Плазменное напыление покрытий повышающие твердость. Пульт управления установкой плазменного напыления. Технология порошковой окраски электростатическим напылением - технология зарядки коронным разрядом

Плазменное напыление

Способ нанесения покрытий с помощью потока плазмы по своим возможностям превосходит методы нанесения металла с помощью кислородно-ацетиленового пламени и дуговой сварки. Преимущество этого способа перед другими заключается в возможности плавления и нанесения многослойных покрытий на материалы из тугоплавких металлов независимо от температуры плавления последних, что позволяет восстанавливать детали, вышедшие из всех ремонтных размеров.

Как и другие способы высокотемпературного напыления покрытий, плазменное напыление не вызывает коробления детали и изменения структуры. Износостойкость плазменных покрытий в 1,5…3 раза выше, а коэффициент трения в 1,5…2 раза ниже, чем у закаленной стали 45.

Плазменная струя используется для наплавки и нанесения покрытий на изделия из сталей, алюминия и его сплавов и других материалов путем расплавления присадочной проволоки или порошков металлов. С помощью плазмы производят резку и поверхностную обработку различных материалов, нагрев под пайку и термическую обработку. Применение для плазмообразования и защиты нейтральных газов - аргона, азота и их смесей - обеспечивает минимальное выгорание легирующих элементов и окисление частиц. Плазменное напыление позволяет улучшить свойства металлопокрытий, однако ее широкое применение ограничивается невысокой прочностью сцепления покрытия с поверхностью восстанавливаемой детали и надежностью плазменных горелок, большим шумом и яркостью горения дуги. Плазменная дуга представляет собой высокоинтенсивный источник теплоты, состоящий из молекул атомов, ианов, электронов и световых квантов в сильно ионизированном состоянии, температура которого может достигать 20 000 °С и более.

Плазменная струя имеет ярко светящееся ядро, длина которого может изменяться от 2…3 до 40…50 мм в зависимости от размеров сопла и канала, состава и расхода газа, величины тока и длины дуги.

Цепь питания установки состоит из двух источников: один из них предназначен для питания плазменной дуги, а второй - для поддержания основной дуги. Плазмообразующий газ подается из баллона через газовую аппаратуру, расположенную в пульте управления. Для подачи присадочного порошка используется транспортирующий газ. Газовая аппаратура состоит из баллонов, редукторов, расходомеров, смесителя, предохранителей и электромагнитных вентилей.

Для наплавки целесообразно применять плазменные горелки, в которых одновременно горят две дуги: одна плазмообразующая, а вторая служит для подплавления основного металла и расплавления присадочного. При напылении рекомендуются горелки, в которых присадочный и основной металлы нагреваются частью плазменного потока, прошедшего через отверстие в сопле.

Для напыления антифрикционных покрытий применяются порошки нирезиста и бронзы. Порошки самофлюсующихся сплавов ПГ-СРЗ , СНГН -50, нержавеющей стали применяются в смесях для напыления износостойких покрытий, а также для восстановления валов и посадочных мест под подшипники.

Порошки интерметаллидов (химическое соединение металла с металлом) ПН55Т, ПН85Ю15 используют в качестве подслоя (0,05…0,1 мм) для повышения прочности сцепления покрытий и как составляющую порошковой смеси для повышения когезионной прочности покрытия. Достаточно высокие значения прочности сцепления плазменные покрытия имеют при толщине слоя до 0,6…0,8 мм.

Для напыления коренных и шатунных шеек коленчатого вала двигателя ЗИЛ -130 можно использовать смесь порошков-15…25 % (по массе) ПН85Ю15 + 35…40% ПГ-СРЗ + 35…50 % П2Х13. По экономическим соображениям целесообразно напылять смесями, основными компонентами которых являются дешевые порошки (нирезист, нержавеющая сталь, бронза). В их состав вводят 10…15% порошка ПН85Ю15.

Порошки ПР-Н70Ю30 и ПР-Н85Ю15, производства НПО «Тулачермет», могут служить подслоем и основным слоем покрытия в комбинации с высокоуглеродистыми порошками.

Качество покрытия при плазменном напылении в значительной мере зависит от мощности горелки, расхода газов, электрического режима, подачи порошка, условия напыления (расстояние горелки от изделия, угол напынапыления устанавливают для каждого конкретного случая экспериментально.

Рис. 1. Схема установки для плазменной наплавки:
1 - основной источник тока; 2 - источник тока для возбуждения; 3 - плазменная горелка; 4 - баллон с газом, транспортирующий наплавочный порошок; 5 - газовый редуктор; 6 - дозатор; 7 - баллон с плазмообразующим газом; 8 - ротаметр; 9 - смеситель.

Рис. 2. Схемы плазменных горелок для наплавки (а) и для напыления (б):
1 - электрод вольфрамовый (катод); 2 - изоляционная прокладка; 3 - сопло (анод); 4 - плазма; 5 - наплавленный слой; 6 - основной металл; 7 - канал для подачи наплавочного порошка; 8 - каналы для охлаждающей воды; 9 - напыленный слой.

Для восстановления деталей типа «вал» (валы шестерни, валы и оси пустотелые и сплошные, крестовины кардана и дифференциалы) с износом не более 3 мм способом плазменной наплавки твердосплавными материалами используется установка ОКС -11231-ГОСНИТИ .

Диаметр и длина наплавляемых деталей соответственно 20…100 и 100…800 мм. Применяемые порошки: сор-майт, подшихтованный порошком алюминия АСДТ ; УС-25 с алюминием; Т-590 с алюминием; ПГ-Л101 с алюминием; газ - аргон, сжатый воздух. Твердость наносимого металла составляет до 66 HRC3. Габаритные размеры станка 2225Х1236Х1815 мм.

По данным ГОСНИТИ , годовой экономический эффект от внедрения установки составит более 9 тыс. руб.

На установке ОКС -11192-ГОСНИТИ с успехом восстанавливают фаски тарелки клапана дизелей всех марок порошковым материалом ПГ-СР2. Ее производительность 80… 100 клапанов в смену.

Высокую надежность в работе показал малогабаритный плазмотрон ВСХИЗО -З, который в сочетании с переоборудованной установкой УМП -5-68 рекомендуется для восстановления коленчатых валов двигателей ЯМЗ -238НБ, СМД -14 и А-41 с использованием следующих композиций: проволоки Св-08Г2С-80…85 % + порошок ПГ-СР4-15…20 % (СМД -14 и А-41) и проволоки 15ГСТЮЦА-75…80 %+порошок ПГ-СР4-20…25 %. Твердость шеек вала в первом случае составляет 46,5… 51,5 HRC3, во втором - 56,5…61 HRC3. Износостойкость шеек н вкладышей, находится на уровне коленчатого вала.

Требует разрешения проблема обеспечения необходимой прочности сцепления металлопокрытия с изделием, изыскания новых дешевых материалов и эффективных способов подготовки изношенных поверхностей деталей перед плазменным напылением.

Первый может быть решен введением дополнительной операции - оплавления напыленного покрытия, которое производится плазменной или кислородно-ацетиленовой горелкой непосредственно после нанесения покрытия, а также при помощи нагрева токами высокой частоты. После оплавления покрытия улучшаются его физико-механические свойства, а прочность сцепления возрастает в 10 раз и более.

Технологический процесс восстановления деталей этим способом включает очистку поверхности изделия от загрязнений и окислов (при необходимости предварительное шлифование для придания правильной геометрической формы детали), ее обезжиривание и абразивно-струйную обработку (создает наклеп, разрушает окисную пленку, увеличивает шероховатость), напыление детали с оплавлением покрытия и затем механическую обработку изделия.

Давление сжатого воздуха при абразивно-струйной обработке - 0,4…0,6 МПа, расстояние обдува 50… 90 мм, угол атаки струи абразива 75…90°. Продолжительность обработки зависит от абразива (порошок белого электрокорунда 23А, 24А или черного карбида кремния 53С, 54С зернистостью 80… 125 мкм ГОСТ 1347-80, стальная или чугунная колотая дробь ДСК и ДЧК № 08К; № 1,5К ГОСТ 11964-69), материала детали и его твердости и площади обрабатываемой поверхности. Время между подготовкой и напылением должно быть минимальным и не превышать 1,5 ч.

Расстояние от среза сопла до поверхности детали при плазменном оплавлении уменьшают в пределах 50…60 мм.

Для цилиндрических деталей оплавление производят при их вращении с частотой 10…20 мин-1.

В качестве вращателя при плазменном напылении могут быть использованы установки 011-1-01, 011-109 или токарно-винторезный станок.

Выбирая окончательную толщину слоя, следует учитывать усадку при оплавлении (10…20 %) и припуск на механическую обработку (0,2…0,3 мм на сторону).

Плазменные покрытия, напыленные металлическими порошками, обрабатывают на токарно-винторезных или шлифовальных станках с помощью стандартного режущего инструмента. Особенно эффективно шлифование кругами из синтетических алмазов.

Проведенные исследования показали, что плазменным напылением с оплавлением покрытия можно восстанавливать ответственные автотракторные детали любой формы (тарелки и стрежни толкателей, фаски тарелок и стержни клапанов, коленчатые валы, валики водяного насоса), что следует учитывать специалистам при разработке технологических процессов на восстановление этих деталей.

