Download PDF

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WO1998038841A1
WO1998038841A1 PCT/DE1998/000599 DE9800599W WO9838841A1 WO 1998038841 A1 WO1998038841 A1 WO 1998038841A1 DE 9800599 W DE9800599 W DE 9800599W WO 9838841 A1 WO9838841 A1 WO 9838841A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
plasma
anode
plasma torch
elements
Prior art date
Application number
PCT/DE1998/000599
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Oliver Prause
Original Assignee
Oliver Prause
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Oliver Prause filed Critical Oliver Prause
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Publication of WO1998038841A1 publication Critical patent/WO1998038841A1/en

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/26Plasma torches
    • H05H1/32Plasma torches using an arc
    • H05H1/34Details, e.g. electrodes, nozzles

Definitions

  • the present invention relates to a plasma torch for a thermal plasma spray system, comprising a first electrode which can be connected as an anode to an associated current source and a second cathode which can be connected to the current source as a cathode.
  • Thermal plasma spraying systems generally have a so-called plasma torch.
  • the plasma torch essentially consists of a cathode and an anode.
  • the arrangement of the cathode and anode and the entire arrangement of the plasma torch is generally carried out in such a way that an electric current flows between the cathode and anode via an arc.
  • a hot plasma is generated by supplying a gas flow to the arc.
  • the plasma generated is used, for example, to coat any surface with or without filler materials (e.g. ceramic thermal barrier coatings on turbine blades) or to treat it thermally (e.g. surface hardening).
  • a suitable supply and discharge of a cooling medium e.g. water
  • the electrodes for plasma torches are usually formed from a high-melting metal with one or more dopants that promote electron emissions, ie material additives with low electron work function.
  • a metallic powder is usually mixed with the dopants, in bars or rods. be pressed and sintered. After sintering, the bars are formed several times until the required diameter is reached. The bars are then sanded and cut.
  • the electrodes are in a heat-conducting connection with a further metal (eg copper), which has good thermal conductivity, in order to dissipate the heat that occurs during operation to a cooling medium.
  • the cut electrode blanks are placed in a graphite mold and cast in copper in an oven. Finally, this composite material is machined, whereby the added doping leads to improved machinability (eg drilling) of the high-melting metal (eg tungsten).
  • machinability eg drilling
  • high-melting metal eg tungsten
  • the high-current cathodes are compared with a comparison cathode made of pure tungsten and with a conventional sintered cathode in order to demonstrate improved burn-off properties.
  • the sintered electrode has an electrode body made of tungsten and added to the tungsten. doping which reduces the electron work function (2nd
  • Laid open a value customary in plasma technology in order to reduce the electron work function in tungsten from 4.4 eV to approximately 2.63 to 2.86 eV).
  • the invention has for its object to provide a plasma torch of the type specified in such a way that a long service life is achieved both for the first electrode serving as the anode and for the second electrode serving as the cathode.
  • the second electrode serving as the cathode (more precisely: its active electrode section interacting with the arc, which is made of a high-melting metal electrode material and preferably comprises tungsten and / or molybdenum), according to the invention - like cathodes of the prior art - has one with regard to the electron work function we- substantial proportion of material additives in the form of doping with low electron work function (or - in other words - with energetically unstable electron configuration).
  • elements with incompletely occupied d or f electrode shells, or / and with electron donor action for example oxides and borides of the elements of the IIIb to IVb subgroup of the periodic table of the elements and the first three elements from the lanthanoid and actinide group, such as ThO 2 , La 2 O 3 , CeO 2 , Y 2 O 3 and LaB 6 can be used.
  • the first electrode serving as the anode (more precisely: its active electrode section interacting with the arc, which is made of a high-melting metal electrode material and preferably comprises tungsten and / or molybdenum) has no material additions in the form of dopants with regard to the electron work function with a low electron work function (or - in other words - with an energetically unstable electron configuration).
  • the result of increasing the service life by dispensing with doping can possibly be explained by the fact that in the first place A high thermal stability of the anode material is of crucial importance for the service life. Tungsten with the highest melting point of all metals is particularly suitable. Furthermore, it may be that the theoretically explainable low amount of energy practically does not occur when the electrons re-enter the anode due to the low ionization energy caused by the doping. This could be explained by the fact that, due to the high temperature and the sputtering effect of the arc, no layer near the surface with a low electron work function can form on the anode.
  • the following material-related causes may also have an adverse effect on the anode life: formation of microcracks due to evaporation of doping (eg ThO 2 , La 2 O 3 ) that promotes electron emission;
  • sinter-activating material additives can thus be added to the metal powder both in the case of the first electrode serving as an anode and in the case of the second electrode serving as cathode, since sinter-activating material additives if they contain a small amount Make up the proportion of the electrode or the electrode material, have no significant influence on the service life.
  • the sintering temperature or sintering time can be reduced and / or the workability (e.g. drilling) of the high-melting sintered material (preferably sintered from high-melting tungsten powder) can be improved.
  • Good results have been achieved with a weight fraction of the sinter-activating material additives, in particular nickel, in the metal powder of up to 1 weight percent. In particular, contents of approximately 0.12 to 0.5 percent by weight are recommended.
  • the electrodes according to the invention in particular anodes, can be produced, for example, by the method known from German patent DE 44 42 161 C1 (cf. in particular Their claims 1 1 to 18), but in the case of the first electrode or anode, according to the invention, no or only an insignificant proportion of doping to promote electron emission is to be provided and under certain circumstances (possibly in deviation from claim 1 of DE 44 42 161 C1) a post-processing of the electrode surface interacting with the arc is indicated.
  • first electrode or anode for the doping Since additions of materials that require electron emissions (doping) have a greater effect on the service life of the first electrode or anode than sinter-activating additions of material If the first electrode or anode for the doping is as small as possible, a maximum value of 1.0 percent by weight, preferably a maximum of 0.1 percent by weight, most preferably a maximum of 0.01 percent by weight is suggested, or it is best to dispense with it entirely.
  • the invention further relates to an anode for a plasma torch according to the invention, namely an electrode serving as an anode, the electrode section of which, when interacting with an arc, directly interacts with an electrode (active electrode section; in particular in contrast to an optionally provided holding section of the electrode, for example made of copper, which is the active one Holds electrode section and can serve for cooling) consists predominantly or completely of at least one high-melting metallic electrode material.
  • the active electrode section or the electrode material has no material additives or only a small proportion of material additives, in particular no or only an insignificant proportion - in particular insignificant with regard to the electron work function - of doping with low electron work function or energetically unstable electron configuration, such as Elements with incompletely occupied d- or f-electron shells, or / and with electron donor action, for example oxides and borides of the elements of the 111 ____ to IVb subgroup of the periodic table of the elements and the first three elements from the lanthanide and actinide groups, such as ThO 2 , La 2 O 3 , CeO 2 , Y 2 O 3 and LaB 6 .
  • the anode according to the invention can have the features specified above and in the claims with respect to the first electrode. As a rule, the anode will have a plasma passage channel.
  • the anode is preferably a sintered electrode.
  • an anode according to the invention can optionally also be composed of several sections. With regard to the plasma torch, it goes without saying that this may also have multiple anodes or / and multiple cathodes.
  • the invention also relates to a thermal plasma spray system with an anode according to the invention.
  • an electrode with electron-emitting doping according to the prior art is preferably to be provided as the cathode. It is therefore preferred that the plasma spraying system has a plasma torch according to the invention.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a plasma torch according to the invention with two electrodes: a cathode and an anode; and
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of the anode according to
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of a cathode 22 and an anode 20 according to the invention as parts of a plasma torch 10.
  • the cathode 22 and the anode 20 as part of the plasma torch 10 are geometrically designed so that a cooling medium 40 (for example water) can be brought up to a material 32 with high thermal conductivity (for example copper), which with the actual electrode material 30 (which in operation with a cooling medium 40 (for example water) can be brought up to a material 32 with high thermal conductivity (for example copper), which with the actual electrode material 30 (which in operation with a cooling medium 40 (for example water) can be brought up to a material 32 with high thermal conductivity (for example copper), which with the actual electrode material 30 (which in operation with a
  • a cooling medium 40 for example water
  • a material 32 with high thermal conductivity for example copper
  • Arc directly interacting electrode section of the anode - here referred to as "active" electrode section) is in a thermally conductive connection.
  • the cathode 22 and the anode 20 are arranged in such a way that an arc can form between the cathode 22 and the anode 20 (more precisely: between their "active" electrode sections which interact directly with the arc) in order to use a gas flow to introduce a plasma into the To produce an arc.
  • the generated plasma is conducted via the plasma passage channel 50 in the direction of the surface to be treated.
  • the anode designated 20, also called a plasma nozzle is shown as a composite of the electrode material 30 and the material 32 with high thermal conductivity.
