Плазматрон для нанесения покрытий в динамическом вакууме



Плазматрон для нанесения покрытий в динамическом вакууме
Плазматрон для нанесения покрытий в динамическом вакууме

 

H05H1/26 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2546974:

Государственный научный центр Российской Федерации-федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" (RU)

Изобретение относится к области плазменной обработки материалов, в частности для нанесения покрытий, и может найти применение в плазмометаллургии, плазмохимии и машиностроительной промышленности. Технический результат - повышение надежности работы плазматрона при нанесении покрытий из порошков веществ с различной температурой плавления, упрощение конструкции плазматрона и улучшение эксплуатационных и физико-механических характеристик покрытий. В плазматроне, содержащем катод с цилиндрической термоэмиссионной вставкой, сопло-анод, изолятор, завихрительный блок с тангенциальными отверстиями, систему водоохлаждения, канал одновременного ввода плазмообразующего газа и порошка, организуется работа дуги не в дозвуковой части, а в сверхзвуковой части сопла-анода. При этом цилиндрическая термоэмисионная вставка катода выполнена в виде центрального тела сопла-анода, суммарная площадь поперечных сечений тангенциальных отверстий завихрительного блока равна площади щелевого зазора между стенкой сопла-анода и цилиндрической термоэмиссионной вставкой катода, конец которой совпадает с началом расширяющейся сверхзвуковой части сопла-анода. 2 ил.

 

Изобретение относится к области обработки материалов, в частности для нанесения покрытий, и может найти применение в плазмометаллургии, плазмохимии и машиностроительной промышленности.

Известен плазматрон по патенту РФ №2366122 2009 г. для напыления преимущественно материалов с высокой температурой плавления в динамическом вакууме. На фигуре 1 представлено поперечное сечение этого плазматрона для нанесения порошковых материалов.

Устройство содержит водоохлаждаемый медный катод 1 с термоэмиссионной вставкой, сопло-анод 2 в виде конуса, изолятор 3, завихрительный блок 4 с тангенциальными отверстиями 5, канал 6 между завихрительным блоком 4, катодом 1, изолятором 3 и входом в сопло-анод 2, канал ввода плазмообразующего газа и порошка 7.

Плазматрон работает следующим образом. Включают подачу охлаждающей воды и плазмообразующего газа, подают напряжение между катодом 1 и соплом-анодом 2. При наличии напряжения между катодом 1 и соплом-анодом 2 возбуждается электрическая дуга 8, которая вращается за счет тангенциальной закрутки плазмообразующего газа. После этого осуществляют подачу порошка в канал ввода подачи плазмообразующего газа 7. Потоком плазмообразующего газа порошок транспортируется через тангенциальные отверстия 5 завихрительного блока 4 в межэлектродное пространство, где нагревается, плавится. На этой фигуре подаваемые в плазматрон частицы представлены сплошными точками, а частицы, нагретые в дуге, - кружочками.

Недостатком данного изобретения является то, что при подаче порошка вещества, имеющего температуру плавления меньше чем ~1500°C, происходит выпадение расплавленных частиц на стенку сопла в районе критического сечения (см. фигуру 1), сопло забивается и прекращает работать. Это происходит из-за того, что, как видно из фигуры 1, организация рабочей дуги в дозвуковой части сопла приводит к тому, что относительно легкоплавкие материалы (медь, алюминий и т.д.), расплавляясь до критического сечения сопла, могут сходить с искривленных линий тока и выпадать на стенку сопла. При подаче же порошков веществ, имеющих температуру плавления заметно выше 1500°C (карбиды, нитриды и т.д.), расплавление частиц происходит уже внутри сверхзвуковой части сопла на прямых линиях тока, после чего расплавленные частицы вылетают из сопла.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы плазматрона при нанесении покрытий не только из веществ, имеющих высокую температуру плавления, но и из легкоплавких веществ с одновременным упрощением конструкции плазматрона и улучшением эксплуатационных и физико-механических характеристик покрытий.

Технический результат изобретения состоит в исключении выпадения расплавленных частиц порошка на стенки сопла.

