close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY14906

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.10.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 14906
(13) C1
(19)
H 05H 1/00 (2006.01)
ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ
(21) Номер заявки: a 20091066
(22) 2009.07.15
(43) 2011.02.28
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт порошковой металлургии" (BY)
(72) Авторы: Оковитый Вячеслав Александрович; Шевцов Александр Иванович; Девойно Олег Георгиевич;
Оковитый Василий Вячеславович
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт порошковой металлургии" (BY)
(56) БОРИСОВ Ю.С. и др. Газотермические
покрытия из порошковых материалов:
Справочник. - Киев: Наукова думка,
1987. - С. 78.
RU 2092981 C1, 1997.
RU 2005584 C1, 1994.
SU 727369, 1980.
BY 2306 C1, 1998.
BY 14906 C1 2011.10.30
(57)
Плазмотрон для нанесения покрытия, включающий катодный и анодный узлы, разделенные изолятором, и инжектор для подачи порошка, при этом анодный узел включает
Фиг. 3
BY 14906 C1 2011.10.30
медный водоохлаждаемый сопло-анод и корпус анода, а изготовленный из лантанированного вольфрама катод закреплен в цанге, отличающийся тем, что катод выполнен с двухсторонними рабочими поверхностями, сопло-анод снабжено каналами для охлаждения, а
инжектор для подачи порошка расположен на гайке, прикрепленной на резьбе к корпусу
анода таким образом, что обеспечивает подачу порошка в плазменную струю на выходе из
сопла-анода.
Изобретение относится к устройствам для нанесения плазменных покрытий и может
быть использовано в машиностроении для получения деталей с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Известен плазмотрон установки УМП-6, состоящий из анодного и катодного узлов,
герметично соединенных через электроизолирующий коллектор. Для центровки и создания равномерного распределения плазмообразующего газа по окружности межэлектродного
зазора служит изолирующий рассекатель. Подвод воды и тока к горелке осуществляется
через штуцера катодного и анодного узлов. Для управления зажиганием дуги используется
отдельный кабель зажигания дуги. Основными недостатками данного плазмотрона являются фиксированное по радиусу положение дуги, неравномерность радиального профиля
температур, достигающая на выходе 300 %. В связи с этим большая часть порошка не
прогревается, так как не попадает в высокотемпературную зону плазмы [1].
Известен плазмотрон ПП-25 плазменной установки УПУ-3Д. Он, как и предыдущий,
состоит из вольфрамового катода, медного анода и изолятора, с системами подводов
охлаждающей жидкости и плазмообразующего газа, но в отличие от плазмотрона установки УМП-6 возбуждение дуги в ПП-25 происходит с помощью осциллятора путем пробоя межэлектродного промежутка (зазор катод-анод) высокочастотным искровым
разрядом. Основным недостатком данного плазмотрона является невысокая продолжительность работы электродов (до 15 часов), что связано с нестабильностью положения дуги и ее горения, колебанием параметров плазменной дуги, быстрым эрозионным износом
электродов [2].
В качестве прототипа выбран плазмотрон 0890-6011, состоящий из катодного и анодного узлов, разделенных изолятором, причем плазмотрон имеет цанговый способ крепления катода, изготовленного из лантанированного вольфрама, что обеспечивает его
надежное крепление и при необходимости быструю замену, а регулировка зазора между
катодом и медным водоохлаждаемым анодом в процессе эксплуатации плазмотрона по
мере износа катода производится с помощью цанги, порошок подается в канал плазмотрона через инжектор за анодным пятном [3].
Основным недостатком данного плазмотрона является невысокая мощность - до 20 кВт,
что в первую очередь связано с невысокой теплоотдачей от стенок анода за счет недостаточной поверхности охлаждения анода и соответственно большому эрозионному износу
электродов, кроме того, подача порошка в канал плазмотрона - зону с высоким уровнем
пульсаций параметров плазменного потока - приводит к частому залипанию сопла расплавленным порошком при напылении материалов с высокой температурой плавления.
Стабильно (до 100 часов) плазмотрон работает только при напылении легкоплавких металлов и сплавов.
Техническая задача, решаемая изобретением, - повышение ресурса и мощности плазмотрона для напыления, а также улучшение условий распределения частиц порошка по
сечению струи, приводящее к более эффективному нагреву порошка.