  • the electrode material 30 of an anode 20 produced in the described embodiment using a sintering process consists of metal powder which essentially consists only of chemically pure tungsten or from 95.5 to 98.8% by weight chemically pure tungsten with a sinter-activating material additive, namely in the case of the here described example 0, 12 to 0.5 weight percent nickel, is composed.
  • a sinter-activating material additive namely in the case of the here described example 0, 12 to 0.5 weight percent nickel
  • the metal powder in elastic, cylindrical hoses filled and sealed watertight.
  • the metal powder is then compressed in a cold isostatic press at 2000 to 3000 bar.
  • the metal powder can also be placed in a correspondingly shaped press die and then compressed mechanically and hydraulically.
  • the pressed metal powder is sintered in a direct current passage - Coolidge process - at approx. 2600 ° to 3200 ° C and a holding time of 15 to 30 minutes in a hydrogen atmosphere.
  • the sintered rod or the electrode material 30 is usually shaped at temperatures of 900 ° to 1600 ° C., the temperature depending on the degree of deformation, for example by hammering.
  • the metal powder and the sinter-activating material additive are prepared by dry mechanical mixing or by a wet chemical hydrometallurgical process. In the latter case, a liquid nickel nitrate solution is sprayed into tungsten trioxide and mixed, and subjected to a drying, reducing and sieving process.
  • the prepared metal powder with the material additive is filled into elastic, cylindrical hoses, sealed watertight and cold isostatically compressed at 2000 to 3000 bar.
  • the compacted metal powder is sintered in a furnace at temperatures of 1400 ° to 1600 ° C and holding times of 30 to 180 minutes in a hydrogen atmosphere. By sintering, the pressed metal powder becomes the metallic state of the electrode material 30 transferred, densities from 80 to 97% of theoretical
  • Density can be achieved.
  • the electrode material 30 made of chemically pure tungsten or of tungsten with sinter-activating material additive can be machined after the sintering process (for example, rotating and / or grinding and / or eroding), in particular by drilling and / or eroding the plasma passage 50 as Plasma nozzle serving anode 20 are introduced.
  • the appropriately prepared electrode material 30 is finally placed in a suitably designed graphite mold. After adding copper as material 32 with high thermal conductivity to the graphite mold, it is placed in a lowering or gradient furnace. At temperatures of 1050 ° to 1200 ° C, the copper is completely melted in a hydrogen atmosphere and then continuously cooled in order to obtain a non-porous composite.
  • the cathode 22 can be produced in the same way using the two processing methods mentioned, although preferably additions of materials (doping) which require electron emissions are introduced, as is known in the prior art for anodes and cathodes for plasma burners. Such electron emission-requiring material additives are not provided according to the invention for the anode 20.
  • the anode 20 can be installed in a plasma torch 10 as part of a plasma spraying system.
  • the cathode 22 and the anode 20 are electrically connected to a current source, the cathode 22 being connected to the negative pole and the anode 20 being connected to the positive pole of the current source.
  • the arc between cathode 22 and anode 20 is ignited by a high-frequency voltage superposition or capacitor discharge. Electrons emerge from the cathode 22, are accelerated by an electrical voltage in the direction of the anode 20 and reenter the electrode material 30 of the anode 20, as a result of which the electrical circuit is closed.
  • the invention relates to an electrode, in particular anode, made of a high-melting metal electrode material for plasma spraying systems, in particular plasma torches.
  • the electrode has no or only a small proportion of material additives, especially no or only a small proportion of doping, so that an improvement in the service life properties is achieved.
  • the invention relates to a plasma torch with an electrode according to the invention, connected as an anode, and to a corresponding plasma spraying system.

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Abstract

The invention relates to an electrode (20), specially an anode (20) made from a highly refractory metal electrode material for plasma spraying equipment, specially plasma torches (10). According to the invention, the electrode (20) has little or no material additives, specially little or no doping agents, thereby enabling enhanced serviceable life. The invention further relates to a plasma torch (10) with an inventive electrode (20) attached in the form of an anode, as well as to corresponding plasma spraying equipment.

Description

Plasmabrenner für Plasmaspritzanlagen und zugehörige Anode Plasma torch for plasma spraying systems and associated anode
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plasmabrenner für eine thermische Plasmaspritzanlage, umfassend eine als Anode an eine zugeordnete Stromquelle anschließbare erste Elektrode und eine als Kathode an die Stromquelle anschließbare zweite Kathode.The present invention relates to a plasma torch for a thermal plasma spray system, comprising a first electrode which can be connected as an anode to an associated current source and a second cathode which can be connected to the current source as a cathode.
Thermische Plasmaspritzanlagen weisen in der Regel einen sogenannten Plasmabrenner auf. Der Plasmabrenner setzt sich im we- sentlichen aus einer Kathode und einer Anode zusammen. Die Anordnung der Kathode und Anode sowie die gesamte Anordnung des Plasmabrenners ist im allgemeinen derart ausgeführt, daß über einen Lichtbogen ein elektrischer Strom zwischen der Kathode und Anode fließt. Durch die Zuführung eines Gas-stroms in den Lichtbogen wird ein heißes Plasma erzeugt. Das erzeugte Plasma wird beispielsweise genutzt, um mit oder ohne Zusatzwerkstoffen beliebige Oberflächen zu beschichten (z.B. keramische Wärmedämmschichten auf Turbinenschaufeln) oder thermisch zu behandeln (z.B. Randschichthärten). Zur Kühlung des thermisch belasteten Plasmabrenners ist im allgemeinen eine geeignete Zu- und Ableitung eines Kühlmediums (z.B. Wasser) an den Plasmabrenner vorzusehen.Thermal plasma spraying systems generally have a so-called plasma torch. The plasma torch essentially consists of a cathode and an anode. The arrangement of the cathode and anode and the entire arrangement of the plasma torch is generally carried out in such a way that an electric current flows between the cathode and anode via an arc. A hot plasma is generated by supplying a gas flow to the arc. The plasma generated is used, for example, to coat any surface with or without filler materials (e.g. ceramic thermal barrier coatings on turbine blades) or to treat it thermally (e.g. surface hardening). To cool the thermally loaded plasma torch, a suitable supply and discharge of a cooling medium (e.g. water) to the plasma torch must generally be provided.
Üblicherweise werden die Elektroden für Plasmabrenner aus ei- nem hochschmelzenden Metall mit ein oder mehreren elektronen- emissionsfördernden Dotierungen, d.h. Werkstoffzusätzen mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit, gebildet. Zur pulvermetallurgischen Herstellung der Elektroden wird in der Regel ein metallisches Pulver mit den Dotierungen gemischt, in Stangen bzw. Stä- be gepreßt und gesintert. Nach dem Sintern werden die Stangen mehrfach umgeformt, bis der geforderte Durchmesser erreicht ist. Danach werden die Stangen geschliffen und geschnitten. In der Regel sind die Elektroden mit einem weiterem Metall (z.B. Kup- fer), das eine gute thermische Leitfähigkeit besitzt, in wärmeleitender Verbindung, um die während des Betriebseinsatzes auftretende Wärme an ein Kühlmedium abzuführen. Hierzu werden die geschnittenen Elektrodenrohlinge in eine Graphitform gegeben und in einem Ofen mit Kupfer umgössen. Abschließend wird die- ser Verbundwerkstoff spanend bearbeitet, wobei u.a. die hinzugegebene Dotierung zu einer verbesserten Zerspanbarkeit (z.B. Bohren) des hochschmelzenden Metalls (z.B. Wolfram) führt.The electrodes for plasma torches are usually formed from a high-melting metal with one or more dopants that promote electron emissions, ie material additives with low electron work function. For powder-metallurgical manufacture of the electrodes, a metallic powder is usually mixed with the dopants, in bars or rods. be pressed and sintered. After sintering, the bars are formed several times until the required diameter is reached. The bars are then sanded and cut. As a rule, the electrodes are in a heat-conducting connection with a further metal (eg copper), which has good thermal conductivity, in order to dissipate the heat that occurs during operation to a cooling medium. For this purpose, the cut electrode blanks are placed in a graphite mold and cast in copper in an oven. Finally, this composite material is machined, whereby the added doping leads to improved machinability (eg drilling) of the high-melting metal (eg tungsten).
