Плазменная горелка для напыления металлов и тугоплавких соединений

Предложенная плазменная горелка относится к области плазменной техники и предназначена для нанесения покрытий из порошковых материалов.
Известна плазменная горелка для напыления порошковых материалов, содержащая корпус, катодный и анодный узлы, электроизоляционную вставку, одноконтурную систему охлаждения, водяную и газовую магистрали (Бобров Г.В., Ильин А.А. Нанесение неорганических покрытий. Учебное пособие для студентов ВУЗов. - М.: Интермет Инжиниринг, 2004. - 624 с).
Недостатком плазменной горелки является низкая эффективность напыления покрытий из тугоплавких материалов и малый ресурс эксплуатации из-за протекания интенсивных эрозионных процессов в анодном и катодном узлах.
Наиболее близкой по технической сущности является плазменная горелка для напыления металлов и окислов, содержащая корпус, катодный и анодный узлы, изолятор, двухконтурную систему охлаждения, водяные и газовые магистрали (Патент №142944, МПК H05H 1/26, опубл. 10.07.2014).
Недостатком плазменной горелки является недостаточная эффективность процесса напыления при нанесении покрытий из тугоплавких материалов и частиц больших размеров.
Задачей полезной модели является повышение эффективности процесса напыления при нанесении функциональных покрытий из тугоплавких порошковых материалов с широким диапазоном размеров частиц.
Задача решается за счет того, что плазменная горелка для напыления металлов и тугоплавких соединений, содержащая корпус, двухконтурную систему охлаждения, катодный узел, анодный узел, изолятор, манжету, каналы для подачи порошкового материала, водяные и газовые магистрали, согласно полезной модели снабжена дополнительным дозирующим модулем, соединенным при помощи транспортных магистралей с каналами для подачи порошкового материала и состоящим из электродвигателя, профилированного вала и расходной шайбы.
Дозирующий модуль служит для изменения длины области ядра плазменной струи и обеспечивает возможность эффективного проплавления на заданную глубину частиц как металлического, так и тугоплавкого материалов без замены плазмотрона. Нагрев, ускорение и перенос порошкового материала в ядре плазменной струи малой длины позволяет не полностью расплавлять частицы и предотвращает их налипание на корпус плазмотрона. Транспортировка порошкового материала в ядре плазменной струи большей длины способствует существенному повышению температуры нагрева более крупных частиц за счет увеличения времени их движения в высокотемпературной области струи и обеспечивает проплавление частиц тугоплавкого материала.
Сущность технологического решения поясняется чертежами:
на фиг. 1 представлена конструкция плазмотрона;
на фиг. 2 представлен профилированный вал;
на фиг. 3 представлена дозирующая шайба.
Заявляемая плазменная горелка состоит из четырех главных узлов: катодного, анодного, изолятора и дозирующего модуля. А также имеет двухконтурную систему охлаждения.
Анодный узел включает в себя корпус 1, сопло-анод 2 с жестко зафиксированным в нижней части входным штуцером 3, соединяющимся с первым кабелем-шлангом.
Катодный узел включает в себя катододержатель 4, катод 5 с жестко зафиксированным в нижней части выходным штуцером 6, соединяющимся со вторым кабелем-шлангом.
Изолятор 7 расположен между анодным и катодным узлами и имеет отверстия для циркуляции охлаждающей жидкости (воды) от анодного узла к катодному.
Двухконтурная система охлаждения состоит из входного штуцера 3 и выходного штуцера 6, а также магистралей, каналов и перетекателя.
В качестве уплотнений в плазменной горелке используются эластичные манжеты 8-13.
Имеются два канала 14 для подачи порошкового материала.
Дозирующий модуль включает в себя профилированный вал 15, внутри которого расположен канал 16 для подачи транспортного газа. Левый торец вала фиксируется в роторе электродвигателя, на правый профилированный торец крепится съемная дозирующая шайба 17, соединяющаяся посредством транспортной магистрали с каналом для подачи порошкового материала.
Плазменная горелка для напыления металлов и тугоплавких соединений работает следующим образом.
Охлаждаемый изнутри проточной водой катодный узел с коническим стержневым катодом 5 располагается вдоль оси горелки. Ниже установлен анодный узел с конусным входным отверстием. Анодный узел также охлаждается водой.
Плазмообразующий газ вводится непосредственно в полость, окружающую конусный наконечник катода 5. Дуга возбуждается между конусным наконечником катода 5 и входным конусным отверстием анода 2 и вытягивается плазмообразующим газом.
Профилированный вал 15 с закрепленной на нем дозирующей шайбой 17 приводится во вращение посредством электродвигателя. Транспортный газ подается через транспортный канал внутри вала 15 и вместе с порошковым материалом проходит через технологические отверстия во вращающейся совместно с валом дозирующей шайбе 17 и поступает в транспортную магистраль, а затем попадает в анодный канал плазменной горелки.
За счет изменения скорости вращения дозирующей шайбы 17 обеспечивается возможность увеличения длины высокотемпературного участка плазменной струи без использования дополнительных насадок.
При подаче дозированной порции порошкового материала и транспортного газа в анодный канал температура плазменной струи изменяется незначительно, а длина ядра плазменной струи увеличивается от (15-20) мм до 45 мм. Данный факт экспериментально установлен методом высокоскоростной видеосъемки.
Движение порошкового материала в более протяженном ядре плазменной струи способствует эффективному проплавлению крупных частиц и частиц тугоплавкого материала за счет увеличения времени пребывания в высокотемпературной области плазменной струи.
Использование заявляемой плазменной горелки позволит повысить эффективность процесса напыления при нанесении функциональных покрытий из тугоплавких порошковых материалов с широким диапазоном размеров частиц за счет увеличения длины ядра плазменной струи. Использование дозирующего модуля позволит обеспечить эффективное проплавление тугоплавких материалов без увеличения мощности плазменной дуги и без снижения эксплуатационного ресурса, что повысит экономическую эффективность от использования заявляемой плазменной горелки.