плазменные устройство и система

Формула изобретения

1. Сдвоенное плазменное устройство, содержащее две плазменные головки, каждая из которых содержит электрод, причем одна содержит анод и определяет анодную плазменную головку, и одна содержит катод и определяет катодную плазменную головку, при этом упомянутые плазменные головки способны генерировать дугу между упомянутыми анодом и катодом, каждая из упомянутых плазменных головок содержит канал для потока плазмы, чтобы таким образом определить первый и второй каналы для потока, и элемент для впуска основного газа, расположенный между, по меньшей мере, частью упомянутого электрода и упомянутыми каналами для потока плазмы, причем упомянутая анодная плазменная головка и упомянутая катодная плазменная головка ориентированы под некоторым углом по направлению друг к другу, и каждый из упомянутых каналов для потока плазмы содержит первый по существу цилиндрический участок, примыкающий к упомянутому электроду и имеющий диаметр D1, второй по существу цилиндрический участок, примыкающий к упомянутому первому участку и имеющий диаметр D2, и третий по существу цилиндрический участок, примыкающий к упомянутому второму участку и имеющий диаметр D3, при этом D1<D2<D3, причем упомянутая дуга генерируется между упомянутой катодной плазменной головкой и анодной плазменной головкой так, что дуга проходит последовательно из D1, D2 и D3 упомянутого первого канала для потока газа и последовательно в D3, D2, и D1 упомянутого второго канала для потока газа.

2. Сдвоенное плазменное устройство по п.1, в котором упомянутый первый участок упомянутого, по меньшей мере, одного канала для потока имеет длину L1, и при этом 0,5<L1/D1<2.

3. Сдвоенное плазменное устройство по п.1, в котором упомянутый первый участок упомянутого, по меньшей мере, одного канала для потока плазмы имеет длину L1, и при этом 0,5<L1/D1<1,5.

4. Сдвоенное плазменное устройство по п.1, в котором первый и второй участки, по меньшей мере, одного канала для потока плазмы имеют соотношение 2>D2/D1>1,2.

5. Сдвоенное плазменное устройство по п.1, в котором третий участок, по меньшей мере, одного канала для потока плазмы имеет длину L3, и при этом 2>L3/(D3-D2)>1.

6. Сдвоенное плазменное устройство по п.1, в котором переход между упомянутым первым участком и упомянутым вторым участком, по меньшей мере, одного канала для потока плазмы содержит уступ.

7. Сдвоенное плазменное устройство по п.1, в котором переход между упомянутым вторым участком и упомянутым третьим участком, по меньшей мере, одного канала для потока плазмы содержит уступ.

8. Сдвоенное плазменное устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, одна плазменная головка содержит расположенную впереди по потоку часть и расположенную позади по потоку часть, при этом упомянутая расположенная впереди по потоку часть содержит, по меньшей мере, упомянутый первый участок упомянутого канала для потока плазмы и упомянутая расположенная позади по потоку часть содержит, по меньшей мере, упомянутый третий участок упомянутого канала для потока плазмы, и при этом упомянутая расположенная впереди по потоку часть электрически изолирована от упомянутой расположенной позади по потоку части.

9. Сдвоенное плазменное устройство по п.8, в котором упомянутая расположенная впереди по потоку часть упомянутой плазменной головки содержит, по меньшей мере, часть упомянутого второго участка упомянутого канала для потока плазмы, и упомянутая расположенная позади по потоку часть упомянутой плазменной головки содержит, по меньшей мере, другую часть упомянутого второго участка упомянутого канала для потока плазмы.

10. Сдвоенное плазменное устройство по п.1, дополнительно содержащее элемент для впуска вспомогательного газа, расположенный дальше по потоку относительно упомянутый упомянутого первого по существу цилиндрического участка упомянутого, по меньшей мере, одного канала для потока плазмы.

11. Сдвоенное плазменное устройство по п.1, дополнительно содержащее инжектор для порошка, сконфигурированный для ввода порошкообразного материала в плазменную струю, создаваемую упомянутыми анодной и катодной плазменными головками.

12. Сдвоенное плазменное устройство по п.1, в котором угол между упомянутой анодной плазменной головкой и упомянутой катодной плазменной головкой составляет от приблизительно 45 до приблизительно 80°.

