Tecnología y proceso de pulverización por plasma. Pulverización por arco de plasma Tecnología de pulverización por plasma

Entonces, ¿cuál es el principio de la pulverización por plasma? En todos los dispositivos de pulverización por plasma, el polvo adquiere temperatura y velocidad en una corriente de gas caliente creada por un plasmatrón. A su vez, un plasmatrón o generador de plasma es un dispositivo inventado en la década de 1920, en el que un arco eléctrico que arde entre el cátodo y el ánodo en un volumen limitado (boquilla) se infla con un gas inerte y crea una antorcha de llama de reducción de alta temperatura. .

¿Por qué este principio es tan atractivo para resolver problemas de pulverización térmica? Precisamente porque la llama del plasmatrón es muy caliente y siempre estrictamente reductora; la presencia de oxígeno en el plasmatrón está estrictamente prohibida debido a la rápida destrucción, de lo contrario, de los materiales de los electrodos (la presión parcial de oxígeno en los gases formadores de plasma está determinada por su pureza y no debe ser superior al 0,004%). La antorcha de plasmatrón, cuando se usa correctamente, no solo puede restaurar la superficie metálica activa de las películas de óxido en las partículas rociadas, sino también limpiar la superficie del sustrato mismo de los óxidos. Esta oportunidad la brinda exclusivamente el método de pulverización por plasma.

Con respecto a la pulverización por plasma, entre los teóricos y profesionales de la pulverización térmica existen una serie de prejuicios que, en la mayoría de los casos, no están asociados con el proceso como tal, sino con una mala comprensión de la esencia del proceso de pulverización, fallas en el diseño de dispositivos específicos. y su uso incorrecto. Analicemos estos prejuicios:

1.“La llama de plasma es demasiado caliente y, por lo tanto, sólo es adecuada para pulverizar metales refractarios y materiales cerámicos de óxido. Una temperatura demasiado alta provoca la evaporación de parte del polvo y la destrucción del cromo y los carburos de tungsteno”.

De hecho, la temperatura del plasma puede alcanzar los 20.000°C o más, lo que es mucho más alto que, por ejemplo, la temperatura de una llama de oxiacetileno (aproximadamente 3.000°C). Sin embargo, la temperatura de la llama tiene muy poco que ver con la temperatura de las partículas pulverizadas. Sin profundizar en la física de la interacción del gas caliente con partículas sólidas, solo diremos que esta interacción es muy compleja y depende de una gran cantidad de parámetros, entre ellos no solo la temperatura del gas, su velocidad, la longitud del antorcha y el tamaño de las partículas, pero también la composición química del gas y de las partículas. Además, no es la temperatura absoluta de la llama, sino su luminosidad, lo que es decisivo para la transferencia de calor de la antorcha a las partículas. Por ejemplo, una llama de hidrógeno-oxígeno más caliente pero casi invisible calienta las partículas mucho peor que una llama de acetileno-oxígeno más fría pero más brillante (debido a las nanopartículas de carbono brillantes). La luminosidad de una columna de plasma depende de la composición del gas formador de plasma y del tamaño y composición de las partículas que lo atraviesan. Es interesante que en muchos casos esta luminosidad es menor que la de una llama de oxígeno-acetileno y tiene que aumentarse de varias maneras solo para dar a las partículas al menos la temperatura mínima requerida. Dado que la longitud de la llama de los dispositivos de llama de gas también suele exceder la longitud de la antorcha de plasma, se produce una "paradoja": los polvos metálicos de grano grueso se calientan más en los dispositivos de pulverización de llama de polvo que en los dispositivos de pulverización de plasma más potentes y "calientes". .

2. "La velocidad de las partículas durante la pulverización de plasma no es suficiente para producir recubrimientos densos".

El caudal de gas y partículas que contiene no está determinado por el principio de formación de la llama, sino únicamente por el diseño del dispositivo. Actualmente, existen dispositivos industriales de pulverización de plasma con boquilla Laval que proporcionan partículas con velocidad supersónica.

3. "Para la pulverización de metales sólo son adecuados los costosos aparatos de pulverización por plasma al vacío, mientras que los aparatos de pulverización por plasma atmosférico no son adecuados debido a la oxidación de las partículas metálicas".

Curiosamente, esta afirmación se oye con bastante frecuencia, incluso entre personas que prácticamente se dedican a la pulverización por plasma, especialmente en relación con los recubrimientos MCrAlY para álabes de turbinas de gas. De hecho, en esta afirmación hay una sustitución típica de conceptos: los recubrimientos puramente metálicos hechos de aleaciones de níquel de bajo punto de fusión obtenidos mediante pulverización de plasma al vacío (VPS) son realmente mejores que la pulverización atmosférica (APS), pero no debido a la oxidación de partículas en el plasma, pero otra razón completamente diferente, que se discutirá en la sección sobre pulverización de plasma al vacío. La oxidación de partículas metálicas en ambos métodos ocurre de la misma manera.

