ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ НАПЫЛЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК H05H1/42 C23C4/00 B23K10/00 

Изобретение относится к сварочному производству и касается плазмотронов, используемых при изготовлении и восстановительном ремонте деталей машин, для образования защитных и декоративных покрытий путем нанесения порошковых материалов на подготовленные поверхности.

Плазменное напыление характеризуется тем, что частицы порошкового материала осаждают на подготовленную поверхность в оплавленном состоянии. Это позволяет соединить разнородные материалы и образовывать износостойкие, термостойкие, жаростойкие и другие покрытия. Для целей напыления наиболее предпочтительным является дуговой разряд, возбуждаемый между электродами, что связано с высокой эффективностью преобразования электрической энергии в тепловую. Протекающие при этом злектроплазменные процессы характеризуются большим количеством параметров, которые прямо или косвенно влияют на ход технологического процесса напыления. Это способствует гибкости процесса, но в то же время создает определенные трудности при выборе оптимальных режимов.

Применяемые для напыления плазмотроны можно разделить на две группы. К первой группе относятся те, у которых катод расположен вблизи анода. Ко второй группе относятся плазмотроны, у которых катод и анод отделены друг от друга межэлектродной вставкой.

К первой группе относится плазмотрон (а. с. СССР N 727369, кл. В23К 9/16), содержащий корпус, установленные в корпусе катод и охлаждаемое сопло-анод, каналы подачи плазмообразующего газа и напыляемого порошка. Плазмотроны такого типа обеспечивают качественное покрытие при токах дуги более 300 А. При меньших значениях тока дуги такие плазмотроны не обеспечивают качество покрытия, что обусловлено недостаточной длиной дуги (она не успевает развиться) и ее малыми поперечными размерами. Это приводит к ассиметрии горения дуги в канале и неравномерности нагрева плазмообразующего газа, т.е. к нестабильности нагрева частиц напыляемого материала в плазменной струе. Увеличением тока дуги свыше 300 А можно исключить это явление, однако в этом случае увеличивается тепловая нагрузка на катод и сопло-анод, что приводит к значительной их эрозии.

Уменьшить эрозию электродов можно несколькими путями. Применить особо чистые плазмообразующие газы, но это повышает стоимость процесса напыления. Увеличить расход газа, что, с одной стороны, приведет к удорожанию процесса напыления, а с другой к ухудшению качества покрытия в силу низкого теплосодержания потока плазмы и уменьшения времени пребывания частиц напыляемого материала в плазменной струе. Применение соленоидов затрудняет ввод и нагрев порошкового материала в плазменной струе и увеличивает поперечные размеры плазмотрона, а это в свою очередь затрудняет, а иногда делает и невозможным обработку внутренних поверхностей деталей типа труб или стаканов.

Следует обратить внимание также на то, что увеличение тока дуги приводит к увеличению плотности покрытия только до состояния, при котором весь вводимый порошок достаточно хорошо нагревается в плазменной струе. При дальнейшем увеличении тока происходит сильное испарение порошка, и в связи с этим ухудшается плотность покрытия и уменьшается количество осаждаемого материала.

Наиболее близким по технической сущности по отношению к изобретению является плазмотрон для напыления порошковых материалов (патент РФ N 2005584, кл. В23К 10/00), содержащий корпус, расположенные в корпусе охлаждаемые катодный и анодный узлы с токоподводами, секционированную межэлектродную вставку, расположенную между катодным и анодным узлами, канал подачи плазмообраэующего газа и канал вдувания порошка в струю плазмы. Секционированная межэлектродная вставка у этого плазмотрона выполнена в виде секций с цилиндрическими соосно расположенными каналами.

Плазмотроны такого типа имеют определенные преимущества по сравнению с плазмотронами, относящимися к первой группе. Длина дуги у таких плазмотронов может быть значительно увеличена при условии, что длина дугового канала каждой секции вставки не превышает его диаметр, и в связи с этим необходимая мощность достигается при более низких токах. Однако у этих плазмотронов с использованием активных плазмообразующих газов с увеличением их мощности снижается степень сжатия дуги, ухудшается формирование газового потока, что может послужить причиной недостаточной плотности теплового потока плазменной струи, а также может привести к снижению ее скорости, кроме того, наблюдается слабое воздействие газового потока на анодный участок электрической дуги.

Целью изобретения является повышение тепловых и газодинамических характеристик плазмотрона.

В основу изобретения была положена задача разработать конструкцию плазмотрона, которая обеспечила бы его длительную эксплуатацию с обеспечением высокого качества напыляемой поверхности.