13. Сдвоенное плазменное устройство по п.12, в котором угол между упомянутой анодной плазменной головкой и упомянутой катодной плазменной головкой составляет от приблизительно 50 до приблизительно 60°.

14. Сдвоенное плазменное устройство, содержащее анодную плазменную головку и катодную плазменную головку, при этом каждая упомянутая плазменная головка содержит электрод и канал для потока плазмы и элемент для впуска основного газа, расположенный между, по меньшей мере, частью упомянутого электрода и упомянутым каналом для потока плазмы, причем упомянутая анодная плазменная головка и упомянутая катодная плазменная головка ориентированы под некоторым углом по направлению друг к другу, и, по меньшей мере, один из упомянутых каналов для потока плазмы содержит первый по существу цилиндрический участок, находящийся рядом с упомянутым электродом и имеющий диаметр D1, второй по существу цилиндрический участок, примыкающий к упомянутому первому участку и имеющий диаметр D2, и третий по существу цилиндрический участок, примыкающий к упомянутому второму участку и имеющий диаметр D3, при этом D1<D2<D3, при этом упомянутый первый участок упомянутого, по меньшей мере, одного канала для потока имеет длину L1, и при этом 0,5<L1/D1<2, и упомянутые первый и второй участки, по меньшей мере, одного канала для потока плазмы имеют соотношение 2>D2/D1>1,2.

Описание изобретения к патенту

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка притязает на приоритет заявки на патент США No. 11/564,080, поданной 28 ноября 2006, описание которой включено в данную заявку путем ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее описание относится в целом к плазмотронам (плазменным горелкам) и плазменным системам и, более точно, к сдвоенным плазмотронам для плазменной обработки и напыления материалов.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На эффективность и стабильность плазменных термических систем, предназначенных для плазменной обработки материалов и плазменного напыления, может влиять множество параметров. На надлежащее образование плазменной струи и поддержание рабочих параметров плазменной струи может, например, повлиять способность к образованию стабильной дуги, имеющей постоянное соединение с электродами. Аналогичным образом стабильность горения дуги может также зависеть от эрозии электродов и/или стабильности профиля или положения плазменной струи. Изменения профиля и положения плазменной струи могут привести к изменениям характеристик плазменной струи, создаваемой плазмотроном. Кроме того, на качество материала, подвергнутого плазменной обработке, или покрытия, полученного посредством плазменной системы, могут повлиять подобные изменения профиля, положения и характеристик плазмы.

В обычном сдвоенном плазменном устройстве 100, подобном показанному на фиг.1, катодная и анодная головки 10, 20 обычно расположены под углом, составляющим приблизительно 90 градусов, друг относительно друга. Подающая труба 112, как правило, расположенная между головками, может обеспечивать подачу материала, подлежащего обработке плазмой. Компоненты обычно расположены с образованием замкнутой зоны 110 обработки, в которой будет происходит соединение дуг. Относительная непосредственная близость друг к другу и, тем самым, огороженное небольшое пространство часто создают тенденцию дестабилизации дуг, в особенности при высоких напряжениях и/или при низкой интенсивности подачи (низком расходе) плазмообразующего газа. Дестабилизация дуги, часто называемая «образованием побочных дуг (side arcing)», происходит, когда дуги предпочтительно соединяются с контурами с более низким сопротивлением. Попытки предотвратить образование побочных дуг часто предусматривают использование защитных газов, однако данный подход, как правило, приводит к более сложной конструкции, а также к более низким температурам и энтальпиям плазмы. В результате более низкая температура и энтальпия плазмы приводят к более низкой эффективности процесса.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Признаки и преимущества заявленного предмета изобретения будут очевидными из нижеприведенного описания вариантов осуществления, соответствующих ему, при этом указанное описание следует рассматривать совместно с сопровождающими чертежами, в которых:

фиг.1 представляет собой детализированный схематический вид одного варианта осуществления обычного углового сдвоенного плазменного устройства;

фиг.2 представляет собой схематическую иллюстрацию сдвоенного плазменного устройства;