Los dispositivos de pulverización de plasma atmosférico no se diferencian de los dispositivos de pulverización de plasma al vacío. La diferencia no está en los dispositivos en sí, sino en la forma en que se organiza el proceso de deposición: la deposición atmosférica se realiza en el aire, pero con la deposición al vacío tanto el plasmatrón como la pieza que se pulveriza se encuentran en una cámara de vacío al vacío. Está claro que la deposición atmosférica es mucho más accesible y económica que la deposición al vacío; además, para piezas grandes, la deposición al vacío se vuelve simplemente imposible debido al tamaño irreal de la cámara de vacío. Los propios plasmatrones se pueden utilizar tanto para la deposición atmosférica como al vacío.

Para explicar más claramente las características de la pulverización por plasma, pasemos a considerar los diferentes diseños que existen en la actualidad.

Plantas de pulverización de plasma

Los dispositivos de pulverización de plasma vienen en una amplia variedad de diseños. Los consideraremos desde los más “tradicionales” hasta los más “avanzados”.

Los dispositivos más comunes son los que tienen un cátodo y un ánodo, y con el polvo introducido por el exterior de una boquilla corta, perpendicular al eje de la llama.

El principio de funcionamiento de dichos dispositivos se muestra en el diagrama (Figura 28):

Arroz. 28. El principio de la pulverización por plasma.

Como puede verse en el diagrama, la boquilla corta del plasmatrón también es un ánodo. El polvo se introduce fuera de la boquilla perpendicular al eje de la llama, muy cerca del arco.

El dispositivo más popular de este tipo es el plasmatrón de 3 MB de Sulzer Metco, que, con pequeñas modificaciones, existe desde hace más de 40 años. La figura 29 muestra los modelos actuales de esta serie con una potencia máxima de 40 kW.

Arroz. 29. Plasmatrón 3MB.

Un dispositivo de cátodo único ligeramente más nuevo y más potente (55 kW) es el plasmatrón F4, que se muestra en la Figura 30.

Arroz. 30. Plasmatrón F4.

El dispositivo 9MB es uno de los plasmatrones de cátodo único más potentes del tipo tradicional (80 kW con una corriente de 1000 A y un voltaje de 80 V) también producido por Sulzer Metco (Figura 31):

Arroz. 31. Plasmatrón 9MB

Los plasmatrones de cátodo único tradicionales de otras empresas se diferencian poco de los plasmatrones de Sulzer Metco: todos funcionan con un caudal de gas relativamente bajo, bajo (< 100 В) напряжении и большом (до 1000 А) токе дуги. Ни один из традиционных плазматронов не позволяет достичь частицам скорости звука.

La ventaja de los plasmatrones con un bajo caudal de gas es la capacidad de impartir una temperatura muy alta a las partículas (> 4000°C) debido al tiempo relativamente largo que permanecen en la zona caliente de la llama junto al arco. Estas altas temperaturas de las partículas permiten fundir casi cualquier material cerámico y metálico.

El desarrollo de la tecnología de pulverización por plasma en los últimos veinte años ha ido avanzando en el camino del aumento de la velocidad de las partículas. Para dar mayor velocidad a las partículas, es necesario aumentar la presión de los gases formadores de plasma delante de la boquilla, lo que automáticamente conduce a un aumento del flujo de gas y un aumento de la tensión del arco.

Un dispositivo moderno y potente (hasta 85 kW, corriente hasta 379 A, ​​voltaje hasta 223 V) con un cátodo y ánodo es el plasmatrón 100HE de la empresa estadounidense Progressive Technologies Inc., que, gracias a la alta presión y el caudal de los gases formadores de plasma permite alcanzar velocidades de partículas cercanas a la velocidad del sonido (Figura 32):

Arroz. 32. Plasmatrón 100HE.

Debido a la alta velocidad del gas formador de plasma, el tiempo de residencia de las partículas en la zona caliente de la llama y, en consecuencia, su temperatura disminuye. Para contrarrestar esto, es necesario aumentar la potencia del arco y utilizar una gran cantidad de hidrógeno en el gas formador de plasma, que, gracias al proceso de disociación-asociación de moléculas, alarga la zona caliente de la llama. Así, el plasmatrón 100HE detecta la temperatura de partículas con un tamaño de 20-30 micrones por encima de 2300°C a una velocidad de aproximadamente 250 m/s, lo que permite pulverizar recubrimientos de Cr 3 C 2 - NiCr, Cr 2 O 3 y Al 2 O 3 de baja porosidad.

La segunda dirección de desarrollo, combinada con un aumento en el consumo de gas, es la división de un arco en tres partes, lo que mejora la estabilidad y uniformidad de la llama, reduce el desgaste de los electrodos y aumenta la potencia total de la llama. Un ejemplo típico de un dispositivo de este tipo es el último plasmatrón TriplexPro TM -210 de Sulzer Metco con un ánodo y tres cátodos, una potencia máxima de 100 kW (Figura 33):

Arroz. 33. Plasmatron TriplexProTM.

1 – parte trasera del cuerpo; 2 – pila de ánodos; 3 – parte delantera del cuerpo; 4 – aislante; 5 – tuerca de unión; 6 – tres cátodos en un bloque cerámico; 7 – elemento de pila de ánodo; 8 – canal de plasma; 9 – boquilla con tres boquillas de polvo.

La tecnología Triplex de Sulzer Metco entró en la industria de la pulverización térmica en los años 1990. Estos dispositivos tienen, en comparación con los plasmatrones con un solo arco, una vida útil y una estabilidad de los resultados de deposición significativamente más largas. Para muchos polvos comerciales, los plasmatrones Triplex también pueden mejorar la productividad y la eficiencia de la pulverización manteniendo la calidad del recubrimiento.

