СПОСОБ ЭКОНОМИЧНОГО ПЛАЗМЕННОГО СВЕРХЗВУКОВОГО НАПЫЛЕНИЯ ВЫСОКОПЛОТНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ И ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF ECONOMY PLASMATIC ULTRASONIC SPATTER OF HIGH-DENSITY POWDER COATINGS AND PLASMATRON FOR ITS IMPLEMENTATION (VERSIONS)

Изобретение относится к плазменно-дуговой технике и порошковой металлургии и предназначено для напыления высокоплотных покрытий с помощью сверхзвуковой плазменной струи.
Известен способ сверхзвукового плазменного газовоздушного напыления высокоплотных покрытий [1], основанный на использовании больших расходов газовоздушной смеси и соответственно удлиненной плазменной струи, вытекающей в затопленное пространство. Мощность, затрачиваемая на генерацию такой струи, достигает 180кВт при высокой производительности, авторы рекомендуют укорачивать длину анодного сопла [1, с.164] для увеличения теплового КПД плазмотрона. Порошок при этом подается под срез сопла или в анодное сопло и, в основном, разгоняется и нагревается в затопленной сверхзвуковой плазменной струе.
Недостатком такого способа является необходимость использования больших мощностей, и соответственно усложнением конструкций плазмотронов из-за увеличенной тепловой нагрузки на детали плазмотронов и низкий коэффициент использования порошком энергии разряда.
Известен также способ [2, с.35-38] сверхзвукового плазменного напыления, основанный на использовании длинной до 150 мм насадки, присоединенной к воздушному плазмотрону. На входе в формирующий канал насадки выполнены два отверстия для ввода несущего газа - воздуха. При мощности 50 кВт расход несущего воздуха в 8 раз больше плазмообразующего, при внутреннем диаметре насадки 10 мм. Очевидно, что температуры обесточенной струи будет не достаточно для плавления тугоплавких соединений и оксидов, по расчетам автора она составляет 2000 К, поэтому этот способ пригоден для металлов и их сплавов с температурой плавления до 2000 К. Нет данных о налипании порошков на стенках канала насадки.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в устранении указанных выше недостатков - предлагается, например, газовоздушный высокорасходный плазмотрон с катодным узлом, межэлектродной вставкой, анодным узлом с цилиндрическим каналом после зоны привязки дуги, порошок вводится после зоны привязки дуги, прогревается и разгоняется в цилиндрическом канале насадки или анодном сопле с длиной канала не более 15 диаметров до истечения в затопленное пространство, при этом для устранения налипания порошка на стенки канала длина его определяется в соответствии с мощностью дуги, расходами газовой смеси и порошка, но не менее 2-3 диаметров канала.
В результате обжатия обесточенной плазменной струи с порошком в охлаждаемом канале насадки или в анодном сопле с длиной канала не более 15 диаметров температура и разгон порошка увеличиваются и сверхзвуковое напыление осуществляется при мощности на 25÷35% меньшей, чем при подаче порошка в анод на расстоянии 0,5÷1 диаметра от среза сопла. Для уменьшения эффекта газодинамического запирания и устранения налипания, диаметр канала насадки должен быть равен или больше 1,2 диаметра анодного сопла. Несмотря на уменьшение теплового КПД плазмотрона, из-за отвода энергии водой, охлаждающей анод и насадку, КПД по использованию энергии порошком увеличивается.
Аналогами плазмотронов для экономичного плазменного сверхзвукового напыления выбран плазмотрон газовоздушный высоковольтный с межэлектродной вставкой [3] и плазмотрон газовоздушный низковольтный с самоустанавливающейся длиной дуги [4], устойчиво работающие при больших расходах плазмообразующих газов.
