плазмотрон для напыления преимущественно тугоплавких материалов

Формула изобретения

ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ НАПЫЛЕНИЯ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ТУГОПЛАВКИХ МАТЕРИАЛОВ, содержащий катод в виде стержня с конусом на рабочем конце, сопло-анод, разделяющий их изолирующий элемент и коммуникации для подвода газа, охлаждающей среды и порошка, отличающийся тем, что конус на рабочем конце катода выполнен усеченным, цилиндрическая и коническая поверхности катода покрыты диэлектрическим слоем, причем рабочий конец катода расположен в сопле-аноде с образованием их боковыми поверхностями конического канала, фокусирующего частицы тугоплавкого материала на оси канала в прикатодной области.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам, которые используются для нанесения покрытий из порошков тугоплавких материалов методом напыления.

Известно устройство для введения порошкообразных материалов, где существуют два конических кольцевых канала, один из которых для подачи порошкообразного материала, а другой плазмообразующего газа, причем оба канала выполнены параллельно образующей конуса катода. Недостатком этого устройства является сложность конструкции и невозможность стабильной подачи порошкообразного материала в прикатодную область вследствие параллельности каналов, которые не позволяют легким частицам порошка попасть в начало центральной части струи (дуги) [1]

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому плазмотрону является плазмотрон для напыления, содержащий катод в виде стержня с конусом на рабочем конце, сопло-анод коммуникации для подвода газа, охлаждающей среды и порошков, снабженный электрически нейтральным узлом подачи порошка, установленным между катодом и анодом соосно с ними и выполненным в виде корпуса с расположенной в нем ограничительной втулкой с коническим торцом, имеющей на наружной поверхности проточку, сообщающуюся с коммуникациями подачи порошка [2]

Недостатком этого устройства является то, что газопорошковая смесь подается в уже сформированный столб дугового разряда, так что проникновение порошка в центральную зону струи затруднено. До центральной части струи (дуги) достигают частицы с большой массой, а остальная часть отжимается струей и проходит вдоль стенок канала сопла, вследствие чего частицы, не вошедшие в столб струи (дуги), недостаточно проплавлены и плохо взаимодействуют с подложкой.

Задачей изобретения является повышение качества покрытия за счет увеличения компактности струи.

Для решения задачи необходимо постоянство геометрических параметров конического канала, образованного катодом и соплом-анодом, для чего необходимо устранить налипание порошка на раскаленный конец катода и его абразивный износ методом фокусирования дисперсно-газовой смеси с некоторым расстоянием от торца катода, на входе в зону сжатия вблизи катода.

Решение задачи достигается тем, что в плазмотроне для напыления, содержащем катод в виде стержня с конусом на рабочем конце, сопло-анод, разделяющий их изолирующий элемент и коммуникации для подвода газа, охлаждающей среды и порошка, согласно изобретению, конус на рабочем конце катода выполнен усеченным, цилиндрическая и коническая поверхности катода покрыты диэлектрическим слоем, причем рабочий конец катода расположен в сопле-аноде с образованием их боковыми поверхностями конического канала, фокусирующего частицы тугоплавкого материала на оси канала в прикатодной области.

При достижении поставленной задачи, т.е. при предлагаемом расположении элементов конструкции плазмотрона с геометрией определяемой маркой порошка, составом газа с режимом напыления возможно стабильно фокусировать дисперсно-газовый поток на входе в зону сжатия вблизи катода, что исключает расслоение и обеспечивает формирование стабильной контактной двухфазной плазменной струи.

В предлагаемом плазмотроне катод, оканчивающийся усеченным конусом, выполняет функцию формирователя конического канала со стабильными геометрическими размерами, с фокусом на некотором расстоянии от торца катода. Это достигается устранением налипания порошка на горячем конце катода и его абразивного износа, неочевидным существенным признаком наружным диэлектрическим слоем на конической и цилиндрической поверхности катода. Отсутствие электропроводности наружного слоя устраняет эмиссию электронов с ее поверхности для поддержания дугового разряда, что снижает температуру конического и цилиндрического поверхностных слоев конца катода до температуры, при которой отсутствуют налипание порошка и абразивный износ. Достигнутые постоянство геометрических параметров конического канала и стабильное фокусирование дисперсно-газового потока на вход в зону сжатия вблизи катода повышают качество покрытия за счет стабильности компактной струи.

На чертеже схематически изображен предлагаемый плазмотрон.

Он состоит из корпуса 1, в который запрессовано сопло-анод 2. К корпусу плазмотрона крепится корпус узла подачи порошка 3, изготовленный из электроизолирующего материала. К корпусу узла подачи порошка крепится узел катода, состоящий из самого катода 4, оканчивающегося усеченным конусом 5, с наружным диэлектрическим слоем 6 и катододержателя 7. Плазмотрон присоединяется к источнику постоянного электрического тока, (-) к патрубку 8, (+) к патрубку 9. К этим патрубкам подводится также охлаждающая вода, проходящая по сообщающимся полостям узлов анода и подачи порошка, а также катодного узла. Патрубок 10 служит для подвода плазмообразующего газа, а патрубок 11 для подвода порошка.

Предложенная конструкция работает следующим образом. Между торцом усеченного конуса катода 4, не закрытым диэлектрическим слоем 6, и соплом-анодом 2 горит электрическая дуга. Плазмообразующий газ, проходя через электрическую дугу, нагревается до высокой температуры и истекает через осевое отверстие в сопле-аноде 2 в виде факела. Порошок подается в плазмотрон при помощи транспортирующего газа через патрубок 11. Затем, проходя с соударением кольцевой зазор между диэлектрической поверхностью 6 катода 4 и корпусом узла подачи порошка 3, а затем конический канал между соплом-анодом 2 и боковой диэлектрической поверхностью усеченного конуса 5, дисперсно-газовая смесь фокусируется на входе в столб дуги вблизи катода, что позволяет избежать ее расслоения и обеспечивает формирование стабильной компактной двухфазной плазменной струи. Диэлектрический слой из жаростойкой керамики (Al₂O₃ или ZrO₂), нанесенный на поверхность катода, обеспечивает свои защитные функциональные свойства при всех использованных режимах. Этот слой устраняет налипание на катод напыляемого материала, предохраняет катод от абразивного износа, исключает изменение геометрии конического канала, тем самым обеспечивая стабильность компактной плазменной струи и качество напыляемого покрытия.