GTV GmbH ha lanzado, sin pasar por la patente de Sulzer Metco para plasmatrones de tres cátodos, el dispositivo GTV Delta con un cátodo y tres ánodos, que, en principio, es una compilación degradada de TriplexPro (Figura 34):

Arroz. 34. Plasmatrón GTV Delta.

La última, tercera dirección de desarrollo es el abandono de la entrada de pólvora radial en favor de una mucho más racional: la axial. El elemento clave del diseño de un plasmatrón con inyección de polvo axial, Convergens, fue inventado en 1994 por el estadounidense Lucian Bogdan Delcea.

Actualmente sólo existe un dispositivo similar: el plasmatrón Axial III, con una potencia máxima de 150 kW, producido por la empresa canadiense Mettech, que combina las tres direcciones de desarrollo (alto flujo de gas, tres arcos y entrada de polvo axial). La empresa alemana Thermico GmbH también fabrica y distribuye unidades de pulverización de plasma con el plasmatrón Axial III.

Las figuras 35, 36 y 37 muestran el propio dispositivo Axial III y su diagrama de diseño:

Arroz. 35. Plasmatrón Axial III.

Arroz. 36. Vista del dispositivo Axial III desde el lado de la boquilla.

Arroz. 37. Diagrama esquemático de Axial III.

Todas las instalaciones modernas de pulverización por plasma son automáticas, es decir, el control de las fuentes de corriente, el sistema de refrigeración por agua y el flujo de gas se regula mediante un sistema CNC con visualización y almacenamiento de recetas en un ordenador. Por ejemplo, Thermico GmbH suministra el plasmatrón Axial III completo con un sistema de control computarizado que enciende arcos de forma independiente y entra en modo de funcionamiento, selecciona recetas de pulverización y controla todos los parámetros principales: el flujo de tres gases formadores de plasma (argón, nitrógeno e hidrógeno), corrientes de arco, parámetros del sistema de refrigeración por agua. El mismo sistema automático también controla el dosificador de polvo.

Mención especial merece el dosificador de polvo Thermico. Este, el dispositivo más "avanzado" del mundo hoy en día, permite no sólo regular constantemente el flujo másico del polvo y el flujo del gas portador (nitrógeno o argón), sino que también permite el uso de polvos de grano fino con pobre fluidez, inadecuado, por ejemplo, para alimentadores Sulzer Metco.

El autor ha trabajado personalmente con el plasmatrón Axial III durante mucho tiempo y puede decir por su propia experiencia que, a pesar de algunos defectos de diseño, este plasmatrón es el dispositivo de pulverización térmica más avanzado, que combina estrictamente las ventajas de la pulverización de alta velocidad con una alta temperatura. reduciendo la llama. La principal ventaja de Axial III es la entrada axial de polvo.

Ventajas de la entrada de polvo axial

La inyección axial de polvo es un salto cualitativo en la tecnología de pulverización por plasma. La cuestión aquí no es sólo que con la entrada axial se reducen significativamente las pérdidas de polvo, sino también que se abre la posibilidad de pulverizar materiales en polvo completamente diferentes que no son adecuados para la entrada radial. Dado que este aspecto es de fundamental importancia para comprender las siguientes secciones, nos detendremos en él con más detalle.

Entonces, ¿qué sucede cuando se introduce polvo radialmente en el chorro de llama a la salida de la boquilla? Enumeramos las desventajas de dicha entrada:

1. Para la inyección radial sólo son adecuados los polvos de fracciones muy estrechas, para lo cual es necesario seleccionar con precisión la presión del gas portador. ¿Qué significa esto?: Si la presión del gas portador es insuficiente, las partículas de polvo “rebotarán” en el chorro de la llama; si la presión del gas portador es demasiado alta, “atravesarán” esta llama; Si el polvo se compone de partículas de diferentes tamaños, entonces, en principio, es imposible seleccionar la presión "correcta" del gas portador: las partículas más pequeñas siempre "rebotarán", y las más grandes siempre "se dispararán", es decir Es decir, ninguna de estas partículas estará en el recubrimiento pulverizado, sino sólo algunas partículas "promedio". Los polvos de grano fino son especialmente difíciles de introducir debido a su mayor dispersión por el gas portador (una típica nube de polvo alrededor de un soplete).
2. Al introducir polvo radial, es imposible utilizar en la mezcla de polvo no solo partículas de diferentes tamaños, sino también de diferentes densidades (diferentes masas) por la misma razón: las partículas más pesadas vuelan a través de la llama más fácilmente que las más ligeras. Por tanto, intentar utilizar mezclas de polvos complejas dará como resultado una distorsión de la composición de recubrimiento en comparación con la composición de la mezcla de polvos.
3. Un aumento de la velocidad de los gases formadores de plasma complica la inyección radial de polvo, ya que los rangos de presiones del gas portador y distribuciones de tamaño de partículas requeridas se estrechan aún más. En la práctica, esto significa lo siguiente: cuanto mayor sea la velocidad de la llama, menor será la eficiencia de pulverización durante la inyección radial de polvo. Es imposible en ningún caso introducir todo el polvo en la llama sin pérdida.
4. La ubicación de las boquillas de polvo junto a la zona de llama caliente provoca su calentamiento, que se compensa únicamente con el enfriamiento del gas que transporta el polvo. Si la velocidad del gas refrigerante no es suficiente para enfriar, las partículas de polvo pueden adherirse a los bordes de la abertura de la boquilla y formar hundimientos. Las piezas adheridas se desprenden periódicamente de la boquilla, caen en la llama y provocan un defecto característico: "escupir", lo que conduce a la formación de inclusiones porosas gruesas en el revestimiento. Dado que el caudal del gas portador está estrictamente relacionado con los parámetros de la llama (ver punto 1), surge un problema: para algunos polvos simplemente no existen parámetros que eliminen el efecto de "escupir", especialmente si estos polvos son de bajo punto de fusión y /o de grano fino.