Применение плазменного напыления целесообразно при восстановлении быстроизнашивающихся рабочих органов сельскохозяйственных машин (при этом желательно нанесение порошков из карбидов). Оно может быть применено для нанесения жаростойких антикоррозийных покрытий деталей, работающих при высоких температурах.

Вместе с тем проблема напыленных покрытий полностью еще не решена. Например, контроль в процессе напыления толщины покрытий, механическая обработка напыленных покрытий. Необходимы дальнейшее совершенствование существующей технологии высокотемпературного напыления и оборудования для ее выполнения, глубокие и разносторонние исследования возможностей и преимуществ этой технологии, разработка научно обоснованных рекомендаций по применению порошково-проволочных материалов на конкретных деталях.

К атегория: - Прогрессивные методы ремонта

Установка для создания плазменного покрытия используется в энергетическом и авиационном машиностроении для создания керамических функциональных покрытий.

Назначение комплекса:

Нанесение коррозионностойких, износостойких, уплотнительных, теплозащитных покрытий.

Характеристики установки:

ТСЗП MF-P-1000 работает на смеси газов: основной - аргон, дополнительный - азот, водород или гелий.

Состав оборудования

Система управления смонтирована в пылезащищенном шкафу

Модульная система контроллера позволяет использовать огромный спектр дополнительных коммуникационных и функциональных модулей, которые расширяют возможности ЦПУ.

Установка управляется с панели оператора. На ней отображаются параметры протекающих процессов, и осуществляется их контроль. Машинные данные преобразуются в кривые, гистограммы и графические объекты, которые меняют свой вид в зависимости от выбранной программы и от состояния процесса. Кроме того, выводимые на панель сообщения о неисправностях, обеспечивают оператора важной информацией о состоянии управляемой установки. С нее могут контролироваться все технологические параметры процесса, и в памяти могут оставаться до ста технологических программ.

Пульт управления установкой плазменного напыления

Блок газоподготовки для подачи газа в плазмотрон

Блок газоподготовки включает: Металлические газовые линии Датчик давления для каждого газа Отдельные микрофильтры и электромагнитные клапаны для каждого газа Детекторы утечки газа Электронные расходомеры Bronkhorst El-Flow Блок управления сжатым воздухом для охлаждения детали Управление сжатым воздухом для охлаждения детали Контроль расхода охлаждающей жидкости Все данные с блока газоподготовки выводятся на панель оператора. Плазмообразующие газы: аргон, водород, азот, гелий. Система позволяет работать с одним или двумя плазмообразующими газами.Транспортирующий газ: аргон

Источник питания плазмотрона PPC 2002

Источник постоянного тока PPC 2002 выполнен по принципу высококачественного инвертирования постоянного тока, что обеспечивает плавное нарастание тока дуги. Техническая характеристика Габаритные размеры

Порошковый дозатор состоит из двух миксеров, двух бункеров, двух дисковых приводов регулирования подачи порошка. Газовая система питателя составлена из предохранительных клапанов, двух ротаметров, электромагнитных вентилей, шлангов и дросселей. Управление работой осуществляется на базе контроллера Simatic S7-300. Питатель порошка может работать в автономном режиме или управляться с центральной панели оператора. Емкость бункеров (колб) может быть 1,5 или 5 литров — их количество и объем оговаривается при подписании договора. Техническая характеристика Производительность одной колбы до 6 кг/час в зависимости от типа порошка. Габаритные размеры

Технические характеристики плазмотронов

Модель F4 – одна из самых распространенных. Доступны различные разъемы для подключения водяного охлаждения. Установка может поставляться с ручкой для ручного напыления. Устройство универсально с точки зрения широты задаваемых параметров — материала, твердости, пористости и шероховатости.

Для повышения качества напыления могут применяться различные сопла.

• Обычно эксплуатируются с плазменными установками мощностью до 55 Квт
• Обычно эксплуатируются с плазмообразующими газами Ar/H 2 , для некторых материалов могут применяться смеси Ar/He, Ar/N 2 или N 2 /H 2 ;

Плазмотрон F6

Аттестован авиацией, основан на классической модели F4. При сохранении базовой геометрии и основных параметров напыления, улучшенная система охлаждения позволяет существенно повысить производительность и продлить ресурс анода/катода. Кроме того, все части выполнены из бронзы, без применения пайки. Быстросъемные соединения позволяют осуществлять замену электродов за секунды. Фитинги шлангов водяного охлаждения соединены с базовой пластиной и не повреждаются в процессе замены электродов.

Для повышения качества напыления используются различные сопла.

• Обычно эксплуатируются с плазменными установками мощностью до 55 Квт
• с плазмообразующими газами Ar/H2, для некоторых материалов могут применяться смеси Ar/He, Ar/N2 или N2/H2;
• Для увеличения качества напыления используются различные сопла: сопла Лаваля позволяют напыление с более высокими эффективностью и коeффициентом использования материала при пониженном уровне шума.

Плазмотрон Delta

Использование трех анодов и одного катода позволяет объединить преимущества всех известных технологий. Стабильная дуга обеспечивает производительность до 300 грамм порошка в минуту.

Модель дельта состоит из сопла, каскада, малоизнашиваемого контактного электрода и треханодного сегмента. Основной компонент легко заменяется. Это позволяет сокращать потери времени и оптимизировать плазмотрон под различные операции за счет замены сопел.

Благодаря эффективности и высокой производительности, используется для напыления покрытий на большие поверхности. Для мелких деталей не подходит в связи с большим пятном распыления.

Сравнение плазмотронов Delta со стандартными:

F4 / F6 / P2:

• Единственная дуга
• различные диаметры сопел
• колебание напряжения +/-20V.

• Одна каскадируемая дуга, стабилизированная как аксиально, так и радиально
• колебание напряжения +/-3V.
• Постоянная передача плазменной энергии радиально впрыскиваемым частицам порошка. Дуга равномерно распределяется на три анода.
• Не требуется корректировка положения порошковых инжекторов в зависимости от параметров напыления, т. к. положение трех оснований анодов сбалансировано радиально.

Технические характеристики:

• Обычно эксплуатируются с плазменными установками мощностью до 70 Квт
• Обычно эксплуатируются с плазмообразующими газами Ar/H2, для некторых материалов может применяться смесь Ar/He;
• Благодаря высокой производительности и эффективности рекомендуется для напыления покрытий на большие поверхности. Не лучший выбор для маленьких деталей - довольно большое пятно распыления.

Плазмотрон P2

Размещение анода и катода полностью совпадают, что позволяет использовать базовые параметры напыления. Главное преимущество установки — компактность, которая достигается за счет короткого электрода. Нестандартный дизайн позволяет избежать негативных последствий как для продолжительности жизни электрода, так и для качества плазмы. Рекомендуется увеличение температуры для максимизации продолжительности работы. Стоит отметить, что катоды и аноды стоят значительно дешевле, чем для F4.

Технические характеристики:

• Обычно эксплуатируются с плазменными установками мощностью до 55 Квт
• Обычно эксплуатируются с плазмообразующими газами Ar/H2, для некторых материалов могут применяться смеси Ar/He, Ar/N2 или N2/H2;
• Для увеличения качества напыления используются различные сопла: сопла Лаваля позволяют напыление с более высокими эффективностью и коeффициэнтом использования при пониженном уровне шума.

Общепринятая в авиации установка для осуществления напыления в отверстиях.

Обычно эксплуатируется с плазмообразующими газами Ar/H2. Совместим с плазменными установками мощностью до 500 А

Минимальный диаметр — 80 мм.

• Обычно эксплуатируются с плазменными установками мощностью до 500 А
• Обычно эксплуатируются с плазмообразующими газами Ar/H2,
• Минимальный диаметр - 80 мм

Предназначен для напыления внутренних поверхностей диаметром от 90 мм. Техническая характеристика плазмотрона F1

Плазмотрон F7, для внутреннего напыления

Установка разработана для напыления внутренних поверхностей.

Отличается улучшенным энергопотреблением, обычно используется при силе тока до 600 A.

Есть возможность охлаждения обрабатываемой детали воздушными соплами, которые встроены непосредственно в устройство. Минимальный диаметр напыляемого отверстия - 90 мм.

Преимущества:

• Улучшенное по сравнению с F1 энергопотребление, обычно используется при силе тока до 600 A
• Возможность охлаждения напыляемой детали воздушными соплами, встроенными в плазмотрон;
• Минимальный диаметр напыляемого отверстия - 90 мм

Мощность изменяется в зависимости от выбранных катода и анода. Максимальная величина – 80 кВт.

Комплектуется удлинителем для напыления внутренних поверхностей.

Плазменное напыление по сравнению с газопламенным напылением и электродуговой металлизацией имеет ряд преимуществ:

• позволяет наносить покрытия из материалов широкого состава (металлы, сплавы, оксиды, карбиды, нитриды, бориды, пластмассы и их различные композиции) на разнообразный материал основы (металлы, керамика, графит, пластмассы и др.);
• плазмотроны позволяют в широких пределах регулировать энергетические характеристики плазмы, что облегчает получение покрытий со свойствами, обусловленными требованиями технологии;
• использование в плазменных горелках инертных газов и смесей, не содержащих кислорода, способствует уменьшению окисления напыляемого материала и поверхности детали;
• покрытия, полученные плазменным напылением, по физикомеханическим свойствам превосходят покрытия, полученные газопламенным и дуговым способами напыления.

