RU2753844C1

RU2753844C1 - Plasma coating unit

Info

Publication number: RU2753844C1
Application number: RU2020125036A
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Кузьмин; Олег Борисович Ковалев; Игорь Павлович Гуляев; Дмитрий Викторович Сергачёв; Сергей Петрович Ващенко; Александр Геннадьевич Заварзин; Сергей Никитич Шмыков
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2021-08-24

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to the field of metallurgy, in particular to apparatuses for plasma application of coatings of powder materials onto the working surfaces of various products. The unit consists of two plasma torches, wherein each of the torches is equipped with an annular input assembly for powder materials with gas-dynamic focusing, wherein one plasma torch is intended for operation in a high-speed subsonic or supersonic turbulent mode of discharge of a plasma jet for applying coatings of metal materials, and the other operates in a low-speed subsonic laminar mode of discharge of a plasma jet for applying coatings of ceramic materials, wherein the gas-discharge chamber of each plasma torch, made in the form of a sectioned channel expanding from the cathode to the anode, has a different amount of sections depending on the required mode of discharge of the plasma jet, and the plasma torches and powder dispensers are switched from the control panel of the plasma unit using a plasma torch switching block.

EFFECT: invention is aimed at expanding the technological capabilities of the unit, improving the quality of the sprayed coatings and the productivity.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области металлургии, к устройствам плазменного нанесения покрытий из порошковых материалов на рабочие поверхности различных изделий для придания этим поверхностям заданных свойств и может быть использовано для формирования износостойких, коррозионностойких и других функциональных покрытий.The invention relates to the field of metallurgy, to devices for plasma coating of powder materials on the working surfaces of various products to give these surfaces the desired properties and can be used to form wear-resistant, corrosion-resistant and other functional coatings.

Плазменное напыление, благодаря высокой температуре и теплосодержанию (энтальпии) несущей струи, является одним из наиболее эффективных методов нанесения покрытий различного назначения. С помощью потоков термической плазмы можно напылять практически любые порошковые материалы: керамические, металлические, металлокерамические и т.д. [Плазменные технологии / Н.А. Соснин, С.А. Ермаков, П.А. Тополянский. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского политехи, ун-та, 2008.], [Science and Engineering of Thermal Spray Coatings, 2nd ed., Pawlowski L., John Wiley & Sons, Ltd. - 2008. - 656 р.]. Порошки металлов и сплавов, керамики используются для нанесения износо-, корозионно-, кавитационно-, жаростойких и других функциональных покрытий.Plasma spraying, due to the high temperature and heat content (enthalpy) of the carrier jet, is one of the most effective methods for applying coatings for various purposes. With the help of thermal plasma streams, it is possible to spray almost any powder materials: ceramic, metal, cermet, etc. [Plasma technologies / N.А. Sosnin, S.A. Ermakov, P.A. Topolyansky. - SPb .: Publishing house of St. Petersburg Polytechnic University, 2008.], [Science and Engineering of Thermal Spray Coatings, 2nd ed., Pawlowski L., John Wiley & Sons, Ltd. - 2008. - 656 p.]. Powders of metals and alloys, ceramics are used to apply wear, corrosion, cavitation, heat-resistant and other functional coatings.

Как в отечественных, так и в зарубежных установках плазменного напыления широко используются электродуговые плазмотроны постоянного тока. Именно этот тип плазмотронов реализует высокую концентрацию тепловой энергии в объеме напылительной струи, обеспечивает стабильность параметров плазменной струи, а также обладает простой и удобной в эксплуатации схемой электропитания.DC electric arc plasmatrons are widely used both in domestic and foreign plasma spraying installations. It is this type of plasmatrons that implements a high concentration of thermal energy in the volume of the spray jet, ensures the stability of the parameters of the plasma jet, and also has a simple and convenient power supply circuit.

Известна установка для плазменного напыления (патент RU 2111066, заявка №9595121134, авторов Коберниченко А.Б., Ухалин А.С. и др.), которая содержит теплозвукоизоляционную камеру, состоящую из корпуса и крышки, при этом в корпусе соосно напыляемой детали выполнены вытяжной трубопровод и транспортирующий рукав, внутри которого закреплена электрическая спираль, а в верхней части крышки соосно вытяжному трубопроводу неподвижно закреплен стакан с резьбой и гайкой, причем корпус и крышка соединены между собой дисковыми уплотнениями. Изобретение направлено на увеличение адгезионной прочности плазменных покрытий.Known installation for plasma spraying (patent RU 2111066, application No. 9595121134, authors Kobernichenko A.B., Ukhalin A.S. and others), which contains a heat and sound insulation chamber, consisting of a housing and a cover, while in the housing coaxially sprayed parts are made exhaust pipeline and conveying sleeve, inside of which an electric spiral is fixed, and in the upper part of the cover coaxially with the exhaust pipeline a glass with a thread and a nut is fixedly fixed, and the body and cover are interconnected by disk seals. The invention is aimed at increasing the adhesive strength of plasma coatings.

