Плазматроны и порошковые питатели
Принцип работы и функции плазмотрона. Расчёт глубины проникновения температурного поля. Сопло и стержневый электрод как ответственный элемент генератора плазмы. Механическая и электрическая системы возбуждения. Классификация порошковых питателей.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.11.2011 |
| Размер файла | 2,9 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Саратовский государственный технический университет
Кафедра «Физическое материаловедение и технологии новых материалов»
Курсовая работа
по дисциплине «Материаловедение, технология конструкционных металлов»
на тему: Плазматроны и порошковые питатели
Выполнил:
Студент группы БМА-31
Курышов Е.А.
Проверила:
Протасова Н.В.
Саратов 2010
Содержание
плазмотрон порошковый питатель
Введение
Плазматроны
Принцип работы плазмотронов
Системы возбуждения дуги в плазматронах
Классификация плазмотронов
Порошковые питатели
Классификация порошковых питателей
Принцип работы порошковых питателей
Заключение
Список литературы
Приложение
Введение
Данная тема выбрана мной не случайно поскольку, увеличение применений базовых технологий и расширение внедрения плазменных технологий весьма перспективно для социально-экономического развития страны. Использование низкотемпературной плазменной струи (НТПС) позволяет получить обширный спектр высокоэффективных порошковых покрытий, которые позволяют решить ряд технических задач.
Производство изделий в различных отраслях промышленности тесно связанно с применением разнообразных порошковых покрытий, придающие деталям и узлам определенные функциональные и эксплуатационные свойства.
В последнее время широкое применение в промышленности находит плазменное нанесение покрытий.
Вследствие расширения областей применения плазменных покрытий, повышение предъявляемых к ним требований, очень сильно зависит от эффективности и качества работы плазматронов и порошковых питателей, поэтому мы, немного окунемся в историю создания плазматрона.
Первые плазмотроны появились в середине 20-го века в связи с появлением устойчивых в условиях высоких температур материалов и расширением производства тугоплавких металлов. Другой причиной появления плазмотронов явилась элементарная потребность в источниках тепла большой мощности. Замечательными особенностями плазмотрона как инструмента современной технологии являются:
· Получение сверхвысоких температур (до 150000 °C, в среднем получают 10000-30000°С), не достижимых при сжигании химических топлив.
· Компактность и надежность.
· Легкое регулирование мощности, легкий пуск и остановка рабочего режима плазмотрона [1,5].
Плазматроны
Плазмотрон -- техническое устройство, в котором при протекании электрического тока через разрядный промежуток образуется плазма, используемая для обработки материалов или как источник света и тепла. Буквально, плазмотрон означает -- генератор плазмы.
Для плазменного напыления используют в основном дуговые плазматроны (ВЧ и СВЧ плазмотроны).
Плазматроны должны обеспечивать:
· мощность дуги на уровне 5-120 кВ/А;
· высокий термический КПД плазмотрона (r/T a 0,5) и эффективный КПД процесса нагрева распыляемого материала (г)м = 0,02-0,3);
· универсальность по использованию плазмообразующих газов;
· стабилизацию параметров режима работы.
В нашей стране разработано большое количество плазматронов. Наиболее известны исследования: М.Ф. Жукова, А.М. Гонопольского, В.С. Клубникина, А.С. Коротеева, А.В. Николаева, А.В. Петрова и др. [1,4,5].
Принцип работы плазмотронов
Для работы плазмотрона необходимо к нему подвести электропитание, плазмообразующий газ, охлаждение электродов и подачу порошков. Схематически это представлено на рис.1.
Рис.1. Структурная схема систем питания плазмотрона
Принцип работы плазмотрона для напыления покрытий состоит в том, что электрическая дуга, горящая между вольфрамовым катодом, имеющим форму стержня, и медным анодом, имеющим форму сопла, нагревает подаваемый в плазмотрон газ до температуры образования плазмы, т.е. до состояния, когда газ становится электропроводным. В поток нагретого газа вводится порошок, поступающий из порошкового питателя. Образующиеся расплавленные частицы порошка выносятся потоком плазмы из сопла и наплавляются на поверхность изделия, расположенную перед соплом (рис.1).
Рис.2. Схема плазмотрона в процессе плазменного напыления покрытий
Представленная на рис.2 схема плазмотрона относится к линейному типу плазмотрона постоянного тока с косвенной дугой. Такая схема плазмотрона нашла наибольшее применение для процесса плазменного напыления порошковых материалов из-за ее простой конструкции и надежной работы. В научных исследованиях и в производстве в настоящее время используется широкая гамма различных конструкций плазмотронов [2].
Сопло - наиболее ответственный элемент плазматрона. Именно конструкция сопла определяет длину дуги и ее стабильность, скорость и характер истечения струи, а следовательно, в значительной мере - тепловой КПД плазматрона и эффективный КПД процесса нагрева распыляемого материала. В плазмотронах с самоустанавливающейся дугой канал сопла гладкий и имеет наибольшую длину (10-30мм). Для некоторой фиксации дуги разрядный канал выполняется с уступом. В плазматронах с фиксированной дугой применяют секционированные сопла с межэлектродными вставками. Наличие секций (5-10) позволяет сначала растянуть дугу, а затем фиксировать анодное пятно на выходе из канала. Для получения ламинарных и сверхзвуковых плазменных струй сопла профилируют.
