CC BY
7
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2008 р. Вип. № 18
УДК 621.793.7
Пащенко В.М.*
ПРОСТОРОВЕ УЗГОДЖЕННЯ ПОЛОЖЕНИЯ ТВЕРДО! ТА ГА30В01 ФАЗ ПРИ ПЛАЗМОВОМУ HAHECEHHI ПОКРИТТЯ
Запропоноеано нову схему оргатзацп деофазного плазмоеого потоку. Показат
голоет енергетичт параметры плазмотрона.
Проблема узгодження просторового положения твердо! та газово! фаз при газотср\пчному нанесенш покриття tícho пов'язана í3 загальною проблемою тдвищення техн1ко-економ1чно1 сфсктивносп процесу нанесения покриття [1]. Рацюнальне розмщення дисперсного матер i ал у в межах високотемпературно! зони газового потоку (зокрема, в межах потоку низькотемпературно! плазми при плазмовому нанесенш покриття) зменшуе долю втрат порошку, знижуе пито mí енерговитрати на одиницю маси покриття, покращуе умови нагр1вання та прискорення всього ансамблю частинок. Це веде до тдвищення коефщенту використання viaTcpia.iy. продуктивное^ процесу напилення i покращуе ф1зико-мехашчш характеристики покриття та його функцюнальш властивосп [2].
У вщомих способах формування газопорошкового потоку при плазмовому нанесенш покритпв дисперсний матер ¡ал вводиться у вже повшетю або практично повшетю сформований пот1к низькотемпературно! плазми. Це може бути введения порошку за межами генератора плазми, або дисперсний матер1ал подаеться в соплову частину дугового каналу В обох випадках матер1ал вводиться гпд деяким кутом до напрямку витшання плазмового потоку.
При введенш порошку за межами дугового каналу виключаеться можливе його налипания на стшку дугового каналу, але об'ем високотемпературно! зони газового потоку використовуеться нерацюнально. Початкова траектор1я руху частинок не ствпадае з траектор1ею руху молекул газу, тому входження !х у високотемпературну область змщуеться вниз по потоку. При цьому суттево зменшуеться час перебування частинок в зош нагр1вання i перехщ !х у розплавлений стан стае проблематичним, особливо для тугоплавких матер1ал1в з низькою теплопровщшетю.
У другому випадку, мюце подавання матер1алу змщуеться вверх по потоку i порошок вводиться ще в межах дугового каналу, в його сопловш частит. Такий cnoci6 дае змогу збшыпити час перебування матер1алу у високотемпературнш зош потоку плазми, але враховуючи pÍ3HÍ початков! умови входження ансамблю частинок у плазмовий струмшь i певний д1апазон !х характерного po3MÍpy, pÍ3KO зростае ймов!рн!сть проходу частини порошинок поперек дугового каналу i налипания !х на протилежну стшку Í3 наступним перекриттям прох1дного отвору. Особливо висока ймов!рнють налипания при введенш порошку в зону горшня електрично! дуги, де наявн! високий р1вень температур i висока здатн1сть газового середовища передавати тепло, хоча саме ця зона введения матер1алу е найбшып рацюнальною з точки зору технологи плазмового напилення.
Метою науково! роботи е розробка конструкци плазмотрона, яка частково усувае цей недолш застосуванням „кутового сопла" [3]. Воно розмщуеться п1д деяким кутом до дугового каналу i практично е його продовженням. Дуга знаходиться на прямолшшнш частинi дугового каналу, а сопловий пристрш тшьки змшюе напрямок витшання вже сформованого плазмового потоку. При певному Kyri mí>k дуговим каналом i сопловим пристроем можна звести до míhímvmv HecniBBicHicTb mí>k каналом подавання дисперсного матер i ал у i поздовжньою в1ссю соплового отвору. Однак, суттевим недол1ком способу е вщхилення плазмового потоку на стад!! розвинено! турбулентно! течй', що викликае р1зке зростання теплових втрат у стшку
*НТУУ "КП1", канд. техн. наук, доц.
сопла в мющ повороту струменя плазми. Це попршуе снсргстпчн1 параметри плазмотрона та значно скорочуе ресурс роботи вихщного електрода.