Для достижения технического результата в плазматроне, содержащем катод с цилиндрической термоэмиссионной вставкой, сопло-анод, изолятор, завихрительный блок с тангенциальными отверстиями, систему водоохлаждения, канал одновременного ввода плазмообразующего газа и порошка, организуется работа дуги не в дозвуковой части, а в сверхзвуковой части сопла-анода.

Отличительными признаками предлагаемого плазматрона для нанесения покрытий являются выполнение цилиндрической термоэмиссионной вставки в катоде плазматрона в виде центрального тела сопла-анода, равенство суммарной площади поперечных сечений тангенциальных отверстий завихрительного блока площади кольцевого зазора между цилиндрической термоэмиссионной вставкой катода и стенкой сопла-анода, совпадение конца цилиндрической термоэмиссионной вставки с началом расширяющейся сверхзвуковой части сопла-анода. Условие равенства площадей необходимо для того, чтобы порошок, транспортируемый плазмообразующим газом, не выпадал бы из потока в окрестности завихрительного блока. Единый канал для плазмообразующего газа и порошка, кроме упрощения конструкции плазматрона, обеспечивает повышение эффективности нагрева и увеличение коэффициента использования порошка за счет максимального использования энергии плазменной дуги для нагрева, плавления и частичного образования паровой фазы напыляемого вещества, а также для разгона в коническом сверхзвуковом сопле-аноде и в струе, расширяющейся в среду с пониженным давлением, поддерживаемым за счет динамического вакуума, что, как следствие, дает возможность получить качественное покрытие с меньшей пористостью и с большей прочностью сцепления с основой.

При этом, за счет резкого расширения в динамическом вакууме паровой фазы напыляемого вещества, происходит ее конденсация с образованием наночастиц, которые вместе с расплавленными частицами порошка участвуют в образовании покрытия. Участие наночастиц в получении покрытия существенно увеличивает когезию и адгезию покрытия, что, в свою очередь, приводит к улучшению рабочих характеристик покрытия.

Завихрительное кольцо с тангенциальными отверстиями обеспечивает симметричный поток плазмообразующего газа с порошком, что увеличивает ресурс работы электрода, а, следовательно, эффективность работы плазматрона.

На фигуре 2 представлено поперечное сечение предлагаемого плазматрона с соплом, имеющим центральное тело в виде цилиндрической термоэмиссионной вставки в катоде. На фигуре 2 оставлены те же обозначения, что и на фигуре 1. Из фигуры 2 видно, что в сопле имеется цилиндрическая часть, переходящая затем в расширяющуюся сверхзвуковую часть. В цилиндрической части сопла располагается в качестве так называемого «центрального тела» цилиндрическая термоэмиссионная вставка катода. При этом конец цилиндрической вставки катода совпадает с началом расширяющейся сверхзвуковой части сопла-анода. Дуга возбуждается между концом цилиндрической вставки катода и сверхзвуковой частью сопла.

На фигуре 2 видно, что поступающие в сопло холодные частицы напыляемого вещества разгоняются параллельно центральному телу в зазоре между ним и цилиндрической частью сопла, приобретают скорость, параллельную оси сопла, и только после этого попадают в область воздействия на них дуги. В дуге происходит плавление и диспергирование частиц, которые затем, сохраняя скорость, параллельную оси сопла, доразгоняются в нем до сверхзвуковых скоростей и вылетают из выходного отверстия сопла.

Предлагаемое устройство содержит водоохлаждаемый катод 1 с цилиндрической термоэмиссионной вставкой, которая является центральным телом сопла-анода плазмотрона, сопло-анод 2, завихрительный блок 4 с тангенциальными отверстиями 5, канал 6 между завихрительным блоком, катодом 1, изолятором 3 и входом в сопло-анод 2, канал ввода плазмообразующего газа и порошка 7.

