ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ НАПЫЛЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения, в частности к дуговым плазмотронам для напыления порошковыми материалами металлических и неметаллических покрытий на изделия.
Плазменный метод нанесения покрытий использует энергию дуговых или высокочастотных разрядов. Порошок в высокотемпературный поток подается, как правило, в смеси с транспортирующим газом, функциональное назначение которого - создать газодисперсную смесь с максимально однородным распределением массы дисперсной фазы в объеме и придать частицам скорость, достаточную для их проникновения в наиболее нагретую, центральную часть потока. Расплавленные частицы порошка выдуваются потоком газа и приобретают определенную скорость. При соударении с основой нагретые частицы деформируются и охлаждаются, образуя при этом покрытие. Известны различные конструкции плазмотронов, которые отличаются по различным признакам, например по месту ввода порошка в плазменную струю. 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.
Известен плазмотрон, содержащий катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой, в котором газопорошковая смесь подается к осевому каналу катодного узла, выходит через центральное отверстие катода и входит в дуговой канал сопла-анода. (Патент США, Д. Ross. № 5008511, 16.04.1991 г.)
Однако такая форма термического катода предполагает образование налипаний порошка 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 заявляемому изобретению является плазмотрон для напыления, содержащий катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой и порошковые каналы, выполненные на конце катода и расположенные вокруг катодной вставки. (Патент Россия № 2320102 Плазматрон для напыления).
Такое выполнение катода позволяет уменьшить эрозию катода. Однако ввод порошка по каналам, расположенным под углом к оси плазмотрона, увеличивает вероятность соударения между частицами порошка, сцепления, появления крупных образований, что ухудшает условия его нагрева, и тем самым сказывается на качестве получаемого покрытия.
Технической задачей предлагаемого полезной модели является создание плазмотрона для напыления защитных покрытий из металлических и неметаллических тугоплавких керамических порошковых материалов путем аксиального ввода порошка в столб дугового разряда за счет конструктивного изменения составных элементов катодного узла.
Технический результат полезной модели - повышение качества защитных покрытий за счет высокоэффективного нагрева и максимального ускорения напыляемых частиц порошка, обеспечения равномерности этих параметров по сечению плазменной струи.
1
2
1
2
Технический результат достигается тем, что в плазмотроне для напыления порошковых материалов, содержащем катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой, каналы для аксиального ввода в столб дугового разряда смеси напыляемого порошка с транспортирующим газом, выполненные на конце катода и расположенные вокруг катодной вольфрамовой вставки, упомянутые каналы выполнены параллельно оси катода, при этом расстояние L от оси каждого канала до оси катода (D-d)*0,5≤L≤(D-d)*0,5, где D - диаметр катодной вольфрамовой вставки, D - диаметр минимального сечения сопла анодного узла, a d - диаметр канала.
При предлагаемом в полезной модели вводе порошка в область дугового разряда вектор скорости каждой частицы порошка параллелен оси плазмотрона, что создает наилучшие условия прохождения частиц через столб дугового разряда в потоке плазмообразующего газа без соударений между частицами порошка, приводящих к увеличению их размеров, что оказывает сильное влияние на нагрев и ускорение напыляемого материала. Как известно, энтальпия и скорость снижаются по закону, близкому к экспоненциальной зависимости, при увеличении размера частиц. Размеры зоны проплавления частиц возрастают при увеличении энтальпии струи и снижении размера напыляемого материала. Прочность же сцепления частиц напыляемого порошка с основой напрямую зависит от их перегрева выше температуры плавления, так как при этом повышается контактная температура, и процесс химического взаимодействия резко ускоряется.
Кроме того, поскольку энергетическое и агрегатное состояние напыляемого материала в существенной мере определяется траекторией движения частиц в плазменной струе, значит, при отсутствии вынужденных поворотов потока газопорошковой смеси в канале плазмотрона движение частиц будет происходить без потерь осевой скорости.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где изображен плазмотрон для напыления со схемой ввода порошка.
Плазмотрон для напыления содержит катодный 1 и анодный 2 узлы, которые разделены изоляционной вставкой 3. Катодный узел 1 содержит водоохлаждаемый катод 4 с вольфрамовой катодной вставкой 5. Для аксиального ввода газо-порошковой смеси в столб дугового разряда на конце водоохлаждаемого катода 4, выполнены порошковые каналы 6, которые расположены вокруг вольфрамовой катодной вставки 5 параллельно оси катода 4.
1
2
1
2
1
2
Расстояние L от оси каждого канала 6 до оси катода находится в интервале (D-d)*0,5≤L≤(D-d)*0,5, где D - диаметр катодной вольфрамовой вставки 5, D - диаметр минимального сечения сопла 7 анодного узла 2, a d - диаметр порошкового канала 6. При таком исполнении катодного узла обеспечивается движение газопорошковой смеси параллельно оси катода. При L>(D-d)*0,5 поток смеси ударяет о стенку сопла анодного узла 2, и траектория движения частиц газо-порошковой смеси перестает быть прямолинейной. Кроме того, при этом может иметь место налипания порошка на стенки сопла. Расстояние L≤(D-d)*0,5 выбрано по технологическим условиям выполнения вольфрамовой катодной вставки 5.
При таком исполнении катодного узла снижается отрицательное влияние порошка на стабильное горение дуги.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом:
Одним из известных способов возбуждается электрическая дуга между катодным 1 и анодным 2 узлами. Напыляемый материал транспортируют через порошковые каналы 6 катода 4, соединенные с системой подачи напыляемого материала (не указано) в приосевую высокотемпературную область дугового разряда. где частицы порошка нагреваясь, одновременно приобретают высокую скорость. Далее расплавленные частицы материала при соударении с основой деформируются и охлаждаются, образуя при этом покрытие.
Выполнение на конце катода параллельно его оси порошковых каналов, расположенных вокруг вольфрамовой катодной вставки, обеспечивает прохождение частиц порошка через столб дугового разряда и область анодного пятна с наиболее эффективным нагревом, ускорением частиц напыляемого порошка и достижением высокой плотности распределения частиц напыляемого порошка с заданной температурой в гетерогенной плазменной струе.