ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ НАПЫЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H05H1/42 C23C4/00 B05B7/22 

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, в частности к дуговым плазматронам для напыления порошковыми материалами металлических и неметаллических покрытий на изделия.

Известны различные конструкции плазматронов, которые отличаются по различным признакам, например по месту ввода порошка в плазменную струю, для чего существуют четыре основных схемы подачи порошка при плазменном напылении: в столб сжатого дугового разряда (в дуговой промежуток); до анодного пятна с использованием части столба сжатого дугового разряда; за анодным пятном внутрь канала сопла-анода; за срезом сопла-анода во внешнюю свободно расширяющуюся часть плазменной струи (см. Ю.С. Борисов, Р.Л. Борисова. - Плазменные порошковые покрытия. - Киев, Техника, с.14; В.В. Кудинов, Г.В. Бобров - Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. - М.: Металлургия, 1992 г., с.170; В.И. Костиков, С.И. Педос, И.В. Нарамовский, В.П. Милов - Теория и технология покрытий. - М., МИСиС, 1991 г., с.61).

В большинстве существующих плазматронов в настоящее время реализуется радиальная подача порошка за анодным пятном в канал сопла анода и радиальная подача порошка под срез сопла-анода, но при этом они имеют наименьший КПД нагрева порошка.

Наиболее эффективный процесс плазменного напыления происходит в плазматронах при вводе порошка в столб дугового разряда или в область анодного пятна, у которых наибольший КПД нагрева порошка.

Однако недостатком этих конструкций плазматронов является то, что они практически не реализованы из-за отсутствия конструктивных решений по вводу порошка в область дугового разряда, которые позволили бы устранить трудности по стабилизации дуги, образования настылей на внутренней стенке канала сопла-анода, способствующих появлению дефектов в покрытии.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является плазматрон 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. Плазматрон также содержит катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой. Катод выполнен полым из вольфрама, а в качестве плазмообразующего газа использован инертный газ - аргон (см. Патент США, Д.Ross, №5008511, 16.04.1991 г.)

Однако такая форма термического катода предполагает образование настылей в зоне выхода гозопорошковой смеси из катода, нестабильность горения дугового разряда в следствие неравномерной и интенсивной эрозии материала катода в процессе горения дуги, а следовательно, низкий ресурс эксплуатации плазматрона.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание газовоздушного плазматрона для напыления защитных покрытий из металлических и, что особенно важно, из неметаллических тугоплавких керамических порошковых материалов путем аксиального ввода порошка в столб дугового разряда за счет конструктивного изменения составных элементов катодного узла.

Технический результат изобретения - повышение ресурса эксплуатации плазмотрона, повышение качества защитных покрытий за счет высокоэффективного нагрева и максимального ускорения напыляемых частиц порошка, уменьшение эрозии материала анода и катода.

Технический результат достигается тем, что в плазмотроне для напыления, содержащем катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой, согласно изобретению на конце 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.

Новыми отличительными конструктивными признаками заявляемого изобретения являются:

- выполнение на конце катода под острым углом α к его оси порошковых каналов диаметром d в количестве n, расположенных вокруг термохимической катодной вставки, обеспечивает прохождение частиц порошка через столб дугового разряда и область анодного пятна в дуговом канале водоохлаждаемого сопла-анода для обеспечения наиболее эффективного нагрева, ускорения частиц напыляемого порошка и достижения высокой плотности распределения частиц напыляемого порошка с заданной температурой в гетерогенной плазменной струе;

- установка завихрителя в центральном канале штуцера-катододержателя воздушно-охлаждаемого катода позволяет закрутить воздушно-порошковую смесь для равномерной, непрерывной подачи ее по порошковым каналам.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного устройства-плазмотрона для напыления. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа по патенту США №5008511, 1991 г. как более близкого по совокупности признаков аналога позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, заключающемуся в уменьшении эрозии материалов анода и катода, в повышении ресурса эксплуатации плазматрона и качества защитных покрытий, отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям "новизна" и "изобретательский уровень".

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где изображен плазматрон для напыления со схемой ввода порошка.

Плазматрон для напыления содержит катодный 1 и анодный 2 узлы, которые разделены изоляционной вставкой 3. Анодный узел 2 содержит водоохлаждаемый сопло-анод 4, уплотненный двумя резиновыми кольцами 5. Сопло-анод 4 имеет водянное охлаждение, так как основная термическая нагрузка приходится на область анодного пятна дугового разряда. Катодный узел 1 содержит воздушно-охлаждаемый катод 6 с термохимической катодной вставкой 7, который закреплен на конце штуцера-катододержателя 8, в центральном канале 9 которого установлен завихритель 10, позволяющий достигать равномерную подачу воздушно-порошковой смеси по порошковым каналам 11 воздушно-охлаждаемого катода 6.

Для аксиального ввода воздушно-порошковой смеси в столб дугового разряда в дуговом канале сопла-анода 4 с одновременной подачей основного плазмообразующего газа на конце воздушно-охлаждаемого катода 6 выполнены порошковые каналы 11 диаметром d в количестве n, которые расположены вокруг термохимической катодной вставки 7 под острым углом α к его оси с возможностью прохождения через них закрученной завихрителем 10 воздушно-порошковой смеси, при этом происходит нагрев и ускорение частиц напыляемого порошка, достигается высокая плотность распределения, высокая скорость (до 800 м/с и более) потока напыляемых частиц с заданной температурой в гетерогенной плазменной струе.