Указанная задача решается тем, что в плазмотроне для напыления порошковых материалов, содержащем корпус, расположенные в корпусе охлаждаемые катодный и анодный узлы с токоподводами, секционированную межэлектродную вставку, расположенную между катодным и анодным узлами, канал подачи плазмообразующего газа и канал вдувания порошка в струю плазмы, согласно изобретению, каждая секция вставки образована сужающейся частью со стороны катодного узла, переходящей в расширяющуюся часть по направлению к анодному узлу, причем диаметр перехода от сужающейся к расширяющейся частям каждой последующей секции не меньше наружного диаметра расширяющейся части предыдущей секции, а соединение секций вставки между собой и соединение секции вставки с анодным узлом осуществлено с образованием в местах соединения зон расширения, при этом входной канал анодного узла выполнен в виде двух сопряженных конусов, сужающихся в направлении к его выходному цилиндрическому участку, вблизи выходного среза которого расположен канал вдувания порошка в струю плазмы, причем отношение углов при вершине большего конуса к меньшему выполнено в пределах 1,5-2.

Целесообразно длину расширяющейся части секции вставки выполнить в пределах 1-2 диаметров перехода от сужающейся к расширяющейся частям секции вставки.

Расширяющаяся и сужающаяся части секций вставки могут быть выполнены в виде прямых конусов.

Желательно угол конусности расширяющейся части каждой секции вставки выполнить в пределах 3-20^o, а угол конусности каждой сужающейся части секции вставки выполнить в пределах 30-60^o.

Возможно каждую секцию вставки выполнить в виде сопла, внутренняя поверхность которого выполнена по форме внутренней поверхности сопла Лаваля.

Такое выполнение плазмотрона, в котором каждая секция вставки образована сужающейся частью со стороны катодного узла, переходящей в расширяющуюся часть по направлению к анодному узлу, причем диаметр перехода от сужающейся к расширяющейся частям каждой последующей секции не меньше наружного диаметра расширяющейся части предыдущей секции, а соединение секций вставки между собой и соединение секции вставки с анодным узлом осуществлено с образованием в местах соединения зон расширения, позволяет повысить мощность плазменной струи при том же самом токе дуги и расходе газа при одновременном увеличении скорости плазменной струи. При этом повышение мощности плазменной струи не вызовет повышенную эрозию анода, поскольку ток дуги остался неизменным. Выполнение же входного канала анодного узла в виде двух сопряженных конусов, сужающихся в направлении к его выходному цилиндрическому участку, обеспечивает равномерное поле скоростей истечения плазменной струи, снижает степень и масштаб турбулентности и позволяет создать квазиламинарный участок плазменной струи, что упрощает ввод порошкового материала в плазменную струю.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема плазмотрона, на фиг. 2 - вариант секции секционированной межэлектродной вставки.

Плазмотрон 1 для напыления порошковых материалов содержит корпус 2, выполненный из изоляционного материала, расположенные в корпусе катодный 3 и анодный 4 узлы, отделенные друг от друга секционированной межэлектродной вставкой 5. Катодный узел 3 содержит катод 6 из металлического материала с низкой работой выхода электронов, канал 7 для подвода охлаждающей среды и канал 8 подачи плазмообразующего газа. Анодный узел 4 содержит сопло-анод 9, входной канал которого выполнен в виде двух сопряженных конусов 10 и 11, сужающихся в направлении к его выходному цилиндрическому участку 12, и канал 13 для подвода охлаждающей среды. Вблизи выходного среза цилиндрического участка 12 расположен канал 14 вдувания порошкового материала в струю плазмы. Отношение углов при вершине большего 10 конуса к меньшему 11 выходного канала сопла-анода 9 выполнено в пределах 1,5-2.

Секционированная межэлектродная вставка 5 представляет собой набор соединенных между собой секций 15, при этом в местах соединения секций образованы зоны расширения 16, а в месте соединения нижней секции вставки с анодным узлом 4 образована зона расширения 17. Каждая секция 15 вставки образована сужающейся частью 18 со стороны катодного узла 3, переходящей в расширяющуюся часть 19 по направлению к анодному узлу 4, причем диаметр перехода от сужающейся к расширяющейся частям каждой последующей секции не меньше наружного диаметра расширяющейся части предыдущей секции. Длины расширяющихся частей 19 секций 15 вставки 5 выполнены в пределах 1-2 диаметров перехода от сужающихся к расширяющимся частям секций вставки.

Связь катодного узла 3 и анодного узла 4 с источником питания осуществляется через токоподводы 20.

Сужающиеся и расширяющиеся части секций вставки могут быть выполнены в виде конусов (фиг.1) или в виде сопла (фиг. 2), внутренняя поверхность которого выполнена по форме внутренней поверхности сопла Лаваля. В этом случае улучшается характер образования зоны охлаждающего газа вдоль стенки секции по сравнению с коническими расширяющимися и сужающимися частями секций вставки, но трудоемкость их изготовления выше.