Cambiar a la inyección axial de polvo le permite deshacerse por completo de los problemas anteriores:

1. La presión y la velocidad del gas portador ya no están ligadas a los parámetros de la llama y el polvo. La única condición es que la presión del gas portador debe ser ligeramente superior a la presión del gas formador de plasma en la boquilla en el punto de introducción del polvo. Debido a la entrada axial, el polvo es completamente capturado por la llama.
2. Siempre es posible seleccionar una presión del gas portador a la que no se produzcan “salpicaduras” asociadas con el polvo que se pega al borde del orificio de la boquilla de polvo.
3. Es posible utilizar mezclas de polvos de cualquier complejidad y composición fraccionada. Las partículas de diferentes tamaños adquirirán diferentes velocidades y temperaturas, pero eventualmente todas participarán en la formación del recubrimiento. El hecho de que las partículas pequeñas se calienten mucho más que las grandes cuando se introducen axialmente en una llama de plasma abre nuevas posibilidades para el diseño de mezclas de polvo. La parte principal de este libro está dedicada a la creación de este tipo de composiciones polifraccionales.

El autor tuvo la gran suerte de disponer durante muchos años de un plasmatrón Axial III con inyección de polvo axial. Si no fuera por esto, la creación de nuevos recubrimientos multicomponentes sería simplemente imposible.

Cuadro resumen de dispositivos de pulverización térmica.

Para generalizar, comparar directamente y sistematizar todos los métodos de pulverización térmica, comparemos las propiedades de los dispositivos típicos, así como sus precios aproximados en una tabla (Tabla 2):

Tabla 2. Comparación de dispositivos de pulverización térmica.

Propiedades y características	* Métodos de pulverización térmica
	1	2	3	4	5	6	7	8
Usando polvo o cable	cable	polvo	cable	polvo	polvo	polvo	cable	polvo
Velocidad máxima partículas pulverizadas, m/seg	100	50	200	800	1200	1000	100	400
Temperatura máxima partículas pulverizadas, °C	2800	2500	1700	1500	600	1200	> 4000	> 4000
Tamaño de las partículas que se forman recubrimiento, micras	0,1 – 1000	10 – 150	0,1 – 1000	10 – 100	10 – 100	10 – 100	0,1 – 1000	1 – 50
Eficiencia de pulverización por pulverizado. material	—	+	—	+++	+++	+++	—	++
Eficiencia de pulverización por caudal	–	+++	—	—	—	—	++	–
Porosidad mínima recubrimiento, % en volumen	10-15	10-25	5-10	2-3	< 1	< 1	5-10	0,5-3
Energía térmica dispositivos, kW	10-30	10-50	30-100	50-250	30-85	< 20	20-150	25-150
Actuación pulverización, kg/hora	2-5	5-10	2-5	5-10	10-20	< 1	10-30	2-5
Predominio dispositivos comerciales y repuestos en el mercado mundial	Mucho dispositivos	Mucho dispositivos	Pocos dispositivos	Mucho dispositivos	Pocos dispositivos	No dispositivos	Mucho dispositivos	Mucho dispositivos
Movilidad del dispositivo	+++	+++	–	–	+++ para - para otros	—	+++	– para APS
Ruido del dispositivo	—	+++	—	—	—	—	—	—
Emisión de vapores y polvo fino.	—	++	—	++	+++	++	—	–
Precio de dispositivos individuales, €	2.000-	2.000-	10.000-	10.000-	10.000-	No	10.000-	5.000-
Precio de automatizado instalaciones sin periféricos, €	No	30.000-	No	100.000-	100.000-	No	No	100.000-
Precio de automatizado instalaciones con periferia “bajo clave": cabina insonorizada, ventilación-filtro instalación, robot, etc., €	No	100.000-	No	200.000-	200.000-	No	No	200.000-
Costo comparativo operación teniendo en cuenta los consumibles materiales (excepto polvos y cables), vida útil del dispositivo y piezas de repuesto,	10-15	5-15	30-60	40-100	40-100	> 100	5-30	30-150

* Numeración de métodos:

1. Pulverización con llama de alambre
2. Pulverización de polvo con llama
3. Pulverización de llama supersónica con alambre.
4. Pulverización de polvo con llama supersónica (HVOF y HVAF)
5. Pulverización de polvo frío
6. Pulverización de polvo de detonación
7. Pulverización por arco eléctrico con alambre.
8. Pulverización de polvo de plasma (APS y VPS)

El revestimiento por plasma es un método innovador para aplicar recubrimientos especiales con una alta resistencia al desgaste a la superficie de productos desgastados. Se realiza para restaurar piezas y mecanismos de máquinas, así como durante su producción.

