Плазменная установка

 

Использование: в технике низкотемпературной плазмы, в частности в плазменных установках для нанесения покрытий на материалы и изделия. Сущность изобретения: плазменная установка содержит катод и анод, соединенные с источником питания и размещенные в корпусе, а также систему подачи плазмообразующего газа и напыляемого материала. Система подачи напыляемого материала выполнена с возможностью подачи напыляемого материала в межэлектродный промежуток. Источник электропитания подключен к электрической сети переменного тока напряжением U=137 или 220 В, а напряжение разомкнутых концов источника электропитания U_xx удовлетворяет условию , где P_m - максимальная мощность, 500 Вт; а напряжение U_o, мощность Р и коэффициенты K₁, K₂, n выбираются из следующих диапазонов: U_o=50-500 В, Р=50-500 Вт, К₁= 0,8-0,9; К₂=20-50; n=0,5-5. 3 ил.

Изобретение относится к технике низкотемпературной плазмы, конкретно к плазменным установкам для нанесения покрытий на материалы и изделия.

Электродуговые плазменные установки достаточно широко известны [1,2] Необходимыми элементами этих устройств являются катод и анод, обычно выполненный в виде сопла, подключенные к источнику питания, а также устройство для подачи плазмообразующего газа. В том случае, если установка предназначена для нанесения покрытий, подача напыляемого материала осуществляется в струю плазмы, истекающую из сопла. Мощность таких плазменных установок составляет от 5 кВт и выше. При этом энергии истекающей плазмы достаточно для обработки напыляемого материала и нагрева его до нужной температуры (3500-3800^oC). Для обеспечения электропитания таких установок необходимы мощные водоохлаждаемые источники питания, подключаемые иногда непосредственно к подстанциям. Между тем, для нанесения покрытий на мелкие изделия нужны плазменные установки малой мощности, порядка 0,1-0,5 кВт, чтобы было возможно осуществлять их электропитание непосредственно от розеток бытовой сети. Однако попытки создания таких установок наталкивались на неудачу из-за того, что размеры высокотемпературной зоны струи истекающей плазмы оказывались недостаточными для разгона и проплавления напыляемого материала.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемым результатам является универсальная плазменная установка УПД-3Д, описанная в [3] Установка УПУ-3Д предназначена для нанесения износостойких, фрикционных и других специальных покрытий методом плазменного напыления порошковых материалов, а также в виде проволоки. Установка содержит корпус, в котором размещены катод и анод. Рабочий газ подается в корпус в промежуток между катодом и анодом, а напыляемый материал в анод (сопло) установки. Установка питается от трехфазной сети 380 В с помощью источника питания ИПН-160/600, дающего возможность получить напряжение холостого хода до 160 В и ток 600 А. Недостатками данной плазменной установки являются потребление большого количества электроэнергии и низкий КПД.

Основной задачей изобретения является создание плазменной установки мощностью 0,1-0,5 кВт для нанесения покрытий, которая могла бы использоваться в бытовых условиях с подключением электропитания к розетке обычной электрической сети. Основной проблемой, возникающей при решении этой задачи, является увеличение размеров высокотемпературной зоны плазмы, взаимодействующей с напыляеым материалом.

Для этого в плазменной установке, содержащей катод и анод, соединенные с источником электропитания и размещенные в корпусе, и систему подачи напыляемого материала выполнить с возможностью подачи напыляемого материала в межэлектродный промежуток, причем источник питания соединить с электрической сетью переменного тока напряжением 127, 220 В, а напряжение разомкнутых концов источника электропитания U_xx должно удовлетворить условию где P_m максимальная мощность 500 Вт, а напряжение U_o, мощность Р и коэффициенты К₁, K₂, n выбираются из следующих диапазонов: U_o=50-500 В; Р= 50-500 Вт; К₁=0,8-0,9; K₂=20-50; n=0,5-5.

Сочетание указанных признаков позволяет добиться решения поставленных задач. Расположение входа напыляемого материала рядом с входом газа в системе подачи напыляемого материала обеспечивает подачу материала (как правило, в виде порошка) непосредственно в межэлектродный промежуток, что увеличивает время его взаимодействия с высокотемпературной плазмой. При этом возрастает не только проплавлямость порошка, но и его частицы успевают приобрести высокую скорость и при соударении с напыляемой поверхностью деформируются, внедряясь в нее и заполняя неровности.