Herkömmliche, als Kathode dienende Hochstromelektroden, die bei einem Plasmabrenner als Plasmabrenner-Kathode eingesetzt werden können, sind beispielsweise aus der DE 35 44 657 A1 bekannt. Die Offenlegungsschrift beschreibt vor allem Hochstromkathoden mit einem Wolframkern und einer hochschmelzenden und eine geringe Elektronenaustrittsarbeit aufweisenden Be- Schichtung. Die Beschichtung besteht aus Wolfram und dem Wolfram zugesetzten, die geringe Elektronenaustrittsarbeit hervorrufende Werkstoffzusätzen (sogenannte Dotierungen; nach den Ansprüchen 3 und 4 der Offenlegungsschrift wenigstens 4 Gewichtsprozent ThO2 oder CeO2, vorzugsweise etwa 10 Ge- wichtsprozent ThO2 oder CeO2) . Die Hochstromkathoden werden mit einer Vergleichskathode aus reinem Wolfram sowie mit einer herkömmlichen Sinterkathode verglichen, um verbesserte Abbrenn-Eigenschaften nachzuweisen. Die Sinterelektrode weist einen Elektrodenkörper aus Wolfram und dem Wolfram zugesetz- ten, die Elektronenaustrittsarbeit reduzierenden Dotierungen (2Conventional high current electrodes serving as cathode, which can be used in a plasma torch as a plasma torch cathode, are known for example from DE 35 44 657 A1. The published specification primarily describes high-current cathodes with a tungsten core and a high-melting coating and a low electron work function. The coating consists of tungsten and the tungsten added material additives which cause the low electron work function (so-called doping; according to claims 3 and 4 of the published patent application at least 4 percent by weight of ThO 2 or CeO 2 , preferably about 10 percent by weight of ThO 2 or CeO 2 ). The high-current cathodes are compared with a comparison cathode made of pure tungsten and with a conventional sintered cathode in order to demonstrate improved burn-off properties. The sintered electrode has an electrode body made of tungsten and added to the tungsten. doping which reduces the electron work function (2nd
Gewichtsprozent ThO2; gemäß der Beschreibungseinleitung derWeight percent ThO 2 ; according to the introduction to the description
Offenlegungsschrift ein in der Plasmatechnik üblicher Wert, um die Elektronen-Austrittsarbeit bei Wolfram von 4,4 eV auf etwa 2,63 bis 2,86 eV zu reduzieren) auf.Laid open a value customary in plasma technology in order to reduce the electron work function in tungsten from 4.4 eV to approximately 2.63 to 2.86 eV).
Weitere Elektroden mit elektronenemissionsfördernden Dotierungen sind aus der DE 27 55 213 C2 und der DE 31 06 164 A1 bekannt. Als weiterer Stand der Technik zu Elektroden im allge- meinen können die EP 0 326 318 A2 und die DE 36 18 600 C2 genannt werden. Weitere Hintergrundinformation findet sich in den folgenden Schriften bzw. Aufsätzen: Oliver Prause: "Der Einfluß von elektronenemissionsfördernden Dotierungen auf Herstellung und Anwendung von Wolframelektroden", Fortschritt-Be- richte VDI, Reihe 5: Grund- und Werkstoffe, Nr. 470, VDI Verlag, Düsseldorf, 1997; A. Modinos: "The electronic work function of W-faces", in: Surf. Sei, Nr. 75, S. 327-342, 1987; S. W. H. Yih, C. T. Wang: "Tungsten", Plenum Press, New York, 1979; M. Henzler, W. Göpel: "Oberflächenphysik des Festkörpers", Teub- ner Verlag, Stuttgart, 1991 .Further electrodes with electron emission-promoting doping are known from DE 27 55 213 C2 and DE 31 06 164 A1. EP 0 326 318 A2 and DE 36 18 600 C2 can be cited as a further prior art for electrodes in general. Further background information can be found in the following writings and articles: Oliver Prause: "The Influence of Electron Emission-Promoting Doping on the Production and Application of Tungsten Electrodes", Progress Reports VDI, Series 5: Basic and Materials, No. 470, VDI Verlag , Düsseldorf, 1997; A. Modinos: "The electronic work function of W-faces", in: Surf. Sei, No. 75, pp. 327-342, 1987; S. W. H. Yih, C. T. Wang: "Tungsten", Plenum Press, New York, 1979; M. Henzler, W. Göpel: "Surface Physics of the Solid", Teubner Verlag, Stuttgart, 1991.
Die Zugabe von elektronenemissionsfördernden Dotierungen führt, wie auch der diskutierte Stand der Technik deutlich macht, zu einer deutlichen Verbesserung der Kathodeneigenschaften. Dies läßt sich dadurch erklären, daß durch die Dotierung die loni- sierungsenergie der äußeren Elektronen im Vergleich zum reinen Metall (z.B. Wolfram) verringert wird. Bei einer niedrigen Elektronenaustrittsarbeit und vorgegebener Stromdichte verringert sich gemäß der Richard-Dushmann-Gleichung die Temperatur in der Kathode. Eine niedrige Temperatur führt folgerichtig zu einer längeren Standzeit der Kathode. Aus dieser praktisch bewiesenen Tatsache wurde gefolgert, daß sich die Anodenstandzeit durch Zugabe von Dotierungen ebenfalls verbessert. Man ging davon aus, daß beim Wiedereintritt der Elektronen in die Anode die loni- sierungsenergie als Wärmeenergie anfällt. Da die Standzeit der Anode durch die Wärmebelastung beeinflußt wird, wurde gefolgert, daß die Verringerung der lonisierungsenergie durch Zugabe von Dotierungen auch zu einer Verringerung der Wärmebelastung in der Anode führt, so daß sich dadurch die Standzeit erhöht. Obwohl elektronenemissionsfördernde Dotierungen zugegeben wurden, waren die Standzeiteigenschaften der Anode dennoch nicht zufriedenstellend.The addition of electron emission-promoting doping leads, as is also made clear by the discussed prior art, to a significant improvement in the cathode properties. This can be explained by the fact that the doping reduces the ionization energy of the outer electrons compared to pure metal (eg tungsten). With a low electron work function and a given current density, the temperature in the is reduced in accordance with the Richard Dushmann equation Cathode. A low temperature consequently leads to a longer service life of the cathode. From this fact, which has been proven in practice, it was concluded that the anode service life is also improved by adding dopants. It was assumed that when the electrons re-entered the anode, the ionization energy was obtained as thermal energy. Since the service life of the anode is influenced by the heat load, it was concluded that the reduction in the ionization energy by adding dopants also leads to a reduction in the heat load in the anode, so that the service life is increased. Although electron-emitting dopants were added, the service life of the anode was still unsatisfactory.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Plasmabrenner der eingangs angegebenen Art dahingehend auszubilden, daß sowohl für die als Anode dienende erste Elektrode als auch für die als Kathode dienende zweite Elektrode eine hohe Standzeit bzw. Lebensdauer erreicht wird.Against this background, the invention has for its object to provide a plasma torch of the type specified in such a way that a long service life is achieved both for the first electrode serving as the anode and for the second electrode serving as the cathode.
Diese Aufgabe wird durch den Plasmabrenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the plasma torch with the features of claim 1.
Die als Kathode dienende zweite Elektrode (genauer: ihr mit dem Lichtbogen wechselwirkender aktiver Elektrodenabschnitt, der aus einem hochschmelzenden metallischen Elektrodenmaterial hergestellt ist und vorzugsweise Wolfram oder/und Molybdän umfaßt) weist erfindungsgemäß - wie Kathoden des Stands der Technik - einen im Hinblick auf die Elektronenaustrittsarbeit we- sentlichen Anteil an Werkstoffzusätzen in Form von Dotierungen mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit (oder - anders ausgedrückt - mit energetisch instabiler Elektronenkonfiguration) auf. Als Dotierungen können Elemente mit unvollständig besetzten d- bzw. f- Elektrodenschalen, oder/und mit Elektronendonatorenwirkung, beispielsweise Oxide und Boride der Elemente der lllb bis IVb Nebengruppe des Periodensystems der Elemente sowie den ersten drei Elementen aus der Lanthanoiden- und Actinoidengruppe, wie ThO2, La2O3, CeO2, Y2O3 und LaB6, verwendet werden.The second electrode serving as the cathode (more precisely: its active electrode section interacting with the arc, which is made of a high-melting metal electrode material and preferably comprises tungsten and / or molybdenum), according to the invention - like cathodes of the prior art - has one with regard to the electron work function we- substantial proportion of material additives in the form of doping with low electron work function (or - in other words - with energetically unstable electron configuration). As doping, elements with incompletely occupied d or f electrode shells, or / and with electron donor action, for example oxides and borides of the elements of the IIIb to IVb subgroup of the periodic table of the elements and the first three elements from the lanthanoid and actinide group, such as ThO 2 , La 2 O 3 , CeO 2 , Y 2 O 3 and LaB 6 can be used.
Die als Anode dienende erste Elektrode (genauer: ihr mit dem Lichtbogen wechselwirkender aktiver Elektrodenabschnitt, der aus einem hochschmelzenden metallischen Elektrodenmaterial hergestellt ist und vorzugsweise Wolfram oder/und Molybdän umfaßt) weist erfindungsgemäß keinen im Hinblick auf die Elektronenaustrittsarbeit wesentlichen Anteil an Werkstoffzusätzen in Form von Dotierungen mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit (oder - anders ausgedrückt - mit energetisch instabiler Elektronenkonfiguration) auf.According to the invention, the first electrode serving as the anode (more precisely: its active electrode section interacting with the arc, which is made of a high-melting metal electrode material and preferably comprises tungsten and / or molybdenum) has no material additions in the form of dopants with regard to the electron work function with a low electron work function (or - in other words - with an energetically unstable electron configuration).