фиг.3а-b схематически показывают варианты осуществления соответственно катодной плазменной головки и анодной плазменной головки в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.4 представляет собой детализированный вид одного варианта осуществления плазменного канала, включающего в себя три цилиндрических участка с разными диаметрами, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения;

фиг.5 представляет собой детализированный схематический вид одного варианта осуществления образующего модуля в соответствии с настоящим изобретением, имеющего расположенные впереди и позади по потоку части образующего модуля;

фиг.6 иллюстрирует вариант осуществления, выполненный с конфигурацией, обеспечивающей возможность подачи вспомогательного плазмообразующего газа в плазменный канал;

фиг.7а-b показывают аксиальное и радиальное сечения устройства для введения вспомогательного плазмообразующего газа в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.8а-b иллюстрируют виды одного сдвоенного плазмотрона, выполненного с конфигурацией, обеспечивающей аксиальное введение материалов;

фиг.9а-с иллюстрируют один сдвоенный плазмотрон, выполненный с конфигурацией, обеспечивающей радиальное введение материалов;

фиг.10 представляет собой схематический вид комплекта плазмотронов, включающего в себя два сдвоенных плазмотрона;

фиг.11а-b представляют собой иллюстрации сверху и снизу комплекта плазмотронов, включающего в себя два сдвоенных плазмотрона, выполненных с конфигурацией, обеспечивающей аксиальное введение материалов; и

фиг.12а-b иллюстрируют влияние интенсивностей подачи плазмообразующих газов и тока на напряжение дуги для плазмотронов, расположенных под углом 50°.

ОПИСАНИЕ

В качестве общего представления в соответствии с настоящим изобретением могут быть предложены системы со сдвоенными плазмотронами, модули и элементы систем со сдвоенными плазмотронами и т.д., которые могут в различных вариантах осуществления обеспечивать одну или несколько из следующих характеристик: сравнительно широкий рабочий диапазон параметров плазмы, более стабильную и/или однородную плазменную струю и более высокую стойкость электродов. Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением могут быть обеспечены средства, которые могут обеспечить регулирование введения материала, подлежащего плазменной обработке или плазменному напылению, в плазменную струю. Сдвоенные плазменные устройства могут найти широкое применение при плазменной обработке материалов, сфероидизации порошков, обработке отходов (очистке сточных вод), плазменном напылении и т.д. вследствие сравнительно высокой эффективности подобных устройств.

Сдвоенное плазменное устройство согласно настоящему изобретению может обеспечить значительно более высокую эффективность плазменной обработки материалов. Более высокая эффективность может быть обеспечена частично за счет интенсивностей подачи и скоростей потока плазмы, которые являются сравнительно низкими, и соответствующих чисел Рейнольдса, которые могут составлять около или ниже приблизительно 700-1000. При подобных интенсивностях подачи и скоростях потока плазмы время выдержки материалов в плазменной струе может быть достаточным для обеспечения возможности эффективного использования энергии плазмы, и желательная трансформация материалов во время плазменной обработки может происходить с высокой эффективностью и производительностью. Кроме того, сдвоенное плазменное устройство согласно настоящему изобретению может также обеспечить уменьшение или устранение возникновения побочных дуг, которое обычно связано с высоким напряжением и/или низкими числами Рейнольдса.

Как показано на фиг.2, сдвоенное плазменное устройство 100 может генерировать дугу 7 между анодной плазменной головкой 20 и катодной плазменной головкой 10, соответственно соединенными с положительным и отрицательным выводами источника питания постоянного тока. Как показано на фиг.2, оси плазменных головок 10 и 20 могут быть расположены под углом друг относительно друга, при этом сходимость осей обеспечивает образование зоны взаимодействия плазменных головок 10, 20.

