УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРНО-ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ Российский патент 2002 года по МПК C23C4/12 

Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий на металлические или металлосодержащие поверхности, и может быть использовано в машиностроении для получения деталей с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Известны устройства, предназначенные для получения деталей с повышенными эксплуатационными характеристиками (Кулик А.Я., Борисов Ю.С., Мнухин А.С., Никитин М.Д. Газотермическое напыление композиционных порошков. - Л.: Машиностроение, 1985. Нанесение покрытий плазмой /В.В. Кудинов, П.Ю. Пешков, В.Е. Белащенко и др. - М.: Наука, 1990). Конструкция существующих устройств не предусматривает их использования в составе установок лазерно-плазменного напыления покрытий.

Известно устройство для нанесения покрытий плазменным напылением (Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1992, с.270-272). Это установка УН-115. Устройство состоит из корпуса, внутри которого расположены катодный узел и разрядная камера. С целью увеличения ресурса анод имеет вид диска, ось которого параллельна оси катодного узла, при этом край диска располагается перед соплом разрядной камеры. Анод приводится во вращение с помощью электродвигателя и охлаждается водой.

Для лазерно-плазменного напыления покрытий такое устройство не применимо, поскольку имеет следующие недостатки: непрерывный режим работы не позволяет нормировать соотношение энерговкладов лазерного излучения и потока плазмы, а круглая форма сечения плазменного сгустка и пятна нагрева на поверхности подложки обуславливает значительное расстояние, проходимое лазерным излучением в плазменном сгустке. Последнее создает значительные потери его энергии и необходимость перекрытия зон обработки, что снижает производительность процесса напыления.

В основу изобретения поставлена задача: разработать устройство, которое позволит получить форму сечения плазменного сгустка и пятна нагрева, близкую к прямоугольной, и обеспечить наличие окон прозрачности для свободного прохождения лазерного излучения через плазменный сгусток.

В устройстве лазерно-газотермического нанесения покрытий, состоящем из корпуса, электродов, сопла и импульсного дозатора, согласно изобретению, электроды, выполненные в форме сегментов гиперболических цилиндров, установленные с эксцентриситетом относительно своих осей на валах с возможностью вращения, связаны с рабочим органом импульсного дозатора порошкообразного материала, для чего на валу одного из электродов установлен контактный барабан, позволяющий замыкать цепь питания электромагнита для создания временного промежутка между подачей порошкового материала и возникновением разряда в межэлектродном пространстве.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено устройство в разрезе, на фиг.2 - сечение А-А фиг.1, на фиг.3 - сечение Б-Б фиг.1.

Устройство содержит в себе корпус 1, выполненный из изолирующего материала, внутри которого расположены электроды 2, диффузно спаянные с изоляторами 3 из высоко температурной керамики на основе Аl₂О₃ или Si₃N₄ с добавками SiC - 5%, Mo и W - 1%. Электроды 2 расположены на валах 4 с эксцентриситетом и зафиксированы пружинами 5 и винтами 6. Подвод электроэнергии происходит через токосъемники 7. Электроды 2 имеют форму гиперболических цилиндров. В корпус электродного блока устанавливается сопло 8. Электродный блок закрывается крышкой 9, снабженной уплотняющей прокладкой 10 и стяжными винтами 11. В верхней части электродного блока винтами 12 закреплен корпус дозатора 13, в котором выполнены бункер 14, газовод 15, выходные отверстия дозатора 16 и рабочая камера 17. В рабочей камере расположен рабочий орган дозатора, представляющий собой набор поршней 18, размещенных на штоке 19, положение которого определяется электромагнитом 20 и возвратной пружиной 21. Натяг пружины устанавливается регулировочным винтом 22. Сверху корпус дозатора закрывается крышкой 23 с герметизирующей прокладкой 24, которые зафиксированы винтами 25. Электроды 2 приводятся во вращение электродвигателем 26 через редуктор 27. На валу одного из электродов расположен контактный барабан 28 с электродами 30. Контактный барабан 28 установлен с возможностью замыкания цепи питания электромагнита 20 для создания временного промежутка между подачей порошкового материала и возникновением разряда в межэлектродном пространстве. Управление дозатором происходит через барабан 28 и токосъемники 29, причем смещение контактов барабана 28 относительно одного из электродов 2 позволяет замыкать барабаном 28 цепь питания электромагнита 20, определяя временной промежуток Δτ между подачей порошкового материала и возникновением разряда в межэлектродном промежутке. Δτ = (0,1...0,15)τ, где τ - длительность горения разряда.

Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом: плазмообразующий газ подается в рабочую камеру 17 дозатора 13, откуда свободно проходит через каналы 16 в электродный блок и вытекает через сопло 8. После включения электродвигателя 26 и подачи питания на электроды 2 через временной промежуток Δτ от момента появления электрического разряда происходит замыкание барабаном 28 цепи питания электромагнита 20. При этом происходит смещение штока 19 и открытие газовода 15. Плазмообразующий газ направляется в бункер 14, при этом выдувая порошкообразный материал через отверстия 12 в рабочий объем дозатора. Дальнейший поворот барабана 28 прерывает питание электромагнита, шток 19 под действием возвратной пружины 22 возвращается в исходное положение. Порошкообразный материал сдвигается к выходным отверстиям дозатора 16 и выдувается через них плазмообразующим газом в межэлектродный промежуток в момент появления разряда между электродами. Это происходит в момент времени, когда расстояние между электродами минимально: в центральной части оно составляет δ₁ = (0,1...0,5)δ₀, а в периферийной - δ₂ = (0,25...1,0)δ₀, где δ₀- максимальное расстояние между электродами в процессе их вращения.

Порошкообразный материал нагревателя, распыляется и выносится плазменным сгустком через сопло 8, после чего цикл повторяется.

Такое устройство, благодаря импульсному режиму работы, позволяет получить окна прозрачности лазерного излучения в факеле плазмы при нагреве поверхности детали, а также прямоугольная форма межэлектродного промежутка и сопла плазмотрона обеспечивает форму пятна нагрева подложки, близкую к прямоугольной, при этом ширина зоны обработки увеличивается в 1,5-2 раза по сравнению с существующими устройствами с круглым пятном нагрева, что позволяет увеличить производительность процесса нанесения покрытия.

Изобретение может быть использовано для нанесения упрочняющих покрытий на металлические и металлосодержащие поверхности. Устройство состоит из корпуса, электродов, сопла и дозатора, при этом электроды выполнены в форме сегментов гиперболических цилиндров, установлены с эксцентриситетом относительно своих осей на валах с возможностью вращения, связаны с рабочим органом импульсного дозатора порошкообразного материала, для чего на валу одного из электродов установлен контактный барабан, позволяющий замыкать цепь питания электромагнита для создания временного промежутка между подачей порошкового материала и возникновением разряда в межэлектродном пространстве. Устройство позволяет получить форму сечения плазменного сгустка и пятна нагрева, близкую к прямоугольной, и обеспечивает наличие окон прозрачности для свободного прохождения лазерного излучения через плазменный сгусток. 4 ил.

Устройство лазерно-газотермического нанесения покрытий, состоящее из корпуса, электродов, сопла и импульсного дозатора, отличающееся тем, что электроды выполнены в форме сегментов гиперболических цилиндров, установлены с эксцентриситетом относительно своих осей на валах с возможностью вращения, связаны с рабочим органом импульсного дозатора порошкообразного материала, для чего на валу одного из электродов установлен контактный барабан, позволяющий замыкать цепь питания электромагнита для создания временного промежутка между подачей порошкового материала и возникновением разряда в межэлектродном пространстве.