Предлагаемый плазматрон работает следующим образом. Включают подачу воды и плазмообразующего газа, подают напряжение между катодом 1 и соплом-анодом 2. При наличии напряжения между концом катодной цилиндрической термоэмиссионной вставки и соплом-анодом 2 возбуждается электрическая дуга 8. После этого осуществляют подачу порошка в канал ввода подачи рабочего газа 7. Массовые соотношения расходов порошка и рабочего газа для обеспечения устойчивой работы не превышают 50%. Потоком рабочего газа порошок транспортируется через тангенциальные отверстия 5 завихрительного кольца 4 в межэлектродное пространство, далее через щелевой зазор между цилиндрической термоэмиссионной вставкой и цилиндрической частью сопла в сверхзвуковую часть сопла, где нагревается в дуге и плавится. Далее нагрев и диспергирование продолжается в сверхзвуковой части сопла-анода 2, где также происходит интенсивный разгон частиц порошка, что обеспечивает повышенные адгезионные свойства покрытий при нанесении покрытий в условиях динамического вакуума. В качестве материала термоэмиссионной вставки могут быть использованы вольфрам или цирконий.

Предлагаемый плазматрон для напыления порошковых материалов, в том числе легкоплавких, имеет следующие характеристики: электрическая мощность на дуге плазматрона - до 20 кВт, расход плазмообразующего газа - до 5 г/с, расход порошка - до 2 г/с, плазмообразующие газы - воздух, CO2, N2, Ar, He. В качестве напыляемых порошков могут быть использованы металлы, оксиды, карбиды и другие материалы.

Плазматрон для нанесения покрытий, содержащий катод с цилиндрической термоэмиссионной вставкой, сопло-анод, изолятор, завихрительный блок с тангенциальными отверстиями, канал одновременного ввода плазмообразующего газа и порошка, систему водоохлаждения, отличающийся тем, что цилиндрическая термоэмиссионная вставка катода выполнена в виде центрального тела сопла-анода, суммарная площадь поперечных сечений тангенциальных отверстий завихрительного блока равна площади щелевого зазора между стенкой сопла-анода и цилиндрической термоэмиссионной вставкой катода, конец которой совпадает с началом расширяющейся сверхзвуковой части сопла-анода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к плазменному устройству для химического осаждения покрытия из паровой фазы (CVD) на подложку в виде пленки или листа. Устройство включает вакуумную камеру, пару роликов для напыления, расположенных в вакуумной камере, вокруг которых намотана подложка, которая является мишенью для осаждения, и генерирующую магнитное поле секцию, которая генерирует генерирующее плазму магнитное поле на поверхности роликов для напыления, формируя участок для осаждения, на котором напыляют покрытие на упомянутую подложку.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для растопки пылеугольных котлов и стабилизации горения факела (подсветки), для воспламенения мелкодисперсного твердого топлива с предварительной электротермохимической подготовкой (ЭТХП).

Изобретение относится к технике радиосвязи, в частности к способам создания плазменных антенн. Способ создания импульсной плазменной антенны включает облицовку внутренней поверхности выемки в заряде взрывчатого вещества, инициирование заряда взрывчатого вещества со стороны, противоположной выемке, и метание материала облицовки в окружающее пространство со скоростью, достаточной для ионизации ионизируемого материала при их движении в атмосфере, с формированием плазменной антенны.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при стерилизации товаров и/или дезинфекции поверхностей. Устройство генерирования плазмы содержит первый, запитанный, электрод и вторую конструкцию электрода, расположенную напротив первого электрода.

Изобретение относится к плазменной технике и к плазменным технологиям и может использоваться, в частности, в качестве электроракетного двигателя. Катод (1) и два электрически изолированных анода (2, 3) образуют ускорительный канал эрозионного импульсного плазменного ускорителя (ЭИПУ).

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии в тепловую посредством дугового разряда в генераторе низкотемпературной плазмы (плазмотроне) и может быть использовано в энергетике для розжига и подсветки пылеугольного факела в топочных устройствах, в металлургической и химической промышленности, для получения ультрадисперсной сажи, которая является сырьем для получения наноструктурированного технического углерода.

Ускоритель плазмы предназначен для получения тяги при перемещении космических объектов и в технологии для получения композитных порошков, напыления и обработки материалов.