Поставленная цель достигается тем, что в плазмотроне для нанесения покрытия,
включающем катодный и анодный узлы, разделенные изолятором, и инжектор для подачи
порошка, при этом анодный узел включает в себя медный водоохлаждаемый сопло-анод и
корпус анода, а изготовленный из лантанированного вольфрама катод закреплен в цанге,
2
BY 14906 C1 2011.10.30
катод выполнен с двухсторонними рабочими поверхностями отличающийся тем, что катод выполнен с двухсторонними рабочими поверхностями, сопло-анод снабжен каналами
для охлаждения, а инжектор для подачи порошка расположен на гайке, прикрепленной на
резьбе к корпусу анода таким образом, что обеспечивает подачу порошка в плазменную
струю на выходе из сопла-анода.
Принцип работы установок для плазменного напыления состоит в том, что в плазмотроне между анодом и катодом, охлаждаемыми водой и изолированными друг от друга,
возбуждается электрическая дуга. Возникающая электрическая дуга горит в потоке плазмообразующих газов (обдувается ими). Часть электрической энергии, потребляемой дугой
(60-85 %), идет на нагрев плазмообразующих газов. В результате формируется высокотемпературный поток - плазменная струя, истекающая из канала сопла-анода. Напыляемый материал вводится в этот поток (в канале или за срезом сопла-анода), нагревается в
нем, плавится и в виде двухфазного потока (газ-частицы напыляемого материала) направляется в сторону основы. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с
поверхностью основы и формируется покрытие. Эффективность использования энергии
плазмы при нанесении покрытий порошком во многом зависит от конструкции плазмотрона и в первую очередь от конструкции электродов. Основные технологические показатели, характеризующие работу электродов при плазменном напылении: максимально
допустимая сила тока; эрозионная стойкость; способность к возбуждению дугового разряда и поддержанию его стабильного горения.
В межэлектродной области происходят важнейшие физические процессы, которые
оказывают большое влияние на общую характеристику сжатой дуги. Вследствие высокой
температуры сжатой дуги и большой плотности тока электроды работают в очень тяжелых термических условиях. Температура поверхности электродов в местах локального
контакта с плазмой может достигать 4000 К и выше. Поэтому материалы электродов
должны обладать высокой эрозионной стойкостью, электропроводимостью, теплопроводностью и достаточной прочностью.
Низкочастотные пульсации плазменной струи вредны для процесса напыления, поскольку вызывают нестабильность свойств покрытий на различных участках напыления.
Эти пульсации обуславливаются эрозией электродов. На практике часто в результате даже
небольшого эрозионного износа анода плазмотрона происходит привязка анодного пятна
к постоянному месту канала сопла анода, что также ухудшает качество плазменных покрытий. Термическое разрушение катода происходит главным образом из-за недостаточного охлаждения и значительного увеличения подводимого тока, не соответствующего
диаметру электрода. Тепловой режим катодно-анодного узла определяется величиной
вводимого теплового потока, условиями теплоотвода, а также его геометрическими параметрами (фиг. 1): диаметром сопла-анода dс; длиной канала сопла-анода lс; заглублением
электрода-катода в сопле lз; длиной привязки анодного пятна lд; диаметром (dэ), углом заточки (αэ) и диаметром притупления (dп) электрода-катода. Параметры, связанные с формой электрода (dэ; αэ; dп), в основном определяют его стойкость.
Фиг. 1. - геометрические параметры катодно-анодного узла: dс - диаметр сопла-анода;
lс - длина канала сопла-анода; lз - заглубление электрода-катода в сопле; lд - длина привязки анодного пятна; dэ - диаметр электрода-катода; αэ - угол заточки; dп - диаметр притупления электрода-катода.
В плазмотронах используют электроды из лантанированного или торированного
вольфрама с dэ = 4-10 мм; угол заточки в пределах 45-60°; притупление dп = 1-2 мм. Заглубление электрода в сопло оказывает наибольшее влияние на процесс плазмообразования. При малых значениях lз резко сокращается тепловой КПД плазмотрона и основная
часть энергии дуги выделяется в анодном пятне. Для создания оптимальных условий работы катодов плазмотронов следует поддерживать равновесие между поступающей и отводимой теплотой. Повышение стойкости электродов плазмотронов для нанесения
3
BY 14906 C1 2011.10.30
покрытий может существенно повысить качество и стабильность свойств плазменных покрытий. Значительное возрастание стойкости электродов достигается при интенсивном
водяном охлаждении и перемещении опорных пятен дугового разряда по рабочей поверхности. Благодаря этому в опорном пятне происходит нестационарный теплообмен, и выделяющееся тепло перераспределяется по поверхности больших размеров.
Повышение производительности плазменного напыления в первую очередь связано с
мощностью плазмотрона, которую можно увеличить за счет увеличения тока или напряжения дуги. При токах 700-800 A наблюдается значительная эрозия электродов и уменьшение
ресурса их работы. Поэтому мощность 40-50 кВт для плазмотронов без межсекционных
вставок, по-видимому, близка к предельной.