1 Revestimiento con plasma: información general sobre la técnica y sus ventajas

Hoy en día, varios componentes y mecanismos de diversos dispositivos y máquinas funcionan en condiciones difíciles que requieren que los productos cumplan varios requisitos a la vez. A menudo se requiere que resistan la influencia de ambientes químicos agresivos y temperaturas elevadas y, al mismo tiempo, mantengan sus características de alta resistencia.

Es casi imposible fabricar tales unidades con un solo metal u otro material. Y desde un punto de vista financiero, no es práctico implementar un proceso de producción tan complejo.

Es mucho más razonable y rentable producir dichos productos a partir de un material lo más duradero posible y luego aplicarles ciertas capas protectoras: resistentes al desgaste, al calor, a los ácidos, etc.

Como tal "protección", se pueden utilizar recubrimientos metálicos y no metálicos, que se diferencian entre sí en su composición. Esta pulverización permite conferir a los productos las características dieléctricas, térmicas, físicas y de otro tipo necesarias. Uno de los métodos modernos más eficaces y, al mismo tiempo, universales para recubrir materiales con una capa protectora es la pulverización y el revestimiento con arco de plasma.

La esencia del uso de plasma es bastante simple. Para el recubrimiento se utiliza material en forma de alambre o polvo fino granulado, que se introduce en un chorro de plasma, donde primero se calienta y luego se funde. Es en estado fundido que el material protector acaba en la pieza a revestir. Al mismo tiempo, se produce su calentamiento continuo.

Las ventajas de esta tecnología son:

• el flujo de plasma permite aplicar materiales con diferentes parámetros y en varias capas (debido a esto, el metal se puede tratar con diferentes recubrimientos, cada uno de los cuales tiene sus propias características protectoras);
• las propiedades energéticas del arco de plasma se pueden ajustar dentro de amplios límites, ya que se considera la fuente de calor más flexible;
• el flujo de plasma se caracteriza por una temperatura muy alta, por lo que funde fácilmente incluso aquellos materiales que se describen como de alta refractariedad;
• Los parámetros geométricos y la forma de la pieza a revestir no limitan las capacidades técnicas del método de plasma y no reducen su efectividad.

En base a esto, podemos concluir que ni el vacío, ni el galvánico, ni ninguna otra opción de pulverización pueden compararse en su eficacia con el plasma. Se utiliza con mayor frecuencia para:

• fortalecer productos que están sujetos a cargas elevadas constantes;
• protección contra el desgaste y la oxidación de los elementos de cierre y control y de las válvulas de cierre (la pulverización de metales mediante plasma aumenta considerablemente su durabilidad);
• protección contra los efectos negativos de las altas temperaturas, que provocan el desgaste prematuro de los productos utilizados por las fábricas de vidrio.

2 La tecnología de la superficie descrita y sus sutilezas.

El revestimiento de metales con plasma se realiza mediante dos tecnologías:

• se introduce una varilla, alambre o cinta en la corriente (actúan como material de relleno);
• Se introduce una mezcla de polvo en el chorro, que es capturado y transferido a la superficie del producto soldado mediante gas.

El chorro de plasma puede tener diferentes configuraciones. Según este indicador, se divide en tres tipos:

• Chorro cerrado. Con su ayuda, la deposición, metalización y endurecimiento del metal se realizan con mayor frecuencia. El arco en este caso se caracteriza por una intensidad relativamente baja del flujo de llama, causada por un alto nivel de transferencia de calor a la atmósfera. En la disposición descrita el ánodo es el canal del quemador o su tobera.
• Chorro abierto. Con esta disposición la pieza se calienta mucho más, el ánodo es la varilla o la propia pieza. Se recomienda un chorro abierto para aplicar capas protectoras o para cortar material.
• Opción combinada. Un diseño diseñado específicamente para superficies de plasma en polvo. Con esta opción se encienden dos arcos al mismo tiempo y se conecta el ánodo a la boquilla del quemador y al producto soldado.

Para cualquier disposición, los gases utilizados para formar la llama son oxígeno, argón, aire, helio, hidrógeno o nitrógeno. Los expertos dicen que el helio y el argón proporcionan la deposición y la superficie del metal de la más alta calidad.

3 Antorcha de plasma combinada para superficies

El revestimiento de superficies con plasma en polvo en la mayoría de las empresas modernas se realiza en unidades combinadas. En ellos se funde polvo de relleno metálico entre una boquilla de soplete y un electrodo de tungsteno. Y mientras el arco arde entre la pieza y el electrodo, comienza el calentamiento de la superficie del producto soldado. Debido a esto, se produce una fusión rápida y de alta calidad del metal base y de aporte.

La antorcha de plasma combinada garantiza un bajo contenido del material base depositado, así como una mínima profundidad de penetración. Son estos hechos los que se reconocen como la principal ventaja tecnológica de la superficie mediante chorro de plasma.

La superficie a depositar está protegida de la influencia nociva del aire ambiente mediante un gas inerte. Entra en la boquilla (externa) de la instalación y protege de forma fiable el arco que la rodea. Un gas de transporte con características inertes suministra también la mezcla de polvo para el aditivo. Proviene de un comedero especial.

