СПОСОБ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА Советский патент 1994 года по МПК H01L21/326 H05B7/00 

Изобретение относится к плазменной технологии, конкретно к способу плазменной обработки дисперсного материала, и может найти применение при сфероидизации высокотемпературных порошковых композиционных материалов на основе оксидов, карбидов, нитридов.

Целью изобретения является повышение удельной производительности при обработке высокотемпературного дисперсного материала в различных газовых средах за счет повышения устойчивости разряда.

Рост удельной производительности обработки дисперсного материала предлагаемым способом по сравнению с производительностью независимого ВЧ или ЭД-разрядов суммарной мощности можно проиллюстрировать следующими данными.

Критическим расходом порошка Al₂O₃ дисперсностью 100 мкм в ВЧ-плазмотроне ЛГД-32М мощностью ≈ 40 кВт является расход около 0,5 г/с. Для более тугоплавких или мелкодисперсных порошков критический расход через ВЧ-плазмотрон, при котором разряд гаснет, еще ниже. С другой стороны, обработка указанного материала в ЭД-разряде той же мощности при расходе 0,5 г/с является малоэффективной, так как обеспечивает не более 60% проплавленного порошка. Для совмещенного ВЧД плазменного разряда при мощности ВЧ-разряда ≈30 кВч и ЭД-разряда ≈ 10 кВт критический расход порошка Al₂O₃ дисперсностью 100 мкм по опытным данным превышает 0,8 г/с.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе плазменной обработки дисперсного материала, включающем подачу в разрядную камеру высокочастотного индукционного плазмотрона плазмообразующей среды, формирование в ней от высокочастотного источника питания индукционного разряда и подачу в область разряда дисперсного материала, согласно изобретению в рабочем объеме разрядной камеры высокочастотного индукционного плазмотрона дополнительно формируют от низкочастотного источника питания совмещенный с высокочастотным индукционным разрядом сильноточный электродуговой разряд, подачу дисперсного материала осуществляют в область совмещенного плазменного разряда, а отношение линейной плотности мощности дугового и индукционного разрядов выбирают из условия
0,02≅ ≅ 5 , где Р_ЭД - линейная плотность мощности электродугового разряда (мощность на единицу длины ЭД-разряда).

Р_ВЧ - линейная плотность мощности высокочастотного индукционного разряда (мощность на единицу длины ВЧ-разряда в направлении его оси).

Способ обработки дисперсных материалов в ВЧД-плазмотроне осуществляют в следующей последовательности операций.

В разрядную камеру высокочастотного индукционного плазмотрона подают аргон или другую плазмообразующую среду с расходом порядка 20 л/мин.

Формируют в разрядной камере высокочастотного индукционного плазмотрона от высокочастотного источника питания индукционный разряд.

В области индукционного разряда высокочастотного плазмотрона дополнительно формируют от низкочастотного источника питания совмещенный с высокочастотным индукционным разрядом продольный сильноточный электродуговой разряд.

Сильноточный ЭД-разряд между электродами в разрядной камере ВЧ-плазмотрона можно возбуждать одним из известных способов до, после или в момент возбуждения ВЧ-разряда. При этом плотности мощности дугового и высокочастотного индукционного разряда выбирают из условия
0,02≅ ≅ 5, где Р_ЭД и Р_ВЧ - соответственно линейная плотность мощности дугового и индукционного разряда.

В неконтрагированную область совмещенного плазменного ВЧД-разряда подают дисперсный материал.

На чертеже изображена схема устройства для его осуществления.

Устройство содержит индуктор 1, состоящий из медной водоохлаждаемой трубки и подключенный к высокочастотному источнику питания 2, и коаксиально установленную разрядную камеру 3 с водоохлаждаемыми кварцевыми стенками.

Верхний водоохлаждаемый металлический фланец 4 разрядной камеры 3 имеет каналы 5 для подвода охлаждающей воды, каналы 6 для ввода порошка в совмещенный ВЧД-разряд из питателя 7 и каналы 8 для тангенциального подвода в камеру 3 плазмообразующего газа. Нижний водоохлаждаемый металлический фланец 9 снабжен каналами 10 для отвода охлаждающей воды и патрубком сборника 11 обработанного порошка.

По оси разрядной камеры 3 на фланце 4 и по оси сборника 11 изолированно установлены тугоплавкие электроды 12, 13, снабженные механизмами осевого перемещения (не показаны). Электроды подключены электрически к источнику 14 питания низкочастотного (постоянного) напряжения, причем нижний электрод заземлен. Отношение мощностей источников питания 14 и 2 в данном случае выбрано равным
N_эд/N_вч= 10/32 0,3.

Устройство работает следующим образом. В разрядную камеру 3 по каналам 5, 9 подают охлаждающую воду и по каналам 8 - плазмообразующий газ с расходом ≈0,5 л/с. Включают высокочастотный источник питания 2. По оси индуктора 1 в разрядной камере 3 формируют индукционный разряд. В области индукционного разряда по оси разрядной камеры 3 сближением электродов 12, 13 от источника 14 низкочастотного напряжения формируют сильноточный электродуговой разряд. При этом отношение мощностей ЭД и ВЧ разрядов выбирают из указанного условия.

В область сформированного таким образом совмещенного ВЧД-разряда через каналы 6 из питателя 7 подают обрабатываемый дисперсный материал. Пройдя зону ВЧД-разряда, порошок попадает в холодную зону патрубка сборника 11. Характерные размеры разрядной области ВЧ-разряда по оси и ЭД-разряда в рабочем режиме выбираем равными, т. е. Н_ЭД/Н_ВЧ= 60/60= 1. Отношение линейной плотности мощности совмещенного ВЧД-разряда в данном случае равно Р_ЭД/Р_ВЧ= 0,3.