При рассмотрении сначала фиг.3 можно отметить, что в соответствии с настоящим изобретением в целом может быть предложено сдвоенное плазменное устройство, включающее в себя катодную плазменную головку, показанную на фиг.3а, и анодную плазменную головку, показанную на фиг.3b. Как показано, анодная и катодная плазменные головки могут иметь по существу аналогичную конструкцию. Основное различие между анодной и катодной плазменными головками может состоять в конструкции электродов. Например, в конкретном варианте осуществления анодная плазменная головка может включать в себя анод 45а, который может быть выполнен из материала со сравнительно высокой удельной электропроводностью. Приведенные в качестве примера аноды могут включать в себя медь или медный сплав, при этом легко можно представить другие пригодные материалы и конфигурации. Катодная плазменная головка может включать в себя вставку 43, которая вставлена в катододержатель 45b. Катододержатель 45b может быть выполнен из материала с высокой удельной электропроводностью. Аналогично аноду катододержатель 45b может представлять собой медь или медный сплав и т.д. Материал вставки 43 может быть выбран таким, чтобы обеспечить длительный срок службы вставки при использовании ее вместе с определенными плазмообразующими газами. Например, лантанированный или торированный вольфрам может представлять собой материал, пригодный для использования, когда азот или аргон используются в качестве плазмообразующих газов, при добавлении или без добавления водорода или гелия. Аналогичным образом вставка из гафния или циркония может представлять собой пригодный материал в вариантах осуществления, в которых воздух используется в качестве плазмообразующего газа. В других вариантах осуществления анод может иметь конструкцию, аналогичную конструкции катода, и может содержать вставку из вольфрама или гафния или другие вставки, которые могут обеспечить повышение стабильности горения дуги и увеличение стойкости анода.

Плазменные головки могут быть образованы в целом электродным модулем 99 и плазмообразующим узлом 97. Электродный модуль 99 может включать в себя основные элементы, такие как корпус 23 электрода, канал 25 для подачи основного плазмообразующего газа, имеющий входной патрубок 27, вихреобразующую гайку 47, образующую вихревую составляющую плазмообразующего газа, и электрод 45а или 45b с водяным охлаждением. Различные дополнительные и/или заменяющие компоненты можно легко представить и предпочтительно использовать вместе с электродным модулем по настоящему изобретению.

Плазмообразующий узел 97 может включать в себя основные элементы, такие как корпус 11, образующий модуль 30, имеющий расположенную впереди по потоку секцию 39 и выходную секцию 37, канал 13 для охлаждающей воды, соединенный с элементом 15 для впуска воды, кольцевой изолятор 35. В образующем модуле 30 может быть по существу образован плазменный канал 32.

В проиллюстрированных приведенных в качестве примера плазменных головках основной плазмообразующий газ подается через входной патрубок 27 в канал 25, который находится в изоляторе 51. Затем плазмообразующий газ дополнительно направляется через ряд прорезей или отверстий, выполненных в вихреобразующей гайке 47, и в плазменный канал 32 через зазор 44 между анодом 45а или катододержателем 45b с установленным в нем катодом 43 и расположенной впереди по потоку секцией 39 образующего модуля 30. Различные другие конфигурации могут быть в качестве альтернативы или дополнительно использованы для подачи основного плазмообразующего газа в плазменный канал 32.

Плазменный канал 32 в соответствии с настоящим изобретением может специфическим образом способствовать образованию регулируемой дуги и может обеспечить поддержание регулируемой дуги, характеризующейся уменьшенной склонностью или отсутствием склонности к образованию побочных дуг при сравнительно низких интенсивностях подачи основного плазмообразующего газа, например, таких, которые могут давать число Рейнольдса в интервале от приблизительно 800 до 1000 и, более точно, характеризуются числом Рейнольдса в диапазоне ниже 700.

Плазменный канал 32 может включать в себя три по существу цилиндрических участка, как проиллюстрировано более подробно на фиг.4. Расположенный впереди по потоку участок 38 плазменного канала 32 может находиться рядом с электродами, например, рядом с катодной вставкой 43 и анодом 45а, и может иметь диаметр D1 и длину L1. Средний участок 40 плазменного канала 32 может иметь диаметр D2 > D1 и длину L2. Выходной участок 42 плазменного канала 32 может иметь диаметр D3 > D2 и длину L3.

