УДК 621.365.5 Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

УДК 621.365.5
СВЧ-ПЛАЗМОТРОН МАЛОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ
ПОКРЫТИЙ
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Антонов И.Н., Новиков А.В.
В статье рассмотрена конструкция маломощного СВЧ-плазмотрона используемого
в установке плазменного нанесения порошковых покрытий.
СВЧ-плазма, напыление, резонатор, порошковое покрытие, СВЧ-разряд
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
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 СВЧплазму, меньшей потребляемой мощностью электроэнергии, и практически абсолютной
чистотой получаемой плазмы. В
электромагнитной
энергии
последние
десятилетия
сверхвысокочастотного
вопросам использования
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:
01
02
кр  o  кр
nm
кр  2a /  mn
(1)
где ξmn - 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 СВЧэнергии, с резонансной частотой цилиндрического резонатора, которая определяется по
формуле (2):
c   mn   p 


    /  ,
2  a   L 
2
f
E011
0
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. -224с.
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.