Предложенное соотношение между параметрами источника электропитания решает следующие задачи для плазменной установки с мощностью дугового разряда 0,1-0,5 кВт. Обеспечивается устойчивость дугового разряда, так как источник электропитания имеет в этом случае крутую внешнюю характеристику в месте пересечения с жестким участком характеристики дугового разряда. Этот фактор особенно важен для предложенной плазменной установки с вводом порошка в межэлектродный промежуток, так как присутствие порошка в разрядном промежутке повышает чувствительность к влиянию внешних факторов, таких, например, как колебания напряжения сети, расходов газа или порошка. Выбор напряжения разомкнутой цепи по предлагаемому соотношению обеспечивает пересечение характеристики дугового разряда и источника электропитания только в одной точке, что также необходимо для устойчивой работы плазменной установки.

Предлагаемые значения коэффициентов U_o, K₁, K₂, n являются оптимальными для решения указанных выше задач. При меньших значениях теряется устойчивость дугового разряда, при больших существенно снижается КПД установки. Возможность соединения источника электропитания с электрической сетью переменного тока напряжением U=127, 220 В (где максимальная мощность ограничена) обеспечивает высокий КПД установки и значительно упрощает ее эксплуатацию. Таким образом, введение напыляемого материала непосредственно в межэлектродный промежуток в сочетании с определенными параметрами источника электропитания и соединением источника электропитания с электрической сетью переменного тока напряжением U= 127, 220 В обеспечивает устойчивую работу плазменной установки и высокое качество покрытия.

Сущность изобретения состоит в том, что напыляемый материал вводится в начало разрядного промежутка и он проходит самые высокотемпературные участки плазмы, ввиду этого происходит гарантированное проплавление частиц; кроме того, частицы приобретают высокую кинетическую энергию благодаря продолжительному нахождению в плазме. Сочетание этих условий обеспечивает прочное соединение материала с подложкой. Для стабильного поддержания разряда необходима существенная крутизна вольтамперной характеристики источника электропитания, а это обеспечивается выбором напряжения холостого хода источника электропитания в зависимости от мощности разряда по предлагаемому соотношению.

На фиг. 1 показана конструктивная схема предлагаемой плазменной установки; на фиг. 2 приведены вольтамперная характеристика дугового разряда и внешние характеристики источников питания; на фиг. 3 конкретная схема источника электропитания.

Плазменная установка (фиг. 1) содержит корпус 4, в котором размещены анод 5 и катод 1. Анод и катод соединены с источником питания 8, который подключается к электрической сети переменного тока напряжением 220 или 127 В. Между анодом и катодом расположена диэлектрическая трубка 3 с прокладками 2. Катодный узел имеет входы для подачи плазмообразующего газа 7 и напыляемого материала 6. Источник питания выполнен таким образом (конкретные примеры приведены ниже), что возможно регулировать напряжение холостого хода, устанавливая его в зависимости от мощности дугового разряда Р по соотношению Плазменная установка работает следующим образом.

Выбирается мощность дугового разряда в зависимости от свойств напыляемого материала, напыляемой поверхности и других факторов. В зависимости от требуемой мощности устанавливается напряжение холостого хода источника питания. Через вход 7 подается плазмообразующий газ, включается источник электропитания, между катодом и анодом возбуждается дуговой разряд. Через вход д6 подается напыляемый материал. Смесь порошка с газом проходит через полый катод 1 в доль оси разряда и выходит через сопло анода 5, после чего попадает на напыляемую поверхность. Во время достаточно длительного нахождения в дуговом разряде частицы приобретают необходимые температуру и скорость для прочного соединения с напыляемой поверхностью.

На фиг. 2 приведена типичная вольтамперная характеристика дугового разряда с падающим 1 и жестким (рабочим) 2 участками. Точки "а" и "б" изображают пределы напряжения холостого хода для рабочей точки "в". Внешняя характеристика источника питания, соединяющая точку "в" с выбранным напряжением холостого хода, может быть линейной (прямая 4) для нестабилизированного источника питания с балластным сопротивлением или параболической (кривые 3 и 5) для нестабилизированного источника питания без балластного сопротивления (кривая 3 ) или стабилизированного источника питания (кривая 5), однако во всех случаях выбор напряжения холостого хода в пределах, ограниченных коэффициентами U_o, K₁, K₂, n обеспечивает устойчивость разряда благодаря единственной точке пересечения характеристик и большой крутизне внешней характеристики источника питания.