Для оценки влияния места ввода порошка на поперечное распределение частиц порошка в плазме необходимо плазменную струю условно разделить на три области:
начальную, область установившегося турбулентного плазменного потока и область плазмы на выходе из сопла плазмотрона. Начальная область - область от катода плазмотрона
до активного пятна дуги. Характеризуется пробоем разрядного промежутка между катодом и анодом при работе плазмотрона, накоплением энергии за счет источника питания и
применяемого плазмообразующего газа, высокой скоростью диссоциации и ионизации
газа, большим собственным электромагнитным полем столба дуги, максимальным значением температуры плазмы. Область заканчивается в месте взаимодействия турбулентного
потока плазмообразующего газа с проводящей областью дуги (активное пятно дуги). В
области установившегося турбулентного плазменного потока (от активного пятна дуги до
торца анода плазмотрона) температура газа более равномерно распределена по сечению
движущейся струи, силы электромагнитного сжатия слабее, чем в начальной области, в
результате чего плазменная струя занимает большую часть соплового канала. Интенсивность теплоотвода стенкой сопла небольшая, так как она отделена от плазмы теплоизолирующей прослойкой нейтрального газа. Область плазмы на выходе из сопла плазмотрона
определяется длиной светящейся части плазмы от торца плазмотрона. На начальном
участке (у торца плазмотрона) эта область по своей характеристике близка к области
установившегося турбулентного плазменного потока. С удалением от начала область характеризуется постепенным спадом ионизации газа, плотности плазмы, температуры и
скорости истечения газа. Подача порошка в плазменную струю может осуществляться в
любую из областей. Однако при подаче порошка в начальную область проникновение его
в плазменную струю затруднено из-за максимальной энергетической плотности плазмы и
неустановившейся турбулентности плазмообразующего газа. Кроме того, впрыскивание
порошка в плазменную струю производится транспортирующим газом с температурой
окружающей среды, в результате чего в этой области происходит его быстрый нагрев и
расширение. Указанное явление препятствует проникновению частиц порошка в сечение
плазменной струи. Из-за значительной турбулентности газового потока может нарушиться
и непрерывность подачи порошка по времени. Подача порошка в область установившегося плазменного потока нашла широкое применение в практике плазменного напыления.
Разработкой наиболее рациональных технологических процессов нанесения покрытий и
оптимизацией параметров можно получить непрерывную подачу порошковых материалов
по времени на уровне 85-90 % и удовлетворительную равномерность распределения частиц порошка по сечению плазменной струи. К числу недостатков ввода порошка в область установившегося плазменного потока следует отнести периодическое заплавление
порошком плазменного канала, из-за чего приходится прерывать технологический процесс для чистки канала. По мнению авторов, наиболее рационален с этой точки зрения
способ подачи порошка в плазменную струю на выходе из сопла плазмотрона (на срезе).
Это позволят избавиться от оседания порошка на внутренней стенке сопла и образования
комков из расплавленных частиц. Подача порошка на срез плазмотрона снижает время
пребывания частиц порошка в плазменной струе (на порядок в сравнении с вводом по4
BY 14906 C1 2011.10.30
рошка в начальную область). Однако при достаточной мощности плазменной струи и
естественном снижении плотности плазменного потока улучшаются условия распределения частиц по сечению струи, что приводит к более эффективному нагреву порошка.
Плазмотроны с самоустанавливающейся дугой имеют падающую вольт-амперную характеристику. Имеет место также шунтирование дуги на стенках канала, что служит причиной высокого уровня пульсаций параметров потока (до 30 % по амплитуде и от 0,3 до
18 кГц по частоте). Таким образом, использование этих плазмотронов эффективно лишь
при подаче порошка за срезом сопла в свободную струю, где уровень пульсаций уже не
значителен.
Итак, из всего вышесказанного следует, что тепловой режим катодно-анодного узла
любого плазмотрона определяется величиной вводимого теплового потока, условиями теплоотвода, а также его геометрическими параметрами, поэтому в случае износа катода его
необходимо быстро заменить; конструкция анода должна обеспечивать интенсивное охлаждение, подачу порошка при наличии достаточной мощности плазменной струи (порядка
40 кВт) необходимо производить на срез плазмотрона для уменьшения влияния пульсаций
плазменной струи и предотвращения заплавления сопла напыляемым порошком.
Фиг. 2 - схема плазмотрона 0890-6011 (прототип): 1 - катод; 2 - втулка; 3 - цанга;
4 - крышка; 5 - изолятор; 6 - корпус анода; 7 - сопло-анод.
