ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ НАПЫЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к дуговым плазмотронам с аксиальным вводом порошка для изготовления изделий и покрытий методом плазменного напыления.
Известны различные конструкции плазмотронов, которые отличаются по различным признакам, например по месту ввода порошка в плазменную струю. В настоящее время используются четыре основных схемы подачи порошка при плазменном напылении: в столб дугового разряда (в дуговой промежуток); до анодного пятна с использованием части столба дугового разряда; за анодным пятном внутрь канала сопла анода; за срезом сопла анода во внешнюю свободно расширяющуюся часть плазменной струи [1, с. 170; 2, с. 61].
В большинстве существующих на данный момент плазмотронов реализуется радиальная подача порошка за анодным пятном в канал сопла анода или радиальная подача порошка под срез сопла анода, но при этом они имеют наименьший КПД по порошку (около 50% частиц ударяясь об стенку сопла не попадают в высокотемпературную область плазменной дуги и вылетают из сопла не успев расплавиться).
Наиболее эффективный процесс плазменного напыления реализуется в плазмотронах при вводе порошка в столб дугового разряда или в область анодного пятна. При этом достигается наибольший КПД по порошку (до 70%).
Однако недостатком этих конструкций плазмотронов является то, что их практически очень трудно реализовать из-за сложности конструкторских решений по вводу порошка в область дугового разряда, которые позволили бы избежать дестабилизации дуги и образования настылей на внутренней стенки канала сопла анода.
С другой стороны для стабилизации самой плазменной дуги применяют три основных метода: аксиальным или тангенциальным потоком газа и магнитной закруткой столба дуги [3, с. 8]. При этом тангенциальный ввод газа не только эффективнее всего стабилизирует плазменную дугу, но и если частицы порошка попали в ее высокотемпературную область обеспечивает лучшие условия для их нагрева за счет более длительного времени нахождения частиц порошка в плазменной струе, поскольку длина пути частицы порошка при винтовом движении больше, чем при прямолинейном.
Известен плазмотрон [4] 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 содержит катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой. Катод выполнен полым из вольфрама, а в качестве плазмообразующего газа использован инертный газ - аргон.
Однако, такая форма 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 заявляемому изобретению является плазмотрон для напыления [5], содержащий катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой, причем на конце воздушно-охлаждаемого катода под острым углом α к его оси выполнены порошковые каналы диаметром d в количестве n, которые расположены вокруг термохимической катодной вставки с возможностью прохождения через них, закрученной завихрителем, воздушно-порошковой смеси для аксиального ввода ее в столб дугового разряда в дуговом канале водоохлаждаемого сопла анода с одновременным поступлением основного плазмообразующего газа-воздуха, при этом завихритель установлен в центральном канале штуцера-катододержателя воздушно-охлаждаемого катода.
В данной конструкции реализована аксиальная подача воздушно-порошковой смеси и аксиальная стабилизация плазменной дуги, обеспечивающая высокий КПД плазмотрона по порошку (до 80%). При этом, завихрение воздушно-порошковой смеси используется только для повышения равномерности подачи порошка через отверстия в нижней части катода в столб дугового разряда. Недостатками данной конструкции плазмотрона являются:
- Низкая производительность, поскольку при увеличении содержания порошка в воздушно-порошковой смеси или скорости подачи транспортирующего газа каналы забиваются порошком. При этом, если забивается хотя бы один канал, то происходит искривление плазменной струи и на покрытии появляются дефекты, а если забивается несколько каналов, то плазмотрон полностью выходит из строя из-за перегрева, если установка не снабжена системой автоматического контроля давления в линии транспортирующего газа. Причем, не помогает ни увеличение количества порошковых отверстий (даже выше рекомендованных четырех), ни увеличение их диаметра. Так как введение большого количества порошка в столб дугового разряда направленными концентрированными воздушно-порошковыми струями вызывает дестабилизацию дуги из-за возникающей неравномерности теплового режима в разных ее частях. Кроме того, при увеличении диаметра порошковых отверстий часть порошка вылетает из сопла не успев расплавиться из-за высокой теплоемкости «толстой» воздушно-порошковой струи, что приводит к уменьшению КПД плазмотрона по порошку.