Рис.3. Конструктивные схемы электродных узлов в плазменных распылителях:
а - цилиндрическое гладкое сопло; б - цилиндрическое сопло с уступом; в - сопло с межэлектродными вставками; г - профилированное сопло; д - вольфрамовый электрод; е - электрод с циркониевой вставкой; 1 -- вольфрамовая вставка; 2 - держатель электрода; 3 - циркониевая вставка
На рис.3, а - г приведены конструкции сопел различного назначения. Продолжительность работы сопла невелика и составляет 10-50 ч, поэтому конструкция плазматрона должна обеспечивать легкую и быструю его смену. В этом отношении перспективны так называемые «сухие» сопла, не требующие при смене разгерметизации плазмотрона. Сопла изготавливают в основном из меди, но они быстро изнашиваются из-за того, что на «холодных» электродах опорное пятно дуги перемещается скачкообразно, т.е. в течение некоторого времени остается неподвижным (10-4 - 10-5 с). Это время определяется скоростью смещения приэлектродного участка дуги относительно неподвижною пятна процессом шунтирования промежутка дуга-электрод. Решая дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье:
можно вычислить глубину проникновения температурного поля и материал электрода за время t. Здесь а - коэффициент теплопроводности, с - теплоемкость, у - удельный вес, qv - внутреннее тепловыделение.
Глубина проникновения температурного поля для простейшего случая плоского электрода в отсутствие джоулева тепловыделения в электроде qv=0, что справедливо для многих плазмотронов, определяется выражением
Для меди а=112,4*10-6м2/с, при t=10-4c, =3*10-4 м.
Для вольфрама а=60,6*10-6 м2/с, =1,9*10-4 м.
Из расчетов видно, что более подходящим материалом является вольфрам. Однако изготовить сопло из вольфрама очень сложно. Поэтому на практике применяют вставки из вольфрама, что позволяет уменьшить эрозию канала медного сопла, а также позволяет работать плазмотрону в режиме обратной полярности (минус на сопле) [2,4].
Другим ответственным элементом плазматрона является стержневой электрод, который изготавливают из вольфрама (торированного, лантанированного, итерированного) в виде вставки с интенсивным охлаждением водой (рис.2, д). При использовании окислительных газов вольфрам заменяют цирконием или гафнием. Образующаяся на поверхности такого электрода тугоплавкая оксидная пленка препятствует его разрушению. При работе плазмотрона в режиме обратной полярности стержневой электрод (анод) изготавливают из меди. Необходима высокая соосность электрода и сопла.
Эффективность нагрева порошка в плазматроне и равномерность распределения его по пятну напыления зависят от схемы ввода порошка в сопловую часть плазматрона [4].
Системы возбуждения дуги в плазматронах
Применяют две системы возбуждения: электрическую (бесконтактную) и механическую. В электрической системе при помощи маломощного высоковольтного, высокочастотного генератора (осциллятора), осуществляется пробой газового промежутка между стержневым электродом и соплом. При этом создается начальная газовая проводящая область, способная обеспечить возникновение тока проводимости основного разряда. На рис.4 показаны схемы подключения осцилляторов, выпускаемых электротехнической промышленностью. Для предохранения источника питания дуги от попадания на него пробивного напряжения предусмотрена защита в виде индуктивных (Д Р) и емкостных (С), сопротивлений. При параллельном включении после возбуждения дуги осциллятор отключается с помощью реле тока (Р Т). Осциллятор последовательного включения дает меньшие радиопомехи и не шунтирует дугу. Параллельное включение осциллятора возможно на дугу любой мощности.
В плазмотронах с межэлектродными вставками (МЭВ) применяют многоступенчатую схему возбуждения дуги (рис. 4, в). Реле времени (С - К) подключены к контакторам (К) в определенной последовательности. Первоначально срабатывает контактор (К 1), возбуждающий начальную дугу. Далее срабатывает контактор (К 2) с одновременным отключением контактора К1 (и т.д. до последней МЭВ, включаемой контактором (Кn) и реле времени (Сn - К).
Рис.4. Электрические схемы устройств для возбуждения дуги:
а - осциллятор последовательного подключения; б - осциллятор параллельного подключения; в - многоступенчатая схема возбуждения дуги; 1 - источник питания дуги; 2 - осциллятор; 3 -плазменный распылитель; 4 - блок управления
Механическая система возбуждения связана с замыканием дугового промежутка. Известны различные способы замыкания: непосредственным касанием электрода стенки сопла; плавкими металлическими вставками в межэлектродное пространство, подачей в дуговой промежуток дополнительного электрода и др. В выпускаемых плазменных распылителях в основном применяется бесконтактная схема возбуждения.
Так же важно при создании плазмотронов выбрать способ стабилизации дуги (рис.5).
Рис.5. Способы стабилизации плазменной дуги: а - с аксиальной подачей газа б - магнитным полем; в - тангенциальной подачей газа
На практике чаще применяют плазматроны с вихревой стабилизацией дуги из-за их простоты, высокого теплового КПД нагрева газа и большого срока службы. Широкое применение получили способы ввода плазмообразующего газа, приведенные на рис.5. Наибольшее применение нашел тангенциальный способ ввода. Он позволяет надежнее изолировать стенки канала плазмотрона от плазменного факела, повысить эффективность преобразования энергии, но при этом невозможно получить ламинарные потоки плазмы, и истечение сопровождается значительным шумом [1,2,4].
Классификация плазмотронов
На схеме ниже приведена классификация плазматронов
Схема.1. Классификация плазмотронов
Размещено на http://www.allbest.ru/
Для функционирования всех типов плазмотронов требуются подвод к ним электроэнергии, газовой и плазмообразующей сред, хладагент для отвода избыточной тепловой энергии от электродов, порошкового материала для напыления покрытий.