Нов! можливосп керування енергетпчнимп параметрами плазмового струменя, взаемним положениям окремих фаз газопорошкового потоку та мюцем введения дисперсного матер ¡ал у з'являються при застосуванн! спсшальних метод ¡в змши геометричних роз\пр1в та конфшурацп дугового каналу. Можлив1 два шляхи зупни форми та роз№рш дугово! камери - змша у статичному сташ (шляхом замши вихщного електрода знеструмленого розпилювача) 1 змша геометричних параметрш за заданою програмою у процеа роботи плазмотрона (у динамш!) [4].
Одним ¿з прикладиз практично! рсалгзацп першого ("статичного") пщходу до керування взаемним положениям фаз газопорошкового потоку через змшу конф1гурацп дугового каналу е розробка розпилювача п зшнутим (криволшшним) дуговим каналом (рис. 1).
У запропонованш принциповш схем! плазмового розпилювача початкова та бшыпа частина основно! Д1лянки дуги розмщуються на вхщнш, а менша частина основно! диянки дуги та и приелектродна дшянка - на вихщнш дшянш дугового каналу, гид кутом до початково! та основно! дшянок дуги, а дисперсний матер!ал вводиться в район! переходу вхщно! д!лянки дугового каналу у вихщну, сп!вв!сно з напрямком випкання плазмового потоку. Розмицення згину на початковш д!лянц! дугового каналу забезпечуе низький р!вень теплового потоку в стшку каналу, який визначаеться, в основному, передачею тепла випромшюванням. Кр!м того. В1ДНОСНО низький р!вень 1 контрольован!сть втрат в ст!нку каналу забезпечуеться ¡золящею елнки каналу прошарком ще холодного закрученого газу, який використовуеться для просторово! стаб!л!зац!! дуги.
Все це дозволяе зберегти р!вень втрат тепла в мюц! згину каналу в межах типових значень втрат для початково! дшянки прямого каналу розпилювача.
Рис. 1 - Принципова схема плазмотрона п кривол!н!йним дуговим каналом: 1 - канал подавання матер!алу, який напилюеться; 2 - вхщна дшянка дугового каналу; 3 -вихщна д!лянка дугового каналу; 4 - двофазний струмшь; 5 - вихщний електрод; 6 - кшцева д!лянка стовпа дуги та приелектродна дшянка дуги; 7 - початкова дшянка та основна дшянка стовпа дуги; 8 - електрод розпилювача
Враховуючи очшування невисокого загального р!вня теплових потоюв в стшку вихщного електрода на дшянц! до згину ос! каналу, з являеться реальна можливють вццйти в!д примусового водяного охолодження ще! д!лянки ! замшити його на примусове або, нав!ть, природне пов!тряне охолодження. Це конструктивно дозволяе здшенити подавання порошкового потоку тд будь-яким кутом (в тому числ! 1 нульовим) до ос! газового потоку 1 досягнути просторового !х узгодження.
Порошок, який вводиться сшввюно !з напрямком випкання високотемпературного газу, не мае рад!ально! складово! швидкосп (в!дносно поздовжньо! ос! дугового каналу). В результат! формуеться газопорошковий пот!к, в якому дисперсний матер!ал починае нагр!ватися \ прискорюватися ще до формування розвинено! турбулентно! течи газового потоку, частково ще в облает! горшня електрично! дуги. При цьому ймовфшеть перетинання
частниками порошку перер1зу дугового каналу { налипания на стшщ дугового каналу, внаслщок вщсутност1 рад1ально1 складово1 швидкосп у частинок, р1зко знижуеться.
Запропонована схема формування газопорошкового потоку була реал1зована на двоелектродному плазмовому розпилювач1 лшшно1 схеми, що розрахованнй на внкорнстання в якост1 плазмоутворювального газу повпря або газоповпряних сумппей. Дпочий макет плазмотрона складався ¡з катодного вузла вщ плазмотрона ВПР-11М для плазмово-повпряного р1зання та спещально розробленого анодного вузла, в межах якого розмпцений викривлений дуговий канал (рис. 2). Дуговий канал утворений ¡з двох характерннх дшянок, кожна ¡з якнх мае шдивщуальне охолодження: перша (вхщна дшянка) - частково посередне водяне охолодження \ прнродне повпряне охолодження, друга (вихщна дшянка) - примусове водяне пряме охолодження.
Рис. 2 - Плазмотрон ¡з викривленим дуговим рИс. 3 - Вихщна частина дугового каналу каналом
На дпочому макет! дослщжеш основш енергетнчш характеристики плазмотрона та його вольт-амперш характеристики.
