Способы плазменного напыления и применяемые материалы

 
 

Способы плазменного напыления  и применяемые  материалы

               
 

                      Плазменное напыление является одним из способов газотермического нанесения покрытий. В основе этого процесса лежит нагрев напыляемого материала до жидкого или пластического состояния, перенос его высокотемпературной плазменной струей к подложке с последующим образованием слоя покрытия.

При плазменном напылении в качестве напыляющих материалов применяют порошки, проволоки, прутки. Наиболее широко распространено напыление порошками. Схема плазменного напыления с использованием порошковых материалов показана на рис. 1. В плазмотроне, состоящем из водоохлаждаемого катодного узла (катод 2 и корпус 3) и анодного узла, с помощью источника 9 постоянного сварочного тока возбуждается плазменная дуга 8. которая стабилизируется стенками канала сопла и плазмообразующим газом, поступающим через подвод 7. Порошок подают из порошкового питателя 6 с помощью газа, который поступает по подводу 7 .

                Температура плазменной струи достигает 5000-55 000 С, а скорость истечения — 1000-3000м/с. В плазменной струе частицы порошка расплавляются и приобретают скорость 50—500 м/с. Скорость полета частиц порошка зависит от их размера, плотности материала, силы сварочного тока дуги, природы и расхода плазмообразующего газа, конструкции плазмотрона. Порошок вводят в плазменную струю ниже среза сопла, на срез сопла или непосредственно в сопло. Нагрев напыляемых деталей не превышает             100-200°С.

 

                    К преимуществам способа плазменного напыления относят возможность получения покрытий из большинства материалов, плавящихся без разложения и ограничения по температуре плавления. Производительность плазменного напыления достаточно высока: 3-20 кг/ч для плазмотронов с электрической мощностью 30-40 кВт и 50-80 кг/ч для плазмотронов мощностью 150-200 кВт.

                  Плазменным напылением наносят покрытия как на плоские поверхности, так и на тепа вращения и криволинейные поверхности. Для покрытия характерна слоистая структура с высокой неоднородностью физических и механических свойств (рис. 2). Тип связей между покрытием и деталью (подложной), а также между частицами покрытия обычно смешанный — механическое сцепление, сила физического и химического взаимодействий. Прочность сцепления покрытия с подложкой обычно составляет          10-50 МПа при испытаниях на нормальный отрыв.

                  Физические особенности формирования покрытий обуславливают появление открытой и закрытой пористостей. По мере увеличения толщины наносимого слоя открытые поры перекрываются, и пористость покрытия снижается. Поэтому плотность плазменных покрытий отличается от плотности материала и колеблется в пределах        80-97%. Обычно пористость плазменных покрытий составляет 10—15%.

Толщина покрытия практически не ограничена возможностями  самого способа. Однако в силу физических особенностей процесса образования покрытий с увеличением толщины наносимого слоя в нем возрастают внутренние напряжения, которые стремятся оторвать покрытие от подложки. Поэтому обычно толщина покрытия не превышает 1 мм. Конструктивную нагрузку несет материал детали, а материал покрытия придает поверхности детали такие свойства, как твердость, износостойкость и т. п.

В качестве плазмообразующих газов применяют аргон, азот высокой чистоты, водород, гелий, а также смеси этих и других газов. В последние десятилетия успешно развиваются процессы плазменного напылении с использованием в качестве плазмообразующего газа смеси воздуха с горючим углеводородным газом (метаном, пропан-бутаном).

 
 

                     В практике напыления применяют как однородные порошки различных материалов (металлов, сплавов, оксидов, бескислородных тугоплавких соединений), так и композиционные, а также механические смеси указанных материалов (24J.

Наиболее распространены следующие порошковые материалы:

•     металлы— Ni, Al, Mo, Ti, Cr, Сu;

•     сплавы— легированные сгали, 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-Ai и др.),

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

•     механические смеси — Cr₃C₂+NiCr, NiCrBSi+Cr₃C₂ и др. 

