Модернизация плазмотрона для напыления на воздухе и в контролируемой атмосфере (в вакууме)

Abstract

Одним из наиболее производительных, технологичных и эффективных способов получения защитных покрытий на элементах газотурбинных двигателей, установок и других видов техники от воздействия значительных динамических нагрузок, агрессивных сред, высоких температур и т. п. является плазменное напыление. Основным элементом, который обеспечивает необходимые характеристики напыляемым частицам, является плазмотрон. К настоящему времени в мире разработано большое количество плазмотронов различных конструкций, мощности, способов охлаждения, каждая из которых имеет как свои преимущества, так и недостатки. В большинстве конструкций плазмотронов материал, который напыляется, подаётся в плазменный поток радиально через канал, близкий к срезу сопла и это отрицательно влияет на качество покрытия (неудовлетворительное сцепление, повышенная пористость и др.), кроме этого коэффициент использования порошкового материала из-за неравномерного нагрев достаточно низок. Для повышения достаточного нагрева повышают мощность плазмотрона, что ведёт к снижению его ресурса работы. В работе предложены направления модернизации существующих конструкций плазмотронов, которые направлены на повышение качества напыленного слоя, увеличение мощности процесса, повышение ресурса работы оборудования. При этом выделятся конструктивные решение связанные с охлаждением основных узлов плазмотрона, которые снижают тепловую нагрузку с устройства в целом. Рассмотрены технические решения, позволяющие обеспечить более эффективный и равномерный прогрев напыляемого материала, что также ведёт к более качественному нанесению покрытий различного назначения, увеличению коэффициента использования порошка. Уделено внимание насадкам, которые конструктивно связаны с самим плазмотроном. Насадки существенно улучшают эксплуатационные свойства плазмотронов. Частицы порошка в такой лучше прогреваются и имеют большую скорость движения, ускоряются, что также повышает качество покрытия. Экспериментальные исследования позволяют определить наиболее эффективно работающие размеры насадок. Предложенная и испытанная конструкция насадки имеет систему охлаждения и выполнена из определённых материалов, среди которых нержавеющие и изолируюшие. Лабораторные испытания плазмотрона разработанной конструкции при модернизации показали, что время непрерывной его работы составляет не менее 30 часов при мощности около 50 кВт при высоком качестве напыления.One of the most productive, technological and efficient ways to obtain protective coatings on gas turbine engine elements, plants and other types of equipment from exposure to significant dynamic loads, corrosive media, high temperatures, etc., is plasma spraying. The main element that provides the necessary characteristics of the sprayed particles is the plasma torch. To date, a large number of plasma torches of various designs, power, cooling methods have been developed in the world, each of which has its own advantages and disadvantages. In most of the plasma torch designs, the material that is sprayed is fed into the plasma stream radially through the channel close to the nozzle section and this negatively affects the quality of the coating (poor adhesion, increased porosity, etc.). In addition, the utilization rate of the powder material due to uneven heating is quite low. To increase the sufficient heating, the power of the plasmatron is increased, which leads to a decrease in its service life. In this paper, the directions of modernization of the existing designs of plasmatrons, which are aimed at improving the quality of the sprayed layer, increasing the power of the process, increasing the service life of the equipment, are proposed. In this case, the constructive solutions associated with the cooling of the main components of the plasma torch, which reduce the thermal load from the device as a whole, will stand out. Considered technical solutions to ensure more efficient and uniform heating of the sprayed material, which also leads to better coating of various applications, an increase in the utilization rate of the powder. Attention is paid to nozzles that are structurally related to the plasma torch itself. Nozzles significantly improve the performance properties of plasma torches. Powder particles in such a warm up better and have greater speed of movement accelerated, which also improves the quality of the coating. Experimental studies allow to determine the most effective working sizes of nozzles. The proposed and tested design of the nozzle has a cooling system and is made of certain materials including stainless and insulating. Laboratory tests of the plasma torch of the developed design during modernization showed that the time of its continuous operation is at least 30 hours at a power of about 50 kW with high quality of spraying.