Плазмотроны переменного тока промышленной частоты получили развитие благодаря простоте схем источников электропитания, однако широкое их использование сдерживается из-за значительной эрозии электродов и невысокой стабильности горения электрических дуг.
ВЧ-плазмотроны позволяют получать большие объемы технологической чистой плазмы, но эффективность преобразования электрической энергии в тепловую у них невысокая, так же как у СВЧ плазмотронов. Иногда используются комбинированные плазмотроны дуговой - ВЧ-плазмотрон, постоянного и переменного тока и другие плазмотроны, позволяющие использовать соответствующие преимущества применяемых схем. Существуют дуговые плазмотроны с независимой (косвенной) и зависимой (прямой) дугой (рис.6). По характеру протекающих в канале сопла процессов его можно разбить на 2 участка, разделенных анодным пятном [2,6].
Рис.6. Схемы плазмотронов: с зависимой (прямой) дугой (а) и независимой (косвенной) дутой (б)
Накопление энергии плазменным факелом за счет диссоциации и ионизации газа происходит на начальном участке дуги между катодом и анодным пятном дуги. На этом участке плазменная дуга отшнурована и занимает небольшую часть сечения канала благодаря высокой скорости газа и большого собственного электромагнитного поля. В области за анодным пятном теплосодержание плазменного факела уменьшается, здесь интенсифицируются процессы рекомбинации, протекающие с выделением энергии.
Повышение производительности плазменного напылении в значительной степени определяется мощностью плазмотрона, которую можно увеличить за счет увеличения тока и напряжения дуги. Однако при токе дуги 700А и выше имеет место значительная эрозия электродов и резко снижается их ресурс. Поэтому при разработке мощных плазмотронов перспективны схемы плазмотронов с секционированными и пористыми каналами (рис. 7).
Использование плазмотронов с секционированными каналами позволяет увеличить длину дуги с помощью изолированных друг от друга секций и снизить теплоотвод через стенки канала [2].
Рис.7. Ввод плазмообразующего газа в плазменную горелку: а - аксиальный; б - распределенный; в - транспирационный; г - тангенциальный(1,2 электроды; секция межэлектродной вставки; 4 - пористая стенка; Gn0 - стабилизирующий газ; Gn, Gn1 Gnj - плазмообразующие газы)
Применение пористых каналов в плазмотронах позволяет снизить тепловой поток к стенке канала за счет разогрева газа, который проходит через стенки и возвращает тепло обратно в поток. Это повышает тепловой КПД до 95%, и при одинаковой мощности масса и габариты плазмотронов с пористыми каналами меньше по сравнению с другими типами плазмотронов.
Однако у плазмотронов с пористыми каналами при длительной работе происходят изменения структуры пор, и становится трудно контролировать количество вдуваемого через них газа. Следовательно, недостатками плазмотронов с пористыми вставками являются нестабильность их работы и высокая сложность в изготовлении и обслуживании. Поэтому в производстве ИЭТ они еще не нашли широкого применения.
Плазмотроны, которые мы уже рассмотрели, относятся к линейному типу плазмотронов постоянного тока с прямой и косвенной дугой. Такие плазмотроны нашли свое применение в технологии плазменного напыления порошковых материалов. Кроме дуговых плазматронов существуют еще высокочастотные плазмотроны.
Рис.8. Схемы ВЧИ-плазмотронов: а - индуктор с одной высоковольтной и одной заземленной ветвью; б - индуктор с заземленной средней точкой, запитанный по двухтактной схеме: 1- ВЧ-генератор; 2 - ввод плазмообразующих газов; 3 - ВЧ-разряд; 4-индуктор; 5 - корпус плазмотрона; 6 - камера плазмотрона
Показанные на рис.8 схемы индукционных плазмотронов очень распространенные, но возможны и комбинированные схемы на основе индукционного и емкостного разрядов. Известны различные конструкции высокочастотных безэлектродных плазмотронов. Самые простые это трубки из диэлектрических материалов: кварца, алунда, нитрида бора и т.п. Трубки снабжаются водяным или газовым охлаждением. Известно множество технических решений по защите стенок плазмотронов из диэлектрических материалов от перегрева, в том числе отжатие разряда от пенок вихрем холодного газа или магнитными силами. Однако отжатие разряда от стенок плазмотрона с помощью магнитных сил приводит разряд в неустойчивое состояние, а применение термозащитных потоков вызывает усиление рекомбинации в периферийных слоях потока газа, уменьшение проводимости разряда, снижение среднемассовой температуры, уменьшение мощности, вкладываемой в разряд. Существуют конструкции, в которых для охлаждения диэлектрической трубы, служащей плазмотроном, применяют комбинированное водяное и газовое охлаждение [2].
На рис.8 показаны распространенные схемы индукционных плазмотронов; возможны и комбинированные схемы на основе индукционного и емкостного разрядов. Известны различные конструкции высокочастотных безэлектродных плазмотронов. Простейшие из них трубки из диэлектрических материалов: кварца, алунда, нитрида бора и т.п. Трубки обычно снабжены водяным или газовым охлаждением. Существуют различные технические решения по защите стенок плазмотронов из диэлектрических материалов от перегрева, в том числе отжатие разряда от стенок вихрем холодного газа или магнитными силами. Однако отжатие разряда от стенок плазмотрона магнитными силами приводит разряд в неустойчивое состояние, а применение термозащитных потоков вызывает усиление рекомбинации в периферийных слоях потока газа, уменьшение проводимости разряда, снижение среднемассовой температуры, уменьшение мощности, вкладываемой в разряд. Существуют конструкции, которых для охлаждения диэлектрической трубы, служащей плазмотроном, применяют комбинированное водяное и газовое охлаждение [2].