                     В качестве напыляемого материала при плазменном напылении используют также проволоки. Плазменное напыление с распылением проволоки (рис. 3) осуществляют двумя способами: нейтральной проволокой и проволокой-анодом, в первом случае нагрев, плавление и распыление нейтральной проволоки осуществляют плазменной струей, а во втором — на проволоку-анод подают положительный потенциал источника питания дуги, а нагрев и плавление проволоки происходят преимущественно за счет выделения теплоты в анодном пятне. Плазменная струя, в основном, выполняет функции распыления.

                       На рис. 4 показана схема плазменно-дугового напыления покрытий токоведущей проволокой с одновременной зачисткой слоев металлической щеткой. Напыление осуществляют слоями толщиной 0,05-0.10 мм с одновременной обработкой каждого последующего слоя специальной вращающейся металлической щеткой. Непрерывная механическая обработка поверхностного слоя основы, совмещенная во времени с процессом напыления, обеспечивает благоприятные условия для напыления покрытий большой толщины (15-20 мм).Прочность покрытия на отрыв 40-55 МПа. Плотность покрытия, полученного путем распыления проволок из стали 65Г, — 93-96% плотности исходного материала, а покрытия из проволоки 04Х20Н11МЗДТ — 98%. Пористость покрытий 1-4% Производительность процесса 2-10 кг/ч.

Подготовка  поверхности деталей  к нанесению плазменных покрытий 

                      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. Скорость перемещения 2...30 мм/сек, расстояние между плазмотроном и изделием 100...150 мм, диаметр пятна напыления 10...25 мм, толщина покрытия 0,05...1,0 мм. Температура нагрева деталей при плазменном напылении не превышает 100...150° С. Плазмообразующим газом являются, как правило, аргон или воздух. Расход аргона 15...20 л/мин. В качестве порошкового материала, формирующего покрытие, используются различные материалы и сплавы, тугоплавкие соединения, оксиды, полимеры и их композиции размером частиц до 100 мкм.

                 Степень очистки поверхности деталей от загрязнения во многом определяет качество нанесенных покрытий. Наличие на поверхности грязи, оксидных пленок, масла, уменьшается прочность сцепления покрытия с металлом детали, и это может послужить причиной неисправимого брака. Особое внимание уделяют восстанавливаемым деталям, имеющим почвенные загрязнения, остатки топливно-смазочных материалов, продукты коррозии и др. Очистку производят различными способами: механическим, струйным, погружением, циркуляционным, комбинированным и др.                    

                         При подготовке поверхность обезжиривают органическими растворителями, моющими составами, щелочными растворами и эмульсиями по ГОСТ 9-402-80, затем промывают водой. После этого детали сушат в сушильном шкафу при температуре 60-150 С или обдувают сжатым воздухом.

В отдельных  случаях применяют обезжиривание  с помощью протирочного материала, смоченного уайт-спиритом или бензином, с соблюдением соответствующих правил промсанитарии и противопожарной безопасности. Детали, содержащие глубокие пазы, масляные каналы и другие места, затрудняющие удаление загрязнений, кроме поверхностного обезжиривания подвергают нагреву в печи при температуре 220-340 °С в течение 2-3 ч для выгорания масла.

           Предварительная обработка деталей перед напылением включает также активацию поверхности, которая состоит в создании определенной шероховатости, влияющей на прочность сцепления посредством изменения интенсивности физико-химического взаимодействия контактирующих материалов. Механическое сцепление напыляемых частиц с основой происходит за счет их растекания и заклинивания. Поэтому прочность сцепления во многом определяется параметрами шероховатости поверхности (Ra — среднеарифметическое отклонение профиля микрорельефа; Rz — высота неровностей микрорельефа).

Установлено, что  прочность сцепления покрытия при  различных способах предварительной  обработки основы изменяется. Деформирование и растекание напыляемых частиц на шероховатой поверхности зависит  от топографии поверхности и, прежде всего, от шага неровностей. Если впадина слишком узкая, то напыляемая частица будет затекать в смежную впадину, при слишком широкой впадине малые напыляемые частицы могут не заклиниваться в ней и разбрызгиваться. Покрытие формируется преимущественно в канавках. На выступах образуется спой относительно меньшей толщины.

               Контроль качества плазменного напыления осуществляется визуально по наличию покрытия, а также по результатам адгезионных испытаний на образцах-свидетелях и др. методами.

  Основные  требования безопасности при плазменного напыления: наличие вытяжной вентиляционной системы и защита органов зрения от излучения.

                    

  Отличительные особенности плазменного напыления . По сравнению с аналогами - газопламенным, электродуговым и детонационным напылением, процессами наплавки и осаждения, данный процесс имеет ПРЕИМУЩЕСТВА:

• эффективное управление энергетическими характеристиками напыляемых частиц и условиями формирования покрытия за счет гибкости регулирования параметров и режимов работы плазмотрона;
• высокие коэффициент использования порошка (до 85%), прочность сцепления покрытия с основой (до 60 МПа), низкая пористость;
• высокая производительность процесса;
• универсальность за счет получения покрытий из большинства материалов без ограничения их температур плавления;
• нанесение покрытия на изделия, изготовленные практически из любого материала;
• отсутствие ограничений по размерам напыляемых изделий;
• низкое термическое воздействие на напыляемую основу, что позволяет избежать деформаций, изменений размеров изделий, а также исключить нежелательные структурные превращения основного металла;
• нанесение покрытия на локальные поверхности;
• получение регламентированной однородной пористости покрытия для использования в условиях работы со смазкой поверхностей скольжения;
• положительное влияние на усталостную прочность основы, за счет получения при плазменном напылении слоистой структуры покрытия, в отличие от столбчатой, образующейся при осаждении из газовой или паровой фазы, диффузионном насыщении;
• нанесение покрытия с минимальными припусками для последующей механической обработки;
• возможность использования для формообразования деталей (плазменное напыление производят на поверхность формы- оправки, которая после окончания процесса удаляется, остается оболочка из напыленного материала);
• уменьшенный уровень шума и излучения;
• надежность и стабильность оборудования, высокий ресурс элементов плазмотрона, за счет оптимизации условий охлаждения и обеспечения плавного нарастания и падения тока;
• низкий расход аргона;
• маневренность и возможность автоматизации процесса.

 

                                       К основным недостаткам метода нанесения покрытий напылением можно отнести:

• высокий шум,
• ультрафиолетовое излучение,
• образование вредных для здоровья работающих соединений напыляемого материала с воздухом, которое сопровождает процесс напыления.

 
 
 

  Установка для плазменного напыления включает: распылитель (плазмотрон), источник питания, газораспределительную систему, механизм подачи материала, система охлаждения, пульт управления и различные  элементы оснастки.

  Плазмотрон  — газоразрядное устройство, служащее для нанесения плазменных покрытий. Наиболее важным элементом плазмотрона  является сопло, от конструкции которого зависит длина дуги, стабильность ее горения, а также скорость и  характер истечения струи. Сопловой (анодный) узел через электроизоляционный  блок стыкуется с катодным узлом, представляющим собой стержневой электрод, изготовленный из вольфрама с  добавкой тория, иттрия или лантана. Отрицательный вывод источника  постоянного тока присоединяется к  вольфрамовому стержню-катоду, а  положительный к соплу-аноду. Плазмообразующий газ подается во внутреннюю межэлектродную камеру, образованную медным соплом-анодом и вольфрамовым электродом.

  Для возбуждения дуговой плазмы напряжения, прикладываемого к электродам, недостаточно. Поэтому для возбуждения дуги прибегают к дополнительным мероприятиям, обеспечивающим возникновение ионизированных частиц в межэлектродном пространстве. Для возбуждения плазменной струи  обычно используют высокочастотную  искру, которую получают от осциллятора, встроенного в источник питания. Генератор высокой частоты дает первоначальный импульс, от которого газ  возбуждается. Между полюсами загорается дуга, поддерживающая уровень ионизации.

  Плазменная  струя оформляется медным соплом. Благодаря охлаждающему действию стенок сопла, наружные слои столба деионизируются и сечение ионизированной части столба уменьшается. Это приводит к повышению напряжения дуги и значительному увеличению плотности тока в столбе дуги. Плазменная струя обжимается еще магнитным полем, создаваемым самим потоком заряженных частиц в плазме. Обжатие плазменной струи ведет к росту ее температуры. Нагретый ионизированный поток газа выносится с высокой скоростью из сопла в виде светлой, светящейся плазменной струи.