Также известна установка (патент RU 2187575, авторов Коберниченко А.Б., Илюхин А.Н.) для восстановления блоков двигателей внутреннего сгорания плазменным напылением, содержащая корпус, внутри которого расположены тележка с механизмом ее привода, состоящим из электродвигателей, соединенных с редукторами, а также плазмотрон с механизмом его качания. Установка дополнительно снабжена поддоном, в резьбовые отверстия которого ввернуты регулировочные винты, опирающиеся на тележку, червячным редуктором, электропневматическими клапанами и пневматическими цилиндрами, внутри которых установлены, с возможностью перемещения, поршни. Установка является сложной по конструкции.Also known is the installation (patent RU 2187575, authors Kobernichenko A.B., Ilyukhin A.N.) for restoration of blocks of internal combustion engines by plasma spraying, containing a body, inside which there are a cart with a mechanism for its drive, consisting of electric motors connected to gearboxes, as well as a plasmatron with a swing mechanism. The installation is additionally equipped with a pallet, into the threaded holes of which adjusting screws are screwed, resting on the trolley, a worm gear, electro-pneumatic valves and pneumatic cylinders, inside which pistons are installed with the ability to move. The installation is complex in design.

Недостатком описанных установок плазменного напыления является неудовлетворительное качество получаемых покрытий и большие потери порошкового материала. Неудовлетворительное качество покрытий обусловлено большими градиентами температуры в области электрического разряда, то есть в условиях неоднородного нагрева порошкового материала в данной области. Так же очень сложно на одном и том же плазмотроне реализовать высокоэффективное напыление металлических и керамических материалов, т.к. они предъявляют совершенно противоположные требования для режимов их напыления. Для напыления металлических материалов требуются высокоскоростные турбулентные потоки термической плазмы, а для напыления керамических материалов необходимы низкоскоростные ламинарные режимы ее истечения.The disadvantage of the described plasma spraying installations is the unsatisfactory quality of the resulting coatings and large losses of powder material. The unsatisfactory quality of the coatings is due to large temperature gradients in the area of the electric discharge, that is, under conditions of non-uniform heating of the powder material in this area. It is also very difficult to implement highly efficient spraying of metal and ceramic materials on the same plasmatron, because they impose completely opposite requirements for the modes of their deposition. Spraying metallic materials requires high-speed turbulent flows of thermal plasma, while spraying ceramic materials requires low-speed laminar flow regimes.

Известна установка плазменного напыления (RU 2335347) авторов Галышкина Н.В., Коротких В.М. и др., в которой катод и анод размещены в корпусе, имеющем сквозное отверстие, симметричное относительно оси корпуса. Система подачи плазмообразующего газа выполнена в виде отверстий, расположенных вокруг катода в держателе катода. Система подачи напыляемого порошкового материала также выполнена в виде отверстий и расположена в стенке сопла. Сопло установлено последовательно с анодом и шайбой из жаропрочного материала с образованием цилиндрического канала транспортировки плазмы к системе подачи напыляемого порошкового материала. Неудовлетворительное качество покрытий обусловлено неравномерным заполнением потока термической плазмы напыляемым порошковым материалом в условиях его локального (точечного) ввода. Следствие такого ввода порошкового материала - его не равномерный нагрев и не равномерное ускорение.Known installation for plasma spraying (RU 2335347) authors N. V. Galyshkin, V. M. Korotkikh. and others, in which the cathode and the anode are placed in a housing having a through hole symmetric with respect to the axis of the housing. The plasma-forming gas supply system is made in the form of holes located around the cathode in the cathode holder. The system for feeding the sprayed powder material is also made in the form of holes and is located in the wall of the nozzle. The nozzle is installed in series with an anode and a washer made of a heat-resistant material to form a cylindrical channel for transporting plasma to the system for supplying the sprayed powder material. The unsatisfactory quality of the coatings is due to the uneven filling of the thermal plasma flow with the sprayed powder material under the conditions of its local (point) input. The consequence of this introduction of the powder material is its uneven heating and uneven acceleration.