Предложен анодный узел вакуумно-дугового источника катодной плазмы. Изобретение может быть использовано в основном в прямолинейных источниках вакуумно-дуговой катодной плазмы с фильтрацией от макрочастиц в комплекте с различными вакуумно-дуговыми испарителями и с плазмоводами для транспортировки плазмы.

Изобретение относится к области плазменных технологий и может быть использовано при разработке и создании источников высокоинтенсивных потоков частиц для научных и технологических применений.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к области электрического нагрева газов дуговым разрядом, и может быть использовано в плазмотронах при проведении различных технологических процессов, в частности для подогрева расплава металла в промежуточном ковше МНЛЗ в металлургической промышленности, а также научных исследований высокотемпературных процессов.

Изобретение относится к формированию на медных электрических контактах покрытий на основе вольфрама, углеродистого вольфрама и меди, и может быть использовано в электротехнике.

Изобретение относится к формированию на медных электрических контактах покрытий на основе вольфрама и меди, которые могут быть использованы в электротехнике. Способ включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской медной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошка вольфрама массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м2, осаждение на поверхность продуктов взрыва, формирование на ней композиционного покрытия системы W-Cu и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см2, длительности импульсов 150-200 мкс и количестве импульсов 10-30 имп.
Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к материалам для парогазовых установок на базе газотурбинных установок большой мощности и может быть использовано для защиты лопаток и других деталей газотурбинного двигателя от воздействия высоких температур, эрозионного износа и коррозии.

Изобретение относится к формированию на медных электрических контактах покрытий на основе молибдена и меди, которые могут быть использованы в электротехнике в качестве электроэрозионностойких покрытий с высокой адгезией с основой на уровне когезии.

Изобретение относится к способу получения защитного упрочняющего покрытия на деталях запорной арматуры. Напыление производят высокоскоростным газопламенным методом со скоростью перемещения горелки относительно обрабатываемой поверхности 0,5÷1,0 м/с.

Группа изобретений относится к технологии детонационного напыления композиционных износостойких покрытий. Засыпают в детонационную установку дозированное количество смеси порошковых материалов для напыления покрытия и напыляют смесь на обрабатываемую поверхность с использованием энергии детонации.

Изобретение относится к способу получения композиционных покрытий из порошковых материалов и может быть использовано в машиностроительном производстве при изготовлении и ремонте деталей технологической оснастки и инструмента.

Изобретение относится к формированию покрытий на медных электрических контактах и может быть использовано в электротехнике. Способ включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской медной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошка диборида титана массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м2, осаждение на поверхность продуктов взрыва, формирование на ней композиционного покрытия системы TiB2-Cu и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см2, длительности импульсов 150-200 мкс и количестве импульсов 10-30 имп.

Изобретение относится к формированию на медных электрических контактах покрытий на основе молибдена, углеродистого молибдена и меди, которые могут быть использованы в электротехнике как электроэрозионно-стойкие покрытия с высокой адгезией с основой на уровне когезии.

Изобретение относится к технике нанесения покрытий напылением и может быть использовано в машиностроении для формирования покрытий на поверхностях деталей. Способ металлизации изделий включает напыление покрытия на основу путем подачи проволок-электродов, подключенных к источнику питания, в направлении их пересечения, нагрев и плавление их прерывистым дуговым разрядом, запускаемым в зазоре между концами проволок-электродов бесконтактным пробоем высоковольтным напряжением газового промежутка, и распыление полученного расплавленного металла струей транспортирующего газа.

Изобретение относится к способу электровзрывного напыления на поверхности трения композиционных покрытий системы TiB2-Mo. Осуществляют размещение порошковой навески из диборида титана между двумя слоями молибденовой фольги. Электрическим взрывом фольги формируют импульсную многофазную плазменную струю и оплавляют ею поверхность трения при значении удельного потока энергии 3,5…4,5 ГВт/м2. Напыляют на оплавленный слой компоненты плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего диборид титана и молибден. В результате получают покрытие, обладающее высокой износостойкостью и микротвердостью и высокой адгезией покрытия с основой. 2 ил., 3 пр.
Наверх