Расположенный впереди по потоку, цилиндрический участок 38 может обеспечивать оптимизированную скорость плазменной струи, обеспечивая надежное расширение или распространение плазменной струи до зоны 12 взаимодействия, показанной на фиг.2. Диаметр D1 может быть больше диаметра D0 катода. Как правило, оптимальное значение диаметра D1 зависит от интенсивности подачи плазмообразующего газа и тока дугового разряда. Например, в одном варианте осуществления диаметр D1 может находиться по существу в интервале от приблизительно 4,5 до 5,5 мм, если в качестве плазмообразующего газа используется азот, при интенсивности подачи плазмообразующего газа от приблизительно 0,3 до 0,6 г/с и токе дугового разряда в диапазоне от приблизительно 200 до 400 А. Диаметр D1 первого участка обычно может быть увеличен в вариантах осуществления, в которых используется более высокая интенсивность подачи плазмообразующего газа и/или больший ток дугового разряда.

Длина (L1) первого участка, как правило, может быть выбрана достаточно большой для обеспечения возможности образования стабильной плазменной струи. Тем не менее, увеличивающаяся вероятность образования побочных дуг внутри первого участка может иметь место при L1 > 2D1. Экспериментально желательное значение отношения L1/D1 может быть описано следующим образом.

0,5 < L1/D1 < 2 (1)

Более предпочтительное соотношение между L1 и D1 может быть описано следующим образом.

0,5 < L1/D1 < 1,5 (1а)

Второй 40 и третий 42 участки плазменного канала 32 могут обеспечить возможность повышения уровня ионизации плазмообразующего газа внутри канала, а также дополнительного образования плазменной струи с обеспечением желательной скорости. Диаметры указанных второго 40 и третьего 42 участков плазменного канала 32 в общем могут быть охарактеризованы соотношением D3 > D2 > D1. Вышеприведенное соотношение диаметров может способствовать избежанию дополнительного образования побочных дуг внутри указанных второго 40 и третьего 42 участков плазменного канала 32, а также уменьшению рабочего напряжения.

Дополнительные характеристики второго участка могут быть описаны следующим образом.

4 мм > D2-D1 > 2 мм (2)

2 > D2/D1 > 1,2 (3)

Дополнительные характеристики третьего участка могут быть описаны следующим образом.

6 мм > D3-D2 > 3,5 мм (4)

2 > L3/(D3-D2) > 1 (5)

Различные модификации и варианты вышеупомянутых геометрических параметров, приведенных посредством вышеуказанных соотношений и характеристик, в некоторых вариантах осуществления также могут обеспечить желательные эксплуатационные параметры. В проиллюстрированных вариантах осуществления по фиг.3 и 4 плазменный канал 32 имеет ступенчатый профиль между тремя по существу цилиндрическими участками. Помимо ступенчатой конфигурации могут быть соответствующим образом использованы различные другие возможные варианты, относящиеся к геометрическим формам плазменного канала, обеспечивающим соединение трех цилиндрических участков. Например, конические или аналогичные переходы между цилиндрическими участками, а также закругленные края уступов также могут быть использованы с той же целью.

Сдвоенное плазменное устройство, имеющее плазменные каналы, соответствующие соотношениям (1)-(5), приведенным выше, может обеспечить стабильную работу при уменьшении или устранении образования побочных дуг в сравнительно широком диапазоне рабочих параметров. Тем не менее, в некоторых случаях «образование побочных дуг» может все же иметь место, когда интенсивность подачи плазмообразующего газа и скорость плазмы дополнительно уменьшены. Например, приведенный в качестве примера вариант осуществления сдвоенного плазмотрона с плазменным каналом, имеющим размеры D1=5 мм, L1=3 мм, D2=8 мм, L2=15 мм, D3=13 мм, L3=6 мм, может работать без «образования побочных дуг» при токе дугового разряда 150-350 Ампер при использовании азота в качестве основного плазмообразующего газа, подаваемого при интенсивности подачи, превышающей 0,35 г/с. Уменьшение интенсивности подачи азота до значений менее 0,35 г/с и особенно ниже 0,3 г/с может привести к «образованию побочных дуг». В соответствии с настоящим изобретением дополнительное уменьшение интенсивности подачи плазмообразующих газов может быть выполнено при одновременной минимизации или предотвращении образования побочных дуг посредством выполнения электрически изолированных элементов в конструкции образующего модуля 30.

