ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
PLASMATRON FOR APPLICATION OF COATINGS

Изобретение относится к области обработки материалов, в частности для нанесения покрытий, и может найти применение в плазмометаллургии, плазмохимии и машиностроительной промышленности.
Известен плазмотрон для напыления преимущественно тугоплавких материалов (RU 2039613 С1, 20.07.1995), содержащий катод в виде стержня с конусом на рабочем конце, сопло-анод, разделяющий их изолирующий элемент и коммуникации для подвода газа, охлаждающей среды и порошка. Конус на рабочем конце катода выполнен усеченным, цилиндрическая и коническая поверхности катода покрыты диэлектрическим слоем, причем рабочий конец катода расположен в сопле-аноде с образованием их боковыми поверхностями конического канала, фокусирующего частицы тугоплавкого материала на оси канала в прикатодной области. Недостатком данного изобретения является раздельная подача порошка с несущим газом и плазмообразующего газа, так что подводимая к дуге электрическая энергия расходуется на нагрев не только порошка, но и несущего порошок газа. Кроме этого диэлектрический слой, покрывающий катод, подвергается значительному эрозионному воздействию порошка.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является плазмотрон для нанесения плазменно-дуговых покрытий с индивидуальным охлаждением анодного и катодного узлов (Орлов В.И. и др. Плазменно-дуговое напыление покрытий. Технология и оборудование: Обзоры по электронной технике. Серия: Технология, организация производства и оборудование. Москва, 1981, вып.18 (833), с.50), выбранный в качестве прототипа. Для стабилизации горения дуги в нем применен вихревой метод стабилизации горения дуги тангенциальной подачей плазмообразующего газа в рабочую камеру. В плазмотроне предусмотрена подача порошка в плазменную струю на срезе водоохлаждаемого сопла-анода. Таким образом, нагрев, диспергирование и разгон частиц напыляемого материала происходит лишь в струе. Недостатком этого плазмотрона является неполное использование энергии плазменной дуги вследствие раздельной подачи плазмообразующего газа и газа, транспортирующего порошок. Это приводит к низкой эффективности процесса плазменного напыления, особенно при напылении тугоплавких материалов, а также к ограничению зоны разгона частиц порошка.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности нагрева и увеличение коэффициента использования порошка с одновременным упрощением конструкции плазмотрона и улучшением эксплуатационных и физико-механических характеристик покрытий, а также качества покрытий путем повышения прочности сцепления покрытия с основой.
Для достижения этого технического результата в плазмотроне для нанесения покрытий, содержащем катод, сопло-анод, изолятор, систему водоохлаждения и каналы ввода плазмообразующего газа и порошка, каналы ввода плазмообразующего газа и порошка объединены в один канал, который через тангенциальные отверстия завихрительного кольца связан с межэлектродным пространством, причем суммарная площадь поперечных сечений входных отверстий завихрительного кольца равна площади критического сечения сопла-анода, причем длина сопла-анода может быть выбрана в диапазоне от 1 до 10 диаметров критического сечения сопла-анода, а канал между катодом, изолятором, завихрительным кольцом и входом в сопло-анод выполнен в виде конуса.
Отличительными признаками предлагаемого плазмотрона для напыления порошковых материалов от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является наличие единого канала для плазмообразующего газа и порошка, применение завихрительного кольца с тангенциальными отверстиями, суммарная площадь поперечных сечений которых равна площади критического сечения сопла, а также конусная форма канала между катодом, изолятором, завихрительным кольцом и входом в сопло-анод.
Единый канал для плазмообразующего газа и порошка кроме упрощения конструкции плазмотрона обеспечивает повышение эффективности нагрева и увеличение коэффициента использования порошка за счет максимального использования энергии плазменной дуги для нагрева, плавления и диспергирования напыляемого порошка, а также его разгона в коническом сверхзвуковом сопле-аноде и в струе, расширяющейся в среду с пониженным давлением, что, как следствие, дает возможность получить качественное покрытие с меньшей пористостью и с большей прочностью сцепления покрытия с основой.
Завихрительное кольцо с тангенциальными отверстиями обеспечивает симметричный поток плазмообразующего газа с порошком, что увеличивает ресурс работы электрода, а следовательно, эффективность работы плазмотрона.
кр
Равенство суммы площадей поперечных сечений отверстий завихрительного кольца критическому сечению сопла-анода d, а также конусная форма канала между катодом, изолятором, завихрительным кольцом и входом в сопло-анод предотвращают торможение и скопление частиц порошка, что также ведет к увеличению коэффициента использования напыляемого порошка. Конусность канала варьируется в диапазоне от 30 до 60° - в зависимости от фракционного состава порошка.
Длина сопла-анода конструктивно может варьироваться в диапазоне от 1 до 10 диаметров критического сечения сопла-анода в зависимости от используемого напыляемого материала, его дисперсности и температуры плавления. Так, для относительно легкоплавких металлов типа Аl используется короткое сопло длиной
кр
кр
(1-3)d до 10 d для тугоплавких материалов типа карбидов и оксидов металлов WC,
2
3
АlO и др.
На чертеже представлено поперечное сечение плазмотрона для нанесения порошковых материалов.
Устройство содержит водоохлаждаемый катод 1, сопло-анод 2 в виде конуса, изолятор 3, завихрительное кольцо 4 с тангенциальными отверстиями 5, канал 6 между завихрительным кольцом 4, катодом 1, изолятором 3 и входом в сопло-анод 2, канал ввода плазмообразующего газа и порошка 7.
Плазмотрон работает следующим образом. Включают подачу охлаждающей воды и рабочего газа, подают напряжение постоянного тока между катодом 1 и соплом-анодом 2. При наличии напряжения постоянного тока между катодом 1 и соплом-анодом 2 возбуждается электрическая дуга. После этого осуществляют подачу порошка в канал ввода подачи рабочего газа 7. Массовые соотношения расходов порошка и рабочего газа для обеспечения устойчивой работы не превышают 50%. Потоком рабочего газа порошок транспортируется через тангенциальные отверстия 5 завихрительного кольца 4 в межэлектродное пространство, далее через критическое сечение сопла-анода 2, где нагревается, плавится. Далее нагрев и диспергирование продолжается в сверхзвуковой части сопла-анода 2, где также происходит интенсивный разгон частиц порошка, что обеспечивает повышенные адгезионные свойства покрытий при нанесении покрытий в среде пониженного давления.
2
2
Предлагаемый плазмотрон для нанесения порошковых материалов имеет следующие характеристики: электрическая мощность на дуге плазмотрона - до 20 кВт, расход плазмообразующего газа - до 5 г/с, расход порошка - до 2 г/с, плазмообразующие газы - воздух, СO, N, Аr. В качестве напыляемых порошков могут быть использованы металлы, оксиды, карбиды и другие материалы.