Пути совершенствования электродуговых плазмотронов линейной схемы и перспективы их использования в процессах плазменного напыления

Также недостатком способа является, при использовании в качестве генераторов плазмы электродуговых плазмотронов, сложное регулирование процессов, происходящих в «запыленной» плазменной струе, а также низкий КПД процесса, составляющий всего 3‑8 % и отражающий его низкую энергетическую эффективность. Устранение данных недостатков является актуальной практической и научной проблемой плазменного нанесения и упрочнения покрытий.

В большинстве технологических процессов плазменной обработки материалов чаще всего применяют электродуговые линейные плазмотроны, которые по сравнению с плазмотронами других схем обладают простотой конструкции, сравнительно большим ресурсом работы электродов, возможностью регулирования мощности разряда не только изменением силы тока дуги, но и за счет изменения напряжения на дуге.

Повышение энергетической эффективности линейных плазмотронов, позволяющей обеспечить развитие и универсализацию технологии плазменного напыления, предполагается осуществить конструктивно путем создания микроплазмотронов, с высокими тепловым и общим КПД процесса в целом.

Одно из главных требований к плазмотрону – необходимость нагрева газа до заданной температуры с высокой эффективностью, обеспечивающей малую величину тепловых потерь в стенки разрядной камеры и в опорных пятнах дуги. Это обеспечивает заданный уровень выходной среднемассовой температуры и энтальпии потока при максимальном тепловом КПД всего устройства, что дает возможность реализовать наибольшее тепловложение в напыляемый материал и наиболее точно его регулировать.

Создание высокоэффективного плазмотрона и возможности минимизации тепловых потерь в нем может быть обеспечено оптимизацией конструктивных параметров плазмотрона, а также режимов его работы на основе следующих теоретических предпосылок.

Известно, что тепловые потери в канале плазмотрона на начальном участке дуги при небольших давлениях (до 500 кПа) и малых токах определяются только лишь излучением, при этом доля лучистого переноса энергии в общем энергетическом балансе дуги пренебрежимо мала. Это указывает на целесообразность применения малых токов дуги, так как с ростом тока тепловые потери на излучение растут, и многоатомных газов (так как лучистые потери увеличиваются при использовании одноатомных газов для высоких температур), что также уменьшает величину эрозии электродов за счет уменьшения теплового потока в электроды, а значит, повышает ресурс плазмотрона и обеспечивает более стабильные характеристики плазменной струи.

Однако ни ток, ни напряжение дуги нельзя задавать произвольно, так как, во-первых, их произведение определяет требуемую (технологическую) мощность дуги, во-вторых, они связаны друг с другом вольт-амперными характеристиками и, в-третьих, напряжение на дуге при прочих равных условиях пропорционально ее длине. Поэтому желание уменьшить ток дуги при сохранении ее мощности влечет за собой необходимость удлинения её столба вместе с выходным каналом. Очевидно, что значительное удлинение дуги, которое дает больше возможностей повышения теплового КПД, достижимо при использовании межэлектродных вставок [2], что в свою очередь увеличивает потери на излучение и конвекцию в канале. Для устранения конвективных потерь предлагается использование системы заградительного охлаждения вдувом газа в межсекционные зазоры в межэлектродных вставках после начального участка дуги, в котором тепловой слой дуги не контактирует со стенками плазмотрона.

Перспективным местом ввода порошка для микроплазмотрона может быть ввод его в межэлектродную вставку с уступом, как это сделано в микроплазмотроне, представленном в работе [3]. Такая схема ввода порошка дает возможность предотвращения его налипания на стенки канала межэлектродной вставки и анода путем достижения оптимального уровня радиальной составляющей скорости частиц порошка. При использовании данного микроплазмотрона появляется возможность создавать покрытия на поверхностях малогабаритных и тонкостенных деталей, не перегревая их.

Предполагаемая конструкция плазмотрона отражает выводы, сделанные на основе информационно-аналитических исследований, а также обеспечивает оптимальные конструктивные и технологические параметры новой схемы высокоэффективного микроплазмотрона, включающие параметры ввода порошка, возможность использования вольфрамового катода на окислительных газах.

Для дальнейшего совершенствования плазменного напыления в части управления происходящими в потоке и в покрытиях процессами и для возможности формирования стабильного высокодисперсного покрытия предполагается использование в микроплазмотроне модуляции электрических параметров [4] путем наложения на стационарный ток дуги импульсов прямой или обратной полярности в различной последовательности, обеспечивающих увеличение теплоподвода в напыляемый материал и оптимальные технологические условия для получения заданного качества металлических износостойких покрытий деталей цилиндропоршневой группы.

Список литературы

1. Кадырметов А.М., Драпалюк М.В., Никонов В.О., Мальцев А.Ф. Особенности процесса плазменного напыления с электромеханической обработкой покрытий. [Электронный ресурс]: Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, 2013. № 89 (05). Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/05/pdf/11.pdf. (дата обращения: 29.01.2015).

2. Кручинин А.М. Плазменные промышленные установки. Промышленные плазмотроны. М.: МЭИ, 1991. 104 с.

3. Дюмин, М.И. Численное моделирование динамики нагрева порошковых материалов в технологическом микроплазмотроне / М. И. Дюмин, Н. П. Козлов, В. И. Суслов // Вестник МГТУ им Н. Э. Баумана. 2003. №3. С. 3-11.

4. Кадырметов, А.М. Интенсификация энергообмена в гетерогенной плазменной струе при модуляции электрических параметров процесса плазменного напыления / А. М. Кадырметов // Инженерно-физический журнал. 2013. Т.86. №4. С. 739-746.