الکترود اسپری حرارتی جزء اصلی در تجهیزات اسپری حرارتی است که مسئول تبدیل انرژی و شتاب ذرات است. طراحی ساختاری آن به طور مستقیم پایداری قوس الکتریکی یا قوس پلاسما، توزیع چگالی انرژی و تکرارپذیری فرآیند پاشش را تعیین می کند. در فرآیندهای مختلف پاشش حرارتی، هندسه الکترود، ترکیب مواد و چیدمان خنک کننده به طور قابل توجهی متفاوت است. یک الکترود با طراحی علمی نه تنها کارایی منبع گرما را بهبود می بخشد، بلکه عمر مفید آن را نیز افزایش می دهد و کیفیت پوشش پایدار و قابل کنترل را تضمین می کند.
از دیدگاه ساختاری اساسی، یک الکترود اسپری حرارتی معمولاً از یک کاتد و یک آند تشکیل شده است. این دو بخش در یک رابطه فضایی خاص در داخل تفنگ اسپری چیده شدهاند و یک حلقه بسته را تشکیل میدهند که پرتوی انرژی-در حرارت بالا را محدود و حفظ میکند. در سیستمهای پاشش قوس الکتریکی، کاتد اغلب از فلزات نسوز مانند تنگستن، مولیبدن یا آلیاژهای تنگستن ساخته میشود که به شکل میلهها یا سوزنهایی شکل میگیرد تا نقطه ذوب بالا و عملکرد کم را فراهم کند و از مقاومت در برابر فرسایش در دمای هزاران درجه سانتیگراد اطمینان حاصل کند. آند معمولاً از مس یا آلیاژ مس ساخته میشود و از هدایت حرارتی و ماشینکاری عالی آن برای دفع سریع گرما و حفظ ثبات شکل استفاده میکند. فاصله بین دو الکترود، نسبت قطر آنها و پروفیل های انتهایی آنها دقیقاً برای کنترل طول قوس و توزیع میدان الکتریکی طراحی شده است و در نتیجه یک ستون قوس متمرکز و یکنواخت به دست می آید. این اجازه می دهد تا سیم اسپری شده به طور کامل در ناحیه قوس ذوب شود و توسط جریان گاز اتمیزه شده خارج شود.
در سیستم های پاشش پلاسما، ساختار الکترود پیچیده تر است، به طور کلی از یک کاتد مرکزی، یک آند حلقوی یا استوانه ای و یک نازل محدود تشکیل شده است. کاتد اغلب از تنگستن یا یک آلیاژ تنگستن-خاکی کمیاب ساخته میشود و انتهای آن را میتوان به شکل مخروطی نوک تیز یا شکل مسطح برای تسهیل جرقهزنی قوس با فرکانس بالا و لنگر انداختن قوس پایدار تراشید. آند عمدتاً از مس ساخته شده است و دیواره داخلی آن با کاتد هم محور است و یک نازل همگرا یا مستقیم در خروجی تشکیل می شود تا جت پلاسما را فشرده کند و سرعت شعله را افزایش دهد. گاز کار از حاشیه نازل وارد می شود و توسط قوس بین الکترودها یونیزه می شود تا پلاسمای با دمای بالا تشکیل شود. توزیع دما و سرعت آن تحت تأثیر فاصله الکترود، اندازه روزنه و روش ورودی گاز است. برای جلوگیری از گرمای بیش از حد الکترود، کانالهای خنککننده آب{10}یا ژاکتهای خنککننده هوا اغلب در ساختار ادغام میشوند تا به سرعت گرما را از بین ببرند و از نرم شدن یا فرسایش مواد جلوگیری کنند.
طراحی هندسی الکترودها باید الزامات ترمودینامیکی و هیدرودینامیکی را در نظر بگیرد. قطر و شعاع انتهایی انحنای قوس-الکترود پاشیده شده بر توزیع میدان الکتریکی و موقعیت ریشه قوس تأثیر میگذارد. قطر خیلی کوچک می تواند منجر به گرمای بیش از حد موضعی شود، در حالی که قطر بیش از حد بزرگ تراکم انرژی را کاهش می دهد. زاویه همگرایی و طول گلوگاه الکترود پلاسما{3} پاشیده شده به تراکم پذیری و سرعت جریان گشتاور پلاسما مربوط می شود، بنابراین بر درجه ذوب و انرژی جنبشی رسوب ذرات پاشیده شده تأثیر می گذارد. شکل ساختار خنک کننده نیز بسیار مهم است. کانال های مارپیچی، میکروکانال ها یا خنک کننده جت متخلخل می توانند بازده انتقال حرارت را در یک فضای محدود بهبود بخشند و در عین حال استحکام کلی و آب بندی الکترود را حفظ کنند.
انتخاب مواد و عملیات سطحی برای قابلیت اطمینان سازه ضروری است. مواد الکترود باید دارای نقطه ذوب بالا، هدایت الکتریکی و حرارتی خوب، مقاومت در برابر فرسایش قوس الکتریکی و بی اثری شیمیایی باشند. برخی از الکترودهای بالا دارای پوششهای ضد اکسیداسیون یا ضد سایشی مانند آلومینا، اکسید زیرکونیوم یا لایههای اکسید خاکی کمیاب هستند تا از دست دادن جرم در دماهای بالا را کاهش داده و رفتار قوس را تثبیت کنند. از نظر دقت ماشینکاری، هم محوری، صافی سطح انتهایی-و پایان سطح الکترودها باید به شدت کنترل شود. هرگونه نابسامانی یا ناهمواری باعث ایجاد ضربه قوس، نوسانات انرژی و عدم تقارن شعله می شود که منجر به نقص پوشش می شود.
ساختار مونتاژ و اتصال نیز بر عملکرد الکترود تأثیر می گذارد. الکترودها و بدنه تفنگ اسپری اغلب توسط رزوهها، فلنجها یا اتصالات فشاری به هم وصل میشوند و به سرامیکهای عایق یا مهر و مومهای دمای بالا مجهز میشوند تا مدارهای الکتریکی و خنککننده را جدا کرده و از اتصال کوتاه و نشتی جلوگیری کنند. رابط های لوله خنک کننده باید از آب بندی قابل اعتماد و سازگاری با انبساط و انقباض حرارتی اطمینان حاصل کنند تا از شکست اتصال به دلیل تنش حرارتی یا نشت مایع خنک کننده به منطقه قوس جلوگیری شود.
به طور کلی، ساختار الکترود پاشش حرارتی یک پروژه مهندسی سیستم است که از انتخاب مواد مبتنی بر عملکرد، بهینهسازی هندسی، طراحی خنککننده و طرحهای مونتاژ- تشکیل شده است. عقلانیت ساختاری آن نه تنها کیفیت تولید و نگهداری منبع گرما را تعیین می کند، بلکه مستقیماً بر پایداری فرآیند پاشش، نسبت بازده انرژی و قوام پوشش نیز تأثیر می گذارد. با افزایش تقاضا برای چگالی شار حرارتی بالا و طول عمر طولانی، ساختارهای الکترود به سمت اصلاح، یکپارچگی و هوشمندی در حال توسعه هستند و پشتیبانی سخت افزاری قوی تری را برای کاربرد گسترده فناوری پیشرفته پاشش حرارتی فراهم می کنند.