На фиг. 3 приведена принципиальная схема нестабилизированного источника питания с балластным сопротивлением. Источник содержит трансформатор Тр с несколькими вторичными обмотками, которые подключаются к вторичной цепи переключателем П, выпрямительный диод Д, балластное сопротивление R_б, сглаживающую емкость С и блок поджига (на схеме не показан). В зависимости от необходимой мощности разряда определяется напряжение холостого и к схеме подключается та обмотка, которая обеспечивает необходимое напряжение.

Также может быть применена схема без балластного сопротивления (перемычка между точками "а" и "Б" на фиг. 3). В этом случае роль балластного сопротивления выполняют индуктивности рассеяния трансформатора Т_p.

Пример 1. Необходимо провести плазменное напыление тонких слоев твердых полупроводящих материалов на подложку диаметром 18 мм. В качестве напыляемого материала применен твердый электролит LiAl_x3Ti_1,7(PO₄)₃, толщина слоя 30-40 мкм. Напыление проводится с помощью плазменной установки, показанной на фиг. 1. В качестве плазмообразующего газа использован аргон, расход газа 0,05 г/с, расход порошка при напылении 0,05-0,5 г/с. Предварительными экспериментами установлено, что для прочного соединения напыляемого материала с подложкой необходима мощность плазменной установки 100 Вт. Расстояние между катодом и анодом в данной конструкции составляет 20 мм. В качестве источника электропитания использован нестабилизированный источник питания с балластным сопротивлением. На основе имеющихся данных определяются значения U_o=300 В и коэффициентов K₁= 0,83; К₂=25; n=1 и по предлагаемому соотношению определяется минимальное значение напряжения холостого хода источника питания U_xx= 362 B (ампл.), при этом КПД плазменной установки составляет 20% Пример 2. Необходимо провести напыление порошка нержавеющей стали на одиночные и мостовидные зубные протезы с целью создания "микронеровности", на которые затем наносится облицовочный слой (пластмасса, фарфор, ситалл). Толщина слоя 50-100 мкм. Установлено, что для данного случая необходима мощность плазменной установки 250 Вт. Остальные параметры те же, что и в примере 1. Для данного случая получаются следующие значения U_o=250 В и коэффициентов K₁= 0,82; K₂=25; n=1. Минимальное значение напряжения холостого хода источника питания в данном случае составляет 266 В (ампл.), а КПД плазменной установки 24% Предлагаемая плазменная установка может быть использована для реализации экологически чистого технологического процесса. Небольшие габариты и низкое электропотребление открывают широкие возможности ее применения в самых различных условиях и для различных нужд, вплоть до бытовых.

Плазменная установка обеспечивает качественное нанесение покрытий при стабильной работе в течение длительного времени.

Литература 1. Полак Л.С. Теоретическая и прикладная плазмохимия. М. Наука, 1975.

2. Коротеев А.С. и Лебедев В.Г. Экспериментальное исследование влияния пульсаций параметров // Генераторы низкотемпературной плазмы. Труды III Всесоюзной научно-технической конференции по генераторам низкотемпературной плазмы. М. Энергия, 1969, с.271-277 3. Универсальная плазменная установка УПУ-ЗД, техническое описание 70231.035.00.000 ТО, НИАТ, 1981, с.1-18.

Формула изобретения

Плазменная установка, содержащая источник электропитания, анод и катод, размещенные в корпусе и подключенные к источнику электропитания, и системы подачи плазмообразующего газа и напыляемого материала, отличающаяся тем, что система подачи напыляемого материала выполнена с возможностью подачи напыляемого материала в межэлектродный промежуток, причем источник электропитания соединен с электрической сетью переменного тока напряжением U 127/220 В, а напряжение разомкнутых концов источника электропитания U_хх удовлетворяет условиям
U_хх U₀ + K₁ U₀ / K₂ⁿ (P/P_m)ⁿ 1,
где P_m 500 Вт;
U₀ 20 500 В;
P 50 500 Вт;
K₁ 0,8 0,9;
K₂ 20 50;
n 0,5 5,0
где P_m максимальная мощность;
U₀ напряжение;
P мощность;
K₁, K₂, n коэффициенты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3