Wider erwarten wurde nämlich gefunden, daß für die Anode eine wesentliche Standzeiterhöhung durch einen Verzicht auf elektro- nenemissionsfördernde Dotierungen erreichbar ist, ganz im Widerspruch zu den bisher geltenden Vorstellungen über den (positi- ven) Einfluß von Dotierungen auf die Standzeit von Anoden aufgrund der Absenkung der lonisierungsenergie.Contrary to expectations, it was found that a substantial increase in the service life can be achieved for the anode by dispensing with electron-emission-promoting doping, quite in contradiction to the previously valid ideas about the (positive) influence of doping on the service life of anodes due to the reduction the ionization energy.
Das Ergebnis der Standzeiterhöhung durch Verzicht auf Dotierungen läßt sich möglicherweise dadurch erklären, daß in erster Linie eine hohe thermische Stabilität des Anodenwerkstoffs von maßgeblicher Bedeutung für die Standzeit ist. In besonderem Maße ist Wolfram mit dem höchsten Schmelzpunkt aller Metalle geeignet. Weiterhin kann es sein, daß der theoretisch erklärbare niedrige Energiebetrag beim Wiedereintritt der Elektronen in die Anode, aufgrund der durch die Dotierung hervorgerufenen niedrigen loni- sierungsenergie, praktisch nicht auftritt. Dies wäre dadurch erklärbar, daß sich aufgrund der hohen Temperatur und der Sput- terwirkung des Lichtbogens keine oberflächennahe Schicht mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit auf der Anode ausbilden kann.The result of increasing the service life by dispensing with doping can possibly be explained by the fact that in the first place A high thermal stability of the anode material is of crucial importance for the service life. Tungsten with the highest melting point of all metals is particularly suitable. Furthermore, it may be that the theoretically explainable low amount of energy practically does not occur when the electrons re-enter the anode due to the low ionization energy caused by the doping. This could be explained by the fact that, due to the high temperature and the sputtering effect of the arc, no layer near the surface with a low electron work function can form on the anode.
Bei den bekannten Anoden mit Dotierungen mögen auch die folgenden werkstoffbezogenen Ursachen zu einer Beeinträchtigung der Anodenlebensdauer führen: - Ausbildung von Mikrorissen durch Verdampfung von oberflächennahen elektronenemissionsfördernden Dotierungen (z.B. ThO2, La2O3);In the known anodes with doping, the following material-related causes may also have an adverse effect on the anode life: formation of microcracks due to evaporation of doping (eg ThO 2 , La 2 O 3 ) that promotes electron emission;
- Verdampfung von Wolfram durch Oxidation mit Sauerstoffradikalen, die durch die thermische Dissoziation der elektronen- emissionsfördernden oxidischen Dotierungen entstehen;- Evaporation of tungsten through oxidation with oxygen radicals, which arise from the thermal dissociation of the electron-emitting oxidic dopants;
- Lokale Überhitzung der Anode durch Festbrennen des bewegten Lichtbogens an einer energetisch günstigen Stelle (z.B. Mi- krorisse und/oder oberflächenmorpologische Veränderungen, die mit den Dotierungen im Zusammenhang stehen). Eine lokale Überhitzung des Anodenwerkstoffs führt in der Regel zu einem Versagen des Plasmabrenners. Zum einen sind die aufgeprägten elektrischen Größen nicht mehr kontrollierbar bzw. steuerbar und zum anderen führt der Materialabtrag des Anodenwerkstoffs zu einer Qualitätsbeeinträchtigung der zu behandeln- den Oberfläche. Soweit auf die Dotierungen zurückzuführen, treten diese Nachteile erfindungsgemäß nicht mehr auf.- Local overheating of the anode by burning the moving arc at an energetically favorable point (eg micro cracks and / or surface morphological changes which are related to the doping). Local overheating of the anode material usually leads to failure of the plasma torch. On the one hand, the impressed electrical quantities can no longer be checked or controlled and, on the other hand, the material removal of the anode material leads to a deterioration in the quality of the the surface. As far as attributable to the doping, these disadvantages no longer occur according to the invention.
Es hat sich weiterhin gezeigt, daß geringfügige Werkstoffzusätze im hochschmelzendem Metall, insbesondere sinteraktivierende Werkstoffzusätze im Falle von Sinterelektroden (durch ein Sinterverfahren hergestellte Elektroden), keinen signifikanten negativen Einfluß auf die Standzeit des Anodenwerkstoffs haben. Dies kann möglicherweise dadurch erklärt werden, daß bei einer vollständi- gen oder teilweisen Löslichkeit der sinteraktivierenden Werkstoffzusätze und des hochschmelzenden Metalls eine homogene und feindisperse Verteilung vorliegt. Im Gegensatz dazu liegen beispielsweise die oxidischen Dotierungen, aufgrund der vollständigen Unlöslichkeit im hochschmelzenden Metall (z.B. Wolfram), als vergleichsweise grobe Partikel an den Korngrenzen des Werk- stoffgefüges vor. Man kann davon ausgehen, daß die hohe thermische Belastung der Anode und die Sputterwirkung des Lichtbogens stets zu einer mehr oder weniger ausgeprägten Verdampfung des Anodenwerkstoffs, insbesondere der elektronenemis- sionsfördernden Werkstoffzusätze (Dotierungen), führt. Demnach wäre denkbar, daß beispielsweise an lokalen Stellen oberflächennahe Mikrorisse durch selektive und/oder rasche Verdampfung der Dotierungen entstehen. Diese lokalen Stellen weisen im Vergleich zu benachbarten Bereichen einen energetisch höherwerti- gen Zustand auf, so daß der heiße, elektrische Lichtbogen bevorzugt an diesen Stellen auf die Anode trifft. Dadurch kommt es wiederum zu einem verstärkten Materialabtrag, der schließlich zum sogenannten "Festbrennen" des Lichtbogens und somit zum Ausfall des Plasmabrenners führt. Im Gegensatz dazu, würde eine feindisperse Verteilung von niedrigschmelzenden Werkstoffzusätzen zu einem homogeneren Materialabtrag auf der Werkstoffoberfläche führen. Dies hätte zur Folge, daß die lokalen energetischen Differenzen nur gering sind und der Lichtbogen keine bevorzugten Stellen auf der Werkstoffoberfläche der Anode vorfindet. Daraus läßt sich ein gleichmäßiger Materialabtrag der Werkstoffoberfläche ableiten und somit eine Verlängerung der Standzeit begründen.It has furthermore been shown that minor additions of material in the high-melting metal, in particular additions of sinter activating materials in the case of sintered electrodes (electrodes produced by a sintering process), have no significant negative influence on the service life of the anode material. This can possibly be explained by the fact that with complete or partial solubility of the sinter-activating material additives and the high-melting metal there is a homogeneous and finely dispersed distribution. In contrast to this, for example, the oxidic doping, due to the complete insolubility in the high-melting metal (eg tungsten), exists as comparatively coarse particles at the grain boundaries of the material structure. It can be assumed that the high thermal load on the anode and the sputtering effect of the arc always leads to a more or less pronounced evaporation of the anode material, in particular the electron emission-promoting material additives (doping). Accordingly, it would be conceivable that, for example, microcracks close to the surface occur at local points through selective and / or rapid evaporation of the dopants. These local points have an energetically higher-quality state compared to neighboring areas, so that the hot, electric arc preferably hits the anode at these points. This in turn leads to increased material removal, which ultimately leads to the so-called "sticking" of the arc and thus to the failure of the plasma torch. In contrast, a finely dispersed distribution of low-melting material additives leads to a more homogeneous material removal on the material surface. This would have the consequence that the local energetic differences are only slight and the arc does not find any preferred locations on the material surface of the anode. From this, a uniform material removal from the material surface can be derived and thus justify an extension of the service life.