En general, un plasmatrón estándar de acción combinada, en el que se pulveriza y recubre metal, consta de las siguientes partes:

• dos fuentes de energía (una alimenta el arco “indirecto” y la otra el “directo”);
• comedero para mezcla;
• resistencia (lastre);
• agujero por donde se suministra el gas;
• boquilla;
• oscilador;
• cuerpo del quemador;
• tubería para suministrar gas que transporta la composición en polvo.

4 Características principales del revestimiento metálico mediante tecnología de plasma.

El rendimiento máximo de la antorcha de plasma se observa cuando se utiliza un aditivo de alambre portador de corriente. En este caso, el arco arde entre este cable (es el ánodo) y el cátodo de la unidad. El método descrito derrite ligeramente el material base. Pero esto no permite crear una capa superficial uniforme y delgada.

Si se utiliza polvo, la pulverización y el revestimiento permiten obtener la fina capa especificada con máxima resistencia al desgaste y al calor. Normalmente, los componentes de la mezcla de polvo para revestimiento de superficies son cobalto y níquel. Después de usar tales polvos, no es necesario procesar más la superficie de la pieza, ya que su capa protectora no tiene ningún defecto.

La pulverización de plasma, en comparación con la pulverización de superficie, se caracteriza por una mayor velocidad del chorro de plasma y un flujo de calor más denso. Este hecho se debe al hecho de que durante la pulverización se utilizan con mayor frecuencia metales y compuestos con un alto nivel de refractariedad (boruros, siliciuros, tantalio, carburos, tungsteno, óxidos de circonio, magnesio y aluminio).

Agreguemos que el método de revestimiento discutido en el artículo en sus características técnicas (rango de voltajes y corrientes de operación, consumo de gas inerte, etc.) no es muy diferente. Y hoy en día los especialistas dominan a la perfección este tipo de soldadura.

Se trata de un método de recubrimiento progresivo, en el que la fusión y transferencia del material a la superficie a restaurar se realiza mediante un chorro de plasma. El plasma es un estado altamente ionizado de un gas donde la concentración de electrones e iones negativos es igual a la concentración de iones cargados positivamente. Un chorro de plasma se obtiene haciendo pasar un gas formador de plasma a través de un arco eléctrico cuando es alimentado por una fuente de corriente continua con un voltaje de 80-100 V.

La transición del gas a un estado ionizado y su desintegración en átomos va acompañada de la absorción de una cantidad significativa de energía, que se libera cuando el plasma se enfría como resultado de su interacción con el medio ambiente y la parte pulverizada. Esto provoca una alta temperatura del chorro de plasma, que depende de la intensidad de la corriente, el tipo y el caudal del gas. El gas formador de plasma suele ser argón o nitrógeno y, con menos frecuencia, hidrógeno o helio. Cuando se utiliza argón, la temperatura del plasma es de 15.000 a 30.000 °C y la del nitrógeno, de 10.000 a 15.000 °C. Al elegir un gas, se debe tener en cuenta que el nitrógeno es más barato y menos escaso que el argón, pero para encender un arco eléctrico se requiere un voltaje significativamente mayor, lo que determina mayores requisitos de seguridad eléctrica. Por lo tanto, a veces al encender un arco se utiliza argón, para el cual el voltaje de excitación y combustión del arco es menor, y se utiliza nitrógeno en el proceso de pulverización catódica.

El recubrimiento se forma debido al hecho de que el material aplicado que ingresa al chorro de plasma se funde y se transfiere mediante una corriente de gas caliente a la superficie de la pieza. La velocidad de vuelo de las partículas metálicas es de 150-200 m/s a una distancia desde la boquilla hasta la superficie de la pieza de 50-80 mm. Debido a la mayor temperatura del material aplicado y a la mayor velocidad de vuelo, la fuerza de la conexión entre el recubrimiento de plasma y la pieza es mayor que con otros métodos de metalización.

La alta temperatura y la alta potencia en comparación con otras fuentes de calor son las principales diferencias y ventajas de la metalización por plasma, ya que proporcionan un aumento significativo en la productividad del proceso, la capacidad de fundir y depositar cualquier material resistente al calor y al desgaste, incluidas aleaciones duras y materiales compuestos. , así como óxidos, boruros, nitruros, etc., en diversas combinaciones. Gracias a esto, es posible formar recubrimientos multicapa con diversas propiedades (resistentes al desgaste, de fácil rotura, resistentes al calor, etc.). Los revestimientos de la más alta calidad se obtienen utilizando materiales de superficie autofundentes.

La densidad, estructura y propiedades físicas y mecánicas de los recubrimientos por plasma dependen del material aplicado, la dispersión, la temperatura y la tasa de colisión de las partículas transferidas con la pieza que se está restaurando. Los dos últimos parámetros se obtienen controlando el chorro de plasma. Las propiedades de los recubrimientos por plasma aumentan significativamente durante su posterior fusión. Estos recubrimientos son eficaces ante impactos y cargas de contacto elevadas.

El principio de funcionamiento y diseño de la antorcha de plasma se ilustra en la Fig. 4.51. Se obtiene un chorro de plasma haciendo pasar gas formador de plasma 7 a través de un arco eléctrico creado entre el cátodo de tungsteno 2 y el ánodo de cobre 4 cuando se les conecta una fuente de corriente.

