УДК 621.387.143
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПЛАЗМАТРОНА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ
А. С. Беломестнов, М. А. Большаков Научный руководитель - А. В. Гирн
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: bolshakov_mihail@mail.ru
Рассмотрена конструкция плазмотрона для нанесения термостойких покрытий и его технические характеристики. Представлены его основные недостатки. Были проведены сравнения отечественного плазматрона с французским F4. Предложена конструкция плазматрона для нанесения термостойких, жаростойких, износостойких и других покрытий.
Ключевые слова: плазменное напыление, термостойкие покрытия, плазмотрон, вольфрамовый стержень, медное сопло.
CONSTRUCTION DEVELOPMENT PLASMA TORCH FOR APPLYING COATINGS
BY PLASMA SPRAYING
A. S. Belomestnov, M. A. Bolshakov Scientific Supervisor - A. V. Girn
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: bolshakov_mihail@mail.ru
We considered the import of plasma torch design for the application of heat-resistant coatings and its specifications. Presented it's main drawbacks. Comparisons were made with the French domestic plasma torch F4. Designed of the plasma torch, plasma spraying satisfying the requirements.
Keywords: plasma spraying, heat-resistant coats, plasma torch, tungsten rod, copper nozzle.
Большинство деталей машин современного технологического оборудования работает при тяжелых режимах нагружения и часто выходит из строя по причине износа рабочих поверхностей. В связи с этим, как у нас в стране, так и за рубежом все больший интерес проявляют к защитным покрытиям [1].
Существует большое количество газотермических методов нанесения покрытий - газопламенное, детонационное, электродуговая металлизация, но особое место среди них занимает плазменное напыление. Плазменный метод нанесения покрытий - один из наиболее перспективных. Данный метод позволяет наносить покрытия различного функционального назначения на поверхности деталей из самых разнообразных материалов. В зависимости от назначения напыляемого порошкового материала можно получать различные виды покрытий: износостойкие, антифрикционные, термостойкие, жаростойкие, коррозионностойкие и декоративные. Напыление позволяет также восстанавливать изношенные детали [3]. К достоинствам метода плазменного напыления можно отнести высокую температуру струи, высокую производительность, простоту технологии, относительно низкую себестоимость, высокие показатели прочности сцепления покрытия с подложкой, возможность обработки деталей различной конфигурации и габаритов. Процесс является многофакторным и позволяет в широких пределах управлять качеством покрытий на основе оптимизации режимов напыления.
Немало внимания необходимо уделить плазменному оборудованию, без которого невозможно произвести напыление. Плазмотрон - техническое устройство, в котором при протекании электрического тока и плазмообразующего газа (Ar/H2, Ar/He, Ar/N2) через разрядный промежуток образуется
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
плазма, используемая для обработки материалов. Буквально, плазмотрон означает - генератор плазмы.
В лаборатории «Плазхим» СибГАУ имеется новая плазменная установка с французским плазмотроном Б4. Анализ технических характеристик (ТХ) плазмотрона, показал, что ресурс работы Б4 составляет 50 часов, так как вольфрамовый стержень, являющийся катодом, имеет конечную длину, и при уменьшении его длины на 2-3 мм подлежит замене. Вставка вдоль канала сопла выполнена из вольфрама, что повышает стоимость изделия. Цена плазмотрона составляет от 400 до 500 тыс. руб, а отечественные плазменные горелки и плазматроны не выпускаются серийно.
Конструкция импортного плазматрона устроена так, что напыляемый материал подводится к срезу сопла, где температура струи не такая высокая, как в начале и поэтому, для повышения температуры прибегают к увеличению мощности работы устройства вследствие чего, сопло и катод подвергаются воздействию более высоких температур и быстрой выработке своего ресурса. Вольфрамовый стержень, запрессованный в держатель, как говорилось выше, имеет конечную нерегулируемую длину и при работе уменьшается в длине на 2-3 мм и на эту же длину увеличивается расстояние между соплом и катодом, что не соответствует техническим требованиям работы плазматрона (рис. 1, а). На отечественных плазмотронах, катод имеет регулируемую длину, и после выработки подвергался заточке и выставлялся на заданное расстояние от сопла (см. рисунок) [2].
Разработка новой или модернизированной модели плазматрона - сложная техническая задача, в которой необходимо учесть недостатки нового Б4 и конструктивные особенности отечественных плазматронов. Важнейшей задачей является увеличение время работы плазмотрона. Предложена конструкция держателя вольфрамового стержня, позволяющая регулировать длину, в то же время использовать водяное охлаждение. Конструктивные особенности модели должны позволить выставить длину катода, таким образом, что после выработки и изменения длины, стержень извлекается из держателя, подвергается механической обработке, после чего снова устанавливается в держатель и выставляется заданную длину удовлетворяющему техническому требованию изделия. Также предусмотрено водяное охлаждение, как и на Б4, что позволяет значительно продлить срок эксплуатации одного вольфрамового стержня.
На основе анализа преимуществ и недостатков схем предложена модернизация держателя стержня. Основным направлением предлагаемой разработки является увеличение ресурса работы катода. Развитие технологии плазменного напыления не стоит на месте, осваиваются различные виды покрытий, отрабатываются режимы напыления. В лаборатории института космической техники СибГАУ ведутся работы не только по повышению качества плазменных покрытий, но и по усовершенствованию и модернизации оборудования для напыления, необходимых для проведения исследовательских, практических и лабораторных работ.
а
б
Схемы импортного и отечественного катодов: а - катод Б4: 1 - отверстие под охлаждение; 2 - медный держатель; 3 - вольфрамовый стержень (катод); б - отечественный катод: 1 - медный держатель; 2 - вольфрамовый стержень (катод)
Библиографические ссылки
1. Птицын С. В., Чёсов Ю. С., Зверев Е. А. Установка для плазменного нанесения покрытий ; МГТУ. М., 2006.
2. Игнатик А. В., Иванов А. И., Смирнов А. Н., Шориков. Плазменные устройства для нанесения покрытий разного функционального назначения ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2010.
3. Пузряков А. Ф. Теоретические основы плазменного напыления : учеб. пособие по курсу «Технология конструкций и металлокомпазитов». М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.
© Беломестнов А. С., Большаков М. А., 2016