Плазмотрон газовоздушный высоковольтный состоит из четырех узлов - катодного, промежуточного с межэлектродной вставкой (МЭВ), анодного и добавленной насадки или анодного с удлиненным соплом (фиг.1)
Катодный узел состоит из корпуса 1, в который ввинчивается термохимический катод 2, упираясь в уплотнительную прокладку 3. Катодный узел помещен внутри изолятора 4, в котором имеются прорезанные по касательной к корпусу изолятора пазы или отверстия, на верхней части изолятора 4 помещено кольцо 5 с фиксирующими винтами 6. Изолятор упирается в торец МЭВ 7, которая входит в корпус 8. Уплотнение пространства для охлаждения МЭВ осуществляется прокладками 9 и 10. Корпус 8 имеет в верхней части резьбу для прижимной гайки 11, в нижней - резьбу, на которую навинчивается анодный корпус 12 через изолированные от корпуса МЭВ кольцо 13 с резьбами внутри и с наружи, шайба 14 изолирует МЭВ от анодного корпуса 12. В анодный корпус 12 помещено анодное сопло 15 с прокладками 16 и 17 для уплотнения. Корпус насадки 18 навинчивается на анодный корпус 12. Ниппели для подачи порошка 19 входят через резьбу в корпусе насадки 18 и анодном корпусе 12 и заглублены в тело анодного сопла 15. В корпус насадки 18 помещены сопло 20, прокладки 21 и 22, а в нижней части навинчена уплотняющая гайка 23. К корпусу 18 присоединены ниппели 24 для охлаждения.
Плазмотрон для экономичного плазменного сверхзвукового напыления с анодом сопла с длиной канала не более 15 диаметров отличается от плазмотрона с насадкой конструкцией анодного узла и системой охлаждения. На фиг.2 и фиг.3 показаны системы охлаждения хвостовика анода, отдельно от охлаждения анода, на фиг.4 показано совместное охлаждение.
На фиг 2. показан хвостовик анода 25, на который надета спираль из медной трубки 26, на которую напылено покрытие из алюминия или меди. Нижняя прижимная гайка 27 надевается на хвостовик анода до установки спирали. Ниппели для подачи порошка 28 входят на резьбе в нижней прижимной гайке 27. На фиг.3 показан удлиненный анод, на хвостовик которого надета и запаяна втулка 29 с полостью для охлаждения, вода подается через ниппели 30. На фиг.4 показан анод с совместным охлаждением анода и хвостовика. В аноде 31 сверлятся отверстия со стороны водяных штуцеров под 90 градусов от точек подвода порошка, на хвостовик напаяна втулка с полостью 32. Вода при входе в анодное сопло через отверстие для воды омывает хвостовик анода.
Плазмотрон для экономичного плазменного сверхзвукового напыления высокоплотных порошковых покрытий и плазмотрон для его осуществления (варианты) с насадкой или удлиненным каналом анода работает следующим образом.
После включения системы охлаждения плазмообразующий газ - воздух - подается в кольцевой паз корпуса 9 через тангенциальные пазы или отверстия в изоляторе 4, воздух закручивается при входе в МЭВ, далее при входе в анодное сопло воздушный поток подвергается антизакрутке через шайбу 14. Расход воздуха задается согласно технологии, одновременно с плазмообразующим воздухом подается воздух из дозатора через ниппели подачи порошка. Включается выпрямитель, подается напряжение в цепи катод - МЭВ, после включения осциллятора вспыхивает дежурная дуга, которая отключается после замыкания плазмой цепи катод - анод, устанавливаются заданные величины тока и напряжения. При необходимости подаются пропан-бутан или природный газ при включенной воздушной дуге, при этом напряжение увеличивается. После достижения необходимых значений силы тока, напряжения, расходов газов подается порошок в ниппели 19, который разгоняется и нагревается в канале насадки или в удлиненном канале анода. Максимальная длина канала, при котором нет налипания, определяется экспериментально и зависит от соотношения технологических и конструктивных параметров.