Угол конусности расширяющейся части каждой секции вставки выполнен в пределах 3-20^o, а угол конусности каждой сужающейся части секции вставки выполнен в пределах 30-60^o.

Выбор указанных интервалов изменения параметров плазмотрона обусловлен следующим. Повышение или понижение отношения углов при вершине большего конуса к меньшему входного канала анодного узла по сравнению с указанным (1,5-2) вызывает повышенную эрозию анодного узла за счет изменения характеристики плазменной струи, а также затрудняет ввод в плазменную струю порошкового материала, что вызывает его повышенный расход. Повышение или понижение отношения длины расширяющейся части секции вставки к диаметру перехода от сужающейся к расширяющейся частям секции вставки приводит к появлению пробоя между секциями вставки. Выбор углов конусности расширяющейся и сужающейся частей секции вставки определялся тем, что при увеличении больших предельных значений существенно снижается степень сжатия дуги, ухудшается формирование газового потока, что приводит к потери устойчивости дуги при уменьшении расхода газа; уменьшение меньших предельных значений конусности приводит к повышению вероятности двойного дугообразования в этих частях секций вставки.

Работа плазмотрона 1 осуществляется следующим образом. Между катодом 6 и входной секцией вставки 5 путем высоковольтного пробоя возбуждается дуговой разряд, обеспечивающий нагрев плазмообразующего газа, подаваемого через канал 8. При наличии достаточного потенциала между катодом 6 и соплом-анодом 9 за счет электропроводности нагретого плазмообразующего газа образуется основная дуга. Начальная дуга при этом отключается. Плазмообразующий газ, проходя через основную дугу, нагревается до температуры порядка 10 000 K и стекает из анода в виде плазменной струи. После ввода известным способом в плазменную струю порошкового материала получают гетерогенную струю плазмы и расплавленного порошка, обеспечивающей высокое качество напыляемой поверхности.

Сущность изобретения: плазмотрон для напыления порошковых материалов, который содержит корпус, расположенные в корпусе охлаждаемые катодный и анодный узлы с токоподводами, секционированную межэлектродную вставку, расположенную между катодным и анодным узлами, канал подачи плазмообразующего газа и канал вдувания порошка в струю плазмы. Каждая секция вставки образована сужающейся частью со стороны катодного узла, переходящей в расширяющуюся часть по направлению к анодному узлу, причем диаметр перехода от сужающейся к расширяющейся частям каждой последующей секции не меньше наружного диаметра расширяющейся части предыдущей секции. Соединение секций вставки между собой и соединение секции вставки с анодным узлом осуществлено с образованием в местах соединения зон расширения. Входной канал анодного узла выполнен в виде двух сопряженных конусов, сужающихся в направлении к его выходному цилиндрическому участку, вблизи выходного среза которого расположен канал вдувания порошка в струю плазмы. Отношение углов при вершине большего конуса к меньшему выполнено в пределах 1,5-2. Расширяющиеся и сужающиеся части секций вставки могут быть выполнены в виде прямых конусов или в виде сопла, внутренняя поверхность которого выполнена по форме внутренней поверхности сопла Лаваля. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Плазмотрон для напыления порошковых материалов, содержащий корпус, расположенные в корпусе катодный и анодный узлы с токоподводами, секционированную межэлектродную вставку, расположенную между катодным и анодным узлами, канал подачи плазмообразующего газа в канал вдувания порошка в струю плазмы, отличающийся тем, что каждая секция вставки образована сужающейся частью со стороны катодного узла, переходящей в расширяющуюся часть по направлению к анодному узлу, причем диаметр перехода от сужающейся к расширяющейся частям каждой последующей секции не меньше наружного диаметра расширяющейся части предыдущей секции, а соединение секций вставки между собой и соединение секции вставки с анодным узлом осуществлено с образованием в местах соединения зон расширения, при этом входной канал анодного узла выполнен в виде двух сопряженных конусов, сужающихся в направлении к его выходному цилиндрическому участку, вблизи выходного среза которого расположен канал вдувания порошка в струю плазмы, отношение углов при вершине большего конуса к меньшему составляет 1,5 2,0. 2. Плазмотрон по п. 1, отличающийся тем, что расширяющаяся часть секции вставки выполнена длиной, составляющей 1 2 диаметров перехода от сужающейся к расширяющейся частям секции вставки. 3. Плазмотрон по п. 1 или 2, отличающийся тем, что расширяющиеся и сужающиеся части секций вставки выполнены в виде прямых конусов. 4. Плазмотрон по п. 3, отличающийся тем, что угол конусности расширяющейся части каждой секции вставки выполнен в пределах 3 20^o, а угол конусности каждой сужающейся секции вставки выполнен в пределах 30 - 60^o
5. Плазмотрон по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что каждая секция вставки выполнена в виде сопла, внутренняя поверхность которого выполнена по форме внутренней поверхности сопла Лаваля.