Hадзвуковий електродуговий плазмотроh

Изобретение относится к конструкции сверхзвуковых электродуговы х плазмотронов для напыления покрытий с использованием в качестве плазмообразующего газа преимущественно продуктов сгорания углеводородов. Общий подход к конструированию сверхзвуковых электродуговых-, плазмотронов известен. Как и в обычных (дозвуковых) плазмотронах в них используют катод и сопло-анод, разделенные электроизолированной с обоих торцов межэлектродной вставкой (далее - МЭВ), и завихрители подаваемого в дуговой промежуток плазмообразующего газа для стабилизации дуги [1]. Сверхзвуковая плазменная струя служит весьма эффективным средством повышения точности сцепления покрытия с подложкой в среднем в 2,5...3,0 раза в сравнении с напылением дозвуковой плазменной струёй). Поэтому интерес к использованию сверхзвуковых плазмотронов для напыления в машиностроении возрастает. Однако при этом возникает проблема повышения их эксплуатационной надежности, связанная прежде всего с проблемой стабилизации электрической дуги при вдувании напыляемых порошков в формирующуюся сверхзвуковую плазменную струю. Наиболее ярко эта проблема может быть проиллюстрирована на примере сверхзвукового электродугового плазмотрона для напыления покрытий, выбранного в качестве прототипа [2]. Последний содержит катод в виде цилиндрического стержня с конусообразным рабочим концом, камеру, в торцевой стенке которой закреплен указанный катод. а в боковой - тангенциально ориентированный штуцер для подачи части плазмообразующего газа, причем упомянутый штуцер служит первым завихрителем плазмообразующего газа. Далее последовательно расположены электроизолированная с торцов межэлектродная вставка, второй завихритель в виде цилиндрической полости, в которую открыт канал второго тангенциально ориентированного штуцера, и сопло-анод с отверстием для подачи напыляемого порошка. Поскольку формирующаяся в сопле-аноде сверхзвуковая плазменная струя имеет давление, существенно превышающее атмосферное, постольку для "вдавливания" порошка в нее приходится увеличивать расход и давление транспортного газа. При этом часть стенки сопла-анода, противоположная выходному отверстию канала для ввода порошка, обычно обрастает настылями, плазменная струя отклоняется в сторону этого отверстия и прилегающая к нему часть стенки сопла-анода выгорает, что снижает эксплуатационную надежность плазмотрона. Одновременно ухудшается распределение порошка в плазменной струе и нарушается стабильность дуги, что также отрицательно сказывается на эксплуатационной надежности. Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего повысить эксплуатационную надежность при напылении за счет стабилизации дуги и улучшения подачи порошка в плазму и его распределения. в результате чего улучшаются газодинамическое и тепловое воздействие сверхзвуковой плазменной струи на напыляемый материал и, как следствие, улучшаются интегральные характеристики покрытий из различных групп материалов металлов, сплавов, оксидов, карбидов, композиционных материалов). Поставленная задача решена тем, что в сверхзвуковом электродуговом плазмотроне, содержащем камеру с закрепленным в ее торце осевым катодом, электроизолированную межэлектродную вставку с центральным каналом, сопло-анод с отверстием для ввода напыляемого порошка в его стенке, два завихрителя, один из которых расположен вблизи сопла, а другой - вблизи катода, а также две полости, одна из которых расположена у входного отверстия сопла, а другая - в зоне торца катода, согласно изобретению, межэлектродная вставка выполнена с периферийными каналами, параллельными оси плазмотрона, соединяющими полости у катода и сопла, и с диаметром центрального канала d1=(1,1-1,5)d2, где d2 - диаметр выходного канала сопла, выходной канал сопла выполнен