Im Fall von Sinterelektroden (die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektroden) können somit sowohl im Fall der als Anode dienenden ersten Elektrode als auch im Fall der als Kathode dienenden zweiten Elektrode sinteraktivierende Werkstoffzusätze dem Metallpulver beigegeben werden, da sinteraktivieren- de Werkstoffzusätze, wenn sie einen geringen Anteil der Elektrode bzw. des Elektrodenmaterials ausmachen, keinen signifikanten Einfluß auf die Standzeit haben. Durch die Zugabe von sinteraktivierenden Werkstoffzusätzen läßt sich die Sintertemperatur bzw. die Sinterzeit verringern und/oder die Bearbeitbarkeit (z.B. Boh- ren) des hochschmelzenden Sinterwerkstoffs (bevorzugt aus hochschmelzenden Wolframpulver gesintert) verbessern. Gute Ergebnisse wurden mit einem Gewichtsanteil der sinteraktivierenden Werkstoffzusätze, insbesondere Nickel, im Metallpulver von bis zu 1 Gewichtsprozent erzielt. Insbesondere werden Gehalte von etwa 0, 12 bis 0,5 Gewichtsprozent empfohlen.In the case of sintered electrodes (the preferred embodiment of the electrodes according to the invention), sinter-activating material additives can thus be added to the metal powder both in the case of the first electrode serving as an anode and in the case of the second electrode serving as cathode, since sinter-activating material additives if they contain a small amount Make up the proportion of the electrode or the electrode material, have no significant influence on the service life. By adding sinter-activating material additives, the sintering temperature or sintering time can be reduced and / or the workability (e.g. drilling) of the high-melting sintered material (preferably sintered from high-melting tungsten powder) can be improved. Good results have been achieved with a weight fraction of the sinter-activating material additives, in particular nickel, in the metal powder of up to 1 weight percent. In particular, contents of approximately 0.12 to 0.5 percent by weight are recommended.
Die erfindungsgemäßen Elektroden, insbesondere Anoden, lassen sich beispielsweise nach dem aus der deutschen Patentschrift DE 44 42 161 C1 , bekannten Verfahren herstellen (vgl. insbesondere deren Ansprüche 1 1 bis 18), wobei aber im Fall der ersten Elektrode bzw. Anode erfindungsgemäß keine oder nur ein unwesentlicher Anteil von elektronenemissionsfördernden Dotierungen vorzusehen ist und unter Umständen (ggf. in Abweichung von An- spruch 1 der DE 44 42 161 C1 ) eine Nachbearbeitung der mit dem Lichtbogen wechselwirkenden Elektrodenoberfläche angezeigt ist.The electrodes according to the invention, in particular anodes, can be produced, for example, by the method known from German patent DE 44 42 161 C1 (cf. in particular Their claims 1 1 to 18), but in the case of the first electrode or anode, according to the invention, no or only an insignificant proportion of doping to promote electron emission is to be provided and under certain circumstances (possibly in deviation from claim 1 of DE 44 42 161 C1) a post-processing of the electrode surface interacting with the arc is indicated.
Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Elektrode sind in den Unteransprüchen angegeben. Besonders bevorzugt ist, wie schon erwähnt, die Ausbildung beider Elektroden als Sinterelektroden, wobei bei deren Herstellung sinteraktivierende Werkstoffzusätze verwendet werden können. Es hat sich gezeigt, daß im Hinblick auf möglichst große Anodenstandzeiten für jegli- ehe Werkstoffzusätze ein Höchstwert des Gewichtsanteils nicht überschritten werden sollte, wobei das Ergebnis um so besser ist, je kleiner der Höchstwert ist. Als Höchstwert wird maximal 1 ,5 Gewichtsprozent, vorzugsweise maximal 1 ,0 Gewichtsprozent, höchstvorzugsweise maximal 0,5 Gewichtsprozent vorgeschla- gen. Da sich elektronenemissionsfordernde Werkstoffzusätze (Dotierungen) stärker auf die Standzeit der ersten Elektrode bzw. Anode auswirken als sinteraktivierende Werkstoffzusätze, sollte im Fall der ersten Elektrode bzw. Anode für die Dotierungen möglichst ein kleiner Höchstwert eingehalten werden (vorgeschlagen wird ein Höchstwert von 1 ,0 Gewichtsprozent, vorzugsweise maximal 0,1 Gewichtsprozent, höchstvorzugsweise maximal 0,01 Gewichtsprozent) oder am besten auf diese vollständig verzichtet werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Anode für einen erfindungsgemäßen Plasmabrenner, nämlich eine als Anode dienende Elektrode, deren im Betrieb mit einem Lichtbogen direkt wechselwirkender Elektrodenabschnitt (aktiver Elektrodenabschnitt; insbesonde- re im Gegensatz zu einem gegebenenfalls vorgesehenen Halterungsabschnitt der Elektrode beispielsweise aus Kupfer, der den aktiven Elektrodenabschnitt hält und zur Kühlung dienen kann) überwiegend oder vollständig aus wenigstens einem hochschmelzenden metallischen Elektrodenmaterial besteht. Erfindungsgemäß weist der aktive Elektrodenabschnitt bzw. das Elektrodenmaterial keine Werkstoffzusätze oder nur einen geringen Anteil an Werkstoffzusätzen auf, insbesondere keine oder nur einen unwesentlichen - insbesondere in Hinblick auf die Elektronenaustrittsarbeit unwesentlichen - Anteil an Dotierungen mit niedriger Elektronen- austrittsarbeit bzw. energetisch instabiler Elektronenkonfiguration, wie Elemente mit unvollständig besetzten d- bzw. f-Elektro- nenschalen, oder/und mit Elektronendonatorenwirkung, beispielsweise Oxide und Boride der Elemente der 111 ____ bis IVb Nebengruppe des Periodensystems der Elemente sowie den ersten drei Ele- menten aus der Lanthanoiden- und Actinoidengruppe, wie ThO2, La2O3, CeO2, Y2O3 und LaB6. Die erfindungsgemäße Anode kann die vorstehend und in den Ansprüchen in bezug auf die erste Elektrode angegebenen Merkmale aufweisen. So wird die Anode in der Regel einen Plasmadurchtrittskanal aufweisen. Bevorzugt handelt es sich bei der Anode um eine Sinterelektrode.Preferred developments of the electrode according to the invention are specified in the subclaims. As already mentioned, the formation of both electrodes as sintered electrodes is particularly preferred, sinter-activating material additives being able to be used in their production. It has been shown that, in view of the longest possible anode service life for any material additives, a maximum value of the weight fraction should not be exceeded, the smaller the maximum value, the better the result. The maximum value proposed is a maximum of 1.5 percent by weight, preferably a maximum of 1.0 percent by weight, most preferably a maximum of 0.5 percent by weight. Since additions of materials that require electron emissions (doping) have a greater effect on the service life of the first electrode or anode than sinter-activating additions of material If the first electrode or anode for the doping is as small as possible, a maximum value of 1.0 percent by weight, preferably a maximum of 0.1 percent by weight, most preferably a maximum of 0.01 percent by weight is suggested, or it is best to dispense with it entirely. The invention further relates to an anode for a plasma torch according to the invention, namely an electrode serving as an anode, the electrode section of which, when interacting with an arc, directly interacts with an electrode (active electrode section; in particular in contrast to an optionally provided holding section of the electrode, for example made of copper, which is the active one Holds electrode section and can serve for cooling) consists predominantly or completely of at least one high-melting metallic electrode material. According to the invention, the active electrode section or the electrode material has no material additives or only a small proportion of material additives, in particular no or only an insignificant proportion - in particular insignificant with regard to the electron work function - of doping with low electron work function or energetically unstable electron configuration, such as Elements with incompletely occupied d- or f-electron shells, or / and with electron donor action, for example oxides and borides of the elements of the 111 ____ to IVb subgroup of the periodic table of the elements and the first three elements from the lanthanide and actinide groups, such as ThO 2 , La 2 O 3 , CeO 2 , Y 2 O 3 and LaB 6 . The anode according to the invention can have the features specified above and in the claims with respect to the first electrode. As a rule, the anode will have a plasma passage channel. The anode is preferably a sintered electrode.
Es versteht sich, daß eine erfindungsgemäße Anode ggf. auch aus mehreren Teilstücken zusammengesetzt sein kann. Hinsichtlich des Plasmabrenners versteht es sich, daß dieser gewünsch- tenfalls auch mehrere Anoden oder/und mehrere Kathoden aufweisen kann.It goes without saying that an anode according to the invention can optionally also be composed of several sections. With regard to the plasma torch, it goes without saying that this may also have multiple anodes or / and multiple cathodes.
Die Erfindung betrifft auch eine thermische Plasmaspritzanlage mit einer erfindungsgemäßen Anode. Als Kathode ist bei der erfindungsgemäßen Plasmaspritzanlage vorzugsweise eine Elektrode mit elektronenemissionsfördernden Dotierungen gemäß dem Stand der Technik vorzusehen. Somit ist es bevorzugt, daß die Plasmaspritzanlage einen erfindungsgemäßen Plasmabrenner auf- weist.The invention also relates to a thermal plasma spray system with an anode according to the invention. In the plasma spraying system according to the invention, an electrode with electron-emitting doping according to the prior art is preferably to be provided as the cathode. It is therefore preferred that the plasma spraying system has a plasma torch according to the invention.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichung. Es zeigen:Further advantages and features emerge from the following description of an embodiment of the invention in connection with the drawing. Show it:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Plasmabrenners mit zwei Elektroden: einer Kathode und einer Anode; undFigure 1 is a schematic sectional view of a plasma torch according to the invention with two electrodes: a cathode and an anode; and
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht der Anode gemäßFig. 2 is a schematic sectional view of the anode according to
Fig. 1 .Fig. 1.