На фиг.5 также имеется иллюстрация одного варианта осуществления образующего модуля 30, в котором расположенная впереди по потоку часть 39 образующего модуля 30 электрически изолирована от расположенной позади по потоку части 37 образующего модуля керамическим кольцевым изолятором 75. В данном проиллюстрированном варианте осуществления уплотнительное кольцо 55 может быть использовано совместно с кольцевым изолятором 75. Электрическая изоляция расположенной впереди по потоку части 39 и расположенной позади по потоку части 37 образующего модуля 30 может привести к дополнительной стабильности горения дуги и плазменной струи, то есть к получению плазменной струи, характеризующейся уменьшением или устранением образования побочных дуг, даже при очень низких интенсивностях подачи (расходах) плазмообразующего газа, и соответственными низкими значениями числа Рейнольдса. Например, во время испытаний приведенного в качестве примера варианта осуществления плазменной головки, имеющей такие же размеры плазменного канала и работающей при том же уровне тока, как и в приведенном в качестве примера варианте осуществления, описанном выше, когда интенсивность подачи азота была уменьшена до 0,25 г/с, не наблюдалось образования побочных дуг. Может потребоваться дополнительная электрическая изоляция элементов образующего модуля 30 для обеспечения возможности еще бóльших дополнительных уменьшений интенсивности подачи плазмообразующего газа при одновременном уменьшении или устранении образования побочных дуг. Подобная дополнительная изоляция соответственно может привести к повышению сложности сдвоенного плазменного устройства.

Фиг.3а-b иллюстрируют вариант осуществления сдвоенного плазменного устройства, в котором плазмообразующий газ или смесь плазмообразующих газов подается только по каналу 27 для подачи газа и через вихреобразующую гайку 47. В некоторых случаях подача плазмообразующего газа вокруг электродов может вызвать чрезмерную эрозию электродов, особенно в том случае, если смесь плазмообразующих газов включает в себя воздух или другой активный газ. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения эрозия электродов может быть уменьшена или предотвращена посредством подачи инертного газа, например аргона, через вихреобразующую гайку 47, как описано выше, и пропускания его вокруг электродов. Активный или дополнительный вспомогательный газ или смесь газов может быть подан(-а) в зоне, находящейся по потоку за зазором 44, которая находится между анодом 45а или катодом 43 и расположенной впереди по потоку секцией 39 образующего модуля 30. Вариант осуществления, обеспечивающий дополнительное введение плазмообразующего газа, показан на фиг.6 для катодной плазменной головки. Соответствующую конструкцию для анодной плазменной головки можно легко представить. Вспомогательный плазмообразующий газ может быть подан в газовый канал 79 через элемент 81 для впуска газа, расположенный внутри распределителя 41. Из канала 79 вспомогательный газ может быть подан в плазменный канал 32 через прорези или отверстия 77, находящиеся в расположенной впереди по потоку секции 39 образующего модуля 30. Если обратиться также к фиг.7, приведенный в качестве примера вариант осуществления одного возможного элемента для подачи вспомогательного плазмообразующего газа показан в аксиальном и радиальном сечениях. В проиллюстрированном варианте осуществления четыре прорези 77 могут быть выполнены в расположенной впереди по потоку секции 39 для подачи вспомогательного плазмообразующего газа в плазменный канал 32. Как показано, прорези 77 могут быть выполнены так, чтобы обеспечить введение вспомогательного плазмообразующего газа по существу по касательной в плазменный канал 32. Другие конструкции также могут быть использованы соответствующим образом.

Может существовать множество разных возможных конструкций, в которых выполнены одно или несколько сдвоенных плазменных устройств в соответствии с настоящим изобретением для удовлетворения разных технологических требований, связанных с плазменной обработкой материалов и плазменным напылением. Аксиальное, радиальное введение или сочетание аксиального/радиального введения материалов, подлежащих плазменной обработке, могут быть использованы в данных конструкциях. Фиг.8-11 иллюстрируют приведенные в качестве примера конфигурации для введения материала в сочетании со сдвоенным плазменным устройством. Различные другие конфигурации также могут быть использованы соответствующим образом.