Разработана конструкция комбинированного плазмотрона, основанная на применении немагнитного металла и диэлектрика. Принцип действия плазмотрона основан на том, что если в полом металлическом цилиндре, выполненном из немагнитного металла, сделать продольные разрезы параллельные оси цилиндра, то электромагнитное поле свободно проникает внутрь цилиндра и возбуждает там индукционный разряд. Разряд горит внутри камеры и имеет характер кольцевого индукционного тока.
Существуют различные варианты такой конструкции. Одна из них включает двойную оболочку разряда: внешнюю - диэлектрическую, внутреннюю - медную с разрезами. Недостаток этой конструкции. - шунтирование проникновения электромагнитной энергии разрядов внутри разрезов, а также между оболочками. Для предотвращения шунтирования увеличивают число разрезов до 12.
Оптимальная ширина разрезов 1,5-2 мм. Другой недостаток - более низкий КПД такой конструкции по сравнению с простой диэлектрической оболочкой [2].
Схема ВЧ-плазмотронов различного типа показана на рис.9.
Рис.9. Схема металлодиэлектрического безэлектродного высокочастотного плазмотрона: 1 - оболочка из диэлектрического материала; 2 - медная разрезная водоохлаждаемая камера; 3 - разряд; 4 - индуктор
В СВЧ-разрядах объемная мощность составляет сотни ватт на кубический сантиметр. Так, в стационарном неравновесном СВЧ-разряде мощностью 100 кВт на частоте 900 МГц при давлении 13,3-26,6 кПа объемная энергия составила 500 Вт/с, что на несколько порядков превышает соответствующий показатель для тлеющих Разрядов. В СВЧ-разряде в зависимости от режима поглощается 70..85% колебательной мощности СВЧ-генератора.
Важная особенность СВЧ-разрядов - высокая напряженность электрической составляющей электромагнитного поля, в связи с чем разряд устойчиво горит в молекулярных газах, в которых одновременно с процессами плазмообразования протекают эндоэргические реакции. СВЧ-разряд устойчиво горит в С02 в диапазоне давлений от 6,6 .. 100 кПа. При давлении около 16 кПа разряд переходит в контрагированный режим, однако вплоть до давлений 27 кПа плазма разряда сохраняет неравновесный характер (Te>Tr>Tg).
При изменении давления от 6,7 до 33,3 кПа концентрация электронов возрастает с 8 1011 до 8 1013 с, температура электронов меняется от 13900 до 5800 К. Колебательная температура достигает максимума (Tv=4000 К) при Те=9300 К. Расход С02 через разряд составлял при этом 0,54..7,2 м31ч.
При переходе к СВЧ-разрядам большой мощности требуется увеличение объемного расхода газового потока, протекающего через плазмотрон. Для того чтобы в разряде поддерживалась неравновесность, и разряд был неоднороден по сечению необходимы ограничения по давлению и по площади плазмотрона. В связи с изложенным повышением мощности необходимо повышать и расход газа, и его линейную скорость [2].
Порошковые питатели
Порошковые питатели предназначены для содержания порошка, регулирования его расхода и обеспечения стабильной и равномерной подачи через плазмотрон в зону напыления. После плазмотрона порошковый питатель является наиболее важным узлом, определяющим качество напыления.
В настоящее время существует значительное количество устройств пня дозированной подачи порошков из напыляемого материала, основной недостаток которых связан с невозможностью обеспечения постоянства массы подаваемого материала.
В то же время мерность наносимого покрытия, т.е. его толщина, образующаяся за технологический цикл, и равномерность по толщине являются важными технико-экономическими показателями процесса напыления. Это связано с тем, что затраты на контроль и механическую обработку полученных изделий часто соизмеримы со стоимостью самих покрытий. Мерность напыляемого материала зависит от постоянства удельных доз порошка, вводимых в рабочий узел устройства для напыления, при стабильности остальных технологических параметров процесса [2,6].
Классификация порошковых питателей
Питатели по принципу действия можно разделить на 2 группы: работающие с использованием транспортирующего агента и с самостоятельной подачей напыляемого материала.
Питатели первой группы можно разделить на 3 типа в зависимости от их принципа действия:
С механической дозировкой напыляемого порошка.
Вибрационные, с сепарированием порошка.
С использованием принципа взмучивания порошковых материалов транспортирующим средством.
Питатели первого типа состоят из емкости для порошка, на дне которой расположен металлический ротор, который вращает электродвигатель. Захваченный лопатками ротора порошок засыпается в мерный стакан, где его подхватывает газ, поступающий через штуцер, и транспортируется по трубке в плазменный факел горелки.
Применение питателей с механической дозировкой крайне ограничено из-за значительной неравномерности подачи порошков, наличия трущихся поверхностей, возможного занесения загрязнений и невысокой надежности работы.
Принцип действия питателей вибрационного типа основан на постоянном встряхивании и пересыпании порошка из одного объема в другой через калиброванное отверстие. При этом излишний или крупнодисперсный порошок выводится из рабочего пространства, а строго определенная доза рабочего порошка захватывается транспортирующим средством и подается в плазменную горелку. Питатели такого типа удобны для транспортирования мелких порошков (1-30 мкм) и малоэффективны для подачи тяжелых крупнодисперсных порошков с размером частиц более 100 мкм, например, вольфрама, молибдена [2].
Для питателей третьей группы характерно взмучивание порошка в рабочем объеме, куда одновременно подаются порошок и транспортирующий газ. Далее порошок подхватывается газом и поступает в плазменную горелку. Ввод порошка осуществляется за счет создания в бункере стационарного или импульсного избыточного давления газа, поступающего из газораспределительной цепи.