El cátodo y el ánodo están separados entre sí por un aislante 3 y se enfrían continuamente con líquido b (preferiblemente agua destilada). El ánodo tiene forma de boquilla, cuyo diseño garantiza la compresión y una determinada dirección del chorro de plasma. La compresión también se ve facilitada por el campo electromagnético que se genera alrededor del chorro. Por tanto, el gas ionizado formador de plasma sale de la boquilla del plasmatrón en forma de un chorro de pequeña sección transversal, lo que proporciona una alta concentración de energía térmica.

Arroz. 4.51. Esquema del proceso de pulverización por plasma: 1 - dosificador de polvo; 2- cátodo; 3 - junta aislante; 4 - ánodo; 5 - gas de transporte; 6 - refrigerante; 7 - gas formador de plasma

Los materiales utilizados se utilizan en forma de polvos granulados con un tamaño de partícula de 50 a 200 micrones, cordones o alambre. El polvo se puede alimentar al chorro de plasma junto con el gas formador de plasma o desde el dispensador 1 con el gas de transporte 5 (nitrógeno) a la boquilla del soplete de gas, y se inserta un alambre o cordón en el chorro de plasma debajo del boquilla de la antorcha de plasma. Antes de su uso, el polvo debe secarse y calcinarse para reducir la porosidad y aumentar la adherencia del recubrimiento a la pieza.

La protección del chorro de plasma y de las partículas de metal fundido que contiene de la interacción con el aire se puede realizar mediante una corriente de gas inerte, que debe rodear el chorro de plasma. Para ello, en el plasmatrón está prevista una boquilla adicional, concéntrica con la principal, a través de la cual se suministra gas inerte. Gracias a ello se elimina la oxidación, nitruración y descarbonización del material pulverizado.

En el ejemplo considerado, la fuente de energía está conectada a los electrodos del soplete de plasma (circuito de conexión cerrado), por lo que el arco eléctrico sólo sirve para crear un chorro de plasma. Cuando se utiliza el material aplicado en forma de cable, también se puede conectar una fuente de alimentación. En este caso, además del chorro de plasma, se forma un arco de plasma, que también participa en la fusión de la varilla, por lo que la potencia de la antorcha de plasma aumenta significativamente.

Las modernas instalaciones de revestimiento de plasma cuentan con sistemas electrónicos para regular los parámetros del proceso y están equipadas con manipuladores y robots. Esto aumenta la productividad y la calidad del proceso de pulverización y mejora las condiciones de trabajo del personal operativo.

Las principales diferencias entre la metalización por plasma y otros métodos de fusión son una temperatura más alta y una mayor potencia, lo que proporciona un aumento significativo en la productividad del proceso y la capacidad de aplicar y fundir cualquier material resistente al calor y al desgaste (Fig. 4.8). Para la pulverización por plasma, se utilizan gases argón y nitrógeno para proporcionar la temperatura del chorro. Para la metalización por plasma se utilizan ampliamente las instalaciones UPU y UMN, cuyo conjunto incluye un rotador, una cámara protectora, un dispensador de polvo, una fuente de energía y un panel de control.

La parte principal de la instalación es el plasmatrón, cuya vida útil está determinada por la durabilidad de la boquilla. El período de funcionamiento de la antorcha de plasma es corto, por lo que sus piezas de desgaste son reemplazables. Las fuentes de corriente son generadores de soldadura PSO-500 o rectificadores I PN-160/600.

Arroz. 4.8. Esquema del proceso de pulverización por plasma:

1 - dosificador de polvo; 2 - cátodo; 3 - junta aislante; 4 - ánodo; 5 - gas de transporte; 6 - refrigerante; 7 - gas formador de plasma

Como gas formador de plasma se utiliza argón o nitrógeno, menos escaso y más barato. Sin embargo, encender un arco en un ambiente de nitrógeno es más difícil y requiere un voltaje significativamente mayor, lo que representa un peligro para el personal operativo. Se utiliza un método en el que se enciende un arco en un ambiente de argón con una excitación y un voltaje de combustión del arco más bajos, y luego se cambia a nitrógeno. El gas formador de plasma se ioniza y sale de la boquilla del plasmatrón en forma de un chorro de pequeña sección transversal. La compresión se ve facilitada por las paredes del canal de la boquilla y el campo electromagnético que surge alrededor del chorro. La temperatura del chorro de plasma depende de la intensidad de la corriente, el tipo y el caudal del gas y varía de 10.000 a 30.000 °C; La velocidad del flujo de gas es de 100-1500 m/s. El plasma de argón tiene una temperatura de 15 000 a 30 000 °C, el plasma de nitrógeno, de 10 000 a 15 000 °C.

En la metalización por plasma, se utiliza como material aplicado polvo granulado con un tamaño de partícula de 50 a 200 micrones. El polvo se introduce en la zona del arco mediante un gas de transporte (nitrógeno), se funde y se transfiere a la pieza. La velocidad de vuelo de las partículas de polvo es de 150-200 m/s, la distancia desde la boquilla a la superficie de la pieza es de 50-80 mm. Debido a la mayor temperatura del material aplicado y la mayor velocidad de vuelo de las partículas pulverizadas, la fuerza de la conexión entre el recubrimiento y la pieza en este método es mayor que con otros métodos de metalización.