Фиг.8 и 9 иллюстрируют конфигурации для введения, реализованные в комбинации с одним сдвоенным плазмотроном, соответственно обеспечивающие аксиальную и радиальную подачу материалов, подлежащих обработке. Угол между катодной головкой 10 и анодной головкой 20 может представлять собой один из основных параметров, определяющих положение зоны взаимодействия, длину дуги и, следовательно, рабочее напряжение дуги. Меньшие углы , как правило, могут приводить к более длинной дуге и более высокому рабочему напряжению. Экспериментальные данные показывают, что для эффективной плазменной сфероидизации керамических порошков предпочтительно может быть использован угол , находящийся в интервале 45-80 градусов, при этом угол, находящийся в интервале примерно 50° < < 60°, является особенно предпочтительным.

Фиг.8а-8b иллюстрируют катодную 10 и анодную 20 плазменные головки, ориентированные так, чтобы образовать систему 126 с одним угловым сдвоенным плазмотроном. Питание плазменных головок 10, 20 может осуществляться посредством источника 130 питания. Аксиальный инжектор 120 для порошков может быть расположен между соответствующими плазменными головками 10, 20 и может быть ориентирован для направления вводимого материала по существу по направлению к зоне взаимодействия. Аксиальный инжектор 120 для порошков может быть закреплен относительно плазменных головок 10, 20 посредством держателя 124 инжектора. В разных вариантах осуществления держатель инжектора может обеспечивать электрическую и/или тепловую изоляцию инжектора 120 от системы 126 с плазмотроном.

Конфигурация плазмотрона, обеспечивающая радиальную подачу материалов, проиллюстрирована на фиг.9а-с. Как показано, радиальный инжектор 128 может быть расположен рядом с концом одной или обеих плазменных головок, например катодной плазменной головки 10. Радиальный инжектор 128 может быть ориентирован так, чтобы обеспечить введение материала в плазменную струю, выходящую из плазменной головки, по существу в радиальном направлении. Радиальный инжектор 128 может иметь круглое поперечное сечение канала 140 для подачи материала, как показано на фиг.9с. Однако в других вариантах осуществления эллиптическая или аналогичная форма канала 136, ориентированная так, что более длинная ось будет ориентирована вдоль оси плазменной струи, выходящей из плазменной головки, как показано на фиг.9b, может привести к улучшенному использованию энергии плазмы и, следовательно, к более высокой производительности.

Фиг.10-11 иллюстрируют возможные конструкции комплекта 132 с двумя сдвоенными плазмотронами. Ось каждой пары из катодной плазменной головки 10а, 10b и соответствующей анодной плазменной головки 20а, 20b может находиться в соответствующей плоскости 134а, 134b. Плоскости 134а и 134b могут образовывать угол друг с другом. Некоторые экспериментальные результаты показали, что угол , составляющий от около 50 до 90 градусов и более предпочтительно находящийся в диапазоне примерно 55° < < 65°, может обеспечить эффективную плазменную сфероидизацию керамических порошков. Образование побочных дуг может начинаться, когда угол между плоскостями 134а, 134b уменьшается до величин менее приблизительно 50 градусов. Углы , превышающие приблизительно 80-90 градусов, могут привести к некоторым недостаткам при аксиальном введении порошков.

Как рассмотрено выше, конфигурации для аксиальной подачи материалов проиллюстрированы на фиг.8 и 11. Инжектор 120 для порошков может быть установлен в держателе 124 инжектора для обеспечения возможности регулирования положения инжектора 120 для удовлетворения различных технологических требований. Хотя это и не показано, радиальные инжекторы для материалов, такие как показанный на фиг.9а-с, аналогичным образом могут быть смонтированы с возможностью регулирования относительно плазменных головок, например, для обеспечения возможности регулирования промежутка между инжектором и плазменной струей, а также для обеспечения возможности регулирования положения места введения вдоль плазменной струи. Аксиальный инжектор 120 может иметь круглое поперечное сечение 140 канала для подачи материала. Тем не менее, аналогично радиальному введению, может быть использован канал инжектора, имеющий эллиптическую или аналогичную форму, например с более длинной осью отверстия, ориентированной, как показано на фиг.11b. Подобная конфигурация может привести к улучшенному использованию энергии плазмы, что в свою очередь может обеспечить более высокую производительность. В других вариантах осуществления улучшенное использование энергии плазмы может быть достигнуто посредством использования комбинированного одновременного радиального и аксиального введения материалов, подлежащих плазменной обработке. Можно представить множество разных возможностей введения, которые могут обеспечить возможность регулирования и оптимизации параметров плазмы и введения для определенных применений.