Плазменно-дуговое напыление по виду используемого присадочного материала подразделяется на: напыление порошком и напыление проволокой (рис. 3.12 ).

Технологический процесс

Порошковые распылители в зависимости от свойств и размеров частиц могут осуществлять подачу присадочного материала (рис. 3.13 ):

• непосредственно в плазменную струю на выходе из плазмотрона;
• под углом к соплу плазмотрона, навстречу потоку ионизированного газа;
• внутрь сопла плазмотрона в заанодную зону или в доанодную зону плазменной дуги.

Подача порошка в плазменную струю используется в плазмотронах большой мощности. Такая схема подачи не влияет на формирование потока плазмы, а плазмотроны характеризуются завышенной мощностью, чтобы тепла плазменной струи хватило на нагрев порошка.

Подача порошка в доанодную зону наиболее выгодна с точки зрения теплообмена, но сопряжена с перегревом частиц в сопле и забиванием сопла расплавленными частицами, что приводит к необходимости выдвижения повышенных требований к равномерности подачи порошка.

Эффективность нагрева частиц порошка можно повысить при одних и тех же параметрах режимов путем более равномерного его распределения по сечению горячей зоны плазменной струи. Этому способствуют конструкции плазмотронов, позволяющие вводить порошок в плазменную струю не через одно отверстие, а, например, через три, расположенных под углом 120°. При этом КПД нагрева порошка изменяется от 2 до 30 %.

Рис. 3.12 . Схема плазменного напыления:
а — порошком; б — проволокой. 1 — подвод плазмообразующего газа; 2 — катод плазмотрона; 3 — корпус катода; 4 — изолятор; 5 -корпус анода; 6 — порошковый питатель (рис. а) или механизм подачи проволоки (рис. б); 7 — подвод газа, транспортирующего порошок; 8 — плазменная струя; 9 — источник питания.

Рис. 3.13 . Схемы подачи порошка в плазмотрон:
1 — в плазменную струю; 2 — под углом к плазменной струе; 3 — в сопло.

Применение

Для напыления износостойких покрытий применяют порошки с грануляцией, не превышающей 200 мкм. При этом дисперсность частиц порошка должна находиться в узких пределах с разницей размеров не более 50 мкм. При значительной разнице размеров частиц невозможно обеспечить их равномерный нагрев. Это объясняется тем, что, несмотря на высокую температуру плазменной струи, крупный порошок не успевает расплавиться за короткое время его нахождения в плазменной струе (10 -4 -10 -2 с), мелкий частично испаряется, а основная его масса из-за низкой кинетической энергии оттесняется плазменной струей в сторону, не достигнув ее центральной зоны. При восстановлении деталей напылением порошковыми износостойкими сплавами на никелевой и железной основе наиболее рациональнои является грануляция порошка с размерами частиц 40-100 мкм.

При напылении, как правило, применяют частицы порошка сферической формы, поскольку они обладают наиболее высокой сыпучестью. Оптимальным режимом работы плазмотрона следует считать такой, при котором наибольшее число частиц достигает подложки (основы) детали в расплавленном состоянии. Поэтому для высокоэффективного нагрева и транспортирования частиц порошка необходимо, чтобы конструкция плазмотрона обеспечивала получение плазменной струи достаточной мощности. В настоящее время разработаны установки мощностью до 160-200 кВт, работающие на воздухе, аммиаке, пропане, водороде, в динамическом вакууме, в воде. Применение специальных сопл позволило получить сверхзвуковое истечение струи двухфазного потока, которое, в свою очередь, обеспечило получение плотного покрытия. Плазменная струя вытекает из плазмотрона со скоростью 1000-2000 м/с и сообщает частицам порошка скорость 50-200 м/с.

Увеличение ресурса соплового аппарата (катод-анод) плазменного распылителя повышенной мощности (50-80 кВт) тормозилось из-за низкой эрозионной стойкости медного сопла в зоне анодного пятна. С целью увеличения стойкости сопла были разработаны вольфрамовые вставки, запрессованные в медное сопло таким образом, чтобы теплота эффективно отводилась медной оболочкой и удалялась охлаждающей водой. Выпускаемые в настоящее время промышленностью установки для плазменного напыления комплектуют плазмотронами с потребляемой мощностью 25-30 кВт при силе тока 350-400 А.

С другой стороны, для нанесения покрытий на малые детали (поверхности), например, коронки в стоматологии, бандажные полки лопаток ГТД в авиастроении были разработаны микроплазменные горелки, работающие на токах 15-20 А при мощности до 2 кВт.

Эффективность нагрева частиц и скорость их полета зависят от применяемого вида газа: двухатомные газы (азот, водород), а также воздух и их смеси с аргоном повышают указанные параметры.

Технологический процесс восстановления деталей плазменным напылением включает следующие операции: подготовка порошка, поверхности детали, напыление и механическая обработка напыленных покрытий. Подготовке поверхности детали к напылению придается первостепенное значение, поскольку от ее качества в значительной мере зависит прочность сцепления частиц порошка с поверхностью детали. Восстанавливаемую поверхность перед обработкой следует обезжирить. Участки, прилегающие к поверхности, подлежащей напылению, защищают специальным экраном. Напылять покрытия следует сразу после дробеструйной обработки, так как уже через 2 ч ее активность уменьшается из-за увеличения на обработанной поверхности оксидной пленки.

Для повышения прочности сцепления покрытия с основой процесс плазменного напыления проводят с последующим оплавлением. Операция оплавления завершает процесс нанесения покрытия. Оплавление осуществляют тем же плазмотроном, что и напыление, при той же мощности сжатой дуги, с приближением сопла плазмотрона к детали на расстояние 50-70 мм. Сопротивление усталости после оплавления повышается на 20-25 %. Прочность сцепления после оплавления достигает 400 МПа. Зона перемешивания оплавленного и основного металлов составляет 0,01-0,05 мм.

Рис. 3.14 . Схемы плазменных распылителей:
а — пруткового; б — проволочного («проволока-анод»).

Недостатки

Существенным недостатком плазменного нагрева при оплавлении является то, что плазменная струя, обладая высокой температурой и значительной концентрацией энергии, весьма быстро нагревает поверхность покрытия при недостаточном прогреве поверхности детали и тем самым часто приводит к свертыванию оплавляемого покрытия. Кроме того, в результате высокой скорости истечения плазменной струи и значительного давления на напыляемую поверхность также может произойти нарушение слоя покрытия. Плазменное напыление с последующим оплавлением рекомендуется применять для малогабаритных деталей диаметром, не превышающим 50 мм.

При использовании в качестве присадочного материала проволоки возможно применение двух схем подключения плазмотрона: при токоведущем сопле (рис. 3.14, а ) или при токоведущей проволоке (рис. 3.14, б ).

Схема проволочного распыления с токоведущей проволокой — анодом была разработана В. В. Кудиновым в конце 50-х годов прошлого столетия. Тогда удалось получить невиданную производительность — 15 кг/ч вольфрама при мощности 12 кВт. При плазменном напылении наряду с проволокой используют и прутки. Таким образом, чтобы теплота эффективно отводилась медной оболочкой и удалялась охлаждающей водой. Выпускаемые в настоящее время промышленностью установки для плазменного напыления комплектуют плазмотронами с потребляемой мощностью 25-30 кВт при силе тока 350-400 А. С другой стороны, для нанесения покрытий на малые детали (поверхности), например, коронки в стоматологии, бандажные полки лопаток ГТД в авиастроении были разработаны микроплазменные горелки, работающие на токах 15-20 А при мощности до 2 кВт.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

Плазменное напыление основано на использовании энергии плазменной струи как для нагрева, так и для переноса частиц металла. Плазменную струю получают путем продувания плазмообразующего газа сквозь электрическую дугу и обжатия стенками медного водоохлаждаемого сопла.
Плазменные покрытия обладают такими свойствами: жаростойкостью, жаро- и эрозионной прочностью, тепло- и электроизоляцией, противосхватываемостью, коррозионной стойкостью, защитой от кавитации, полупроводниковыми, магнитными и др.

Области применения плазменных покрытий: ракетная, авиационная и космическая техника, машиностроение, энергетика (в том числе атомная), металлургия, химия, нефтяная и угольная промышленность, транспорт, электроника, радио- и приборостроение, материаловедение, строительство, ремонт машин и восстановление деталей.

Если себестоимость газопламенного напыления проволочными материалами принять за единицу, то себестоимость плазменного и газопламенного напыления порошков будут соответственно 1,9 и 1,6, а электродугового - 0,85.

Плазменную струю получают в плазменной горелке, основные части которой (рис. 3.34) - электрод-катод /, водоохлаждаемое медное сопло-анод 4, стальной корпус 2, устройства для подвода воды 3, порошка 5 и газа 6. Части корпуса, взаимодействующие с катодом или анодом, изолированы друг от друга.
Порошкообразный материал подают питателем с помощью транспортирующего газа. Возможен ввод порошка с плазмообразующим газом.
Напыляемый материал (порошок, проволока, шнур или их комбинация) вводят в сопло плазменной горелки ниже анодного пятна, в столб плазменной дуги или плазменную струю.

Высокие температура и скорость струи делают возможным напыление покрытий из любых материалов, не диссоциирующих при нагреве, без ограничений на температуру плавления. Плазменным напылением получают покрытия из металлов и сплавов, оксидов, карбидов, боридов, нитридов и композиционных материалов.

Необходимые физико-механические свойства покрытий объясняются высокими температурой плазмы и скоростью ее истечения, применением инертных плазмообразующих газов, возможностью регулирования аэродинамических условий формирования металлоплазменной струи.
В материале детали не происходит структурных преобразований, возможно нанесение тугоплавких материалов и многослойных покрытий из различных материалов в сочетании плотных и твердых нижних слоев с пористыми и мягкими верхними (для улучшения прирабатываемости покрытий), износостойкость покрытий высокая, достижима полная автоматизация процесса.

При легировании через проволоку наплавку ведут высокоуглеродистой или легированной проволокой под плавленым флюсом. При этом обеспечиваются высокая точность легирования и стабильность химического состава наплавленного металла по глубине покрытия.

Легирование наплавленного металла через флюс выполняют наплавкой малоуглеродистой проволокой под слоем керамического флюса. Высокая твердость покрытий исключает их последующую термическую обработку. Однако этот способ легирования не нашел широкого применения из-за большой неравномерности наплавленного металла по химическому составу и необходимости строго выдерживать режим наплавки.

Комбинированный способ легирования одновременно через проволоку и флюс получил наибольшее распространение.

В качестве источников питания применяют выпрямители ВС-300, ВДУ-504, ВС-600, ВДГ-301 и преобразователи ПСГ-500 с пологопадаю-щей или жесткой внешней характеристикой. В роли вращателей деталей используют специальные установки (УД-133, УД-140, УД-143, УД-144, УД-209, УД-233, УД-299, УД-302, УД-651, ОКС-11200, ОКС-11236, ОКС-11238, ОКС-14408, ОКС-27432, 011-1-00 РД) либо списанные токарные или фрезерные станки. Для подачи проволоки применяют головки А-580М, ОКС-1252М, А-765, А-1197.

Основные технологические параметры наплавки: состав электродного материала и флюса, напряжение дуги U, сила / и полярность тока, скорость наплавки vH и подачи vn электродного материала, шаг наплавки S, смещение электрода с зенита е, диаметр d3 и вылет электрода. Примерные режимы наплавки под слоем флюса цилиндрических деталей приведены в табл. 3.52.

Наплавка под слоем флюса имеет следующие разновидности.

Наплавка лежачий электродом (прутковым или пластинчатым) из низкоуглеродистой или легированной стали применяется для восстановления плоскостей. Часть флюса насыпают на восстанавливаемую поверхность (толщиной 3…5 мм), а часть - на электрод (толщина слоя флюса достигает 10… 15 мм). Применяют флюсы-смеси. В одном месте электрод замыкают с деталью для возбуждения дуги, которая при горении блуждает в поперечном направлении. Плотность тока составляет 6…9 А/мм напряжение 35…45 В. Для выполнения процесса имеется установка ОКС-11240 ГосНИТИ.

Повышение производительности и более высокое содержание легирующих элементов в покрытии обеспечиваются многоэлектродной наплавкой под флюсом на детали со значительным износом на большой площади (рис. 3.23). Блуждающая дуга горит между деталью и ближайшим к ней электродом.

Натавка по слою порошка (толщиной 6…9 мм) под флюсом повышает производительность процесса и обеспечивает получение толстых покрытий нужного состава.
Область применения механизированной наплавки пол слоем флюса распространяется на восстановление деталей (диаметром более 50 мм) из углеродистых и низколегированных сталей, требующих нанесения слоя толщиной > 2 мм с высокими требованиями к его физико-механическим свойствам. Наплавляют шейки валов, поверхности катков и роликов, направляющие станин и другие элементы.

Механизированная наплавка под слоем флюса обладает такими преимуществами:

Повышением производительности труда в 6…8 раз по сравнению с ручной электродуговой наплавкой с одновременным снижением расхода электроэнергии в 2 раза за счет более высокого термического КПД;

Высоким качеством наплавленного металла благодаря насыщению необходимыми легирующими элементами и рациональной организации тепловых процессов;

Возможностью получения покрытий толщиной > 2 мм/p.

В качестве плазмообразующих газов при напылении материалов используют аргон, гелий, азот, водород и их смеси (табл. 3.68). Плазмообразующие газы не содержат кислорода, поэтому не окисляют материал и напыляемую поверхность.

Гелий и водород в чистом виде практически не применяются по экономическим соображениям, а также вследствие разрушающего действия на электрод.

Азот и аргон используются чаще, однако наилучшими показателями обладают газовые смеси, например Ar + N, и Аг + Н2. Вид плазмообразующего газа выбирают исходя из требуемых температуры, теплосодержания и скорости потока, его степени инертности к распыляемому материалу и восстанавливаемой поверхности. Следует учитывать, что плазма двух- и многоатомарных газов по сравнению с одноатомарными содержит больше тепла при одинаковой температуре, потому что ее энтальпия определяется тепловым движением атомов, ионизацией и энергией диссоциации.

При напылении порошковых или шнуровых материалов электрическое напряжение прилагают к электродам плазменной горелки. При напылении проволочных материалов напряжение подводят к электродам горелки, дополнительно оно может быть приложено к напыляемому материалу, т.е. проволока может быть токоведушей или нет. Напыляемую деталь в цепь нагрузки не включают.

Порошки для плазменного напыления не должны создавать заторы в транспортных трубопроводах, а должны равномерно подаваться в плазменную струю и свободно перемещаться с газовым потоком. Этим требованиям удовлетворяют частицы порошка сферической формы диаметром 20… 100 мкм.

В Институте электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины разработаны порошковые проволоки сер. АМОТЕК. состоящие из стальной оболочки и порошкового наполнителя. Эти материалы предназначены для нанесения износо- и коррозионностойких покрытий способами газопламенного, электродугового и плазменного напыления. Особенностью материалов является возможность аморфизации структуры напыляемых покрытий. Наличие аморфной составляющей в структуре покрытий обеспечивает комплекс повышенных служебных свойств (износо- и коррозие-стойкости, прочности соединения с основой).

Для защиты частиц напыляемого материала от окисления, обезуглероживания и азотирования применяют газовые линзы (кольцевой потокинертного газа), являющиеся как бы оболочкой плазменной струи, и специальные камеры с инертной средой, в которых происходит процесс напыления.

Приведем примеры применения плазменного напыления в процессах восстановления деталей.

Освоено несколько разновидностей процесса восстановления коренных опор блоков цилиндров. Первые исследователи способа рекомендовали в качестве наносимого материала малоуглеродистую стальную проволоку Св-08 для обеспечения однородной мелкодисперсной структуры покрытия и повышения прочности соединения его с основой. Позднее были рекомендованы порошкообразные материалы. Распространение получили композиционные порошки и порошки из бронзы. Порошки из бронзы наносят на поверхности как чугунных деталей, так и деталей из алюминиевого сплава. Предварительно должен быть нанесен термореагирующий подслой Al-Ni.

При восстановлении коренных опор в чугунных блоках цилиндров применяют более дешевый порошок грануляцией 160…200 мкм состава: Fe (основа). 5 % Си и 1 % AI. Режим нанесения покрытия: ток плазменной дуги 330 А, напряжение 70 В, расход плазмообразующего газа (азота) 25 л/мин, диаметр сопла плазмотрона 5,5 мм, частота качаний плазмотрона 83 мин’, подача детали 320 мм/мин, расход порошка 7 кг/ч.

Процесс нанесения плазменного покрытия на поверхности отверстий в деталях из алюминиевого сплава включает:

1) сушку порошков при температуре 150..20 °С в течение 3 ч;

2) предварительное растачивание отверстий до размера, превышающего на 1 мм номинальный размер отверстия;

3) установку защитных экранов;

4) обезжиривание напыляемых поверхностей ацетоном;

5) нанесение покрытия в две операции;

6) снятие защитных экранов;

7) предварительное и окончательное растачивание;

8) удаление облоя.

В первой операции наносят подслой ПН-85Ю15, во второй - основной слой из медного порошка ПМС-Н. Режимы нанесения покрытий: сила тока 220…280 А, расход азота 20…25 л/мин при давлении 0,35 МПа. расстояние от сопла до детали 100… 120 мм, время нанесения покрытия 15 мин. Покрытие наносят на стенде. Плазмообразующее оборудование состоит из источника питания ИПН 160/600 н установки УПУ-ЗД или УПУ-8.

Применяют плазменное напыление при нанесении покрытий на плоскости головок цилиндров из силумина. Технология включает предварительное фрезерование изношенной поверхности, нанесение покрытия и последующую обработку. В качестве материала покрытия используют порошок из алюминия и 40…48 % Fe. Режим нанесения покрытия: сила тока 280 А, расстояние от сопла до детали 90 мм. расход плазмообразующего газа (азота) 72 л/мин.

С целью удешевления процесса и повышения его производительности внедрен процесс электродугового напыления плоскостей из проволоки Св-АК5 диаметром 2 мм. Применяют источник тока ВГД-301 и металлизатор ЭМ-12. Режимы напыления: сила тока 300 А, напряжение 28… 32 В, давление распыливающего воздуха 0.4…0.6 МПа, расстояние от сопла до детали 80… 100 мм. Покрытие толщиной 5 мм наносят за 8… 10 мин.

При восстановлении поршней из алюминиевого сплава наносят плазменное покрытие из порошка бронзы ПР-Бр. АЖНМц 8,5-4-5-1,5 (8,5 % AI, 4 % Fe, 4.8 % Ni. 1,4 % Мп, остальное Си). Игпользуют установку УПУ-8. Режим нанесения: ток 380 А, расстояние от сопла до детали 120 мм. плазмообразуюший газ - смесь аргона с азотом.

При восстановлении коленчатых валов из высокопрочного чугуна наносят плазменное покрытие из композиции порошков на термореагирующий подстой из материала ПН-85Ю15. Состав композиции: 50 % ПГСР, 30 % ПЖ4 и 20 % ПН85Ю15.

Режимы процесса: I = 400 А, расстояние от сопла до детали 150 мм. расход азота 25 л/мин. Согласно авторскому свидетельству на изобретение СССР № 1737017. цель которого - повышение адгезионной и когезионной прочности покрытий, наносимый материал содержит (в мае. %): самофлюсующийся сплав системы Ni-Сг-В-Si 25…50, порошок железа 30…50 и никель-алюминиевый порошок 20…25.

Микроплазменное напыление применяют при восстановлении участков деталей с размерами 5… 10 мм с целью уменьшения потерь напыляемого материала. Используют плазмотроны малой мощности (до 2… 2,5 кВт), генерирующие квазиламинарную плазменную струю при силе тока 10…60 А. В качестве плазмообразующего и защитного газа применяют аргон. При микроплазменном напылении удается уменьшить диаметр металлоплазменной струи до 1…5 мм. Процесс характерен низким уровнем шума (30…50 дБ) и небольшим количеством отработавших газов, что позволяет вести напыление в помещении без применения рабочей камеры. Создана установка микроплазменного напыления МПН-001.

Технологические режимы плазменного напыления определяются: видом и дисперсностью материала, током плазменной струи и его напряжением, видом и расходом плазмообразующего газа, диаметром сопла плазменной горелки и расстоянием от сопла до напыляемой поверхности.

Дисперсность частиц материала, ток плазменной струи и расход плазмообразующего газа определяют температуру нагрева частиц и их скорость перемещения, а значит, - плотность и структуру покрытия.

Большая равномерность свойств покрытия обеспечивается при более высокой скорости перемещения плазмотрона относительно детали и меньшей толщине слоя. Эта скорость мало влияет на коэффициент использования материала и значительно сказывается на производительности процесса.

Расстояние от сопла до восстанавливаемой поверхности зависит от вида плазмообразующего газа, свойств напыляемого материала и изменяется в пределах 120…250 мм (чаще 120…150 мм). Угол между осью потока частиц и восстанавливаемой поверхностью должен приближаться к 90°.

Оптимальное сочетание теплосодержания потока плазмы, времени пребывания частиц в этом потоке и их скорости обеспечивает получение покрытий с высокими физико-механическими свойствами.

Свойства плазменных покрытий существенно улучшаются при их оплавлении. При этом плавится наиболее легкоплавкая часть материала, однако температура нагрева должна быть достаточной для плавления боросиликатов, которые восстанавливают металлы из оксидов и образуют шлаки.

Оплавляемые материалы должны удовлетворять таким требованиям: температура плавления легкоплавкой составляющей сплава не должна превышать 1000… 1100 °С. сплав в разогретом состоянии должен хорошо смачивать поверхность заготовки и обладать свойством самофлюсования. Такими свойствами обладают порошковые материалы на основе никеля, имеющие температуру плавления 980… 1050 °С и содержащие флюсующие элементы: бор и кремний. Недостаточная температура нагрева покрытия приводит к образованию на поверхности капель металла. Жидкое состояние части покрытия способствует интенсивному протеканию диффузионных процессов, при этом материал детали остается в твердом состоянии.

В результате оплавления значительно повышается прочность соединения покрытия с основой, увеличивается когезионная прочность, исчезает пористость и улучшается износостойкость.

Оплавленные покрытия имеют обрабатываемость, близкую к обрабатываемости монолитных жаропрочных сталей и сплавов аналогичного химического состава.
Покрытия оплавляют: газовой горелкой (ацетиленокислородным пламенем), в термической печи, индуктором (токами высокой частоты), электронным или лазерным лучом, плазменной горелкой (плазменной струей), пропусканием тока большой величины.

Оплавление газовой горелкой - наиболее простой способ, позволяющий визуально контролировать качество оплавления. Недостатки способа - односторонний нагрев детали, который может привести к ее короблению, и большая трудоемкость при обработке массивных деталей.

Печное оплавление обеспечивает прогрев всего объема детали, поэтому вероятность появления трещин уменьшается. Однако сопряженные с покрытием участки детали покрываются окалиной, их физико-механические свойства ухудшаются. Негативное влияние окислительной атмосферы на свойства покрытий при их нагреве исключается при наличии защитной среды.

Хорошие результаты дает индукционное оплавление, которое обеспечивает большую производительность без нарушения термообработки всей заготовки. Нагреву подвергают только покрытие и примыкающий к нему тонкий слой основного металла. Толщина прогреваемого металла зависит от частоты тока: с увеличением последней толщина уменьшается. Высокие скорости нагрева и охлаждения могут привести к трещинам в покрытии.

Оплавление покрытий электронным или лазерным лучом практически не изменяет свойств сопряженных с покрытием участков и сердцевину детали. Вследствие высокой стоимости эти способы следует применять при восстановлении ответственных дорогостоящих деталей, покрытия на которых трудно оплавить другими способами.

Оплавленные покрытия из сплавов на основе никеля ПГ-СР2. ПГ-СРЗ и ПГ-СР4 имеют такие свойства:

Твердость 35…60 HRC в зависимости от содержания в них бора;

Повышенную в 2…3 раза износостойкость по сравнению с закаленной сталью 45, что объясняется присутствием в структуре покрытия твердых кристаллов (боридов и карбидов);

Увеличенную в 8… 10 раз прочность соединения покрытия с основой по сравнению с прочностью соединения неоплавленных покрытий;

Повышенную на 20…25 % усталостную прочность.

Область применения плазменных покрытий с последующим оплавлением - это восстановление поверхностей деталей, работающих в условиях знакопеременных и контактных нагрузок.

Оплавленные покрытия имеют многофазную структуру, составляющие которой - бориды, избыточные карбиды и эвтектика. Вид микроструктуры (дисперсность, вид и количество составляющих) зависит от химического состава самофлюсующегося сплава, времени и температуры нагрева.

Наилучшую износостойкость деталям в нагруженных сопряжениях обеспечивают покрытия из самофлюсующихся сплавов. Структура покрытия - высоколегированный твердый раствор с включениями дисперсных металлоподобных фаз (прежде всего боридных или карбидных) с размером частиц 1…10 мкм, равномерно распределенных в основе.

Для плазменного напыления металлических и неметаллических покрытий (тугоплавких, износостойких, коррозионностойких) применяют установки: УН-115, УН-120, УПМ-6. УПУ-ЗД. УПС-301. АПР-403. УПРП-201.

Для генерирования плазмы используют различные плазмотроны. Реализуемые в конкретной конструкции диапазон и уровень удельных мощностей характеризуют эффективность преобразования электрической энергии дуги в тепловую плазменной струи, а также технологические возможности плазмотрона.

Задача разработки технологического плазмотрона всегда сводится к созданию относительно простой, ремонтопригодной конструкции, обеспечивающей стабильную длительную работу в широком диапазоне изменения сварочного тока дуги, расхода и состава плазмообразующего газа, а также генерирование плазменной струи с воспроизводимыми параметрами, что позволяет эффективно обрабатывать материалы с различными свойствами.

В практике напыления применяют как однородные порошки различных материалов (металлов, сплавов, оксидов, бескислородных тугоплавких соединений), так и композиционные, а также механические смеси указанных материалов.

Наиболее распространены следующие порошковые материалы:

металлы - Ni, Al, Mo, Ti, Cr, Cu;

сплавы - легированные стали, чугун, никелевые, медные, кобальтовые, титановые, в том числе самофлюсующиеся сплавы (Ni-Cr-B-Si, Ni-B-Si, Co-Ni-Cr-B-Si, Ni-Cu-B-Si);

оксиды Al , Ti , Cr , Zr и других металлов и их композиции;

бескислородные тугоплавкие соединения и твердые сплавы - карбиды Cr , Ti , W и др. и их композиции с Со и Ni ;

композиционные плакированные порошки - Ni -графит, Ni -А l и др.;

композиционные конгломерированные порошки- Ni — Al , NiCrBSi — Al
и др.;

механические смеси - Cr 3 C 2 + NiCr , NiCrBSi + Cr 3 C 2 и др.

В случае применения композиционных порошков в технологии газотермического напыления преследуют следующие цели:

использование экзотермического эффекта взаимодействия компонентов (Ni — Al , Ni — Ti и т. п.);

равномерное распределение компонентов в объеме покрытия, например, типа керметов (Ni — Al 2 0 3 и т. п.);

защита материала ядра частицы от окисления или разложения при напылении (Co — WC , Ni — TiC и т. п.):

формирование покрытия с участием материала, самостоятельно не образующего покрытия при газотермическом напылении (Ni -графит и т. п.);

улучшение условий формирования покрытий за счет увеличения средней плотности частиц, введение компонентов с высокой энтальпией.

Применяемые для напыления порошки не должны разлагаться или возгоняться в процессе напыления, а должны иметь достаточную разницу между температурами плавления и кипения (не менее 200 °С).

При выборе порошковых материалов для получения различных плазменных покрытий необходимо учитывать следующие положения.

Гранулометрический состав применяемых порошковых материалов имеет первостепенное значение, так как от него зависят производительность и коэффициент использования, а также свойства покрытий. Размер частиц порошка выбирают в зависимости от характеристик источника тепловой энергии, теплофизических свойств напыляемого материала и его плотности.

Обычно при напылении мелкодисперсного порошка получают более плотное покрытие, хотя в нем содержится большое количество оксидов, возникающих в результате нагрева частиц и их взаимодействия с высокотемпературным потоком плазмы. Чрезмерно крупные частицы не успевают прогреться, поэтому не образуют достаточно прочной связи с поверхностью и между собой или просто отскакивают при ударе. При напылении порошка, состоящего из смеси частиц разных диаметров, более мелкие частицы расплавляются в непосредственной близости от места их подачи в сопло, заплавляют отверстие и образуют наплывы, которые время от времени отрываются и в виде больших капель попадают на напыляемое покрытие, ухудшая его качество. Поэтому напыление предпочтительно следует производить порошками одной фракции, а все порошки перед напылением подвергать рассеиванию (классификации).

Для керамических материалов оптимальный размер частиц порошка 50-70 мкм, а для металлов - около 100 мкм. Порошки, предназначенные для напыления, должны иметь сферическую форму. Они обладают хорошей сыпучестью, что облегчает их транспортировку к плазмотрону.

Почти все порошки гигроскопичны и могут окисляться, поэтому их хранят в закрытой таре. Порошки, находившиеся некоторое время в открытой таре, перед напылением прокаливают в сушильном шкафу из нержавеющей стали слоем 5-10 мм при температуре 120-130 °С в течение 1,5-2 ч.

Порошок для напыления выбирают с учетом условий эксплуатации напыляемых деталей.

Возможными дефектами плазменно-дугового способа нанесения покрытий является отслоение напыленного слоя, растрескивание покрытия, появление на поверхности крупных капель материала покрытия, капель меди, а также разнотолщинность покрытия (выше допустимой).

С целью повышения адгезионной и когезионной прочностей и других качественных характеристик плазменные покрытия подвергают дополнительной обработке различными способами: обкатка роликами под током, очистка напыляемых поверхностей от окалины и удаление слабо сцепленных с основой или с предыдущим слоем частиц металлическими щетками в процессе самого напыления, струйно-абразивная и ультразвуковая обработка и др.

Одним из наиболее распространенных способов улучшения качества покрытий из самофлюсующихся сплавов является их оплавление. Для оплавления используют индукционный или печной нагрев, нагрев в расплавах солей или металлов, плазменный, газопламенный, лазерный и др. В большинстве случаев предпочтение отдают нагреву в индукторах токами высокой частоты (ТВЧ). Напыленные покрытия системы Ni — Cr — B — Si — C подвергают оплавлению при 920-1200 0 С с целью уменьшения исходной пористости, повышения твердости и прочности сцепления с металлом - основой.

Технологический процесс плазменного напыления состоит из предварительной очистки (любым известным методом), активационной обработки (например, абразивно-струйной) и непосредственно нанесения покрытия путем перемещения изделия относительно плазмотрона или наоборот.

Лащенко Г.И. Плазменное упрочнение и напыление. – К.: «Екотехнолог i я», 2003 – 64 с.

Плазменное напыление по сравнению с газопламенным напылением и электродуговой металлизацией имеет ряд преимуществ:

• позволяет наносить покрытия из материалов широкого состава (металлы, сплавы, оксиды, карбиды, нитриды, бориды, пластмассы и их различные композиции) на разнообразный материал основы (металлы, керамика, графит, пластмассы и др.);
• плазмотроны позволяют в широких пределах регулировать энергетические характеристики плазмы, что облегчает получение покрытий со свойствами, обусловленными требованиями технологии;
• использование в плазменных горелках инертных газов и смесей, не содержащих кислорода, способствует уменьшению окисления напыляемого материала и поверхности детали;
• покрытия, полученные плазменным напылением, по физикомеханическим свойствам превосходят покрытия, полученные газопламенным и дуговым способами напыления.

Плазменно-дуговое напыление по виду используемого присадочного материала подразделяется на: напыление порошком и напыление проволокой (рис. 3.12 ).

Технологический процесс

Порошковые распылители в зависимости от свойств и размеров частиц могут осуществлять подачу присадочного материала (рис. 3.13 ):

• непосредственно в плазменную струю на выходе из плазмотрона;
• под углом к соплу плазмотрона, навстречу потоку ионизированного газа;
• внутрь сопла плазмотрона в заанодную зону или в доанодную зону плазменной дуги.

Подача порошка в плазменную струю используется в плазмотронах большой мощности. Такая схема подачи не влияет на формирование потока плазмы, а плазмотроны характеризуются завышенной мощностью, чтобы тепла плазменной струи хватило на нагрев порошка.

Подача порошка в доанодную зону наиболее выгодна с точки зрения теплообмена, но сопряжена с перегревом частиц в сопле и забиванием сопла расплавленными частицами, что приводит к необходимости выдвижения повышенных требований к равномерности подачи порошка.

Эффективность нагрева частиц порошка можно повысить при одних и тех же параметрах режимов путем более равномерного его распределения по сечению горячей зоны плазменной струи. Этому способствуют конструкции плазмотронов, позволяющие вводить порошок в плазменную струю не через одно отверстие, а, например, через три, расположенных под углом 120°. При этом КПД нагрева порошка изменяется от 2 до 30 %.

Рис. 3.12
а - порошком; б - проволокой. 1 - подвод плазмообразующего газа; 2 - катод плазмотрона; 3 - корпус катода; 4 - изолятор; 5 -корпус анода; 6 - порошковый питатель (рис. а) или механизм подачи проволоки (рис. б); 7 - подвод газа, транспортирующего порошок; 8 - плазменная струя; 9 - источник питания.

Рис. 3.13
1 - в плазменную струю; 2 - под углом к плазменной струе; 3 - в сопло.

Применение

Для напыления износостойких покрытий применяют порошки с грануляцией, не превышающей 200 мкм. При этом дисперсность частиц порошка должна находиться в узких пределах с разницей размеров не более 50 мкм. При значительной разнице размеров частиц невозможно обеспечить их равномерный нагрев. Это объясняется тем, что, несмотря на высокую температуру плазменной струи, крупный порошок не успевает расплавиться за короткое время его нахождения в плазменной струе (10 -4 -10 -2 с), мелкий частично испаряется, а основная его масса из-за низкой кинетической энергии оттесняется плазменной струей в сторону, не достигнув ее центральной зоны. При восстановлении деталей напылением порошковыми износостойкими сплавами на никелевой и железной основе наиболее рациональнои является грануляция порошка с размерами частиц 40-100 мкм.

При напылении, как правило, применяют частицы порошка сферической формы, поскольку они обладают наиболее высокой сыпучестью. Оптимальным режимом работы плазмотрона следует считать такой, при котором наибольшее число частиц достигает подложки (основы) детали в расплавленном состоянии. Поэтому для высокоэффективного нагрева и транспортирования частиц порошка необходимо, чтобы конструкция плазмотрона обеспечивала получение плазменной струи достаточной мощности. В настоящее время разработаны установки мощностью до 160-200 кВт, работающие на воздухе, аммиаке, пропане, водороде, в динамическом вакууме, в воде. Применение специальных сопл позволило получить сверхзвуковое истечение струи двухфазного потока, которое, в свою очередь, обеспечило получение плотного покрытия. Плазменная струя вытекает из плазмотрона со скоростью 1000-2000 м/с и сообщает частицам порошка скорость 50-200 м/с.

Увеличение ресурса соплового аппарата (катод-анод) плазменного распылителя повышенной мощности (50-80 кВт) тормозилось из-за низкой эрозионной стойкости медного сопла в зоне анодного пятна. С целью увеличения стойкости сопла были разработаны вольфрамовые вставки, запрессованные в медное сопло таким образом, чтобы теплота эффективно отводилась медной оболочкой и удалялась охлаждающей водой. Выпускаемые в настоящее время промышленностью установки для плазменного напыления комплектуют плазмотронами с потребляемой мощностью 25-30 кВт при силе тока 350-400 А.

С другой стороны, для нанесения покрытий на малые детали (поверхности), например, коронки в стоматологии, бандажные полки лопаток ГТД в авиастроении были разработаны микроплазменные горелки, работающие на токах 15-20 А при мощности до 2 кВт.

Эффективность нагрева частиц и скорость их полета зависят от применяемого вида газа: двухатомные газы (азот, водород), а также воздух и их смеси с аргоном повышают указанные параметры.

Технологический процесс восстановления деталей плазменным напылением включает следующие операции: подготовка порошка, поверхности детали, напыление и механическая обработка напыленных покрытий. Подготовке поверхности детали к напылению придается первостепенное значение, поскольку от ее качества в значительной мере зависит прочность сцепления частиц порошка с поверхностью детали. Восстанавливаемую поверхность перед обработкой следует обезжирить. Участки, прилегающие к поверхности, подлежащей напылению, защищают специальным экраном. Напылять покрытия следует сразу после дробеструйной обработки, так как уже через 2 ч ее активность уменьшается из-за увеличения на обработанной поверхности оксидной пленки.

Для повышения прочности сцепления покрытия с основой процесс плазменного напыления проводят с последующим оплавлением. Операция оплавления завершает процесс нанесения покрытия. Оплавление осуществляют тем же плазмотроном, что и напыление, при той же мощности сжатой дуги, с приближением сопла плазмотрона к детали на расстояние 50-70 мм. Сопротивление усталости после оплавления повышается на 20-25 %. Прочность сцепления после оплавления достигает 400 МПа. Зона перемешивания оплавленного и основного металлов составляет 0,01-0,05 мм.

Рис. 3.14
а - пруткового; б - проволочного («проволока-анод»).

Недостатки

Существенным недостатком плазменного нагрева при оплавлении является то, что плазменная струя, обладая высокой температурой и значительной концентрацией энергии, весьма быстро нагревает поверхность покрытия при недостаточном прогреве поверхности детали и тем самым часто приводит к свертыванию оплавляемого покрытия. Кроме того, в результате высокой скорости истечения плазменной струи и значительного давления на напыляемую поверхность также может произойти нарушение слоя покрытия. Плазменное напыление с последующим оплавлением рекомендуется применять для малогабаритных деталей диаметром, не превышающим 50 мм.

При использовании в качестве присадочного материала проволоки возможно применение двух схем подключения плазмотрона: при токоведущем сопле (рис. 3.14, а ) или при токоведущей проволоке (рис. 3.14, б ).

Схема проволочного распыления с токоведущей проволокой - анодом была разработана В. В. Кудиновым в конце 50-х годов прошлого столетия. Тогда удалось получить невиданную производительность - 15 кг/ч вольфрама при мощности 12 кВт. При плазменном напылении наряду с проволокой используют и прутки. Таким образом, чтобы теплота эффективно отводилась медной оболочкой и удалялась охлаждающей водой. Выпускаемые в настоящее время промышленностью установки для плазменного напыления комплектуют плазмотронами с потребляемой мощностью 25-30 кВт при силе тока 350-400 А. С другой стороны, для нанесения покрытий на малые детали (поверхности), например, коронки в стоматологии, бандажные полки лопаток ГТД в авиастроении были разработаны микроплазменные горелки, работающие на токах 15-20 А при мощности до 2 кВт.

Итак, в чем же состоит принцип плазменного напыления? Во всех устройствах плазменного напыления порошок приобретает температуру и скорость в струе горячего газа, создаваемого плазматроном. В свою очередь, плазматрон или плазменный генератор – это устройство, изобретенное в 1920-х годах, в котором электрическая дуга, горящая между катодом и анодом в ограниченном объеме (сопле), раздувается инертным газом и создает факел высокотемпературного восстановительного пламени.

Чем же так привлекателен этот принцип для решения задач термического напыления? Именно тем, что пламя плазматрона очень горячее и всегда строго восстановительное; присутствие кислорода в плазматроне категорически не допускается из-за быстрого, в противном случае, разрушения материалов электродов (парциальное давление кислорода в плазмообразующих газах определяется их чистотой и должно быть не выше 0,004%). Факел пламени плазматрона, при грамотном его применении, может не только восстановить активную металлическую поверхность из оксидных пленок на напыляемых частицах, но даже и очистить от оксидов саму поверхность субстрата. Подобную возможность предоставляет исключительно метод плазменного напыления.

В отношении плазменного напыления существует, в среде теоретиков и практиков термического напыления, ряд предрассудков, которые, в большинстве случаев, связаны не с процессом как таковым, а с недопониманием сути процесса напыления, недостатками конструкций конкретных устройств и с неправильным их применением. Обсудим эти предрассудки:

1. “Пламя плазмы слишком горячее и пригодно поэтому, только для напыления тугоплавких металлических и оксидных керамических материалов. Слишком высокая температура приводит к испарению части порошка и разрушению карбидов хрома и вольфрама”.

Действительно, температура плазмы может достигать 20.000°C и более, что много выше, чем, например, температура ацетиленокислородного пламени (около 3000°C). Однако, температура пламени имеет очень мало общего с температурой напыляемых частиц. Не углубляясь в физику взаимодействия горячего газа с твердыми частицами, скажем только, что это взаимодействие очень сложное и зависит от большого количества параметров, в числе которых не только температура газа, его скорость, длина факела и размер частиц, но и химические составы газа и частиц. К тому же, решающее значение для передачи тепла от факела к частицам имеет не абсолютная температура пламени, а его светимость. Так, например, более горячее, но почти невидимое водородно-кислородное пламя нагревает частицы гораздо хуже, чем более холодное, но яркое (из-за светящихся нано частиц углерода) ацетилено-кислородное пламя. Светимость факела плазмы зависит от состава плазмообразующего газа, от размера и состава частиц, проходящих сквозь него. Интересно, что во многих случаях эта светимость меньше, чем у ацетиленокислородного пламени и ее приходится увеличивать разными способами, только чтобы придать частицам хотя бы минимальную необходимую температуру. Так как длина пламени газопламенных устройств также часто превышает длину факела плазмы, получается «парадокс»: грубозернистые металлические порошки нагреваются в устройствах порошкового газопламенного напыления сильнее, чем в более мощных и «горячих» устройствах плазменного напыления.

2. “Скорость частиц при плазменном напылении недостаточна для получения плотных покрытий”.

Скорость потока газа и частиц в нем определяется не принципом образования пламени, а исключительно конструкцией устройства. В настоящее время существуют промышленные устройства плазменного напыления с соплом Лаваля, обеспечивающие частицам сверхзвуковую скорость.

3. “Для напыления металлов годятся только дорогостоящие установки вакуумного плазменного напыления, а установки атмосферного плазменного напыления непригодны из-за окисления металлических частиц”.

Подобное утверждение приходится, как ни странно, слышать довольно часто, даже от людей, практически занимающихся плазменным напылением, особенно применительно к покрытиям из MCrAlY для лопаток газовых турбин. На самом же деле, в этом утверждении происходит типичная подмена понятий: чисто металлические покрытия из легкоплавких никелевых сплавов, полученные вакуумным плазменным напылением (VPS), действительно лучше атмосферно напыленных (APS), но не из-за окисления частиц в плазме, а совсем по другой причине, о которой будет рассказано в разделе, посвященном вакуумному плазменному напылению. Окисление же металлических частиц в обоих этих способах происходит одинаково.

Устройства атмосферного плазменного напыления ничем не отличаются от устройств вакуумного плазменного напыления. Разница не в самих устройствах, а в способе организации процесса напыления: атмосферное напыление проводится на воздухе, а при вакуумном напылении и плазматрон, и напыляемая деталь находятся в вакуумной камере под разряжением. Понятно, что атмосферное напыление гораздо доступнее и дешевле вакуумного, к тому же для больших деталей вакуумное напыление становится просто невозможным из-за нереального размера вакуумной камеры. Сами же плазматроны могут использоваться как для атмосферного, так и для вакуумного напыления.

Чтобы понятнее объяснить особенности плазменного напыления, перейдем к рассмотрению разных конструкций, существующих на сегодняшний день.

Установки плазменного напыления

Устройства плазменного напыления отличаются большим разнообразием конструкций. Будем рассматривать их от самых «традиционных» до самых «продвинутых».

Наиболее распространенные устройства, – это устройства с одним катодом и одним анодом, и с вводом порошка снаружи короткого сопла, перпендикулярно к оси пламени.

Принцип действия таких устройств показан на схеме (рисунок 28):

Рис. 28. Принцип плазменного напыления.

Как видно из схемы, короткое сопло плазматрона одновременно является анодом. Порошок вводится снаружи сопла перпендикулярно оси пламени, в непосредственной близости от дуги.

Самое популярное устройство этого типа, – плазматрон 3MB фирмы Sulzer Metco, который, с небольшими модификациями, существует уже больше 40 лет. На рисунке 29 представлены актуальные модели этой серии с максимальной мощностью 40 кВт.

Рис. 29. Плазматрон 3MB.

Несколько более новое и мощное (55 кВт) однокатодное устройство, – плазматрон F4, показанный на рисунке 30.

Рис. 30. Плазматрон F4.

Устройство 9MB, – один из самых мощных однокатодных плазматронов традиционного типа (80 кВт при токе 1000 А и напряжении 80 В) производится также фирмой Sulzer Metco (рисунок 31):

Рис. 31. Плазматрон 9MB

Традиционные однокатодные плазматроны других фирм мало отличаются от плазматронов Sulzer Metco: все они работают при относительно малом расходе газов, низком (< 100 В) напряжении и большом (до 1000 А) токе дуги. Ни один из традиционных плазматронов не позволяет достичь частицам скорости звука.

Достоинством плазматронов с небольшим расходом газов является возможность придания частицам очень высокой температуры (> 4000°C) из-за относительно долгого времени их пребывания в горячей зоне пламени рядом с дугой. Столь высокие температуры частиц позволяют расплавить практически любые керамические и металлические материалы.

Развитие техники плазменного напыления в последние двадцать лет идет по пути увеличения скорости частиц. Для придания частицам большей скорости необходимо увеличить давление плазмообразующих газов перед соплом, что автоматически приводит к повышению расхода газов и росту напряжения дуги.

Современное, мощное (до 85 кВт, ток до 379 А, напряжение до 223 В) устройство с одним катодом и анодом – это плазматрон 100HE американской фирмы Progressive Technologies Inc., который, благодаря большому давлению и расходу плазмообразующих газов, позволяет достичь скоростей частиц – близких к скорости звука (рисунок 32):

Рис. 32. Плазматрон 100HE.

Из-за высокой скорости плазмообразующего газа уменьшается время пребывания частиц в горячей зоне пламени и, соответственно, их температура. Для противодействия этому необходимо увеличивать мощность дуги и использовать в плазмообразующем газе большое количество водорода, который, благодаря процессу диссоциации-ассоциации молекул, удлиняет горячую зону пламени. Таким образом, плазматрон 100HE реализует температуру частиц, с размером 20-30 мкм, выше 2300°C при скорости около 250 м/сек, что делает возможным напылять покрытия из Cr 3 C 2 – NiCr, Cr 2 O 3 и Al 2 O 3 с малой пористостью.

Вторым направлением развития, в комбинации с увеличением расхода газов, является деление одной дуги на три части, которое позволяет улучшить стабильность и равномерность факела пламени, уменьшить износ электродов и увеличить суммарную мощность пламени. Типичным примером такого устройства является новейший плазматрон TriplexPro TM -210 фирмы Sulzer Metco с одним анодом и тремя катодами, максимальной мощностью 100 кВт (рисунок 33):

Рис. 33. Плазматрон TriplexPro TM .

1 – задняя часть корпуса; 2 – анодный стек; 3 – передняя часть корпуса; 4 – изолятор; 5 – накидная гайка; 6 – три катода в керамическом блоке; 7 – элемент анодного стека; 8 – канал плазмы; 9 – насадка с тремя порошковыми дюзами.

Технология Triplex от Sulzer Metco вошла в практику термического напыления в 90-х годах. Эти устройство обладают, по сравнению с плазматронами с одной дугой, существенно большим ресурсом и стабильностью результатов напыления. Для многих коммерческих порошков плазматроны Triplex позволяют также улучшить производительность и КПД напыления при сохранении качества покрытия.

Фирмой GTV GmbH выпущено, в обход патента Sulzer Metco на трехкатодные плазматроны, устройство GTV Delta с одним катодом и тремя анодами, которое, в принципе, является ухудшенной компиляцией TriplexPro (рисунок 34):

Рис. 34. Плазматрон GTV Delta.

Последнее, третье направление развития – это отказ от радиального ввода порошка в пользу гораздо более рационального – осевого. Ключевой элемент конструкции плазматрона с осевым вводом порошка – Convergens был изобретен в 1994 году американцем Люсьеном Богданом Дэльча (Delcea, Lucian Bogdan).

В настоящее время существует только одно подобное устройство, – плазматрон Axial III, максимальной мощностью 150 кВт, производства канадской фирмы Mettech, которое объединяет собой все три направления развития (большой расход газов, три дуги и осевой ввод порошка). Установки плазменного напыления с плазматроном Axial III производятся и распространяются также немецкой фирмой Thermico GmbH.

На рисунках 35, 36 и 37 изображено само устройство Axial III и его конструктивная схема:

Рис. 35. Плазматрон Axial III.

Рис. 36. Вид на устройство Axial III со стороны сопла.

Рис. 37. Принципиальная схема Axial III.

Все современные установки плазменного напыления являются автоматическими, то есть, управление источниками тока, системой водяного охлаждения и расходом газов регулируется системой ЧПУ с визуализацией и сохранением рецептов на компьютере. Так, например, плазматрон Axial III поставляется фирмой Thermico GmbH в комплекте с компьютеризированной системой управления, самостоятельно проводящей зажигание дуг и выход на рабочий режим, выбор рецептов напыления, и осуществляющей контроль всех основных параметров: расхода трех плазмообразующих газов (аргона, азота и водорода), токов дуг, параметров системы водяного охлаждения. Эта же автоматическая система управляет и порошковым питателем.

О порошковом питателе Thermico нужно сказать особо. Это, наиболее «продвинутое» на сегодняшний день в мире устройство позволяет не только постоянно регулировать массовый расход порошка и расход несущего газа (азота или аргона), но и допускает использование тонкозернистых порошков с плохой сыпучестью, непригодных, например, для питателей фирмы Sulzer Metco.

Автор лично, в течение долгого времени работал с плазматроном Axial III и может из своего опыта сказать, что несмотря на некоторые конструктивные недоработки, этот плазматрон представляет собой самое прогрессивное устройство термического напыления, объединяющее достоинства высокоскоростного напыления с высокой температурой строго восстановительного пламени. Главное же достоинство Axial III состоит в осевом вводе порошка.

Достоинства осевого ввода порошка

Осевой ввод порошка – это качественный скачок в технике плазменного напыления. Дело тут не только в том, что при осевом вводе значительно уменьшаются потери порошка, но и в том, что открываются возможности напыления совсем других порошковых материалов, непригодных для радиального ввода. Так как этот аспект является принципиально важным для понимания следующих разделов, остановимся на нем подробнее.

Итак, что же происходит при радиальном вводе порошка в струю пламени на выходе из сопла? Перечислим недостатки такого ввода:

1. Для радиального ввода пригодны только очень узкофракционные порошки, для которых необходимо точно подбирать давление несущего газа. Что это значит?: При недостаточном давлении несущего газа частицы порошка будут «отскакивать» от струи пламени, при слишком высоком давлении несущего газа они будут «простреливать» это пламя насквозь; если же порошок состоит из частиц разного размера, то подобрать «правильное» давление несущего газа в принципе невозможно: самые мелкие частицы будут всегда «отскакивать», а самые крупные – всегда «простреливать», то есть, ни тех ни других частиц в напыляемом покрытии не будет, а будут только какие-то «средние» частицы. Особенно трудно вводятся мелкозернистые порошки из-за их повышенного рассеяния несущим газом (типичное облако пыли вокруг факела).
2. При радиальном вводе порошка нельзя использовать в порошковой смеси не только частицы разных размеров, но и разных плотностей (разных масс) по той же причине: более тяжелые частицы пролетают сквозь пламя легче более легких. Таким образом, попытка использования сложных порошковых смесей приведет к искажению состава покрытия по сравнению с составом порошковой смеси.
3. Увеличение скорости плазмообразующих газов усложняет радиальный ввод порошка, так как дополнительно сужаются интервалы необходимых давлений несущего газа и распределения частиц по размерам. На практике это означает следующее: чем выше скорость пламени, тем меньше КПД напыления при радиальном вводе порошка. Ввести же весь порошок в пламя без потерь невозможно ни при каких обстоятельствах.
4. Расположение порошковых дюз рядом с горячей зоной пламени вызывает их разогрев, компенсирующийся только охлаждением газом, несущим порошок. Если же скорости охлаждающего газа недостаточно для охлаждения, то частицы порошка могут налипать на края отверстия дюз, образуя натеки. Налипшие куски периодически отрываются от дюзы, попадают в пламя и вызывают характерный дефект – «плевание», приводящий к образованию грубых пористых включений в покрытии. Так как скорость истечения несущего газа строго связана с параметрами пламени (см. пункт 1), то возникает проблема: для некоторых порошков просто не существует параметров, убирающих эффект «плевания», особенно если эти порошки легкоплавкие и/или мелкозернистые.

Переход на осевое введение порошка позволяет полностью избавиться от вышеперечисленных проблем:

1. Давление и скорость несущего газа больше не привязаны к параметрам пламени и порошка. Единственное условие, – давление несущего газа должно быть несколько выше давления плазмообразующего газа в сопле в месте ввода порошка. За счет осевого ввода, любой порошок полностью захватывается пламенем.
2. Всегда можно подобрать такое давление несущего газа, при котором «плевания», связанного с налипанием порошка на край отверстия порошковой дюзы происходить не будет.
3. Возможно использование порошковых смесей любой сложности и фракционного состава. Частицы разных размеров будут приобретать различные скорости и температуры, но все, в итоге, примут участие в образовании покрытия. То, что мелкие частицы при осевом вводе в пламя плазмы становятся значительно горячее крупных, открывает новые возможности для дизайна порошковых смесей. Созданию таких полифракционных композиций посвящена основная часть этой книги.

Автору очень повезло, что в его распоряжении в течение многих лет находился плазматрон Axial III с осевым вводом порошка. Если бы не это, то создание новых многокомпонентных покрытий было бы просто невозможно.

Сводная таблица устройств термического напыления

Для обобщения, прямого сравнения и систематизации всех способов термического напыления сопоставим свойства типичных устройств, а также их примерные цены в одной таблице (таблица 2):

Таблица 2. Сравнение устройств термического напыления .

* Нумерация способов:

1. Газопламенное напыление проволокой
2. Газопламенное напыление порошком
3. Сверхзвуковое газопламенное напыление проволокой
4. Сверхзвуковое газопламенное напыление порошком (HVOF и HVAF)
5. Холодное напыление порошком
6. Детонационное напыление порошком
7. Электродуговое напыление проволокой
8. Плазменное напыление порошком (APS и VPS)