Совмещение ВЧ и ЭД-разрядов указанным образом в рабочем объеме разрядной камеры ВЧ-плазмотрона приводит к увеличению устойчивости как дугового, так и высокочастотного плазменного разрядов. Наличие в рабочем объеме разрядной камеры ВЧ-плазмотрона скрещенных электромагнитных полей ВЧ и ЭД-разрядов при высокой удельной проводимости плазмы обеспечивает эффективное электромагнитное взаимодействие ионной и электронной составляющих этих разрядов.

Этот процесс характеризуется новым типом неконтрагированного высокочастотного дугового (ВЧД) разряда с распределением токов ЭД-разряда по разрядному объему ВЧ-плазмотрона.

При увеличении поверхности теплообмена с возрастанием расхода и/или дисперсности обрабатываемого материала возможная тепловая неустойчивость ВЧ-разряда в совмещенном ВЧД-разряде компенсируется практически мгновенным его восстановлением (повторным зажиганием) от постоянно существующего сильноточного дугового разряда, устойчивость которого значительно превышает устойчивость распределенного ВЧ-разряда в указанном диапазоне мощностей и характерных размеров.

П р и м е р конкретного выполнения способа. В рабочий объем разрядной камеры ВЧ-плазмотрона тангенциально подают плазмообразующий газ Ar c расходом 0,5 л/с. Включают охлаждение разрядной камеры. По истечении нескольких секунд после включения ВЧ-колебательного контура и подачи на отрицательный электрод постоянного напряжения холостого хода ≈ 70 В возбуждают слаботочный искровой ВЧ-разряд между электродами, который затем переводят в сильноточный ЭД-разряд с параметрами ЭД-разряда V= 35 В, I= 400 А и неизменными характеристиками ВЧ-контура, длина ЭД-разряда при этом Н_ЭД= 15 мм. ВЧ-разряд в этих условиях имеет высоту ≈90 мм и диаметр 70 мм. Аналогичные размеры имеет и совмещенный ВЧД-разряд.

В кольцевую область, исключающую центральную зону ⊘ 8-12 и пристеночную зону толщиной δ= 10-15 мм, подают дисперсный порошковый материал Al₂O₃ дисперсностью основной фракции 100 мкм с расходом ≈ 0,8 г/с. Происходит обработка порошкового материала вплоть до его полного проплавления и частичного испарения мелких фракций. Если тепеpь при неизменном расходе дисперсного материала отключить источник постоянного напряжения, осевой ЭД-разряд гаснет, а за ним гаснет и ВЧ-разряд вследствие возникшей тепловой неустойчивости ВЧ-разряда.

Отношение мощности ЭД и ВЧ разрядов в совмещенном ВЧД-разряде согласно предложенному способу в этом случае составляет 0,3.

Отношение характерных размеров дугового и ВЧ-разрядов при этом равно 0,17. Отношение линейной плотности мощности совмещенного ВЧД-разряда в этих условиях равно 2.

Удельная производительность ВЧ-разряда суммарной мощности 40 кВт при критическом расходе порошка Al₂O₃ дисперсностью 100 мкм составляет около 0,012 г/кВт˙с.

В рассмостренном примере конкретного выполнения способа удельная производительность обработки порошка в совмещенном ВЧД-разряде составляет 0,02 г/кВт˙с.

Превышение удельной производительности ВЧД-разряда указанной мощности над удельной производительностью ВЧ-разряда суммарной мощности составляет в данном случае более чем в 1,6 раза.

(56) Донской А. В. , Клубникин В. С. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. Л. : Машиностроение, 1979, с. 99.

Клубникин В. С. Тепловые и газодинамические характеристики индукционного разряда в потоке аргона. ТВТ, 1975, т. 8, N 3, с. 473-482.

Изобретение относится к плазменной технологии, конкретно к способу плазменной обработки дисперсного материала, и может найти применение при сфероидизации высокотемпературных порошковых композиционных материалов на основе оксидов, карбидов, нитридов. Сущность: в разрядную камеру высокочастотного индукционного плазмотрона подают аргон или другую плазмообразующую среду с расходом 20 л/мин. Формируют в разрядной камере высокочастотного индукционного плазмотрона от высокочастотного источника питания индукционный разряд. В области индукционного разряда высокочастотного плазмотрона дополнительно формируют от низкочастотного источника питания совмещенный с высокочастотным индукционным разрядом продольный сильноточный электродуговой разряд. При этом плотности мощности дугового и высокочастотного индукционного разрядов выбирают из соотношения , где P_эд и P_вч - соответственно линейная плотность мощности дугового и индукционного разряда. В неконтрагированную область совмещенного плазменного ВЧ-разряда подают дисперсный материал. 1 ил.

СПОСОБ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА, включающий подачу в разрядную камеру высокочастотного индуцированного плазмотрона плазмообразующей среды, формирование в ней от высокочастотного источника питания индукционного разряда и подачу в область разряда дисперсного материала, отличающийся тем, что, с целью повышения удельной производительности при обработке высокотемпературного дисперсного материала за счет повышения устойчивости разряда, в рабочем объеме разрядной камеры высокочастотного индукционного плазмотрона дополнительно формируют от низкочастотного источника питания совмещенный с высокочастотным индукционным разрядом сильноточный электродуговой разряд, подачу дисперсного материала осуществляют в область совмещенного плазменного разряда, а отношение линейной плотности мощности дугового (P_эд) и индукционного (P_вч) разрядов выбирают из условия
0,02≅ ≅ 5.