Геометрические параметры α, d, и n=1...4 зависят от мощности, производительности, расходов плазмообразующего и транспортирующего газов.

Термохимическая катодная вставка 7 может быть выполнена из материала гафния или циркония.

Завихритель 10 выполнен в виде спирали.

В качестве основного плазмообразующего газа использован воздух или воздух с добавлением пропана.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

К плазматрону для напыления в анодный узел 2 подключается проточная вода для охлаждения сопла-анода 4. Затем подаются основной плазмообразующий газ-воздух (или воздух с добавлением пропана) и транспортирующий газ-воздух, который одновременно является плазмообразующим. После чего на плазматрон подается напряжение от источника питания (не показано) и поджигается дуга, которая горит между катодом 6 (термохимической катодной вставкой 7) и соплом-анодом 4 в его дуговом канале. Далее включается порошковый питатель (не показано), где порошок смешивается с транспортирующим газом-воздухом, образуя воздушно-порошковую смесь.

В процессе работы плазматрона плазмообразующий газ-воздух, проходя через катодный узел 1, обтекает коаксиально катод 6, тем самым охлаждает катод 6 по его наружной поверхности, далее нагретый плазмообразующий газ-воздух поступает в дуговой канал сопла-анода 2, где он нагревается дугой, диссоциируется, ионизируется, ускоряется и выходит из сопла-анода 4 в виде плазменной струи. Одновременно с основным плазмообразующим газом-воздухом транспортирующий газ-воздух или воздушно-порошковая смесь, проходя через завихритель 10, установленный в центральном канале 9 штуцера-катододержателя 8, закручивается, тем самым охлаждает катод 6 по его внутренней поверхности и обеспечивает равномерную, непрерывную подачу нагретой газопорошковой смеси по порошковым каналам 11 и далее проходит через столб дугового разряда и область анодного пятна в дуговом канале сопла-анода 4, где происходит нагрев и ускорение частиц напыляемого порошка. Таким образом, при работе плазматрона для напыления основной плазмообразующий газ-воздух является одновременно охлаждающим, а транспортирующий газ-воздух становится одновременно охлаждающим и плазмообразующим. В основной плазмообразующий газ-воздух и транспортирующий газ-воздух, или в один из них, может добавляться горючий газ; пропан, ацителен, водород или др.

Внешний порошковый питатель (не показан) должен быть достаточно герметичным, чтобы выдерживать давление транспортирующего газа-воздуха и иметь на выходе пневмореле, которое отключает дугу плазмотрона в случае увеличения давления в транспортирующем шланге выше заданного, например, при закупоривании порошковых каналов 11 воздушно-охлаждаемого катода 6.

Предлагаемую конструкцию можно использовать как двухэлектродный плазматрон с самоустанавливающейся длиной дуги и как трехэлектродный (с межэлектродной вставкой) плазматрон с фиксированной длиной дуги.

Использование предлагаемого устройства - плазматрона для напыления - по сравнению с прототипом (см. патент США, D. Ross, №5008511, от 16.04.1991 г.) позволило:

- повысить стабильность и ресурс эксплуатации плазматрона за счет малой силы тока дугового разряда, не более 100 А;

- повысить качество защитных покрытий из металлических и, что особенно важно, из неметаллических тугоплавких керамических порошковых материалов за счет высокоэффективного нагрева и максимального ускорения напыляемых частиц порошка в плазматроне с аксиальным вводом порошка в столб дугового разряда в дуговом канале сопла-анода;

- уменьшить эрозию материалов катода и анода;

- использовать в качестве дешевого плазмообразущего газа воздух.

Предлагаемый плазматрон для напыления испытан в лабораторных условиях и результат испытания подтверждает положительный эффект его применения, при этом электрические параметры плазменного напыления оксида алюминия: I=100 А, U=100 B, коэффициент использования материала КИМ=80%.

На основании вышеизложенного следует, что заявленное устройство - плазматрон для напыления - соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к дуговым плазматронам с аксиальным вводом порошка для напыления металлических и неметаллических защитных покрытий на изделия. Технический результат заключается в уменьшении эрозии материала анода и катода, повышении ресурса эксплуатации плазматрона, а также в повышении качества защитных покрытий. Согласно изобретению плазматрон для напыления состоит из катодного 1 и анодного 2 узлов, разделенных изоляционной вставкой 3. Анодный узел 2 содержит водоохлаждаемый сопло-анод 4, уплотненный двумя резиновыми кольцами 5. Катодный узел 1 содержит воздушноохлаждаемый катод 6 с термохимической катодной вставкой 7, который крепится на конце штуцера-катододержателя 8, в центральный канал 9 которого вставлен завихритель 10. Для аксиального ввода воздушнопорошковой смеси в столб дугового разряда на конце воздушноохлаждаемого катода 6 выполнены порошковые каналы 11, которые расположены вокруг термохимической катодной вставки 7 под острым углом к его оси. 1 ил.

Плазмотрон для напыления, содержащий катодный и анодный узлы, разделенные изоляционной вставкой, отличающийся тем, что на конце воздушноохлаждаемого катода под острым углом к его оси выполнены порошковые каналы, которые расположены вокруг термохимической катодной вставки с возможностью прохождения через них закрученной завихрителем воздушнопорошковой смеси для аксиального ввода ее в столб дугового разряда в дуговом канале водоохлаждаемого сопла-анода с одновременным поступлением основного плазмообразующего газа, при этом завихритель установлен в центральном канале штуцера-катододержателя воздушноохлаждаемого катода.