ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ НАПЫЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к дуговым плазмотронам с аксиальным вводом порошка для изготовления изделий и покрытий методом плазменного напыления.
Известны различные конструкции плазмотронов, которые отличаются по различным признакам, например по месту ввода порошка в плазменную струю. В настоящее время используются четыре основных схемы подачи порошка при плазменном напылении: в столб дугового разряда (в дуговой промежуток); до анодного пятна с использованием части столба дугового разряда; за анодным пятном внутрь канала сопла анода; за срезом сопла анода во внешнюю свободно расширяющуюся часть плазменной струи [1, с. 170; 2, с. 61].
В большинстве существующих на данный момент плазмотронов реализуется радиальная подача порошка за анодным пятном в канал сопла анода или радиальная подача порошка под срез сопла анода, но при этом они имеют наименьший КПД по порошку (около 50% частиц, ударяясь об стенку сопла, не попадают в высокотемпературную область плазменной дуги, и вылетают из сопла, не успев расплавиться).
Наиболее эффективный процесс плазменного напыления реализуется в плазмотронах при вводе порошка в столб дугового разряда или в область анодного пятна. При этом достигается наибольший КПД по порошку (до 70%).
Однако недостатком этих конструкций плазмотронов является то, что их практически очень трудно реализовать из-за сложности конструкторских решений по вводу порошка в область дугового разряда, которые позволили бы избежать дестабилизации дуги и образования настылей на внутренней стенки канала сопла анода.
С другой стороны для стабилизации самой плазменной дуги применяют три основных метода: аксиальным или тангенциальным потоком газа и магнитной закруткой столба дуги [3, с. 8]. При этом тангенциальный ввод газа не только эффективнее всего стабилизирует плазменную дугу, но и если частицы порошка попали в ее высокотемпературную область, обеспечивает лучшие условия для их нагрева за счет более длительного времени нахождения частиц порошка в плазменной струе, поскольку длина пути частицы порошка при винтовом движении больше, чем при прямолинейном.
Известен плазмотрон для напыления [4], содержащий катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой, причем на конце воздушно-охлаждаемого катода под острым углом α к его оси выполнены порошковые каналы диаметром d в количестве n, которые расположены вокруг термохимической катодной вставки с возможностью прохождения через них, закрученной завихрителем, воздушно-порошковой смеси для аксиального ввода ее в столб дугового разряда в дуговом канале водоохлаждаемого сопла анода с одновременным поступлением основного плазмообразующего газа - воздуха, при этом завихритель установлен в центральном канале штуцера-катододержателя воздушно-охлаждаемого катода.
В данной конструкции реализована аксиальная подача воздушно-порошковой смеси и аксиальная стабилизация плазменной дуги, обеспечивающая высокий КПД плазмотрона по порошку (до 80%). При этом завихрение воздушно-порошковой смеси используется только для повышения равномерности подачи порошка через отверстия в нижней части катода в столб дугового разряда. Недостатками данной конструкции плазмотрона являются:
- Низкая производительность. При мощности плазменной струи 9-10 кВт (например при напылении оксида алюминия) она не превышает 1,2 кг\час, что соответствует КПД плазменной струи 11-12%, хотя КПД плазмотрона по порошку составляет 75-80%;
- Небольшой ресурс работы (30-35) часов сопла анода, вследствие его эрозии от воздействия плазменной струи, поскольку она стабилизируется исключительно методом аксиальной подачи воздушно - порошковой смеси, так как ее вращение относительно центральной оси плазмотрона прекращается при прохождении порошковых каналов. В результате, при небольшом КПД плазменной струи большая часть ее энергии тратится не на нагрев и расплавление порошка, а на нагрев и ионизацию воздуха и на нагрев и эрозию сопла водоохлаждаемого анода;
- Необходимость изготовления нового катода сложной конфигурации при выгорании термостойкой вставки, поскольку по мере ее эрозии разрушается и торец катода.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является плазмотрон [5] (Фиг. 1), содержащий катодный 1 и анодный 2 узлы, которые разделены изоляционной вставкой 3. Анодный узел 2 содержит водоохлаждаемый анод с соплом 4, уплотненный двумя резиновыми кольцами 5. Сопло 4 анода имеет водяное охлаждение, так как основная термическая нагрузка приходится на область анодного пятна дугового разряда. Катодный узел 1 содержит воздушно-охлаждаемый катод 6, который закреплен на конце штуцера-катододержателя 7, в центральном канале 8 которого установлен завихритель 9, позволяющий закрутить воздушно-порошковую смесь при его прохождении по каналу 8.