Как правило, в этих устройствах присутствует также вибрационная система, препятствующая самоуплотнению порошка и облегчающая вынос газопорошковой смеси из бункера и транспортировку ее в зону напыления. Важными достоинствами питателей этого типа являются возможность транспортировки частиц в широком интервале дисперсности (от 20 до 125 мкм) при высокой равномерности подачи порошка (неравномерность 10-15%), а также простота их конструкции и эксплуатации.
Среди всех перечисленных типов данные питатели являются наиболее приемлемыми и универсальными. Они наиболее часто используются при напылении широкого класса полимерных и композиционных материалов [2].
Принцип работы порошковых питателей
Несмотря на большое разнообразие разработанных схем питателей, все они являются производными указанных выше типов. Так, в Институте атомной энергии (г. Сверк, Польша) разработан питатель к плазмотрону для напыления многокомпонентных покрытий, отличительной особенностью которого является наличие двух независимых порошковых бункеров с отдельными системами регулирования.
К группе питателей с самостоятельной подачей напыляемого материала относятся устройства, в которых подача порошки осуществляется за счет частичного потребления энергии газового потока, используемого в установке для напыления. Работают они в импульсном режиме, при котором параметры газового потока на несколько порядком превосходят параметры стационарных газовых потоков.
Примером питателя вибрационного типа служит типа Э 1794, (рис.10, 11) состоящий из бункера (3) дня загрузки напыляемых порошков и смесителя (2), смонтированных ни подставке (1) и сообщающихся между собой с помощью трубки. По патрубку порошок из бункера подается в смеситель, где он подхватывается транспортирующим газом и вводится в плазмотрон. Вибрацию бункера осуществляет электромагнитный вибратор (4). Количество порошка, подаваемого в плазменную горелку, регулируется изменением расхода транспортирующего газа. Питатель обеспечивает равномерную подачу порошков с дисперсностью до 100 мкм [2].
Схема питателя третьего типа приведена на рис.12.
Питатель (рис.12) состоит из бункера (8) с крышкой (3). В бункер вставлен раструб (5) в форме усеченного конуса. Между бункером и раструбом существует зазор l. К нижнему основанию раструба на расстоянии h крепится диск (7), который используется в качестве упора и наряду с сильфоном (4) обеспечивает сохранение постоянства рабочей зоны между основанием раструба и уровнем порошка (6) в бункера Устройство снабжено вибросистемой.
Рис.12. Устройство для дозированной подачи порошкового материала со сжатым в зазоре потоком газа 1,2- патрубок подвода и отвода газа; 3 - крышка; 4 - сильфон; 5 -раструб; 6 - порошок; 7 - диск; 8 - бункер
Работа питателя осуществляется следующим образом. Сжатый газ через патрубок подвода (1) поступает в верхнюю часть бункера, а затем через зазор между бункером и раструбом попадает в нижнюю часть бункера. Необходимое соотношение размеров обеспечивает получение газом скорости, достаточной для его заглубления в порошок, который под действием вибросистемы постоянно взвешивается и выравнивается по уровню. Далее газ выносит порошок через отверстие патрубка отвода (2) в технологическую зону установки. Работоспособность устройства обеспечивается стабильностью расстояния l. данное устройство имеет 2 существенный недостатка: сложность перестройки с одной дозировки порошка на другую, необходимость частого досыпания порошка. Последнее обстоятельство связано с необходимостью поддержания заданного растояния h, что возможно лишь при изменении уровня порошка в бункере более чем на величину удлинения сильфона (4).
Рис.13. Устройство для дозированной подачи порошкового материала с вихреобразным потоком газа: 1- бункер; 2 - коаксиальный раструб; 3 - уплотнительный поясок; 4 - прорези в уплотнительном пояске; 5 - направляющий поясок; 6 - упор; 7 - нижний конус; 8 - порошок; 9 - кольцевая канавка; 10 - отверстие во входном патрубке; 11 -стяжки; 12 - сопло; 13 - входной патрубок; 14- выходной патрубок
Последний из недостатков исключен в конструкции второго питателя (рис.13), в котором отсутствует крышка бункера 1. Раструб 2 снабжен уплотнительным пояском 3. Между ним и бункером существует зазор, достаточный для перемещения раструба, между направляющим пояском 5, имеющим наклонные прорези 4, и бункером шириной 1.
Между поясками 3 и 5 образуется кольцевая канавка 9, которая сообщается с входным патрубком 13 при помощи отверстия 10. Стяжки 11 позволяют соединить коаксиально раструб 2 и упор 6. Поверхности конуса, обращенные к раструбу, упора и раструба образуют сопло 12, сужающееся в направлении отверстия выходного патрубка 14, а поверхность нижнего конуса 7 опирается на порошок 8 внутри бункера. При этом расстояние между основанием раструба и уровнем порошка l=5-10мм. Устройство также снабжено вибросистемой.
Постоянная доза напыляемого порошка обеспечивается, во-первых, за счет перемещения системы подающего и отводящего патрубков при изменении уровня порошка и, во-вторых, благодаря вихревой камере в виде наклонных прорезей для подачи транспортирующего газа.
Работает питатель следующим образом. Транспортирующий на отверстие входного патрубка и отверстие 10 поступает в кольцевую канавку, затем распределяется по периметру и в виде вихреобразного потока поступает через наклонные прорези 4 под раструб 2. вместе с тем транспортирующий газ частично проходит через зазор ширимой l и удаляет порошок со стенок бункера. Вихреобразный поток за счет разложения силы напора на нормальную и тангенциальную составляющие более интенсивно аэрирует порошок 8 и ускоряет его в сопле 12, и уносит в виде газопорошковой смеси через отверстие выходного патрубка.
