СВЧ-плазмотрон малой мощности для нанесения порошковых покрытий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

СВЧ-ПЛАЗМОТРОН МАЛОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ

Антонов И.Н., Новиков А.В.

Аннотация

В статье рассмотрена конструкция маломощного СВЧ-плазмотрона используемого в установке плазменного нанесения порошковых покрытий.

СВЧ-плазма, напыление, резонатор, порошковое покрытие, СВЧ-разряд

Annotation

MICROWAVE PLASMATRON LOW-POWER FOR POWDER COATING

Saratov State Technical University. By. Yuri Gagarin

Antonov I.N., Novikov A.V.

The article considers the design of low-power microwave plasmatron used in the installation of plasma powder coating.

Microwave plasma, spraying, resonator, powder coating, microwave discharge

Основная часть

плазмотрон порошковый нанесение покрытие

Технологии нанесения тонких пленок и покрытий из различных материалов на разнообразные изделия чрезвычайно важны для многих отраслей техники. Используя технологию нанесения порошковых покрытий можно получить детали с повышенной износостойкостью, коррозионностойкостью, термостойкостью и детали с определенными электрофизическими свойствами.

Применение плазмы в установках плазменного напыления позволяет получить покрытия с повышенной плотностью и прочностью сцепления с обрабатываемой деталью, а также достичь значительной экономии за счет повышения энергоэффективности. Основными устройствами, предназначенными для получения низкотемпературной плазмы являются плазмотроны. Существует множество различных видов и конструкций плазмотронов, которые различаются способами возбуждения плазмы, конструктивным исполнением, мощностью и диапазоном температур. Принцип работы плазматрона заключается в пропускании рабочего газа, через искровой разряд, при этом газ ионизируется и переходит в состояние плазмы. По физике возникновения искрового разряда, плазмотроны можно разделить на: дуговые, высокочастотные и сверхвысокочастотные. В СВЧ-плазмотронах разряд происходит при пробое рабочего газа в разрядной области при превышении напряжённости электрического поля значения электрической прочности используемого газа.

СВЧ-плазмотроны характеризуются более эффективным вводом энергии в СВЧ-плазму, меньшей потребляемой мощностью электроэнергии, и практически абсолютной чистотой получаемой плазмы. В последние десятилетия вопросам использования электромагнитной энергии сверхвысокочастотного диапазона для повышения энергосбережения в различных технологических процессах уделяется значительное внимание. Это предопределяет перспективность исследования плазмы СВЧ-разряда и применения ее для решения новых прикладных задач.

На данный момент существует большое количество различных конструкций и видов исполнения СВЧ-плазмотронов среди которых можно выделить основные:

- Плазмотрон на основе прямоугольного волновода, или на волне типа Н₁₀;

- Плазмотрон радиального типа;

- Плазмотрон на основе круглого волновода, или на основе цилиндрического резонатора;

- Плазмотрон на основе коаксиальной линии.

Каждый тип плазмотрона имеет свои технологические особенности, достоинства и недостатки, и обладает различными от других плазмотронов, характеристиками получаемой плазмы. Поэтому использование той или иной конструкции плазмотрона определяется спецификой технологического процесса.

На основании анализа основных конструкций СВЧ-плазмотронов проведенных в [2] можно сделать вывод, что для установки нанесения порошковых покрытий с источником СВЧ-энергии в 800 Вт целесообразнее всего использовать плазмотрон на основе цилиндрического резонатора. Обусловлено это тем, что в плазмотронах на основе круглых волноводов возбуждается разряд большого объема (10³ -- 10⁴ см³ и более), что приводит к равномерности наносимых покрытий, степень неравновесности возбуждаемого разряда, особенно на его периферии, значительна, а также удельный энерговклад в плазму относительно мал: ~ 20 - 60 Вт/см³, что препятствует выгоранию порошкового материала.

Схема предлагаемой установки для напыления порошковых покрытий на детали в СВЧ-плазме представлена на рисунке 1.