Практическая производительность такого плазмотрона при мощности плазменной струи 9-10 кВт (например при напылении оксида алюминия) не превышает 1,2 кг\час, что соответствует КПД плазменной струи 11-12%, хотя КПД плазмотрона по порошку составляет 75-80%;
- Небольшой ресурс работы (30-35) часов сопла анода, вследствие его эрозии от воздействия плазменной струи, поскольку она стабилизируется исключительно методом аксиальной подачи воздушно-порошковой смеси, так как ее вращение относительно центральной оси плазмотрона прекращается при прохождении порошковых каналов. В результате, при небольшом КПД плазменной струи большая часть ее энергии тратится не на нагрев и расплавление порошка, а на нагрев и ионизацию воздуха и на нагрев и эрозию сопла водоохлаждаемого анода;
- Необходимость изготовления нового катода сложной конфигурации при выгорании термостойкой вставки, поскольку по мере ее эрозии разрушается и торец катода.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является увеличение производительности плазмотрона и повышения срока его эксплуатации.
Поставленная задача решается за счет достижения вращательно-поступательного движения воздушно-порошковой смеси при ее подаче в столб дугового разряда.
Данный технический результат достигается за счет введения в нижней части катода второго завихрителя, выполненного в виде усеченного конуса с винтовыми канавками на боковой поверхности, обеспечивающего аксиально-тангенциальную подачу воздушно-порошковой смеси в столб дугового разряда.
Предлагаемый плазмотрон для напыления (фиг. 1) содержит катодный 1 и анодный 2 узлы, которые разделены изоляционной вставкой 3. Анодный узел 2 содержит водоохлаждаемый анод с соплом 4, уплотненный двумя резиновыми кольцами 5. Сопло 4 анода имеет водяное охлаждение, так как основная термическая нагрузка приходится на область анодного пятна дугового разряда. Катодный узел 1 содержит воздушно-охлаждаемый катод 6, который закреплен на конце штуцера-катододержателя 7, в центральном канале 8 которого установлен завихритель 9, позволяющий закрутить воздушно-порошковую смесь при его прохождении по каналу 8.
Для дополнительной закрутки воздушно-порошковой смеси и ввода ее в закрученном состоянии в столб дугового разряда с одновременной подачей основного плазмообразующего газа на конце воздушно-охлаждаемого катода 6 установлен второй завихритель 10 с термостойкой вставкой 11. Если первый завихритель 9 выполнен в виде спирали, то второй завихритель выполнен в виде усеченного конуса с винтовыми канавками на боковой части. Геометрические размеры второго завихрителя 10, а так же размер и количество винтовых канавок и угол наклона винтовой линии зависят от мощности, геометрических размеров плазматрона и требуемой производительности. Второй завихритель 10 крепится в нижней части катода 6 по инструментальной конусной посадке (конусу Морзе), что с одной стороны обеспечивает необходимую прочность и электропроводность соединения, а с другой стороны облегчает разборку и ремонт катодного узла 1 при выгорании термостойкой вставки 11.
В процессе работы плазмотрона плазмообразующий газ (воздух или воздушно-пропановая смесь) проходя через катодный узел 1, обтекает коаксиально катод 6, охлаждая его наружную поверхность. Далее нагретый плазмообразующий газ поступает в дуговой канал анода 2, где он нагревается дугой, ионизируется, ускоряется и выходит из сопла 4 в виде плазменной струи. Одновременно с подачей основного плазмообразующего газа воздушно-порошковая смесь, проходя через завихритель 9, установленный в центральном канале 8 штуцера-катододержателя 7, охлаждает катод 6 по его внутренней поверхности и закручивается, что обеспечивает равномерную и непрерывную подачу нагретой газопорошковой смеси на второй завихритель. При прохождении по винтовым канавкам второго завихрителя 10 воздушно-порошковая смесь дополнительно закручивается и проходит через столб дугового разряда в дуговой канал сопла 4 анода, где происходит окончательный нагрев и ускорение частиц напыляемого порошка.