Форма вольт-амперних характеристик пологоспадна 1 характерна для форми ВАХ двоелектродних плазмотрошв цього класу (рис. 4).
Посередньо цей факт пщтверджуе перехщ частини стовпа дуги та и приелектродно1 дшянки на вихщну дшянку дугового каналу (рис. 3), що створюе умови для безперешкодного протжання процес1в шунтування \ скорочення дуги при зростанш струму. Д1апазон стабшьно1 роботи розпилювача, за умови розм!щення дуги на обох дшянках дугового каналу, визначаеться витратою плазмоутворювального газу та струмом дуги \ для дослщженоУ конструкцп лежить у межах 100...250 А при тиску плазмоутворювального газу 0,22...0,4 МПа. При зниженш тиску газу нижче зазначеного д!апазону 1 пщвищенн! струму дуги вище 250 А спостер1гаеться втягнення всш дуги у початкову дшянку дугового каналу 1 перех!д плазмотрона на режим роботи ¡з самовстановлювальною дугою.
Енергетичш характеристики плазмотрона визначались шляхом калориметричних вим!рювань теплових потомв у вузли конструкцп розпилювача. На рис. 5 показана залежнють втрат вщ струму дуги та тиску плазмоутворювального газу.
Встановлено, що втрати в катодний вузол зростають у муру зростання струму дуги при постшнш витрат! плазмоутворювального газу 1 зменшуються при пщвищенн! витрати повпря, що можна пояснити вщведенням частини тепла газом, який обдувае зовнппню поверхню катодотримача. При цьому енерпя не втрачаеться, а використовуеться на попередне тдщлвання плазмоутворювального газу.
Втрати у вхщну частину дугового каналу практично визначаються втратами тепла через випромшювання дуги, тому зменшуються ¡з зниженням струму \ пщвищенням витрати плазмоутворювального газу внаслщок зниження середньомасово1 температури плазми. Втрати у вихщну частину анодного каналу носять такий же характер, як \ втрати в катод.
За результатами вим!рювань теплових потомв в елементи конструкцп розпилювача розрахований коефпцент корисно! дп генератора плазми в умовах роботи при змшних
режимних параметрах. Вш, як видно ¡з залежноси (рис. 6), достатньо високий у д1апазош вим1рюваиня 1 сягае 0,83 при мтмальному в межах д1апазону вим1рюваиня струм! та максимальнш витрат1 плазмоутворювального газу, що значно перевищуе характерш значения ККД сершних коиструкцш. Хоча, слщ зазначити, що наявнють у вихщиому електрод1 дшянки з природшм охолодженням, ефектившсть якого не враховуеться в розрахунках, дае дещо завищеш значения ККД.
Дшянка з природшм охолодження техшчио необхщиа для оргашзацп введения дисперсного матер1алу в дуговий канал розпилювача сшввюно з його вихщиою дшянкою. и, в д<Э,Вт
4000
1 -л U
3
4
/2 \ Ъ__
0,25 0,27 0,29
0,33
0,35 0,37 0,39 р,МПа
120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 /, А
Рис. 4 - Вольт-амперш характеристики плазмотронна ¡з викривленим дуговим каналом: 1 - тиск плазмоутворювального газу на вход! в дуговий канал 0,4 МПа; 2-р = 0,35 МПа; 3 -р = 0,3 МПа; 4 -р = 0,25 МПа
100 120 140 160 180 200 I, А
Рис. 5 - Залежнють теплових втрат в катодний та анодний вузли розпилювача вщ струму дуги та тиску плазмоутворю-вального газу: 1 - втрати в анодний вузол при змт тиску (струм дуги /=180 А); 2 - втрати в катодний вузол при змт тиску (/= 180 А); 3 - втрати в анодний вузол при змт струму дуги (р = 0,3 МПа); 4 - втрати в катодний вузол при змт струму дуги (р = 0,3 МПа)
Технолопчш можливост! розпилювача перев!рялись напилюванням порошку А12Оз марки Г-0, ГОСТ 6912-74 ¡з видшеною фракщею 25...50 мкм на зразки \з Ст. 3 розм1ром 150X 150 мм. Визначався коефпцент використання матер1алу, як сп1ввщношення маси матер1алу покриття на зразку до загально1 маси використаного порошку.