Плазмотрон газовоздушный низковольтный с насадкой показан на фиг.5. Корпус плазмотрона выполнен разъемным из двух частей - верхней 33 и нижней 34. В верхней части размещен катодный узел 35 с изолятором - завихрителем 36, в нижней - анод 37, причем дуговая камера анода состоит из двух цилиндрических каналов - входного и выходного, между которыми имеется поверхность привязки анодного пятна в виде усеченного конуса. В выходной канал помещена вставка 38. Для подачи порошка предусмотрен штуцер 39. На нижнюю часть 34 навинчен корпус насадки 40 с ниппелями водяного охлаждения, в который помещена насадка 41, причем внутренний диаметр насадки равен внутреннему диаметру вставки 38. Уплотнение осуществляется прокладками 42 и 43. Нижняя гайка 44 навинчена на корпус насадки 40 и упирается в насадку 41.
Плазмотрон газовоздушный низковольтный с насадкой работает следующим образом. После включения охлаждения электродов плазмотрона плазмообразующий газ - воздух подается в кольцевой паз верхней части корпуса 33 закручивается через пазы изолятора 36 и, омывая катод 35, истекает через каналы анода 37, вставки 38 и насадки 41 в затопленное пространство. Включается выпрямитель, между катодом и анодом подается напряжение от осциллятора, после чего вспыхивает дуга между катодом и анодом, причем анодное пятно вращается по конусной поверхности. При необходимости подается пропан-бутан или природный газ, при этом напряжение на дуге увеличивается. Подбор всех параметров и геометрии анода обеспечивает отсутствие шунтирования во входном цилиндрическом канале анода. Отсутствие налипания порошка обеспечивается подбором оптимальной длины канала насадки в зависимости от соотношения технологических параметров.
Важнейший технологический параметр - коэффициент использования материала (КИМ) при одной и той же мощности и других параметрах значительно увеличивается при использовании насадки или анода с удлиненным каналом.
В таблице приведены экспериментальные данные о влиянии насадки или анода с удлиненным каналом на КИМ.
Тип устройства
Напряжение U, B
Ток I, A
Расход порошка Q<sub>п</sub>, кг/час
Расход воздуха Q<sub>в</sub>, м<sup>3</sup>/час
Давление воздуха в дозаторе Р,кг/см<sup>2</sup>
Коэффициент использования материала КИМ, %
Без насадки
280
200
5
6
0,5
15
С насадкой или анодным соплом с длиной канала не более 15 диаметров
280
200
5
6
0,5
70
Напылялся оксид алюминия (электрокорунд) фракции М50 (средний размер порошка 40 мкм). Плазмотрон с МЭВ [3] подключался к выпрямителю с напряжением холостого хода 500 В. Расход пропан-бутана составляет 10% от расхода воздуха, покрытие толщиной 1 мм напылялось на пластину из Ст3 на дистанции 250 мм. Соотношение длины канала сопла насадки к диаметру анодного сопла равно 5. Для увеличения КИМ без насадки до 60-70% необходимо было увеличить ток до 250 А или снизить расход воздуха на 30%, что приводило к уменьшению скорости порошка, снижению адгезии и увеличению пористости покрытия.
Несмотря на увеличение теплового КПД плазмотрона из-за отвода энергии при охлаждении насадки или анода с удлиненным каналом коэффициент использования энергии порошком увеличивается на 20÷40%.
Литература
1. С.В.Петров, И.Н.Карп. Плазменное газовоздушное напыление. Киев. Наукова Думка, 1993 г. Академия Украины, институт газа.
2. В.С.Клубникин. Сверхзвуковое плазменное напыление высокоплотных и прочных покрытий. Труды 5-й Международной конференции «Пленки и покрытия 98». 23-25 сентября 1998 г. Под редакцией В.С.Клубникина. Санкт-Петербург 1998 г., с. 35-38.
3. Шестаков А.И., Беленов А.С. Плазмотрон газовоздушный высоковольтный. Патент РФ №2113775 от 5.11.1996 г.
4. Шестаков А.И., Беленов А.С. Плазмотрон газовоздушный низковольтный. Патент РФ №2216133 от 16.07.2002 г.