эксцентричным каналу межэлектродной вставки с эксцентриситетом е=(0,02-0,1)d2, а отверстие для подачи порошка выполнено со стороны, наиболее удаленной от оси плазмотрона, расположено на расстоянии l=(0,2-2,0)d2 от среза сопла-анода, причем наибольшей величине эксцентриситета "е" соответствуе т наибольшая величина расстояния "l". Согласно изобретению, в данном сверхзвуковом плазмотроне один из завихрите-лей выполнен в виде винтовых каналов между катодом и боковой стенкой камеры и соединен с полостью, расположенной вблизи катода, межэлектродная вставка выполнена с кольцевой полостью, расположенной вблизи катода, а второй завихритель выполнен в виде винтовых каналов в межэлектродной вставке со стороны сопла и соединен через кольцевую полость с периферийными каналами вставки, Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором в продольном разрезе схематически изображен предлагаемый сверхзвуковой электродуговой плазмотрон. Плазмотрон содержит катодный узел 1, камеру 2 со штуцером 3 для подачи плазмообразующего газа, первый завихритель 4, межэлектродную вставку (МЭВ) 5 с торцевыми электроизоляторами 6 и 7, второй завихритель 8 и сопло-анод 9 со штуцером 10. смонтированным в отверстии для подачи напыляемого порошка в транспортном газе. Катодный узел 1 содержит полый корпус 11 со сменным катодом 12, подключенным к источнику постоянного тока (на чертеже не показан), центральным патрубком 13 для подачи свежего хладагента (обычно воды) на тыльную сторону катода 12 и боковым патрубком 14 для отвода отработанного хладагента из верхней части корпуса 11. Корпус 11 с катодом 12 закреплен соосно МЭВ 5 в торцевой стенке камеры 2, которая через электроизолятор 6 зафиксирована относительно МЭВ 5. Первый завихритель 4 размещен между внешней стенкой корпуса 11 и внутренней стенкой камеры 2 и выполнен в виде винтовых каналов в 2...4-заходной резьбе. МЭВ 5 выполнена составной. Она имеет обойму 15, в теле которой выполнены параллельно оси плазмотрона симметрично расположенные в ее поперечном сечении периферийные каналы 16, переходящие в кольцевую коллекторную камеру 17 и далее во второй завихритель 8, выполненный аналогично первому. В обойме 15 установлена втулка 18 со сквозным осевым каналом для прохода большей части плазмообразующего газа по всей длине дугового промежутка. Сопло-анод 9 также выполнено составным и содержит обойму 19 с каналами для циркуляции хладагента (которые обозначены на чертеже как пустоты в теле этой обоймы) и втулку 20. Которая установлена эксцентрично относительно втулки 18 в МЭВ. Втулки 18 и 20 и положение штуцера 10 относительно выходного торца сопла-анода 9 связаны следующими соотношениями размеров: внутренний диаметр d1 втулки 18 в МЭВ 5 в 1,1...1,5 раза больше внутреннего диаметра 02 втулки 20 соплаанода 9, т.е. d1=(1,1...1,5)d 2 ; эксцентриситет (втулки 20) сопла-анода 9 относительно втулки 18) МЭВ 5 составляет величину е=(0,020,10)d2; расстояние (геометрической оси) штуцера 10 от выходного торца сопла-анода 9 составляет величину l= (0,2...2,0)d 2. Покрытия с помощью описанного плазмотрона напыляют следующим образом. Сквозь штуцер 3 в камеру 2 подают плазмообразующий газ, в качестве которого в предлагаемом плазмотроне используют предварительно подготовленные смеси воздуха с углеводородными газами (метаном, пропан-бутаном). Через завихритель 4 плазмообразующий газ попадает в камеру ввода плазмообразующего газа. где он разделяется на два потока. Большая часть газа (60-90% от суммарного расхода) проходит через кольцевой зазор между втулкой 18 МЭВ и катодом 12 в осевой канал втулки 18. Меньшая часть газа (10-40% суммарного расхода) проходит через два или более канала 16 в обойме 15 в коллектор 17 и через завихритель 8 вдувается в зазор между входной торцевой поверхностью сопла-анода 