Рис. 1 Принципиальная схема установки СВЧ-плазменного нанесения порошковых покрытий. Обозначения: 1 - Резонатор, 2 - магнетрон, 3 - СВЧ волновод, 4 - пневматический дозатор порошкового материала, 5 - компрессор, 6 - бункер, 7 - источник питания

Установка состоит из цилиндрического резонатора (1). СВЧ-энергия в него поступает от магнетрона (2) мощностью 800 Вт и частотой 2450 МГЦ, через прямоугольный волновод (3) длиной 250 мм. В качестве рабочего газа используется воздух, т. к. при напылении большинства порошковых покрытий, среда не имеет значения, а также его применение наиболее экономично. От компрессора (5) воздух подается в резонатор, и одна часть, идет в дозатор порошкового материала(4). Оптимальная скорость истечения рабочего газа лежит в пределах от 0,4 до 0,7 л/с.. Питание всех элементов установки осуществляется от одного блока питания (7).

Важнейшим узлом в СВЧ-плазмотроне является резонатор. В качестве резонатора был выбран цилиндрический резонатор на волне типа Е₀₁₁, его геометрические параметры были подобраны и рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить максимальную напряженность поля в разрядной области.

Диапазон возможных радиусов резонатора выбирается из условия:

(1)

где о_mn - n-й корень уравнения функция Бесселя m-го порядка (в данном случае равен 2,405), a - радиус

Из (1) следует что диапазон возможных радиусов составляет от 46,7 до 107,2 мм. Исходя из того, чтобы резонатор получился как можно меньше по габаритным размерам, радиус был принят равным a =50 мм.

Длина резонатора выбирается с учетом совпадения частоты работы источника СВЧ-энергии, с резонансной частотой цилиндрического резонатора, которая определяется по формуле (2):

, (2)

Исходя из уравнения (2) была выбрана длина резонатора, которая составляет 170 мм.

Резонатор имеет две пучности стоячей волны у центров торцевых стенок (рис. 2). Расположив в одной пучности возбуждающий элемент СВЧ-генератора, можно получить такую напряженность поля, при которой возможна инициация электрического пробоя плазмообразующего газа с образованием свободно парящего плазмоида у противоположной торца. Выполнив сопло в этом месте, плазма под напором плазмообразующего газа, расширяющегося под действием тепла, может быть выведена наружу в виде струи.

Рис. 2 Структура электрического и магнитного полей типа E₀₁₁ в цилиндрическом резонаторе; система координат

Для газодинамической стабилизации плазмы, в стенках резонатора предусмотрены штуцеры, через которые подается плазмообразующий газ. Штуцеры расположенные под углом к стенке цилиндрического резонатора, для вихревой стабилизации газовым потоком. Общий вид полученного резонатора приведен на рисунке 3.

Рис. 3 Цилиндрический резонатор

Рассмотренная установка обладает высокой энергоэффективностью по сравнению с аналогами основанными на дуговом плазмотроне, получаемые покрытия обладают высокой чистотой, что является решающим фактором при использовании некоторых типов порошков.

Также отсутствие необходимости установки в питании от промышленной сети, дает широкий спектр возможного применения донной установки не только на промышленных предприятиях. Таким образом использование СВЧ-плазмотрона мощностью 800 Вт в качестве генератора плазмы, приводит к значительной экономии и новым возможностям.

Литература

1. СВЧ генераторы плазмы: Физика, техника, применение./ В.М. Батенин [и др.]. М.: Энергоатомиздат, 1988. 224 с.

2. ВЧ- и СВЧ-плазмотроны./ С.В. Дресвин [и др.]. М.: Наука, 1992. 428 с.

3. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ / И.В. Лебедев. М.: Высшая школа, 1970. 438 с.

4. Костиков В. И. Плазменные покрытия/ В. И. Костиков, Ю. А. Шестерин. М.: Металлургия, 1978. 159 с.

Размещено на Allbest.ru