При этом закрученный вторым завихрителем воздушный поток транспортирующего газа не только лучше охлаждает рабочий конец катода, но и лучше стабилизирует плазменную струю, чем при простой аксиальной подаче воздушно-порошковой смеси, так как частично реализуется метод стабилизации плазменной дуги тангенциальной подачей воздушного потока. А поскольку на всем пути движения стабилизированной вращением воздушно-порошковой смеси не происходит резких смен направления движения, то винтовые канавки не забиваются порошком даже при больших скоростях подачи смеси и более высоком содержании порошка в ней.
Таким образом, предполагаемая конструкция плазмотрона позволяет не только повысить качество стабилизации плазменной дуги и производительность плазматрона по напыляемому порошку, но и увеличить срок эксплуатации плазматрона, вследствие улучшения теплового режима работы водоохлаждаемого анода, поскольку большая часть энергии плазменной струи расходуется на расплавление и доставку частиц материала к изделию.
Пример:
Испытание известной [5] и предлагаемой конструкции плазмотронов проводили на установке плазменного напыления УПН-350. Катод известной конструкции был изготовлен из меди, с четырьмя порошковыми отверстиями с диаметром 1,6 мм при толщине нижней части катода 12 мм. Термостойкая вставка диаметром 2,5 мм была изготовлена из гафния.
Режимы напыления: сила тока 100 А, напряжение 100 В, плазмообразующий и транспортирующий газ-воздух.
-6
Напыляемый материал - порошок электрокорунда марки 25А по ГОСТ 28818-90 фракции F 320 со средним размером частиц 32×10 м (32 мкм). Напыление материала проводили на водоохлаждаемую стальную оправку для изготовления высокоточной термостойкой керамической трубы диаметром 300 мм и длиной 800 мм.
Максимальная производительность плазмотрона по напыляемому материалу составила 1,18 кг\час, КПД по порошку 77,9%, КПД плазменной струи 11,4%. Срок эксплуатации анодного сопла плазмотрона - 36 часов.
Испытание предлагаемой конструкции плазмотрона проводили на той же установке и при аналогичных режимах напыления (изменялось только содержание порошка в воздушно-порошковой смеси).
Катод предлагаемой конструкции плазмотрона был изготовлен из меди с толщиной в нижней части 12 мм с конусным отверстием по конусу Морзе КМ 2 по ГОСТ 25557-2006 (конусность ≈ 1:20). Завихритель был изготовлен из медной цилиндрической заготовки диаметром 17,72 мм и высотой 12 мм. Предварительно на цилиндрической заготовке были нарезаны четыре винтовые канавки под углом 30° к оси цилиндра, ширина канавок - 1,8 мм; высота 1,2 мм. После получения конуса Морзе (КМ 2) из цилиндра диаметр малого основания корпуса стал 17,14 мм, а глубина канавок на малом основании уменьшилась до 0,9 мм. Термостойкая вставка диаметром 2,5 мм была так же изготовлена из гафния.
Максимальная производительность плазмотрона по материалу составила 5,15 кг\час, КПД по порошку 71,6%, КПД плазменной струи 49,8% при сроке эксплуатации анодного сопла плазмотрона - 67 часов.
Как видно из приведенных результатов, использование плазмотрона предлагаемой конструкции позволяет повысить его производительность по напыляемому порошку почти в 4,5 раза при повышении срока эксплуатации в 1,8 раза. При этом некоторое снижение КПД плазмотрона по порошку (на 10%) компенсируется более чем четырехкратным ростом КПД плазменной струи.