Несмотря на то что разработанные и выполненные по заказу источники питания могут быть соответствующим образом использованы в сочетании с плазменной системой согласно настоящему изобретению, следует понимать, что можно обеспечить управление рабочим напряжением и регулирование рабочего напряжения плазменной системы для приспосабливания к имеющимся выходным параметрам промышленно изготавливаемых и имеющихся на рынке источников питания. Например, компания ESAB (Florence, Южная Каролина, США) изготавливает источники питания ESP-400 и ESP-600, которые широко используются для плазменной резки и других плазменных технологий. Данные промышленно изготавливаемые и имеющиеся на рынке источники питания могут быть использованы эффективным образом также для сдвоенных плазменных устройств и систем. Однако максимальное рабочее напряжение данной группы источников питания для получения плазмы при 100%-й нагрузке составляет около 260-290 Вольт. Таким образом, конструкцию сдвоенного плазменного устройства, тип плазмообразующего газа и интенсивность подачи плазмообразующего газа можно регулировать так, чтобы они соответствовали доступному напряжению источников питания ESP-типа. Подобную регулировку можно выполнить для обеспечения сопряжения сдвоенного плазменного устройства с другим промышленно изготавливаемым и имеющимся на рынке или изготавливаемым по заказу источником питания.

Фиг.12а-b иллюстрируют влияние размеров плазменного канала, интенсивностей подачи плазмообразующих газов и тока на напряжение дуги для приведенных в качестве примера вариантов осуществления сдвоенных плазмотронов, выполненных с углом 50° между соответствующими катодной и анодной плазменными головками. Азот часто может представлять собой плазмообразующий газ, представляющий интерес для применений, вследствие его высокой энтальпии, невысокой цены и доступности. Однако применение только азота в качестве плазмообразующего газа может потребовать высокого рабочего напряжения, составляющего около 310 Вольт, как проиллюстрировано кривой 1 на фиг.12а-b. Уменьшение рабочего напряжения, например, до значений, находящихся в пределах интервала выходных напряжений, подаваемых промышленно изготавливаемыми и имеющимися на рынке источниками питания, может быть обеспечено посредством использования, например, смеси аргона и азота при оптимизированных интенсивностях подачи, что проиллюстрировано кривыми 2-5 на фиг.12а. Уменьшение рабочего напряжения также может быть обеспечено посредством оптимизации профиля и размеров плазмообразующего канала 32. Данные, представленные на фиг.12а, были получены посредством использования сдвоенного плазмотрона, в которой плазменный канал 32 каждой плазменной головки имел профиль, определяемый диаметрами D1=4 мм, D2=7 мм и D3=11 мм. Плазмообразующие газы и интенсивности подачи, связанные с каждой из кривых 1-5, соответственно были следующими: кривые 1 и 1а: N₂, 0,35 г/с; кривая 2: Ar, 0,35 г/с, N₂ , 0,2 г/с; кривая 3: N₂, 0,25 г/с; кривая 4: Ar, 0,5 г/с, N₂, 0,15 г/с, и кривая 5: Ar, 0,5 г/с, N ₂, 0,05 г/с. Фиг.12b показывает, что даже сравнительно незначительное увеличение диаметров D1, D2, D3 от соответственно 4 мм, 7 мм и 11 мм до 5 мм, 8 мм и 12 мм может привести к уменьшению рабочего напряжения от около 310 Вольт до приблизительно 270-280 Вольт, что проиллюстрировано на фиг.12b.

Различные признаки и преимущества изобретения были приведены посредством описания приведенных в качестве примера вариантов осуществления в соответствии с изобретением. Следует понимать, что многочисленные модификации и изменения описанных вариантов осуществления могут быть выполнены без принципиального отхода от изобретения, представленного здесь. Соответственно, изобретение не должно быть ограничено описанными вариантами осуществления, но должно охватывать полный объем формулы изобретения, приложенной к данному описанию.