Размеры газопроводящих каналов определяются расходом газа. Для создания достаточной скорости вихревого потока газа под раструбом необходимо, чтобы S2<S1<S3, где SI, S2, S3 - площади поперечных сечений сопла. (минимальная), для наклонных прорезей (суммарная) и минимального отверстия выходного патрубка.
Оригинальный питатель с механической дозировкой напыления материала разработан в Воронежском лесотехническом инстетуте (рис.14). По мнению авторов предлагаемую ими конструкцию отличает высокая стабильность и равномерность подачи порошков.
Рис.14. схема питателя с механической дозировкой напыляемого материала: 1- порошок; 2- корпус; 3- щетка; 4- диск; 5- вал; 6- канал.
Принцип работы питателя: электродвигатель через вал 5 приводит Nil вращение диск 4, по которому скользит щетка, установленная таким образом, что при попадании порошка на диск, она сбрасывает его в канал 6, после чего порошок с помощью плазмообразующего газа подается к плазменной горелке. Количество порошка определяется зазором l и скоростью вращения диска, которую можно регулировать. Стабильность подачи порошка в данной конструкции зависит лишь от постоянства заданных оборотов вращения диска.
По нашему мнению, недостатком конструкции является отсутствие стряхивающего устройства, препятствующего комкованию частиц порошка, самоуплотнению, и которое в конечном итоге позволило бы увеличить равномерность его подачи на диск. В то же время наличие устройства значительно усложнит и утяжелит конструкцию питателя [2].
Рис.10. Порошковые питатели (Ю2М- Э1794) из нержавеющей стали (а) и пластмассы (б)
Рис.11. Конструкция вибрационно-пневматическогр питателя Э 1794: 1 - подставка; 2 - смеситель; 3 - бункер; 4 - вибратор
Заключение
Таким образом, из приведенных выше теоретических соображений следует, что плазмотроны, для напыления порошковых материалов, должны отвечать следующим требованиям:
· иметь достаточно протяженную зону взаимодействия напыляемых порошков с высокотемпературным плазменным потоком, так как в первом приближении можно считать, что энергия W, передаваемая порошку, пропорциональна температуре Т, длине струи l, коэффициенту теплопередачи и обратно пропорциональна скорости плазменного потока Vn:
· иметь высокую стабильность параметров плазменного потока и надежность работы в течение всего срока службы;
· обеспечивать возможность работы с любыми плазмообразующими транспортирующими газами;
· обладать минимальными тепловыми потерями в зоне передачи энергии от плазменной струи к напыляемым порошкам;
· быть простыми конструктивно, удобными в работе и долговечными;
· легко подаваться автоматизации управления режимами работы;
· быть простыми при регулировании параметров плазменной струи в широком диапазоне;
· обладать довольно простыми способами ввода исходного материала в плазменную струю.
Долговечность (ресурс работы) является основным критерием для промышленного применения плазмотрона (не менее 50 часов). Из опыта следует, что важными условиями большого ресурса работы плазматрона с турбулентным истечением рабочего газа являются строгая аксиальность расположения катода относительно сопла и в целом высокая точность изготовления всех геометрических размеров рабочей камеры, эффективное омывание катода и сопла невозмущенной струей рабочего газа, высокое качество обработки внутренних поверхностей рабочей камеры плазмотрона и надежная герметичность в разъемных соединениях.
Основная проблема, требующая решения при конструировании плазмотронов с большим сроком службы, - защита электродов от действия мощных тепловых потоков в районе электродных пятен. Это связано с тем, что в областях, не соприкасающихся с дуговым разрядом, тепловой поток на стенку составляет 5*103 Вт/с, а в районе анодного и катодного пятен он достигает (2-10)*105 Вт/с. Комплекс тепловых электрических, механических химических и других процессов приэлектродной области приводит к эрозии электродов и быстрому выходу их из строя. Полностью от эрозии избавиться невозможно, однако ее можно значительно снизить.
Наиболее стойкими к эрозии и имеющим большой срок службы оказались катоды из вольфрама с небольшими легирующими добавками метана, тория или обогащенные алюминатом Ва-Са. Водоохлаждаемые сопла, изготовленные из материала с высокой электро и теплопроводностью, обладают повышенной стойкостью и большим сроком службы [1,2].
Список литературы
1. «Плазменное напыление»: В.Н. Лясников, А.Ф. Большаков, В.С. Емельянов 1992г.
2. «Плазменное напыление в электронике и биомедицинской техники»: В.Н. Лясников, Н.В. Протасова СГТУ 2010г.
3. «Применение плазменного напыления в производстве имплантатов для стоматологии»: В.Н. Лясников СГТУ 1993г.
4. «Нанесение неорганических покрытий»: Г.В. Бобров, А.А. Ильин 2004г.
5. http\\:ru.wikipedia.org\wiki\Плазматрон [статья о плазматроне].
6. http\\:ru.wikipedia.org\wiki\Хладагент [отрывок из статьи о хладагенте].
7. http\\:delta-grup.ru\bibliot\23\26.htm [острывок из статьи про порошковые питатели].