Для дополнительной закрутки воздушно-порошковой смеси и ввода ее в закрученном состоянии в столб дугового разряда с одновременной подачей основного плазмообразующего газа на конце воздушно-охлаждаемого катода 6 установлен второй завихритель 10 с термостойкой вставкой 11. При этом второй завихритель выполнен в виде усеченного конуса с винтовыми канавками на боковой части. Второй завихритель 10 крепится в нижней части катода 6 по инструментальной конусной посадке (конусу Морзе), что с одной стороны обеспечивает необходимую прочность и электропроводность соединения, а с другой стороны облегчает разборку и ремонт катодного узла 1 при выгорании термостойкой вставки 11.
Недостатками данной конструкции плазмотрона являются:
- Не очень высокая производительность, поскольку при увеличении содержания порошка в воздушно-порошковой смеси или давления транспортирующего газа винтовые канавки второго завихрителя забиваются порошком. При этом, если забивается хотя бы одна канавка, то происходит искривление плазменной струи и на покрытии появляются дефекты, а если забивается несколько канавок, то плазмотрон полностью выходит из строя из-за перегрева.
- Низкий КПД плазмотрона по порошку (на уровне 70-75%), указанный в описании к патенту на известную конструкцию плазматрона.
Причиной невозможности увеличения производительности плазматрона известной конструкции путем повышения давления транспортирующего газа является турбулентность, возникающая на большом основании конуса (торце) второго завихрителя. При этом частицы порошка, ударяясь об него при высоком давлении транспортирующего газа, теряют свою скорость и скапливаются в образующейся "мертвой зоне".
Далее, по достижении некоторого критического значения массы скопившихся частиц, начинает происходить периодическое частичное разрушение "мертвой зоны", при котором большие порции слежавшегося порошка попадают в винтовые канавки, что и вызывает их закупорку.
В случае же, если вырвавшаяся из "мертвой зоны" порция порошка успешно преодолевает винтовую канавку, то она не успевает полностью расплавиться в плазменной струе из-за своей массы. Этим и объясняется низкий КПД плазмотрона по порошку.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является увеличение производительности плазмотрона и повышение его КПД по порошку.
Поставленная задача решается за счет исключения турбулентности, возникающей перед вторым завихрителем.
Данный технический результат достигается за счет выполнения второго завихрителя в виде двойного конуса, при этом его коническая поверхность, обращенная вершиной к первому завихрителю, имеет основание с диаметром D=D1-2h, где D1 - диаметр большого основания усеченной конической поверхности, a h- глубина винтовой канавки на основании D1.
Предлагаемый плазмотрон для напыления показан на фиг.2.
В процессе работы плазмотрона плазмообразующий газ (воздух или воздушно-пропановая смесь) проходя через катодный узел 1, обтекает коаксиально катод 6, охлаждая его наружную поверхность. Далее нагретый плазмообразующий газ поступает в дуговой канал анода 2, где он нагревается дугой, ионизируется, ускоряется и выходит из сопла 4 в виде плазменной струи. Одновременно с подачей основного плазмообразующего газа воздушно-порошковая смесь, проходя через завихритель 9, установленный в центральном канале 8 штуцера-катододержателя 7, охлаждает катод 6 по его внутренней поверхности и закручивается, что обеспечивает равномерную и непрерывную подачу нагретой газопорошковой смеси на второй завихритель.
Далее воздушно-порошковая смесь по первой конусной поверхности, обращенной вершиной к первому завихрителю, попадает прямо в область винтовых канавок внешней (второй) конической поверхности второго завихрителя.
При прохождении по винтовым канавкам второго завихрителя 10 воздушно-порошковая смесь дополнительно закручивается и проходит через столб дугового разряда в дуговой канал сопла 4 анода, где происходит окончательный нагрев и ускорение частиц напыляемого порошка.
А поскольку на всем пути движения стабилизированной вращением воздушно-порошковой смеси не происходит резких смен направления движения и отсутствует "мертвая зона", то подача порошка в винтовые канавки происходит более равномерно и они не забиваются порошком даже при больших скоростях подачи смеси и более высоком содержании порошка в ней.