In Fig. 1 ist im Längsschnitt eine Kathode 22 und eine erfindungsgemäße Anode 20 als Teile eines Plasmabrenners 10 dargestellt.1 shows a longitudinal section of a cathode 22 and an anode 20 according to the invention as parts of a plasma torch 10.
Die Kathode 22 und die Anode 20 als Bestandteil des Plasmabrenners 10 sind geometrisch so gestaltet, daß ein Kühlmedium 40 (z.B. Wasser) an einen Werkstoff 32 mit hoher thermischer Leitfähigkeit (z.B. Kupfer) herangeführt werden kann, der mit dem eigentlichen Elektrodenmaterial 30 (das den im Betrieb mit einemThe cathode 22 and the anode 20 as part of the plasma torch 10 are geometrically designed so that a cooling medium 40 (for example water) can be brought up to a material 32 with high thermal conductivity (for example copper), which with the actual electrode material 30 (which in operation with a
Lichtbogen direkt wechselwirkenden Elektrodenabschnitt der Anode bildet - hier als "aktiver" Elektrodenabschnitt bezeichnet) in wärmeleitender Verbindung steht. Die Kathode 22 und die Anode 20 sind derart angeordnet, daß sich ein Lichtbogen zwischen der Kathode 22 und der Anode 20 (genauer: zwischen deren "aktiven", mit dem Lichtbogen direkt wechselwirkenden Elektrodenabschnitten) ausbilden kann, um mittels eines herangeführten Gasstroms ein Plasma im Lichtbogen zu erzeugen. Das er- zeugte Plasma wird über den Plasma-Durchtrittskanal 50 in Richtung der zu behandelnden Oberfläche geleitet.Arc directly interacting electrode section of the anode - here referred to as "active" electrode section) is in a thermally conductive connection. The cathode 22 and the anode 20 are arranged in such a way that an arc can form between the cathode 22 and the anode 20 (more precisely: between their "active" electrode sections which interact directly with the arc) in order to use a gas flow to introduce a plasma into the To produce an arc. The generated plasma is conducted via the plasma passage channel 50 in the direction of the surface to be treated.
In Fig 2 ist die mit 20 bezeichnete Anode - auch Plasmadüse genannt - als Verbund des Elektrodenmaterials 30 und des Werk- Stoffs 32 mit hoher thermischer Leitfähigkeit dargestellt.In FIG. 2, the anode designated 20, also called a plasma nozzle, is shown as a composite of the electrode material 30 and the material 32 with high thermal conductivity.
Das beim beschriebenen Ausführungsbeispiel unter Anwendung eines Sinterverfahrens hergestellte Elektrodenmaterial 30 einer Anode 20 besteht aus Metallpulver, das sich im wesentlichen nur aus chemisch, reinem Wolfram oder aus 95,5 bis 98,8 Gewichtsprozent chemisch reinem Wolfram mit einem sinteraktivierenden Werkstoffzusatz, nämlich bei dem hier beschriebenen Beispiel 0, 12 bis 0,5 Gewichtsprozent Nickel, zusammensetzt. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Metallpulvers ergeben sich zwei unterschiedliche Verarbeitungsverfahren, insbesondere Sinterverfahren.The electrode material 30 of an anode 20 produced in the described embodiment using a sintering process consists of metal powder which essentially consists only of chemically pure tungsten or from 95.5 to 98.8% by weight chemically pure tungsten with a sinter-activating material additive, namely in the case of the here described example 0, 12 to 0.5 weight percent nickel, is composed. Depending on the composition of the metal powder, there are two different processing methods, in particular sintering methods.
In bekannter Weise wird bei der Verwendung von chemisch reinem Wolframpulver ohne Werkstoffzusätze das Metallpulver in elastische, zylindrische Schläuche gefüllt und wasserdicht verschlossen. Anschließend wird das Metallpulver in einer kaltiso- statischen Presse bei 2000 bis 3000bar verdichtet. Alternativ kann das Metallpulver auch in eine entsprechend geformte Preß- matrize gegeben werden und anschließend mechanisch-hydraulisch verdichtet werden. Danach wird das gepreßte Metallpulver im direkten Stromdurchgang - Coolidge Verfahren - bei ca. 2600° bis 3200°C und einer Haltezeit von 15 bis 30 Minuten in einer Wasserstoffatmosphäre gesintert. In einem weiteren Arbeits- schritt wird in der Regel der gesinterte Stab bzw. das Elektrodenmaterial 30 bei Temperaturen von 900° bis 1600°C, die Temperatur ist abhängig vom Verformungsgrad, umgeformt, beispielsweise durch Hämmern.In a known manner, when using chemically pure tungsten powder without the addition of materials, the metal powder in elastic, cylindrical hoses filled and sealed watertight. The metal powder is then compressed in a cold isostatic press at 2000 to 3000 bar. Alternatively, the metal powder can also be placed in a correspondingly shaped press die and then compressed mechanically and hydraulically. Then the pressed metal powder is sintered in a direct current passage - Coolidge process - at approx. 2600 ° to 3200 ° C and a holding time of 15 to 30 minutes in a hydrogen atmosphere. In a further working step, the sintered rod or the electrode material 30 is usually shaped at temperatures of 900 ° to 1600 ° C., the temperature depending on the degree of deformation, for example by hammering.
Bei Verwendung des Metallpulvers mit einem sinteraktivierendem Werkstoffzusatz kann folgendes Verarbeitungsverfahren angewandt werden: Zunächst wird das Metallpulver und der sinteraktivierende Werkstoffzusatz durch trocken-mechanisches Mischen oder durch ein naßchemisch-hydrometallurgische Verfahren auf- bereitet. Im letztgenannten Fall wird eine flüssige Nickelnitratlösung in Wolframtrioxid eingesprüht und durchmischt sowie einem Trocknungs-, Reduzier- und Siebungsprozeß unterzogen. Das aufbereitete Metallpulver mit dem Werkstoffzusatz wird in elastische, zylindrische Schläuche gefüllt, wasserdicht verschlossen und kalt- isostatisch bei 2000 bis 3000 bar verdichtet. Das verdichtete Metallpulver wird im Ofen bei Temperaturen von 1400° bis 1600°C und Haltezeiten von 30 bis 180 Minuten in einer Wasserstoffatmosphäre gesintert. Durch das Sintern wird das gepreßte Metallpulver in den metallischen Zustand des Elektrodenmaterials 30 überführt, wobei Dichten von 80 bis 97% der theoretischenWhen using the metal powder with a sinter-activating material additive, the following processing method can be used: First, the metal powder and the sinter-activating material additive are prepared by dry mechanical mixing or by a wet chemical hydrometallurgical process. In the latter case, a liquid nickel nitrate solution is sprayed into tungsten trioxide and mixed, and subjected to a drying, reducing and sieving process. The prepared metal powder with the material additive is filled into elastic, cylindrical hoses, sealed watertight and cold isostatically compressed at 2000 to 3000 bar. The compacted metal powder is sintered in a furnace at temperatures of 1400 ° to 1600 ° C and holding times of 30 to 180 minutes in a hydrogen atmosphere. By sintering, the pressed metal powder becomes the metallic state of the electrode material 30 transferred, densities from 80 to 97% of theoretical
Dichte erreicht werden.Density can be achieved.
Das Elektrodenmaterial 30 aus dem chemisch reinem Wolfram bzw. aus Wolfram mit sinteraktivierendem Werkstoffzusatz kann nach dem Sinterverfahren materialabtragend (beispielsweise drehend und/oder schleifend und/oder erodierend) bearbeitet werden, insbesondere kann durch Bohren und/oder Erodieren der Plasma-Durchtrittskanal 50 der als Plasmadüse dienenden Anode 20 eingebracht werden. Das zweckentsprechend vorbereitete Elektrodenmaterial 30 wird schließlich in eine geeignet gestaltete Graphitform eingelegt. Nach der Zugabe von Kupfer als Werkstoff 32 mit hoher thermischer Leitfähigkeit in die Graphitform, wird diese in einen Absenk- oder Gradientenofen gegeben. Bei Temperaturen von 1050° bis 1200°C wird das Kupfer in einer Wasserstoffatmosphäre vollständig aufgeschmolzen und anschließend kontinuierlich abgekühlt, um einen porenfreien Werkstoffverbund zu erhalten.The electrode material 30 made of chemically pure tungsten or of tungsten with sinter-activating material additive can be machined after the sintering process (for example, rotating and / or grinding and / or eroding), in particular by drilling and / or eroding the plasma passage 50 as Plasma nozzle serving anode 20 are introduced. The appropriately prepared electrode material 30 is finally placed in a suitably designed graphite mold. After adding copper as material 32 with high thermal conductivity to the graphite mold, it is placed in a lowering or gradient furnace. At temperatures of 1050 ° to 1200 ° C, the copper is completely melted in a hydrogen atmosphere and then continuously cooled in order to obtain a non-porous composite.