Фиг. 3. - чертеж плазмотрона ПБГ-1 по предлагаемому изобретению: 1 - корпус катода; 2 - крышка; 3 - изолятор; 4 - корпус анода; 5 - сопло-анод; 6 - цанга; 7 - цангодержатель; 8 - катод; 9 - кольцо; 10, 11 - штуцера; 12, 13 - трубки для циркуляции охлаждающей
жидкости; 14 - трубка для подачи плазмообразующего газа; 15 - гайка; 16 - втулка; 17-21 инжектор для подачи порошка в сборе; 22 - винты; 23-28 - изолирующие кольца.
Пример.
Как видно из схемы плазмотрона 0890-6011 (фиг. 2), цанговое крепление катода 1 позволяет производить быстрое регулирование зазора между анодом и катодом и при необходимости легко заменять катод, однако система охлаждения анода не позволяет работать
на мощностях более 20 кВт, при больших мощностях происходит привязка анодного пятна и сопло часто прогорает. Порошок подается в канал сопла - в область установившегося
плазменного потока. В случае напыления легкоплавких порошков они равномерно распределяются по сечению плазменной струи и формируют достаточно качественное покрытие, при напылении оксидной и карбидной керамики мощности струи не хватает для
полного расплавления частиц и очень часто происходит заплавление порошком плазменного канала, из-за чего приходится прерывать технологический процесс для чистки канала.
Разработанный авторами плазмотрон ПБГ-1 для нанесения покрытий состоит из катодного и анодного узлов, разделенных изолятором 3. Катодный узел состоит из катода 8,
который с помощью цанги 6, закрепленной в цангодержателе 7, крепится в корпусе катода 1,
цанговый способ крепления катода, изготовленного из лантанированного вольфрама,
обеспечивает его надежное крепление и при необходимости быструю замену. Кроме этого,
с помощью цанги 6 производится регулировка зазора между катодом 8 и медным водоохлаждаемым анодом 5 в процессе эксплуатации плазмотрона по мере износа катода.
Анодный узел состоит из анода 5 и корпуса анода 4, на корпусе анода крепится гайка 15, в
которой расположен инжектор 17-21, через который подается порошок.
Работа плазмотрона ПБГ-1 происходит следующим образом. При подаче напряжения
на электроды между анодом 5 и катодом 8 возникает электрическая дуга. Плазмообразующий газ (например, азот) через трубку 14 и канал в корпусе катода 1 подается в разрядную камеру плазмотрона, образованную корпусом 1, изолятором 3 с втулкой 16 и
корпусом анода 4, ионизируется и с большой скоростью выходит из сопла-анода, образуя
струю плазмы, в которую подается порошковый материал через инжектор порошка 17-21,
расположенный в гайке 15. Гайка 15 крепится на резьбе к корпусу анода, за счет вворачивания или выворачивания гайки можно изменять расстояние от среза сопла при вводе по5
BY 14906 C1 2011.10.30
рошков с различными тепловыми характеристиками. Для охлаждения плазмотрона используется дистиллированная вода, которая через штуцер 11 и трубку 12 попадает в полость корпуса катода 1 через отверстие в изоляторе 3, проходит в корпус анода 4 и за счет
специальных каналов интенсивно охлаждает анод. Затем через трубку 13 и штуцер 10
происходит слив нагретой воды. Герметичность в разъемных соединениях обеспечивается
за счет высокого качества обработки внутренних поверхностей корпусов анода и катода,
изолятора и изолирующих колец 23-28. Двусторонний катод 8, изготовленный из лантанированного вольфрама, крепится с помощью цанги 6, расположенной в цангодержателе 7.
При изменении заглубления электрода в сопло, связанном с износом во время напыления
(изменение можно заметить по пульсации параметров тока и напряжения или во время
проверки с помощью специального щупа), плазмотрон выключается, отвинчивается
крышка 2 и катод 8 перемещается в цанге до упора в специальный щуп, который вставляется в канал сопла-анода 5. Регулировка зазора между катодом и медным водоохлаждаемым
анодом происходит в течение 30 сек. В случае трудностей с зажиганием дуги плазмотрона, связанных с изменением формы катода (dэ; αэ; dп), необходимо его быстро заменить;
для этого откручивают крышку 2 и цангодержатель 7, достают катод 8 и переустанавливают его другим концом, замерив заглубление катода. Замена происходит в течение 1 мин.
В связи с легкостью и быстротой регулировки и замены катода таким плазмотроном можно пылить ответственные детали с большой площадью напыления за счет продолжительного срока напыления, кратковременность регулировки и замены не влияет на тепловой
баланс детали и соответственно на качество. Плазмотрон комплектуется набором цанг для
крепления катодов диаметром от 5 до 8 мм.