Таким образом, предполагаемая конструкция плазмотрона позволяет не только повысить производительность плазматрона по напыляемому порошку, но и увеличить КПД плазматрона по порошку.
Пример:
Испытание известной [5] и предлагаемой конструкции плазмотронов проводили на установке плазменного напыления УПН - 350. Катод известной конструкции плазмотрона был изготовлен из меди с толщиной в нижней части 12 мм с конусным отверстием по конусу Морзе КМ 2 по ГОСТ 25557-2006 (конусность≈1:20).
Второй завихритель был изготовлен из медной цилиндрической заготовки диаметром 17,72 мм и высотой 12 мм. Предварительно на цилиндрической заготовке были нарезаны четыре винтовые канавки под углом 30° к оси цилиндра: ширина канавок - 1,8 мм; глубина - 1,2 мм. После получения конуса Морзе (КМ 2) из цилиндрической заготовки, диаметр малого основания усеченного конуса стал 17,14 мм, а глубина канавок на малом основании уменьшилась до 0,9 мм. Термостойкая вставка диаметром 2,5 мм была изготовлена из гафния.
Режимы напыления: сила тока 100 А, напряжение 100 В, плазмообразующий и транспортирующий газ-воздух, давление воздуха на входе в плазматрон изменяли от 1,5 до 4,0 атм.
Напыляемый материал - порошок электрокорунда марки 25А по ГОСТ 28818-90 фракции F 320 со средним размером частиц 32 мкм. Напыление материала проводили на водоохлаждаемую стальную оправку для изготовления высокоточной термостойкой керамической трубы диаметром 200 мм и длиной 500 мм.
Максимальная производительность плазмотрона по напыляемому материалу составила (при давлении воздуха 2,6 атм) 5,27 кг\час, КПД по порошку - 72,1%, КПД плазменной струи - 49,9%. При увеличении давления воздуха выше 2,6 атм происходила закупорка винтовых канавок второго завихрителя.
Испытание предлагаемой конструкции плазмотрона проводили на той же установке, на том же катоде и при аналогичных режимах напыления.
Второй завихритель был изготовлен из медной цилиндрической заготовки диаметром 17,72 мм (D1) и высотой 16 мм. Предварительно на одном конце цилиндрической заготовки (на длине 4 мм) диаметр заготовки был уменьшен до 15,32 мм (D). На другом конце цилиндрической заготовки (на длине 12 мм) были нарезаны четыре винтовые канавки под углом 30° к оси цилиндра: ширина канавок - 1,8 мм; глубина (h) - 1,2 мм. После получения конуса Морзе (КМ 2) на втором конце цилиндрической заготовки диаметр малого основания усеченного конуса стал 17,14 мм, а глубина канавок на малом основании уменьшилась до 0,9 мм. Далее для придания второму завихрителю форму двойного конуса, на оставшемся цилиндрическом конце заготовки диаметром D был выточен конус (конусность 2:1). Термостойкая вставка диаметром 2,5 мм была так же изготовлена из гафния.
Максимальная производительность плазмотрона по материалу (при давлении воздуха 3,6 атм) составила 7,64 кг\час, КПД по порошку 81,3%, КПД плазменной струи 54,4%. При увеличении давления воздуха выше 3,6 атм наблюдалась закупорка винтовых канавок второго завихрителя. Как видно из приведенных результатов, использование плазмотрона предлагаемой конструкции позволяет увеличить его производительность по напыляемому порошку почти на 40% при повышении КПД по порошку более чем на 10%.
/56/ Источники, принятые во внимание:
1. В.В. Кудинов, Г.В. Бобров - Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. - М.: Металлургия, 1992 г.
2. В.И. Костиков, С.И. Педос, И.В. Нарамовский, В.П. Милов - Теория и технология покрытий. - М., МИСиС, 1991 г.
3. В.В. Кудинов - Плазменные покрытия. - М.: Наука, 1977 г.
4. Патент РФ №2320102, Н05Н 1/42, С23С 4/00, В05В 7/22, оп. 20.03. 2008 г.
5. Патент РФ на полезную модель №142250, Н05Н 1/42, оп. 20.06.2014.