Die Kathode 22 läßt sich mit beiden genannten Verarbeitungsverfahren prinzipiell auf gleiche Art und Weise herstellen, wobei allerdings vorzugsweise zusätzlich elektronenemissionsfordernde Werkstoffzusätze (Dotierungen) eingebracht werden, wie gemäß dem Stand der Technik für Anoden und Kathoden für Plasmabren- ner bekannt ist. Derartige elektronenemissionsfordernde Werkstoffzusätze sind bei der Anode 20 erfindungsgemäß nicht vorgesehen. Die Anode 20 kann nach der oben beschriebenen materialabtragenden Bearbeitung, insbesondere nach dem Bohren und/oder Erodieren des Plasma-Durchtrittskanals 50, in einen Plasmabrenner 10 als Teil einer Plasmapritzanlage eingebaut werden. Die Kathode 22 und die Anode 20 wird elektrisch an eine Stromquelle angeschlossen, wobei die Kathode 22 mit dem negativen Pol und die Anode 20 mit dem positiven Pol der Stromquelle verbunden ist.In principle, the cathode 22 can be produced in the same way using the two processing methods mentioned, although preferably additions of materials (doping) which require electron emissions are introduced, as is known in the prior art for anodes and cathodes for plasma burners. Such electron emission-requiring material additives are not provided according to the invention for the anode 20. After the material-removing processing described above, in particular after drilling and / or eroding the plasma passage 50, the anode 20 can be installed in a plasma torch 10 as part of a plasma spraying system. The cathode 22 and the anode 20 are electrically connected to a current source, the cathode 22 being connected to the negative pole and the anode 20 being connected to the positive pole of the current source.
Der Lichtbogen zwischen der Kathode 22 und Anode 20 wird durch eine hochfrequente Spannungsüberlagerung oder Kondensatorentladung gezündet. Hierbei treten aus der Kathode 22 Elektronen aus, werden durch eine elektrische Spannung in Richtung der Anode 20 beschleunigt und treten in das Elektrodenmaterial 30 der Anode 20 wieder ein, wodurch der elektrische Stromkreis geschlossen wird.The arc between cathode 22 and anode 20 is ignited by a high-frequency voltage superposition or capacitor discharge. Electrons emerge from the cathode 22, are accelerated by an electrical voltage in the direction of the anode 20 and reenter the electrode material 30 of the anode 20, as a result of which the electrical circuit is closed.
In einer vergleichenden Untersuchung wurden unterschiedliche Anodenmaterialien (Wolfram mit etwa 2 Gewichtsprozent ThO2 und Wolfram mit 0,5 Gewichtsprozent Nickel) getestet. Bei einer atmosphärischen Plasmaspritzanlage (APS) wurden folgende Betriebsparameter verwendet: Spannung: 30 - 80VIn a comparative study, different anode materials (tungsten with about 2 percent by weight ThO 2 and tungsten with 0.5 percent by weight nickel) were tested. The following operating parameters were used for an atmospheric plasma spraying system (APS): Voltage: 30 - 80V
Strom: 400 oder 600A Stromart: GleichstromCurrent: 400 or 600A Type of current: DC
Gasart: 47 Standardlitermenge (SLM) Argon oderGas type: 47 standard liter quantity (SLM) argon or
47 SLM Argon mit 1 2 SLM Wasserstoff Kühlmedium: Wasser lm Vergleich zum herkömmlichen Elektrodenmaterial als Anode mit etwa 2 Gewichtsprozent ThO2 zeigte das erfindungsgemäße Elektrodenmaterial 30 als Anode ein verbessertes Standzeitverhalten, insbesondere eine geringere Veränderung der Oberflächen- morphologie im Piasma-Durchtrittskanal 50.47 SLM Argon with 1 2 SLM hydrogen Cooling medium: water Compared to the conventional electrode material as anode with about 2 percent by weight ThO 2 , the electrode material 30 according to the invention as the anode showed an improved service life behavior, in particular a smaller change in the surface morphology in the piasma passage channel 50.
Die Erfindung betrifft eine Elektrode, insbesondere Anode, aus einem hochschmelzenden metallischen Elektrodenmaterial für Plasmaspritzanlagen, insbesondere Plasmabrenner. Erfindungs- gemäß weist die Elektrode keine oder nur einen geringen Anteil an Werkstoffzusätzen, vor allem keine oder nur einen geringen Anteil an Dotierungen auf, so daß eine Verbesserung der Standzeiteigenschaften erreicht wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Plasmabrenner mit einer erfindungsgemäßen, als Anode an- geschlossenen Elektrode sowie eine entsprechende Plasmaspritzanlage.The invention relates to an electrode, in particular anode, made of a high-melting metal electrode material for plasma spraying systems, in particular plasma torches. According to the invention, the electrode has no or only a small proportion of material additives, especially no or only a small proportion of doping, so that an improvement in the service life properties is achieved. Furthermore, the invention relates to a plasma torch with an electrode according to the invention, connected as an anode, and to a corresponding plasma spraying system.
BezugszeichenlisteReference list
10 Plasmabrenner10 plasma torches
20 Anode (Plasmadüse)20 anode (plasma nozzle)
22 Kathode22 cathode
30 Elektrodenmaterial (gesintertes Wolframpulver)30 electrode material (sintered tungsten powder)
32 Werkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit (Kupfer) 40 Kühlmedium (Wasser)32 material with high thermal conductivity (copper) 40 cooling medium (water)
50 Plasma-Durchtrittskanal 50 plasma passage channel

Claims

Patentansprüche claims
Plasmabrenner (10) für eine thermische Plasmaspritzanlage, umfassend: eine als Anode an eine zugeordnete Stromquelle anschließbare erste Elektrode (20), und eine als Kathode an die Stromquelle anschließbare zweite Elektrode (22), - wobei ein aktiver Elektrodenabschnitt der ersten Elektrode (20), der nach Zündung eines Lichtbogens zwischen den beiden Elektroden (20, 22) mit dem Lichtbogen direkt wechselwirkt, aus einem hochschmelzenden metallischen Elektrodenmaterial (30) besteht und höch- stens einen im Hinblick auf die Elektronenaustrittsarbeit unwesentlichen Anteil an Werkstoffzusätzen in Form von Dotierungen mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit aufweist, wobei ein aktiver Elektrodenabschnitt der zweiten Elek- trode (22), der nach Zündung des Lichtbogens zwischen den beiden Elektroden (20, 22) mit dem Lichtbogen direkt wechselwirkt, aus einem hochschmelzenden metallischen Elektrodenmaterial besteht und zur Verringerung der lonisierungsenergie einen im Hinblick auf die Elek- tronenaustrittsarbeit wesentlichen Anteil an Werkstoffzusätzen in Form von Dotierungen mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit aufweist. A plasma torch (10) for a thermal plasma spray system, comprising: a first electrode (20) which can be connected as an anode to an associated current source, and a second electrode (22) which can be connected to the current source as a cathode, - an active electrode section of the first electrode (20) which, after ignition of an arc, interacts directly with the arc between the two electrodes (20, 22), consists of a high-melting metal electrode material (30) and, at the most, an insignificant proportion of material additives in the form of doping with low doping Having an electron work function, an active electrode section of the second electrode (22), which interacts directly with the arc after ignition of the arc between the two electrodes (20, 22), consists of a high-melting metal electrode material and one with regard to reducing the ionization energy on the elec- tron work function has a significant proportion of material additives in the form of doping with low electron work function.
2. Plasmabrenner (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtsanteil der Dotierungen des aktiven Abschnitts der ersten Elektrode (20) maximal 1 ,0 Gewichtsprozent, vorzugsweise maximal 0,1 Gewichtsprozent, höchstvorzugsweise maximal 0,01 Gewichtsprozent beträgt.2. Plasma torch (10) according to claim 1, characterized in that the proportion by weight of the doping of the active section of the first electrode (20) is at most 1.0 percent by weight, preferably at most 0.1 percent by weight, most preferably at most 0.01 percent by weight.
3. Plasmabrenner (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Elektrodenabschnitt der ersten Elektrode (20) keine Dotierungen aufweist.3. Plasma torch (10) according to claim 1, characterized in that the active electrode section of the first electrode (20) has no doping.
4. Plasmabrenner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial (30) des aktiven Abschnitts der ersten Elektrode (20) oder/und das Elektrodenmaterial des aktiven Abschnitts der zweiten Elektrode (22) unter Anwendung eines pulvermetallurgischen Verfahrens und unter Verwendung eines metallischen Pulvers hergestellt ist.4. Plasma torch (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrode material (30) of the active section of the first electrode (20) and / or the electrode material of the active section of the second electrode (22) using a powder metallurgical method and is made using a metallic powder.