Приложение
Рис.15. Схема технологического процесса изготовления внутрикостных имплантатов
Рис.16. Поперечный шлиф внутрикостного имплантата из Ti с покрытием
Таблица 2. Основные характеристики покрытий титановых имплантатов
|
Покрытие |
Параметры покрытия |
||||||
|
дисперсность, мкм |
токдуги, А |
дистанция напыления, мм |
толщинаслоя, мкм |
адгезия,МПа |
пористость |
||
|
Титановое (подслой) |
63-100 |
540 |
100 |
70 |
18 |
45 |
|
|
ТiH4 |
50-100 |
500 |
95 |
80-100 |
18 |
50 |
|
|
Ti - 6А1 - 4V |
40-90 |
500 |
100 |
80-95 |
18 |
50 |
|
Гидроксилапатитовое(Са10(Р04)6(OH)2 |
40-70 |
540 |
70 |
35-50 |
15 |
50 |
Технологическое оборудование, используемое при нанесении порошковых покрытий в производстве имплантатов.
Создание высококачественных плазмонапыленных покрытий для изделий медицинского назначения с заранее программируемыми свойствами требует решения ряда проблем. В первую очередь к ним следует отнести разработку, изготовление и внедрение в производство автоматизированного технологического оборудования и оптимизацию технологий напыления металлических, биокерамических, полимерных, композиционных и других типов покрытий.
Процесс плазменного напыления порошковых материалов состоит из следующих основных этапов: транспортировки напыляемого порошка в высокотемпературную (Т=5...10x103К) зону плазменной струи; разогрева частиц порошка до жидкопластического состояния и их разгона до высоких скоростей (V=200м/с и более); формирования покрытия. В целом обобщенная функциональная схема базовой модели плазменного напылительного оборудования состоит из следующих подсистем (рис.9): генератора низкотемпературной плазмы (плазмотрон); подсистемы дозированной транспортировки порошков (порошковый питатель); газовакуумной подсистемы, обеспечивающей необходимые условия при разогреве порошков, их транспортировке и формировании покрытий; транспортно-позиционирующих устройств напыляемой детали и генератора плазмы, обеспечивающих доставку в зону напыления и взаимное ориентирование напыляемой детали и плазмотрона; подсистемы энергообеспечения и источников питания; подсистемы управления.
Научно-методические и организационно-технические аспекты разработки высокоэффективного плазменного оборудования и внедрения его в серийное производство базируются на глубоких научных обобщениях, эффективных технологиях и результатах комплексных исследований свойств покрытий (рис.17,18).
Рис.17
Рис.18. Структурная схема разработки, внедрения технологии и оборудования плазменного напыления в производство
В связи с высокой сложностью создаваемого оборудования, а также исходя из необходимости более полного учета технических, экономических и социальных факторов, его разработка возможна только с позиций системной комплексности. Системная комплексность подразумевает не простое объединение набора компонентов и тем самым усложнение системы в целом, а объединение системообразующих взаимосвязанных факторов в единый сквозной конструкторско-технологический и производственный цикл. Искусственное разъединение сложной системы цикла "исследование свойств - разработка технологии и оборудования - внедрение в производство" приводит к нежелательным результатам. В этом варианте при организации проектирования и едином комплексе рассматривались следующие проблемы:
· технико-экономическое обоснование;
· область (диапазон) технологического применения оборудования;
· функциональные связи между отдельными системами (подсистемами) оборудования;
· консгрукторско-технологические особенности проектирования элементно-конструктивной базы оборудования, и определение его состава;
· структурно-компоновочные решения проектируемого оборудования [3].
На основе проведенного теоретического анализа физических и конструкторско-технологических факторов, определяющих параметры современного плазменного напылительного оборудования, а также накопленного многолетнего опыта его разработки и применения в серийном производстве на базе комплексных исследований системы "свойства покрытий - технология - оборудование - применение" сформулированы основные физико-технические критерии, используемые при модернизации и проектировании плазменного высокоэффективного оборудования. Эти критерии и принципы включают:
· гарантированное получение физико-технических характеристик покрытий в широком диапазоне (пористость от 60 до 3-5%, шероховатость от 5 до 100 мкм толщина слоя В от 5-10 до 300 мкм и более, неравномерность по толщине слоя не более 10%);
· комплексирование в одной установке - технологической камере - нескольких технологических функциональных устройств (устройство перемещения детали, позиционирования и хранения объектов, системы расчистки, травления и отжига, системы напыления и пайки);
· цикличность, или непрерывность, процесса и число рабочих позиций (однопозиционные и многопозиционные), производительность;
· уровень автоматизации, контроль и обработку информации о ходе технологических процессов;
· требования технологической экологии;
· требования к составу среды, в которой осуществляются подготовка и формирование покрытий (вакуум, восстановительная, окислительная или нейтральная среда);
комплекс требований к плазмотрону (возможность работы с различными газами, большой срок службы анодного и катодного узлов (50 и более часов), равномерность подачи порошков, возможность работы с порошками широкого дисперсионного состава - от нескольких микрометров до 100 мкм и более).
Положительный опыт промышленного использования разработанного автоматизированного плазменного оборудования в опытном и серийном производстве машиностроения, приборостроения и медицинской техники подтвердил эффективность предложенного метода и обоснованность его научно-методического подхода. На базе проведенных исследований была спроектирована и изготовлена полуавтоматическая камерная установка плазменного напыления титанового подслоя и биокерамического покрытия на внутрикостные имплантаты. Схема установки приведена на рис.19. [3].
Установка предназначена для напыления порошковых материалов (Ti, сплав Ti - 6А2О3 - 4V, Ca10 (PО4)6 (ОН)2 и др.) на атмосфере в струе защитного или нейтрального газов на изделия медицинского назначения, применяемые в ортопедии и стоматологии. Установка состоит из сварного каркаса, верхней и нижней плит, на которых смонтированы все основные узлы, элементы и сварная защитная камера с пультом управления.
