ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ АДДИТИВНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения, в частности к дуговым плазмотронам для напыления порошковыми материалами металлических, неметаллических и смешанных покрытий разных толщин на изделия и подложки.
Известны различные конструкции плазмотронов, которые отличаются по различным признакам, например по месту ввода порошка в плазменную струю, для чего существуют четыре основные схемы подачи порошка при плазменном напылении: в столб сжатого дугового разряда (в дуговой промежуток); до анодного пятна с использованием части столба сжатого дугового разряда; за анодным пятном внутрь канала сопла-анода; за срезом сопла анода во внешнюю свободно расширяющуюся часть плазменной струи (см. Ю.С. Борисов, Р.Л. Борисова - Плазменные порошковые покрытия. - Киев, Техника, с. 14; В.В. Кудинов, Г.В. Бобров - Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. - М.: Металлургия, 1992 г., с. 170; В.И. Костиков, С.И. Педос, И.В. Нарамовский, В.П. Милов - Теория и технология покрытий. - М., МИСиС, 1991 г., с. 61).
В большинстве существующих плазмотронов в настоящее время реализуется радиальная подача порошка за анодным пятном в канал сопла анода и радиальная подача порошка под срез сопла-анода, но при этом они имеют наименьший КПД нагрева порошка.
Наиболее эффективный процесс плазменного напыления происходит в плазмотронах при вводе порошка в столб дугового разряда или в область анодного пятна, у которых наибольший КПД нагрева порошка.
Однако, недостатком этих конструкций плазмотронов является отсутствие конструктивных решений по вводу порошка в область дугового разряда, которые позволили бы устранить трудности по стабилизации дуги, образования настылей на внутренней стенке канала сопла-анода, способствующих появлению дефектов в покрытии.
Известна также конструкция плазмотрона с аксиальным вводом порошка в столб дугового разряда, в котором газопорошковая смесь подается к осевому каналу катодного узла, выходит через центральное отверстие катода и входит в дуговой канал сопла-анода. При этом катодный материал (вольфрам) расположен коаксиально к потоку газопорошковой смеси и представляет собой толстостенную трубку с небольшим отверстием. Плазмотрон также содержит катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой. Катод выполнен полым из вольфрама, а в качестве плазмообразующего газа использован инертный газ - аргон (см. Патент США D. Ross, №5008511, 16.04.1991 г.).
Однако недостаток этой конструкции заключается в том, что такая форма термического катода предполагает образование настылей в зоне выхода газопорошковой смеси из катода, нестабильность горения дугового разряда вследствие неравномерной и интенсивной эрозии материала катода в процессе горения дуги, а, следовательно, низкий ресурс эксплуатации плазмотрона.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является плазмотрон для напыления, содержащий катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой и порошковые каналы, выполненные на конце катода и расположенные вокруг катодной вставки (см. Патент РФ, В.Б. Доржиев, №2320102 «Плазматрон для напыления», 20.03.2008 г.). Согласно изобретению, плазмотрон для напыления состоит из катодного и анодного узлов, разделенных изоляционной вставкой. Анодный узел содержит водоохлажадаемый сопло-анод, уплотненный двумя резиновыми кольцами. Катодный узел содержит воздушноохлаждаемый катод с термохимической катодной вставкой, который крепится на конце штуцеракатододержателя, в центральный канал которого вставлен завихритель. Для аксиального ввода газопорошковой смеси в столб дугового разряда на конце воздушноохлаждаемого катода выполнены порошковые каналы, которые расположены вокруг термохимической катодной вставки под острым углом к его оси.
Недостатком этого решения является то, что порошковый материал поступает либо под срез сопла (в этом случае потери порошкового материала могут достигать значения 60%), либо в камеру плазмообразования (в этом случае процесс напыления порошкового материала происходит неравномерно, поскольку порошок скапливается в камере плазмообразования, после чего происходит налипание на стенки камеры и плазмотрон на выходе выдает сгустки полурасплавленного порошкового материала). Также в данной конструкции происходит перегрев порошка, что приводит к выгоранию химических элементов из порошковой смеси.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание плазмотрона для аддитивного выращивания из металлических и неметаллических порошковых материалов путем аксиального ввода порошка в столб дугового разряда за счет конструктивного изменения составных элементов катодного узла.
Технический результат полезной модели - уменьшение потерь, а также предотвращение окисления и перегрева порошкового материала.
Технический результат достигается тем, что в конструкции данной полезной модели порошковый материал поступает к месту непосредственного нанесения, минуя камеру плазмообразования, а плазма образуется вокруг канала выхода газопорошковой смеси и фокусируется в точке за соплом, что позволяет не использовать газовую защиту в данной конструкции. Тем самым, потери порошкового материала становятся меньше, чем при его подаче либо под срез сопла, либо в камеру плазмообразования.
Исходя из чертежа (см. фиг. 1), заявляемая полезная модель состоит из следующих конструктивных элементов: катода 1, трубки 2, водоохлаждаемого радиатора 3, расекателя-завихрителя 4, керамических изоляторов 5 и 7, водоохлаждаемого анода 6, сопла 8.
Принцип действия конструкции данной полезной модели состоит в том, что плазма образуется в камере плазмообразования при поступлении плазмообразующего газа через трубку 2, а также рассекатель-завихритель 4 и образовании дугового разряда между водоохлаждаемым анодом 6 и катодом 1 изолированными между собой керамическими изоляторами 5 и 7. Плазма движется по камере и выходит через кольцевой зазор водоохлаждаемого сопла 8. Затем плазма фокусируется на определенном фокусном расстоянии от среза сопла. Порошковый материал в виде газопорошковой смеси подается через внутренний канал катода 1, минуя камеру плазмообразования, и выходит из центра сопла, попадая в фокусное расстояние. Катод 1 охлаждается за счет водоохлаждаемого радиатора 3 и сопла 8, за счет ребер выполненных на катоде, находящихся в области кольцевого канала в выходной части сопла 8. Таким образом, вокруг газопорошковой струи образуется кольцевая струя плазмы, противодействуя доступу воздуха к порошковому материалу, что предотвращает его окисление и перегревание.