Встановлеио, що за рахунок подовження часу перебування дисперсного матер1алу в активнш зон1 плазмового струменя i покращання умов теплообмшу з високотемпературним газом суттево
пщвищуеться коефщ1ент використання матер1алу. Вш сягав значень 0,63...0,68 пор1вняно 13 0,25...0,3, досягнутими шд час напилення цього ж матер ¡ал у в ¡дентин них умовах на плазмотрон! в прямим каналом.
В npoijeci експеримент1в за перюд дослщжень випадюв налипания дисперсного матер1алу на стшку дугового каналу зафпссовано не було.
За результатами попереднього вим1рювання маси вихщного електрода, хронометрування його роботи в npoijeci випробувань i вим1рюваиня маси його теля завершения дослщжень (¡з попередшм очищениям зовншн1х поверхонь вщ накипу) була зроблена спроба попередньо ощнити ерозшш характеристики вихщиого електрода. Встановлеио, що швидкють ерозп вихщного електрода лежить в межах типових значень для активних плазмоутворювальних
0,25
180 I, А о,зб р,МПа
Рис. 6 - Залежнють ККД вщ режимних параметр1в роботи розпилювача
середовищ (повпря) i становить в дослщженому д1апазош струм1в 4...5-10 кг/Кл, що дозволяе прогнозувати ресурс роботи вихщного електрода в межах 40...50 годин (до прийнятного з технолопчних \пркувань ступеня руйнування вихщного електрода).
Ефективне використання запропоновано! схеми плазмового розпилювача в процесах плазмового напилення та поверхнево! обробки матер1ал1в потребуе бшып детального i тривалого дослщження ресурсних характеристик плазмотрона, визначення рацюнальних умов функщювання окремих дщянок дугового каналу i вдосконалення на ochobI отримано! ¡нформацп системи охолодження елемештв конструкций
Висновки
1. Застосування вихщного електрода плазмового розпилювача ¿з з1гнутим дуговим каналом на вщмшу вщ використання кутового сопла не призводить до значного зростання втрат в елементи конструкцп плазмотрона, що пояснюеться тепловою ¡золящею стшок дугового каналу потоком ще холодного плазмоутворювального газу в мющ повертання потоку.
2. Фшсування анодно! плями на обмеженш дшянщ теля змши напрямку газового потоку сприяе стабшзаци параметр ¡в електрично! дуги i пщвищенню стабшьносп процесу генерування плазмового струменя, що забезпечуе в подалыпому сталють параметр ¡в процесу нанесения покриття.
3. Р1вснь втрат в елементи конструкцп плазмотрона (у дослщжених межах потужносп 18...36 кВт) дозволяе застосувати природне охолодження вхщно! дшянки дугового каналу (д1лянки до його згину).
4. Рацюнальне використання об'ему високотемпературно! зони плазмового струменя i узгодження напрямклв руху твердо! та газово! фаз на стад1! формування газопорошкового потоку сприяе суттевому шдвищенню показниюв ефективност! процесу нанесения покриття i, зокрема, косф1ц1ента використання матер1алу.
FlepeniK посиланъ
1. Пащенко В.М. Пщвищення ефективност! процесу пов1тряно-плазмового нанесения покритпв магн1тним керуванням газопорошковим потоком / В.М. Пащенко, С.П. Солодкий // HayKOBi BicTi НТУУ "КПГ. - 2006. - № 3. - С. 71 - 75.
2. Пащенко В.М. Проблеми ефективносп захисних покритав у шженерп повсрхн1 машин та обладнання / В.М. Пащенко, В.Д. Кузнецов, С. П. Солодкий II Вестник нацюнального технического университета Украины „КПИ". Машиностроение. - 2006. - № 49. - С. 178 - 186.
3. Пащенко В.М. Обладнання для газотерм1чного нанесения покритпв: Навч. поабник / В.М. Пащенко. - К.: 1ВЦ «Гкштехшка», 2001. - 416 с.
4. Пащенко В.М. Проблеми керування енергетичними процесами обробки дисперсного матер1алу при плазмовому нанесенш покриття / В.М. Пащенко, В.Д. Кузнецов II Вюник Донбасько! державно! машинобуд1вно! акадсм^'. - 2006. - № 2 (4). - С. 6 - 12.
Рецензент: О.Д. Размишляев д-р. техн. наук, проф., ПДТУ
Стаття надшшла 18.03.2008