На верхней плите (рис.19) в защитной камере расположены планшайба 4, плазменная горелка 5, установленная на механизме качания, стойка с подвижными микропереключателями. Справа, у задней стенки защитной камеры, установлен питатель 6. К верхней плите снизу крепятся привод вращения шпинделя 7, механизм" вертикального перемещения горелки 1,2, панель управления. На нижней плите установки расположены электроприводы и осциллятор [3].
На передней панели установки закреплены вентили для подачи газов. На правой тумбе каркаса расположены панели с элементами управления и контроля технологического процесса. Подвод воды и газа к установке производится через входные ниппели на задней стенке установки.
Камера установки 3 предназначена для защиты обслуживающего персонала от шума, частиц напыляемого порошка и светового излучения и представляет собой сварной кожух коробчатой формы, в передней части которого расположено защитное стекло. На задней стенке имеется отверстие с фланцем для присоединения вентиляционной системы.
Оборудование комплектуется инжекционно-вибрационным питателем Типа ЭП94 (рис.20). Использованная плазменная горелка (рис.21) отличается тем, что подача порошка осуществляется в горячую зону плазмы на выходе из сопла. Это позволяет избавиться от оседания порошка на внутренней стенке сопла, от образования настыли из расплавленных частиц на выходе из канала сопла и тем самым позволяет значительно повысить эффективность использования порошка и ресурсы работы плазменной горелки [3].
Техническая характеристика установки плазменного напыления
|
Количество позиций |
6 |
|
|
Максимальный ток дуги, А |
600 |
|
|
Максимальная потребляемая электрическая мощность, кВт |
не более 30 |
|
Расход плазмообразующего газа(аргона), л/мин |
20-40 |
Ряс. 19. Схема установки плазменного напыления: 1,2 - механизмы вертикального перемещения горелки; 3 - камера установки; 4 - планшайба; 5 - плазменная горелка; б - питатель; 7 - привод вращения шпинделя; 8 - осциллятор
Рис.20. Плазмотрон для напыления порошковых материалов 0890-6011 1 - катод; 2 - втулка; 3 - цанга; 4 - крышка; 5,- стакан; 6 - корпус; 7 - сопло
Рис.21. Конструкция вибрационно-пневматического питателя Э1794: 1 - подставка; 2 - смеситель; 3 - бункер; 4 - вибратор
Рис. 22. Схема процесса формирования биокерамического покрытия на имплантатах: 1 - плазмотрон; 2 - струя плазмы с порошком;
3 - биокерамическое покрытие; 4 - материал основы имплантата
Размещено на Allbest
Подобные документы
Принцип действия и основные характеристики плазмотрона. Теоретические расчеты электродугового плазмотрона, его вольтамперной и тепловой характеристик. Исследование влияния длины разрядного канала на тепловой КПД. Технологическое применение плазмотрона.
курсовая работа [205,4 K], добавлен 08.05.2011Исследование характеристик свариваемых материалов и технологических параметров сварки. Расчет температурного поля, размеров зон термического влияния с помощью персонального компьютера. Построение изотерм температурного поля и кривых термического поля.
курсовая работа [245,4 K], добавлен 10.11.2013Особенности теплового обмена между телами, сущность теплопроводности и конвекции. Формы и процессы теплообмена. Описание граничных условий расчёта температурного поля, количества аккумулированной теплоты. Определение и последовательность решения задачи.
курсовая работа [549,2 K], добавлен 27.10.2013Описание тепловых процессов при токарной обработке. Определение зависимости температуры на передней поверхности резца от координаты и скорости резания. Моделирование температурного поля инструмента с помощью численного метода конечных разностей.
лабораторная работа [65,1 K], добавлен 23.08.2015Повышение стойкости катода воздушно-плазменного резака РХК 4,0 фирмы "Cemont". Исследование изменения ресурса работы катода плазмотрона при условии нанесения на рабочую поверхность катода различных термостойких покрытий. Характеристика структуры катодов.
дипломная работа [358,0 K], добавлен 30.06.2017Внутреннее устройство и принцип работы плазмотрона установок воздушноплазменной резки металла (на примере ПВР402). Классификация плазматронов по различным признакам. Плазмотроны плазменного напыления. Горелка плазменной машины серии типа PerCut 1602.
реферат [3,0 M], добавлен 14.05.2014Свойства алюминиево-магниевых, алюминиево-марганцевых и алюминиево-медных сплавов, их применение в промышленности. Характеристики порошковых сплавов алюминия и методы их получения в металлургии. Технологическая схема изготовления гранулированных сплавов.
реферат [28,2 K], добавлен 04.12.2011Методика расчета магнитной цепи синхронного генератора, выбор его размеров и конфигурации, построение характеристики намагничивания машины. Определение параметров обмотки, выполнение теплового и вентиляционного расчетов, сборного чертежа генератора.
курсовая работа [541,5 K], добавлен 20.12.2009История сварочного ремесла. Классификация способов сварки. Понятие свариваемости. Схема подготовки металла к сварке. Классификация электродов. Расчёт сварных швов на прочность. Дефекты сварных соединений. Инструменты и принадлежности электросварщика.
дипломная работа [351,9 K], добавлен 29.11.2008Технические описания, расчёты проектируемой установки. Принцип работы технологической схемы. Материальный и тепловой расчёт установки. Конструктивный расчёт барабанной сушилки. Подбор комплектующего оборудования. Расчёт линии воздуха и подбор вентилятора.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 17.10.2010