В качестве прототипа выбрана плазменная установка для напыления покрытий и ее варианты (патент RU 2328096, авторов Гизатуллина С.А., Галимова Э.Р. и др.).As a prototype, a plasma installation for spraying coatings and its variants were selected (patent RU 2328096, authors Gizatullina S.A., Galimova E.R., etc.).

Плазменная установка содержит плазмотрон, систему подачи напыляемого материала в дуговой разряд плазмотрона, источник электропитания постоянного тока, систему охлаждения плазменной установки, систему подачи плазмообразующих газов, систему управления и контроля, соединенную с плазмотроном, с системой подачи напыляемого материала в дуговой разряд, с источником электропитания постоянного тока, с системой охлаждения плазменной установки, с системой подачи плазмообразующих газов, при этом плазмотрон содержит осевой канал подачи напыляемого материала в дуговой разряд, катод плазмотрона выполнен из термоэмиссионного материала, закреплен в катододержателе, который закреплен в катодном корпусе, сопло, анод и межэлектродную вставку (МЭВ). Катод плазмотрона выполнен полым с конической частью со стороны сопла плазмотрона, канал подачи напыляемого материала в приосевую область дугового разряда выполнен в виде осевого отверстия в трубке, расположенной внутри полого катода. Сопло в конце плазмотрона выполнено сверхзвуковым, охлаждаемым, секционированным с электрически изолированными секциями. Межэлектродная вставка выполнена секционированной из охлаждаемых секций. Отношение суммы длин дугового канала, расположенного в МЭВ и сопле к диаметру дугового канала МЭВ находится в пределах от 4 до 250.The plasma installation contains a plasma torch, a system for supplying the sprayed material to the arc discharge of the plasma torch, a DC power supply, a cooling system for the plasma installation, a system for supplying plasma-forming gases, a control and monitoring system connected to the plasma torch, with a system for supplying the sprayed material to the arc discharge, with a power source direct current, with a plasma installation cooling system, with a plasma-forming gas supply system, while the plasmatron contains an axial channel for supplying the sprayed material to the arc discharge, the plasmatron cathode is made of thermionic material, fixed in the cathode holder, which is fixed in the cathode housing, nozzle, anode and interelectrode insert (MEW). The plasmatron cathode is hollow with a conical part on the side of the plasmatron nozzle, the channel for supplying the sprayed material to the axial region of the arc discharge is made in the form of an axial hole in a tube located inside the hollow cathode. The nozzle at the end of the plasmatron is supersonic, cooled, sectioned with electrically insulated sections. The interelectrode insert is sectioned from cooled sections. The ratio of the sum of the lengths of the arc channel located in the MEW and the nozzle to the diameter of the MEW arc channel is in the range from 4 to 250.

Недостатком прототипа является влияние порошкового материала и его паров на характеристики дугового разряда плазмотрона и, как следствие, пульсации его тепловых и газодинамических параметров. Так же большим недостатком ввода порошкового материала непосредственно в дуговой разряд через отверстие в катоде плазмотрона является практически не реализуемая его длительная работа без оседания напыляемого материала на стенках электродугового канала и образования настылей.The disadvantage of the prototype is the effect of the powder material and its vapors on the characteristics of the arc discharge of the plasmatron and, as a consequence, the pulsations of its thermal and gas-dynamic parameters. Also, a big disadvantage of introducing the powder material directly into the arc discharge through the hole in the cathode of the plasmatron is its practically unrealizable long-term operation without the deposition of the sprayed material on the walls of the electric arc channel and the formation of deposits.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение технологических возможностей установки, повышение качества напыляемых покрытий и производительности.The task of the proposed technical solution is to expand the technological capabilities of the installation, improve the quality of sprayed coatings and productivity.