5. Plasmabrenner (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich- net, daß das pulvermetallurgische Verfahren ein Pulveraufbereitungsverfahren, ein Preßverfahren und ein Sinterverfahren umfaßt, ggf. mit nachfolgender materialabhebender oder spanloser Bearbeitung, wie Drehen, Bohren, Erodieren oder Fließdrücken.5. Plasma torch (10) according to claim 4, characterized in that the powder metallurgical process comprises a powder preparation process, a pressing process and a sintering process, optionally with subsequent material-removing or non-cutting processing, such as turning, drilling, eroding or flow pressing.
6. Plasmabrenner (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem metallischen Pulver wenigstens ein Werkstoffzusatz in Form eines sinteraktivierenden Materials zugesetzt ist. 6. Plasma torch (10) according to claim 4 or 5, characterized in that at least one material additive in the form of a sinter-activating material is added to the metallic powder.
7. Plasmabrenner (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als sinteraktivierendes Material wenigstens ein Element der VIII. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente vorgesehen ist.7. Plasma torch (10) according to claim 6, characterized in that at least one element of sub-group VIII of the periodic table of the elements is provided as the sinter activating material.
8. Plasmabrenner (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtsanteil des sinteraktivierenden Materials bis zu 1 Gewichtprozent beträgt.8. Plasma torch (10) according to claim 6 or 7, characterized in that the proportion by weight of the sinter-activating material is up to 1 percent by weight.
9. Plasmabrenner (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das sinteraktivierende Material Nickel, Palladium und/oder Platin umfaßt.9. plasma torch (10) according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the sinter-activating material comprises nickel, palladium and / or platinum.
10. Plasmabrenner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial10. Plasma torch (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode material
Wolfram und/oder Molybdän umfaßt.Tungsten and / or molybdenum comprises.
1 1 . Plasmabrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (20) als Plasmadüse mit einem Plasma-Durchtrittskanal (50) ausgebildet ist.1 1. Plasma torch according to one of the preceding claims, characterized in that the first electrode (20) is designed as a plasma nozzle with a plasma passage (50).
1 2. Plasmabrenner nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Plasma-Durchtrittskanal (50) im aktiven Elektroden- abschnitt der ersten Elektrode (20) vorgesehen ist.1 2. Plasma torch according to claim 1 1, characterized in that the plasma passage channel (50) is provided in the active electrode section of the first electrode (20).
13. Elektrode, insbesondere Anode (20), für thermische Plasmaspritzanlagen bzw. Plasmabrenner (10), mit einem im Betrieb mit einem Lichtbogen direkt wechselwirkenden aktiven Elek- trodenabschnitt überwiegend oder vollständig aus wenigstens einem hochschmelzenden metallischen Elektrodenmaterial (30), dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Elektrodenabschnitt bzw. das Elektrodenmaterial (30) keine Werk- Stoffzusätze oder nur einen geringen Anteil an Werkstoffzusätzen aufweist, insbesondere keine oder nur einen unwesentlichen - insbesondere in Hinblick auf die Elektronenaustrittsarbeit unwesentlichen - Anteil an Dotierungen mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit bzw. energetisch instabiler Elektronenkonfiguration, wie Elemente mit unvollständig besetzten d- bzw. f-Elektronenschalen, oder/und mit Elektronendonatorenwirkung, beispielsweise Oxide und Boride der Elemente der lllb bis IVb Nebengruppe des Periodensystems der Elemente sowie den ersten drei Elementen aus der Lanthanoiden- und Actinoidengruppe, wie ThO2, La2O3,13. Electrode, in particular anode (20), for thermal plasma spraying systems or plasma torches (10), with an active electrode that directly interacts during operation with an arc. Trode section predominantly or completely of at least one high-melting metallic electrode material (30), characterized in that the active electrode section or the electrode material (30) has no material additives or only a small proportion of material additives, in particular none or only an insignificant one - in particular in Insignificant with regard to the electron work function - proportion of doping with low electron work function or energetically unstable electron configuration, such as elements with incompletely occupied d- or f-electron shells, or / and with electron donor action, for example oxides and borides of the elements of the IIIb to IVb subgroup of the periodic table of the elements and the first three elements from the lanthanoid and actinoid groups, such as ThO 2 , La 2 O 3 ,
CeO2, Y2O3 und LaB6.CeO 2 , Y 2 O 3 and LaB 6 .
14. Sinterelektrode, insbesondere Sinteranode (30), für thermische Plasmaspritzanlagen bzw. Plasmabrenner (10), die durch Sintern aus einem hochschmelzenden Metallpulver, insbesondere Wolframpulver, ggf. mit sinteraktivierenden Werkstoffzusätzen, hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Betrieb mit einem Lichtbogen direkt wechselwirkender aktiver Elektrodenabschnitt (30) bzw. das Metallpul- ver keine Werkstoffzusätze oder nur einen unwesentlichen - insbesondere in Hinblick auf die Elektronenaustrittsarbeit unwesentlichen - Anteil an Werkstoffzusätzen in Form von Dotierungen mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit bzw. energetisch instabiler Elektronenkonfiguration, wie Elemente mit unvollständig besetzten d- bzw. f-Elektronenschalen, oder/und mit Elektronendonatorenwirkung, beispielsweise14. Sintered electrode, in particular sintered anode (30), for thermal plasma spraying systems or plasma burners (10), which is produced by sintering from a high-melting metal powder, in particular tungsten powder, optionally with sinter-activating material additives, characterized in that an in operation with an arc Directly interacting active electrode section (30) or the metal powder, no material additives or only an insignificant - especially insignificant with regard to the electron work function - proportion of material additives in the form of doping with low electron work function or energetically unstable electron configuration, such as elements with incompletely occupied d or f electron shells, and / or with electron donor action, for example
Oxide und Boride der Elemente der lllb bis IVb Nebengruppe des Periodensystems der Elemente sowie den ersten drei Elementen aus der Lanthanoiden- und Actinoidengruppe, wieOxides and borides of the elements of the IIIb to IVb subgroup of the Periodic Table of the Elements as well as the first three elements from the lanthanide and actinide groups, such as
ThO2, La2O3, CeO2, Y2O3 und LaB6, aufweist.ThO 2 , La 2 O 3 , CeO 2 , Y 2 O 3 and LaB 6 .
15. Anode (30) mit den Merkmalen des Anspruchs 13 oder/und 14, zur Verwendung in einem Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12.15. Anode (30) with the features of claim 13 or / and 14, for use in a plasma torch according to one of claims 1 to 12.
1 6. Anode nach Anspruch 1 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (30) einen Plasma-Durchtrittskanal (50) aufweist.1 6. Anode according to claim 1 5, characterized in that the anode (30) has a plasma passage channel (50).
1 7. Plasmabrenner (10) für eine thermische Plasmaspritzanlage mit einer Anode (20) nach Anspruch 1 5 oder 1 6.1 7. Plasma torch (10) for a thermal plasma spraying system with an anode (20) according to claim 1 5 or 1 6.
1 8. Plasmabrenner nach Anspruch 1 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kathode (22) eine Elektrode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13 oder 14 vorgesehen ist, wobei der im1 8. Plasma torch according to claim 1 7, characterized in that an electrode is provided as the cathode (22) according to the preamble of claim 13 or 14, wherein the
Betrieb mit einem Lichtbogen direkt wechselwirkende aktive Elektrodenabschnitt dieser Elektrode (Kathode (22)) bzw. deren Elektrodenmaterial bzw. das Metallpulver zur Verringerung der lonisierungsenergie Werkstoffzusätze in Form von Dotierungen mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit bzw. energetisch instabiler Elektronenkonfiguration, wie Elemente mit unvollständig besetzten d- bzw. f-Elektrodenschalen, oder/und mit Elektronendonatorenwirkung, beispielsweise Oxide und Boride der Elemente der lllb bis IVb Nebengruppe des Periodensystems der Elemente sowie den ersten dreiOperation with an arc directly interacting active electrode section of this electrode (cathode (22)) or its electrode material or the metal powder to reduce the ionization energy. Material additives in the form of doping with low electron work function or energetically unstable electron configuration, such as elements with incompletely occupied d or f-electrode shells, and / or with electron donor action, for example oxides and borides of the elements of the IIIb to IVb subgroup the periodic table of the elements and the first three
Elementen aus der Lanthanoiden- und Actinoidengruppe, wieElements from the lanthanoid and actinoid group, such as
ThO2, La2O3, CeO2, Y2O3 und LaB6, aufweist.ThO 2 , La 2 O 3 , CeO 2 , Y 2 O 3 and LaB 6 .
19. Thermische Plasmaspritzanlage mit einer Anode (20) bzw. einem Plasmabrenner (10) nach einem der vorherigen Ansprüche. 19. Thermal plasma spraying system with an anode (20) or a plasma torch (10) according to one of the preceding claims.
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