9 и выходной торцевой поверхностью МЭВ 5. Далее, смешиваясь, газы проходят через осевой канал втулки 20 сопла-анода 9 и истекают в атмосферу. Электрическая дуга постоянного тока горит в осевом канале втулки 18 МЭВ. Катодное опорное пятно дуги расположено неподвижно на активной вставке катода 12, анодное опорное пятно перемещается с-большой скоростью во внутренней поверхности втулки 20 сопла-анода. Сдвиг осей "е" втулок 20 анода и 18 МЭВ обеспечивает удаление отверстия для подачи порошка в стенке анода от непосредственного контакта с дугой, а место расположения отверстия на расстоянии l=(0,2-2,0)d2 позволяет вводить порошок в область низких давлений плазмообразующего газа. В заявляемом плазмотроне используется звуковое цилиндрическое сопло. В таком сопле при сверхкритическом перепаде давлений звуковая линиясмещается внутри сопла. Это происходит за счет нарастания вдоль сопла толщины пограничного слоя и его сброса у кромки. Разгон плазмы до сверхзвуковых скоростей происходит, благодаря ее расширению а свободной струе. В канале анода, начиная с его входа, устанавливается околозвуковая скорость, которая увеличивается к выходу. По оси канала располагается электрическая дуга, привязка которой осуществляется к стенке канала. Признаки заявляемого изобретения обусловлены следующим. Непосредственная подача порошка в канал анода, в котором горит электрическая дуга практически невозможна из-за выгорания места ввода и налипання частичек на стенке. При смещении осей каналовмежэлектродной вставки и анода высокотемпературная и высокоскоростная зона потока отжимается к той части поверхности цилиндрического канала, которая к ней приближена. С противоположной стороны происходит снижение радиального градиента температур и скоростей. Деформация их профиля, обусловленная смещением оси каналов межэлектродной вставки и анода в заявляемых пределах (0,02-0,1)d2, обеспечивает надежную подачу порошка, транспортируемого газом, в ядро плазменного потока. Смещение менее 0,02 d2 практически не оказывает влияния на толщину пограничного слоя, а более 0,1 d2 приводит к полному разрушению погранслоя в поверхности, к которой прижимается электрическая дуга. локализуется зона ее привязки на малой поверхности, что приводит к прогоранию анода. В заявляемом плазмотроне соотношение диаметров каналов межэлектродной вставки и анода d 1/d2 должно находиться в пределах 1,1-1,5. При d1/d2 1,5 перестает работать эффект от смещения осей, поскольку снижается импульс потока, сформированного в канале межэлектродной вставки. Расстояние радиального отверстия для подачи порошка от выходного торца анода выбирают в пределах I/d2 = 0,2-2,0. В указанных пределах траектории полета частиц располагаются таким образом, что их подача в ядро потока осуществляется в дозвуковой части, а разгон - в сверхзвуковой, поэтому ударного торможения плазменной струи не происходит. Если не выдерживать заявляемую взаимосвязь между расстоянием ввода l/d2 и смещением осей, то при заглублении радиального отверстия в канал анода исключить образование настылей не удается. Заявляемый плазмотрон разработан для напыления покрытий в сверхзвуке в среде плазмы продуктов сгорания углеводородного газа (метана, пропан-бутана) с воздухом, исследован и устойчиво работает в следующем диапазоне изменения параметров и геометрических размеров: Напыляемый порошок: Ni, Cu, Al, Fe, W, WC, Cr3C2 , Al2O 3, ZrO 2, Cr2 O3 . Заявляемая взаимосвязь элементов и параметров (смещение осей МЭВ и анода, расстояние отверстия для подачи порошка от среза сопла-анода) позволяют обеспечить стабильную работу сверхзвукового плазмотрона при напылении различных порошкообразных материалов. В табл.1, 2, 3 представлены результаты испытаний, проведенных при изменении определяющих геометрических параметров плазмотрона.