Поставленная задача решается конструктивным решением установки плазменного напыления покрытий, которая согласно изобретению содержит два плазмотрона, устройства подачи напыляемого материала (дозаторы) в генерируемые плазмотронами потоки термической плазмы, источник постоянного тока для электропитания дугового разряда плазмотронов, систему охлаждения плазменной установки (блок автономного охлаждения), пульт управления плазменной установкой, соединенный с плазмотронами, с устройствами подачи напыляемого материала (дозаторами), с источником постоянного тока электропитания дугового разряда плазмотронов, с блоком запуска плазмотронов, с системой охлаждения плазменной установки (блоком автономного охлаждения), при этом плазмотроны содержат устройства ввода порошковых материалов (в поток термической плазмы), каждый по два электрода - катод и анод, сопло и межэлектродную вставку в виде секционированного канала, секции которого электрически изолированы друг от друга и от электродов. В качестве устройства ввода порошковых материалов каждый плазмотрон снабжен узлом их кольцевого ввода с газодинамической фокусировкой. При этом один плазмотрон выполнен с возможностью нанесения покрытий из металлических материалов в высокоскоростном дозвуковом или сверхзвуковом турбулентном режиме истечения плазменной струи, а другой для нанесения покрытий из керамических материалов в низкоскоростном ламинарном режиме истечения плазменной струи.The problem is solved by a constructive solution for a plasma spraying device, which according to the invention contains two plasmatrons, devices for feeding the sprayed material (dispensers) into the thermal plasma streams generated by the plasmatrons, a direct current source for powering the arc discharge of plasmatrons, a cooling system for the plasma installation (autonomous cooling unit), the control panel of the plasma installation connected to the plasma torches, with devices for feeding the sprayed material (dispensers), with a DC power supply for the arc discharge of the plasma torches, with a unit for starting plasma torches, with a cooling system for the plasma installation (autonomous cooling unit), while the plasma torches contain input devices for powder materials (into the flow of thermal plasma), each with two electrodes - a cathode and an anode, a nozzle and an interelectrode insert in the form of a sectioned channel, the sections of which are electrically isolated from each other and from the electrodes. As a device for introducing powder materials, each plasmatron is equipped with a unit for their annular input with gas-dynamic focusing. In this case, one plasmatron is configured to apply coatings from metallic materials in a high-speed subsonic or supersonic turbulent mode of the plasma jet outflow, and the other is designed to apply coatings from ceramic materials in a low-speed laminar mode of the plasma jet outflow.

Это обусловлено тем, что частицы металлических порошков имеют относительно не высокие температуры плавления и высокие коэффициенты теплопроводности. Поэтому для исключения их перегрева и значительного испарения требуются высокоскоростные турбулентные потоки плазмы. А керамические порошковые материалы, имеющие высокие температуры плавления и низкие коэффициенты теплопроводности, наоборот должны вводиться в низкоскоростные, протяженные ламинарные потоки плазмы.This is due to the fact that the particles of metal powders have relatively low melting points and high thermal conductivity coefficients. Therefore, to exclude their overheating and significant evaporation, high-speed turbulent plasma flows are required. And ceramic powder materials with high melting points and low thermal conductivity, on the contrary, should be introduced into low-speed, extended laminar plasma flows.

Газоразрядная камера каждого плазмотрона, выполненная в виде секционированного канала, расширяющегося от катода к аноду, имеет различное количество секций (в зависимости от требуемого режима истечения плазменной струи). Секционированный канал газоразрядной камеры плазмотрона с турбулентным режимом работы выполнен длинной 5 калибров при среднем диаметре канала 9 мм, а секционированный канал газоразрядной камеры плазмотрона с ламинарным режимом работы выполнен длиной 8 калибров при среднем диаметре канала 8 мм. Переключение плазмотронов и порошковых дозаторов, блока запуска плазмотронов осуществляют с пульта управления плазменной установкой через блок переключений плазмотронов.The gas-discharge chamber of each plasmatron, made in the form of a sectioned channel expanding from the cathode to the anode, has a different number of sections (depending on the required mode of the plasma jet outflow). The sectioned channel of the gas-discharge chamber of the plasmatron with a turbulent mode of operation is made with a length of 5 calibers with an average channel diameter of 9 mm, and the sectioned channel of the gas-discharge chamber of the plasmatron with a laminar mode of operation is made with a length of 8 calibers with an average channel diameter of 8 mm. Switching of plasma torches and powder dispensers, the unit for starting the plasma torches is carried out from the control panel of the plasma installation through the switching unit of the plasma torches.

Положительный эффект предлагаемого технического решения достигается за счет создания полнокомплектного оборудования установки плазменного напыления покрытий с автоматизированными узлами и оперативным переключением с пульта управления двух плазмотронов, работающих в разных технологических режимах и обеспечивающих высокоэффективное нанесение покрытий из разных материалов на изделия (один - из металлических порошковых материалов, а другой - из керамических). Предлагаемое конструктивное решение установки плазменного напыления покрытий с двумя плазмотронами, позволяет осуществлять различные технологические процессы без трудоемкой операции переналадки, в случае применения одного плазмотрона.The positive effect of the proposed technical solution is achieved due to the creation of a complete equipment for the installation of plasma spraying of coatings with automated units and on-line switching from the control panel of two plasma torches operating in different technological modes and providing highly efficient deposition of coatings from different materials on products (one made of metal powder materials, and the other is made of ceramic). The proposed constructive solution of the installation for plasma spraying of coatings with two plasmatrons allows carrying out various technological processes without a laborious changeover operation, in the case of using one plasmatron.

На фиг. 1 показана схема установки плазменного напыления покрытий из порошковых материалов, содержащая плазмотрон 1 (напыление металлических порошков) и плазмотрон 2 (напыление керамических порошков), устройства регулируемой подачи напыляемого материала в потоки термической плазмы - дозатор 3 и дозатор 4, высоковольтный источник электропитания 5 (постоянного тока) дугового разряда плазмотрона, блок автономного охлаждения 6 плазмотронов 1 и 2, блок подачи рабочих газов 7 (плазмообразующий, транспортирующий и фокусирующий - воздух, защитный (завеса анода) - смесь воздуха и метана). В состав оборудования входят: пульт управления 8 установки плазменного напыления покрытий и блок переключений плазмотронов и запуска 9, соединенные с плазмотронами 1 и 2, с устройствами регулируемой подачи напыляемого материала в потоки термической плазмы (дозатор 3 и дозатор 4), с высоковольтным источником электропитания (постоянного тока) дугового разряда 5 плазмотронов, с блоком автономного охлаждения и 6 плазмотронов 1 и 2, с блоком подачи рабочих газов 7 (воздух, метан).FIG. 1 shows a diagram of an installation for plasma spraying of coatings made of powder materials, which contains a plasmatron 1 (spraying of metal powders) and a plasmatron 2 (spraying of ceramic powders), devices for the controlled supply of the sprayed material into thermal plasma streams - dispenser 3 and dispenser 4, high-voltage power supply 5 (constant current) arc discharge of a plasmatron, an autonomous cooling unit 6 of plasmatrons 1 and 2, a unit for supplying working gases 7 (plasma-forming, transporting and focusing - air, protective (anode curtain) - a mixture of air and methane). The equipment includes: control panel 8 for plasma spraying of coatings and a unit for switching plasmatrons and launching 9, connected to plasmatrons 1 and 2, with devices for controlled supply of the sprayed material to thermal plasma streams (dispenser 3 and dispenser 4), with a high-voltage power supply ( DC) arc discharge 5 plasmatrons, with an autonomous cooling unit and 6 plasmatrons 1 and 2, with a working gas supply unit 7 (air, methane).

На фиг. 2 представлены схемы сборки плазмотронов 1 и 2: сечение А - А - для напыления металлических материалов в высокоскоростном дозвуковом или сверхзвуковом турбулентном режиме истечения плазменной струи; сечение Б - Б - для напыления покрытий из керамических материалов в низкоскоростном ламинарном режиме истечения струи плазмы.FIG. 2 shows the assembly diagrams of plasmatrons 1 and 2: section A - A - for spraying metal materials in a high-speed subsonic or supersonic turbulent regime of the plasma jet outflow; section B - B - for spraying coatings from ceramic materials in a low-speed laminar mode of the outflow of a plasma jet.

Каждый плазмотрон содержит: катод 10; пусковую секцию 11; секции межэлектродной вставки 12 (плазмотрон 1 для напыления металлов содержит три секции, плазмотрон 2 для напыления керамики содержит пять секций); переходную секцию 13, анод 14 и узел кольцевого ввода порошковых материалов с их газодинамической фокусировкой 15.Each plasmatron contains: cathode 10; launch section 11; sections of the interelectrode insert 12 (plasmatron 1 for spraying metals contains three sections, plasmatron 2 for spraying ceramics contains five sections); transition section 13, anode 14 and a unit for annular input of powder materials with their gas-dynamic focusing 15.

Средний диаметр канала плазмотрона 1 для напыления металлов составляет 9 мм, а плазмотрона 2 для напыления керамики 8 мм. Больший диаметр канала плазмотрона 1 для напыления металлов обусловлен значительно большими расходами плазмообразующего газа и существенно большей напряженностью электрического поля дугового разряда. Некоторое увеличение диаметра канала, при повышенной напряженности электрического поля, снижает риск пробоя дугового разряда на секции межэлектродной вставки (МЭВ).The average diameter of the channel of the plasmatron 1 for spraying metals is 9 mm, and of the plasmatron 2 for spraying ceramics is 8 mm. The larger diameter of the channel of the plasmatron 1 for the deposition of metals is due to the significantly higher consumption of the plasma-forming gas and the significantly higher electric field strength of the arc discharge. A slight increase in the channel diameter, with an increased electric field strength, reduces the risk of an arc discharge breakdown at the section of the interelectrode insert (MEI).

Так же из-за различия в уровне напряженности электрического поля ламинарного и турбулентного режимов работы канал плазмотрона 2 для напыления керамики имеет большую длину (большее количество секций). Большее количество секций МЭВ при меньшем уровне напряженности электрического поля позволяет увеличить рабочее напряжение на дуговом разряде плазмотрона до уровня, близкого к турбулентному режиму работы плазмотрона для напыления металлов. Благодаря этому оба плазмотрона в номинальных режимах работы имеют близкие значения рабочих напряжений, что способствует максимальному использованию установленной мощности источника питания плазмотронов при напылении керамических и металлических порошковых материалов.Also, due to the difference in the level of the electric field strength of the laminar and turbulent modes of operation, the channel of the plasmatron 2 for spraying ceramics has a greater length (more sections). A larger number of MEW sections at a lower level of the electric field strength makes it possible to increase the operating voltage at the arc discharge of the plasmatron to a level close to the turbulent mode of operation of the plasmatron for spraying metals. Due to this, both plasmatrons in nominal operating modes have similar operating voltages, which contributes to the maximum use of the installed power of the plasma torch power source when spraying ceramic and metal powder materials.

Оперативное переключение плазмотронов 1 и 2 с помощью блока переключений плазменной установки 9 исключило необходимость переборки (переналадки) канала плазмотрона при напылении металлов и керамики и, таким образом, разрыв в операциях напыления металлического подслоя и керамического покрытия сокращен до минимума и не превышает 0,5 минуты.Prompt switching of plasmatrons 1 and 2 using the switching unit of the plasma installation 9 eliminated the need for a bulkhead (readjustment) of the plasmatron channel when spraying metals and ceramics and, thus, the gap in the operations of spraying a metal sublayer and ceramic coating is reduced to a minimum and does not exceed 0.5 minutes ...

Подача плазмообразующего газа из блока 7 по каналу 16 осуществляется между катодом 10 и пусковой секцией 11, подача защитного газа (завеса анода), в качестве которого используется смесь воздуха и метана, осуществляется по каналу 17 между переходной секцией 13 и анодом 14, подача порошка с транспортирующим газом и фокусирующего газа осуществляется через соответствующие щелевые каналы 18 и 19 узла кольцевого ввода с газодинамической фокусировкой 15.The plasma-forming gas is supplied from unit 7 through channel 16 between the cathode 10 and the starting section 11, the supply of protective gas (anode curtain), which is a mixture of air and methane, is carried out through channel 17 between the transition section 13 and the anode 14, the powder is supplied from transporting gas and focusing gas is carried out through the corresponding slotted channels 18 and 19 of the annular inlet assembly with gas-dynamic focusing 15.

На фиг. 3 представлена фотография разработанной и изготовленной в ИТПМ СО РАН полнокомплектной установки плазменного напыления функциональных покрытий, представленной в настоящей заявке.FIG. 3 shows a photograph of a complete installation for plasma spraying of functional coatings developed and manufactured at ITAM SB RAS, presented in this application.

Установка плазменного напыления покрытий работает следующим образом.Installation of plasma spraying of coatings works as follows.

Работа установки представлена на примере напыления керамических покрытий с предварительным напылением металлического подслоя.The operation of the installation is presented by the example of sputtering ceramic coatings with preliminary sputtering of a metal sublayer.

На блоке подачи рабочих газов 7 открываются соответствующие вентили и рабочие газы поступают на пульт управления 8 установки плазменного напыления покрытий. Включают источник электропитания дуговых разрядов 5 плазмотронов, пульт управления 8 установки плазменного напыления покрытий и блок автономного охлаждения 6 плазмотронов. На сенсорной панели пульта управления 8 установкой плазменного напыления покрытий включают режим «Работа», плазмотрон «Металлы» и подачу напряжения холостого хода на плазмотрон 1. При этом из блока 7 на плазмотрон 1 для напыления металлических порошков поступают с заданным расходом рабочие газы (плазмообразующий, защитный (завеса анода), транспортирующий и фокусирующий).. В блоке переключений плазмотронов и запуска 9 срабатывает соответствующая коммутирующая аппаратура и на плазмотрон 1 для напыления металлических порошков подается с заданным расходом охлаждающая вода из блока 6, напряжение холостого хода источника питания 5 и через ограничивающий силу тока дежурной дуги резистор, расположенный в источнике питания дуговых разрядов 5 плазмотронов, замыкается цепь дежурной дуги. После нажатия на пульте управления 8 установки плазменного напыления кнопки «Пуск» между катодом (фиг. 2, поз. 10) и пусковой секцией (фиг. 2, поз. 11) плазмотрона 1 посредством осциллятора, расположенного в блоке переключений плазмотронов с блоком запуска 9, возбуждается искровой разряд, который мгновенно перерастает в дуговой разряд дежурной дуги. Дежурная дуга вызывает ионизацию плазмообразующего газа, что обеспечивает его необходимую электропроводность и между катодом (фиг. 2, поз. 10) и анодом (фиг. 2, поз. 14) плазмотрона возбуждается рабочий дуговой разряд, а дежурная дуга автоматически отключается и плазмотрон 1 выходит на рабочий режим. Посредством пульта управления 8 установки плазменного напыления включается дозатор подачи металлических порошков 3 и через узел кольцевого ввода порошка с газодинамической фокусировкой 15 (фиг. 2) с помощью транспортирующего газа через канал 18 (фиг. 2) напыляемый металлический порошок вводится в поток термической плазмы плазмотрона 1. Причем ниже по течению, так же через соответствующий кольцевой канал 19 (фиг. 2) узла кольцевого ввода порошка с газодинамической фокусировкой 15 (фиг. 2) подается фокусирующий газ, который обеспечивает формирование высококонцентрированного гетерогенного потока, что в разы повышает эффективность нагрева и ускорения напыляемого порошкового материала потоком термической плазмы. Нагретый до температуры плавления и ускоренный до сотен метров в секунду напыляемый порошок, попадая на напыляемую поверхность, формирует покрытие. Благодаря высокой концентрации, равномерному нагреву и ускорению частиц напыляемого материала обеспечиваются высокие физико-механические характеристики напыленных покрытий (адгезия не менее 80 МПа и пористость менее 1%).On the block of supply of working gases 7, the corresponding valves are opened and the working gases are supplied to the control panel 8 of the installation of plasma spraying of coatings. They include a power supply source for arc discharges 5 plasmatrons, a control panel 8 for a plasma spraying device and an autonomous cooling unit for 6 plasmatrons. On the touch panel of the control panel 8, the installation of plasma spraying of coatings includes the "Operation" mode, the "Metals" plasmatron, and the supply of no-load voltage to the plasmatron 1. At the same time, working gases (plasma-forming, protective (anode curtain), transporting and focusing) .. In the switching unit of the plasmatrons and launching 9, the corresponding switching equipment is triggered and cooling water from unit 6 is supplied to the plasmatron 1 for spraying metal powders at a predetermined flow rate, the open circuit voltage of the power supply 5 and through the limiting the pilot arc current strength resistor located in the arc discharge power source 5 plasmatrons, the pilot arc circuit is closed. After pressing the button "Start" on the control panel 8 of the plasma spraying installation between the cathode (Fig. 2, pos. 10) and the starting section (Fig. 2, pos. 11) of the plasmatron 1 by means of an oscillator located in the switching unit of the plasmatrons with the triggering unit 9 , a spark discharge is initiated, which instantly develops into an arc discharge of the pilot arc. The pilot arc causes the ionization of the plasma-forming gas, which ensures its necessary electrical conductivity and between the cathode (Fig. 2, pos. 10) and the anode (Fig. 2, pos. 14) of the plasmatron, a working arc discharge is initiated, and the pilot arc is automatically turned off and the plasmatron 1 comes out to the operating mode. By means of the control panel 8 of the plasma spraying unit, the metering device for the supply of metal powders 3 is switched on and through the unit of the annular powder input with gas-dynamic focusing 15 (Fig. 2) with the help of the transporting gas through the channel 18 (Fig. 2) the sprayed metal powder is introduced into the thermal plasma flow of the plasmatron 1 . Moreover, downstream, also through the corresponding annular channel 19 (Fig. 2) of the annular powder injection unit with gas-dynamic focusing 15 (Fig. 2), a focusing gas is supplied, which ensures the formation of a highly concentrated heterogeneous flow, which significantly increases the efficiency of heating and acceleration sprayed powder material with a flow of thermal plasma. The sprayed powder heated to the melting point and accelerated to hundreds of meters per second, falling on the sprayed surface, forms a coating. Due to the high concentration, uniform heating and acceleration of the particles of the sprayed material, high physical and mechanical characteristics of the sprayed coatings are provided (adhesion not less than 80 MPa and porosity less than 1%).

После напыления выбранного металлического подслоя отключается подача напыляемого металлического порошка, и производится отключение плазмотрона 1 для напыления металлических порошков. На сенсорной панели пульта управления 8 установки плазменного напыления включается режим плазмотрон 2 «Керамика». При этом, аналогично описанному выше алгоритму напыления металлических порошков, после подачи напряжения холостого хода на плазмотрон 2 для напыления керамических порошковых материалов цикл напыления повторяется и поверх напыленного металлического подслоя наносится керамическое покрытие. После нанесения покрытия отключается дозатор подачи керамических порошков 4 и плазмотрон для напыления керамических порошковых материалов 2.After the deposition of the selected metal sublayer, the supply of the sprayed metal powder is turned off, and the plasmatron 1 is turned off for the deposition of metal powders. On the touch panel of the control panel 8 of the plasma spraying unit, the plasma torch 2 "Ceramics" mode is switched on. In this case, similar to the above-described algorithm for spraying metal powders, after applying an open-circuit voltage to the plasmatron 2 for spraying ceramic powder materials, the spraying cycle is repeated and a ceramic coating is applied over the sputtered metal sublayer. After applying the coating, the dispenser for supplying ceramic powders 4 and the plasma torch for spraying ceramic powder materials 2 are turned off.

Источники информации:Sources of information:

1. Плазменные технологии / Н.А. Соснин, С.А. Ермаков, П.А. Тополянский. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского политехи, ун-та, 2008.], [Science and Engineering of Thermal Spray Coatings, 2nd ed., Pawlowski L., John Wiley & Sons, Ltd. - 2008. - 656 p.1. Plasma technologies / N.А. Sosnin, S.A. Ermakov, P.A. Topolyansky. - SPb .: Publishing house of St. Petersburg Polytechnic University, 2008.], [Science and Engineering of Thermal Spray Coatings, 2nd ed., Pawlowski L., John Wiley & Sons, Ltd. - 2008 .-- 656 p.

2. Патент RU 2111066, заявка №9595121134, авторы Коберниченко А.Б., Ухалин А.С. и др.2. Patent RU 2111066, application No. 9595121134, authors Kobernichenko AB, Ukhalin A.S. and etc.

3. Патент RU 2187575, авторы Коберниченко А.Б., Илюхин А.Н.3. Patent RU 2187575, authors Kobernichenko AB, Ilyukhin AN

4. Патент RU 2328096, авторы Гизатуллина С.А., Галимова Э.Р. и др. - прототип.4. Patent RU 2328096, authors Gizatullina S.A., Galimova E.R. and others - a prototype.

Claims

1. Installation for plasma spraying of coatings, containing a plasmatron, a device for feeding the material to be sprayed - a dispenser into the flow of thermal plasma generated by the plasmatron, a direct current source for powering the arc discharge of the plasmatron, a cooling system of the plasma installation - an autonomous cooling unit, a plasma installation control panel connected to the plasmatron, with a device for feeding the sprayed material - a dispenser, with a DC power supply source for the arc discharge of the plasmatron, with a plasma torch triggering unit, with a plasma installation cooling system - an autonomous cooling unit, while the plasmatron contains a device for introducing powder materials into the thermal plasma flow, two electrodes - a cathode and anode, nozzle and interelectrode insert in the form of a sectioned channel, the sections of which are electrically isolated from each other and from the electrodes, characterized in that the installation consists of two plasmatrons, each of which is equipped with an annular porosity injection unit gas-dynamic focusing materials, while one plasmatron is configured to operate in a high-speed subsonic or supersonic turbulent flow regime of a plasma jet for coating metal materials, and the other in a low-speed subsonic laminar flow regime of a plasma jet for coating ceramic materials, and The gas-discharge chamber of each plasmatron, made in the form of a sectioned channel expanding from the cathode to the anode, has a number of sections depending on the required plasma jet outflow mode, and contains a plasma unit control panel through the plasmatron switching unit for switching plasmatrons and powder dispensers.

2. Installation of plasma spraying of coatings according to claim 1, characterized in that the sectioned channel of the gas-discharge chamber of the plasmatron with a turbulent mode of operation is made with a length of five calibers with an average channel diameter of 9 mm.

3. Installation of plasma spraying of coatings according to claim 1, characterized in that the sectioned channel of the gas-discharge chamber of the plasmatron with a laminar mode of operation is made with a length of eight calibers with an average channel diameter of 8 mm.