Регулятор степени турбулизации потока плазмы

В энергетическом машиностроении, авиастроении и ряде смежных отраслей плазменное напыление остается одним из ключевых методов формирования защитных и функциональных покрытий для деталей, эксплуатируемых в экстремальных температурных и механических условиях. Такие покрытия востребованы, в частности, при изготовлении лопаток турбин, элементов камер сгорания и другого высокотемпературного оборудования, где свойства поверхностного слоя во многом определяют ресурс и надежность изделия.

Исследователи Института энергетики Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого предложили новое техническое решение, позволяющее перевести турбулентность плазменной струи из категории трудноуправляемых побочных эффектов в разряд контролируемых технологических параметров. Разработка представляет собой регулятор степени турбулизации потока плазмы, интегрируемый в существующий дуговой плазмотрон с межэлектродными вставками, что делает возможным повышение эффективности плазменного напыления без радикальной модернизации оборудования.

В плазмотронах данного типа основная электрическая дуга горит между катодом и заземленным анодом-соплом, обеспечивая рабочую мощность в диапазоне 20–40 кВт при токе 100–300 А. Такой режим, как отмечают разработчики, позволяет существенно снизить эрозию электродов по сравнению с плазмотронами, использующими самоустанавливающуюся дугу, что особенно важно для длительной промышленной эксплуатации.

Принцип действия нового устройства основан на формировании дополнительного токового контура внутри плазмотрона. Регулятор включает балластное сопротивление и электронный ключ на базе IGBT-транзистора, соединенные с входной секцией плазмотрона, а блок управления на основе микроконтроллера формирует импульсы, управляющие режимом работы ключа. При его замыкании внутри канала возникает дополнительная короткая дуга между катодом и входной секцией, которая становится источником контролируемых неустойчивостей и усиливает турбулентность плазменной струи.

Такая турбулизация имеет принципиальное значение для теплообмена между плазмой и частицами порошкового материала. Разрушение пограничного слоя у поверхности частиц интенсифицирует теплопередачу, благодаря чему частицы быстрее и равномернее нагреваются, эффективнее оплавляются и формируют более качественное покрытие.

Существенным преимуществом разработки является ее технологическая совместимость с уже действующими установками плазменного напыления. Для внедрения устройства не требуется замена плазмотрона или сопла, а режимы турбулизации могут гибко настраиваться под конкретные материалы и геометрию изделий путем изменения параметров импульсов в блоке управления. Это расширяет возможности адаптации технологии под разнообразные производственные сценарии и делает решение универсальным для прикладного использования.

Разработка защищена патентом на полезную модель RU 243185, авторы – исследователи Высшей школы энергетических систем СПбПУ В. Я. Фролов, Д. С. Крисковец, Д. В. Иванов и Б. А. Юшин, правообладатель – Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого.

Проект реализуется в рамках программы «Приоритет-2030» и продолжает научное направление СПбПУ, связанное с физикой плазмы и технологиями нанесения покрытий.