На установке УПУ-3Д стандартной комплектации с порошковым питателем TWIN-10
производили испытания плазмотрона 0890-6011 (прототип) и плазмотрона ПБГ-1, разработанного авторами. В качестве рабочего газа использовали азот. Для получения обобщенной количественной информации о пористости плазменных покрытий использовали
полуавтоматический анализатор изображения (МОР-АМО3, AutoScan.). Замеры микротвердости (ГОСТ 9450-76) выполняли в пяти поясах по длине поперечного сечения покрытия
толщиной 0,5-0,6 мм. По результатам замеров определяли средние значения параметра.
Применялся микротвердомер "Micromet-II" фирмы Buehler (Швейцария) с нагрузкой 100 г
на индентор. Прочность сцепления определяли на отрывной машине "Instron". Количественные оценки параметров определялись как усредненные по пяти измерениям. Коэффициент использования порошков определяли на стальных образцах размерами 30×30×2
мм, прошедших струйно-абразивную подготовку, очищенных от абразива и имеющих в
центре четко обозначенную зону для напыления размером 15×15 мм.
На первом этапе производили испытания плазмотронов на длительность непрерывной
работы при токе 450 A, напряжении 70 В, расходе азота 35 л/мин (стандартный режим
напыления оксидной керамики). Оба плазмотрона проработали непрерывно в течение
8 часов (испытания были прерваны после интенсивных пульсаций параметров тока и
напряжения плазмотрона 0890-6011). После разборки были выявлены значительные изменения в геометрии катодно-анодного узла плазмотрона 0890-6011: изменение угла заточки
катода (αэ); оплавление и, соответственно, изменение диаметра притупления катода (dп);
оплавление и вырывы внутри сопла-анода. Все это приводит к изменению заглубления
электрода-катода в сопле lз и соответственно пульсации параметров плазмотрона. В геометрии катодно-анодного узла разработанного плазмотрона ПБГ-1 заметные изменения не
были выявлены.
На втором этапе на тех же режимах плазмотроны работали по схеме, работа в течение
15 мин, отключение, включение и т.д. (15 мин - технологическое время для напыления оксидной керамикой ролика-замасливателя). Плазмотрон 0890-6011 вышел из строя через
4 часа работы (16 технологических циклов) - не происходил поджиг электрической дуги за
счет сильного износа электродов. Испытания разработанного плазмотрона ПБГ-1 прекратили после 8 часов работы (32 технологических цикла).
6
BY 14906 C1 2011.10.30
На третьем этапе произвели напыления окиси алюминия на разных плазмотронах на
одном и том же режиме: ток - 450 A; напряжение - 70 В; расход азота - 35 л/мин; дистанция напыления - 110 мм; фракция порошка - 40-63 мкм; расход порошка - 3 кг/час. После
30 минут напыления плазмотрон 0890-6011 пришлось отключить и прочистить сопло, даже
при напылении мелкодисперсной оксидной керамики плазмотрон работает нестабильно.
Характеристики покрытий из оксида алюминия, напыленных на плазмотроне 0890-6011 и
разработанном плазмотроне, приведены в таблице.
Как видно из проведенных экспериментов, разработанный авторами плазмотрон
ПБГ-1 имеет минимум в 2 раза выше ресурс работы при напылении керамических материалов по сравнению с плазмотроном 0890-6011 за счет изменения конструкции катодноанодного узла и более качественные характеристики оксидных покрытий: увеличение
прочности сцепления в 2 раза, коэффициента использования материала в 1,56 раза, микротвердости в 1,36 раза и уменьшение пористости в 2,8 раза.
Характеристики покрытий из оксида алюминия
Прочность
Пористость, Коэффициент испольПлазмотрон
сцепления, МПа
%
зования материала, %
0890-6011
12,5
14
39
Разработанный
25,4
5
61
Микротвердость, МПа
6400
8700
Источники информации:
1. Линник В.А. Современная техника газотермического нанесения покрытий /
В.А.Линник, П.Ю.Пекшев. - Москва: Машиностроение, 1985. - С. 31-33.
2. Линник В.А. Современная техника газотермического нанесения покрытий /
В.А.Линник, П.Ю.Пекшев. - Москва: Машиностроение, 1985. - С. 38-40.
3. Борисов Ю.С. Газотермические покрытия из порошковых материалов: Справочник /
Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л., Ардатовская Е.Н. - Киев, 1987. - С. 78.
Фиг. 1
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
815 Кб
Теги
патент, by14906
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа