Плазменное напыление

Наиболее перспективным методом нанесения защитных покрытий является плазменное напыление, при котором нагрев, плавление, диспергирование и перенос напыляемого материала осуществляются плазменной струей, полученной нагревом потока газа в электрическом дуговом разряде. Сжатие дуги в плазмотроне обеспечивает повышение температуры плазменной струи до 10000…15000 К. Нагрев и расширение газа позволяют получить скорость плазменной струи, приближающуюся к скорости звука, а в некоторых случаях превышающую ее. Высокие температура и скорость струи позволяют напылять покрытия из любых материалов: металлов и сплавов, керамических материалов, таких как оксиды, карбиды, бориды, нитриды, и композиционных материалов. В качестве плазмообразующих газов используют аргон, азот и их смеси с водородом и гелием. Энергетические параметры плазменной струи можно регулировать в широких пределах подбором газов, параметров дугового разряда, расходом газов, геометрией сопел и катодов (рис. 1).

Рис. 1. Схема (а) и реальный процесс (б) плазменно-порошкового напыления поверхностей деталей: 1 – корпус плазмотрона; 2 – вольфрамовый электрод; 3 – охлаждаемый анод; 4 – канал подачи газа; 5 – канал подачи порошка; 6 – плазменная струя; 7 – напыляемая поверхность

Физическое взаимодействие напыляемой частицы с основой происходит на атомарном, ионном и молекулярном уровнях. При сближении атомов напыляемого материала и основы на расстояние примерно до 10–9 м возникают силы молекулярного взаимодействия Ван дер Ваальса. Если сблизить атомы на расстояние 10–10 м, то образуется химическая связь. В условиях плазменного напыления, когда скорость частицы в полете составляет 100…150 м/с, при соударении в течение 10–8…10–9 секунды возникает импульсное давление до 1500 Па, в результате чего происходит растекание жидкой компоненты частицы и активизация процесса взаимодействия ее с основой. Вследствие этого метод плазменного напыления обеспечивает высокую адгезионную прочность покрытий из тугоплавких керамических материалов.

Высокая температура плазменной струи и возможность менять ее в широком диапазоне подбором диаметра сопла и режимов работы позволяют производить напыление самых различных материалов: от легкоплавких металлов до тугоплавких керамических материалов. При этом поверхность изделия нагревается не выше 100…200 °С, что исключает ее деформацию. Покрытия, полученные плазменным напылением, имеют высокую плотность и хорошее сцепление с поверхностью детали.

По сравнению с аналогами – газопламенным, электродуговым и детонационным напылением, процессами наплавки и осаждения

• процесс плазменного напыления имеет следующие 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;
• 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);
• надежность и стабильность оборудования, высокий ресурс элементов плазмотрона за счет оптимизации условий охлаждения и обеспечения плавного нарастания и спада тока;
• низкий расход аргона;
• маневренность и возможность автоматизации процесса.

Плазменное напыление достаточно широко применяется для восстановления и упрочнения поверхностей деталей во многих отраслях промышленности. В автомобилестроении с помощью плазменного напыления обрабатывают коленчатые валы, поворотные цапфы, втулки-шестерни коробки передач, оси коромысел, посадочные отверстия картера КПП, кулачки распределительных валов, ступицы маховиков двигателя, валы водяных насосов и вентиляторов, головки цилиндров, поршневые кольца, диски сцепления, выхлопные клапаны, рычаги управления, вилки переключения коробки передач, тормозные барабаны, шаровые пальцы рулевого управления, глушители, крылья и т. п.

Технологический процесс плазменного напыления (рис. 2) представляет собой последовательность операций, начиная от подготовки напыляемого материала и заканчивая контролем качества напыленного покрытия по толщине слоя, степени адгезии с основой и плотности покрытия.

В качестве плазмообразующих газов при напылении материалов используют аргон, гелий, азот, водород и их смеси. Плазмообразующие газы не содержат кислорода, поэтому не окисляют материал и напыляемую поверхность. Водород в чистом виде практически не применяется 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 Аr + Н2. Вид плазмообразующего газа выбирают исходя из требуемой температуры,

теплосодержания и скорости потока, его степени инертности к распыляемому материалу и восстанавливаемой поверхности. Следует учитывать, что плазма двухи многоатомарных газов по сравнению с одноатомарными содержит больше тепла при одинаковой температуре, потому что ее энтальпия определяется тепловым движением атомов, ионизацией и энергией диссоциации.

Рис. 2. Технологическая схема нанесения покрытия

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 токоведущей или нет. Напыляемую деталь в цепь нагрузки не включают.

Оборудование для плазменного напыления состоит обычно из одного или двух серийных сварочных источников питания, плазмотрона и порошкового дозатора. В качестве источника питания используются установки плазменной сварки и наплавки типа УПНС-304, плазменной обработки УПУ-3Д, УПО-302, УПВ-301 и сварочные выпрямители ВД-201, ВД-306, ВДУ-506 и др. Плазмотрон (мощностью до 25 кВт) и порошковый дозатор обычно изготавливаются по оригинальным конструкторским разработкам.

Комплекс плазменного напыления УПУ-3Д

Комплекс предназначен для нанесения износостойких, фрикционных, изоляционных и других специальных покрытий на поверхности деталей методом плазменного напыления порошковых материалов. В качестве плазмообразующих газов используются аргон и смесь аргона с водородом.

В комплекс для напыления входят следующие агрегаты:

• установка плазменного напыления УПУ-3Д, включающая шкаф управления и источник питания ИПН 160/600 (рис. 3);

Рис. 3. Установка для плазменного напыления УПУ-3Д

— плазмотрон ПП-25 (ПП-6-01; ПП-21) (рис. 4);

• дозатор порошковых материалов;
• баллоны с газом «Аргон» и «Водород»;
• автономная система охлаждения плазмотрона и источника питания;
• прибор для измерения температуры охлаждающей жидкости;
• стойка для баллонов;
• редукторы, шланги соединительные;
• платформа для размещения и транспортировки агрегатов комплекса.

Рис. 4. Плазмотроны для плазменно-порошкового напыления: а – высокопроизводительный плазмотрон ПП-6-01; б – для напыления в труднодоступных местах ПП-21

Основные технические характеристики