La metalización por plasma, que se produce a alta temperatura del chorro de plasma, permite aplicar cualquier material.

materiales, incluidos los más resistentes al desgaste, pero esto plantea el problema del procesamiento posterior de materiales superduros y resistentes al desgaste.

El uso de radiación láser pulsada, cuya duración es de milisegundos, permite obtener zonas mínimas de afectación térmica que no superan varias decenas de micrones. Los volúmenes mínimos de masa fundida y la mínima entrada de calor en la pieza que se está soldando permiten reducir las deformaciones longitudinales y transversales y, por lo tanto, mantener las dimensiones de precisión de la pieza dentro del rango de tolerancia de varias micras. La precisión de la guía y la acción local del rayo láser permite soldar áreas geométricas estrictamente definidas de la pieza, proporcionando un margen mínimo para el mecanizado, que es de 0,2-0,5 mm. Dado que durante el revestimiento con láser pulsado las zonas afectadas por el calor son muy pequeñas, el sustrato permanece prácticamente frío y la velocidad de enfriamiento de la fase líquida del metal fundido alcanza los 102-103 °C/s. En estas condiciones se produce un proceso de autoendurecimiento que conduce a la formación de una estructura extremadamente finamente dispersa con mayor resistencia al desgaste.

En comparación, casi todas las diferencias técnicas fundamentales entre las tecnologías de revestimiento por arco eléctrico y de revestimiento por láser pulsado son consecuencia del hecho de que el arco es una fuente de energía de soldadura concentrada y el rayo láser es una fuente de energía altamente concentrada. El revestimiento con láser pulsado, en comparación con el revestimiento con arco eléctrico, se caracteriza por volúmenes mínimos de masa fundida, zonas afectadas por el calor y, en consecuencia, una contracción transversal y longitudinal significativamente menor.

Después de la superficie del arco eléctrico, las tolerancias pueden alcanzar varios milímetros, lo que requiere un mecanizado posterior. El uso de un arco eléctrico como fuente de energía va acompañado de su potente efecto sobre la fase líquida del metal fundido, lo que da como resultado la formación de socavaduras que no se producen durante el revestimiento con láser. El revestimiento por arco eléctrico requiere un calentamiento preliminar y concomitante de las zonas de soldadura y un posterior tratamiento térmico y tipo de revestimiento con láser.

La tecnología de revestimiento por láser se puede utilizar para restaurar moldes y matrices desgastados y eliminar diversos defectos formados durante el proceso de fabricación de moldes y matrices. Tipos de defectos eliminados mediante revestimiento láser: sitios de prueba de dureza HRC, grietas, mellas, raspaduras, cavidades y poros, grietas profundas, sitios de unión adhesiva. El proceso tecnológico de revestimiento de superficies con láser consiste en un suministro simultáneo de radiación láser y alambre de relleno al lugar del defecto en un entorno de gas inerte. El material de relleno, al fundirse, llena el sitio del defecto. Después del revestimiento con láser, se requiere un procesamiento mecánico mínimo en comparación con los métodos de revestimiento tradicionales. La alta precisión de apuntar el rayo láser a la ubicación del defecto, la localidad de acción de la radiación láser, permite fusionar áreas estrictamente definidas de piezas defectuosas (Fig. 4.9).

La corta duración del proceso, la duración del pulso láser de varios milisegundos, así como la dosificación precisa de energía garantizan zonas mínimas afectadas por el calor y la ausencia de desgaste de las piezas. El revestimiento con láser puede reducir significativamente la intensidad de mano de obra de las reparaciones de herramientas y, como consecuencia, el coste al eliminar del proceso el precalentamiento, el posterior tratamiento térmico y la necesidad de retirar el recubrimiento de cromo de la superficie y su posterior aplicación si la pieza es cromada. -chapado. Las ventajas del revestimiento láser se enumeran en la tabla. 4.2.

Para evitar la oxidación del metal fundido, la zona de superficie se protege con gases inertes, por ejemplo, una mezcla de argón y helio. Para revestir componentes de gran tamaño (hasta varios metros de longitud) se utilizan sistemas láser de estado sólido equipados con sistemas de fibra óptica. Se ha desarrollado una tecnología para eliminar defectos en forma de grietas no pasantes frías y calientes que se forman durante la soldadura por arco eléctrico con electrodos revestidos utilizando radiación láser pulsada de láseres de estado sólido.

Soldar varias fisuras mediante radiación láser pulsada permite implementar el modo de soldadura denominado “en frío”, en el que la soldadura en la zona reparada no se calienta, lo que permite mantener la resistencia mecánica de la unión soldada y evitar el revenido de la misma. metal en la soldadura.

El uso de un sistema de fibra óptica de varios metros de longitud permite realizar reparaciones en los lugares más difíciles de alcanzar. Esta tecnología se puede utilizar para eliminar diversos defectos que se forman durante la soldadura por arco eléctrico: grietas, tanto frías como calientes, cavidades, cráteres, fístulas y socavaduras.

Debido a la naturaleza y las condiciones de funcionamiento, la superficie lateral de los álabes de las turbinas de alta presión está sujeta a microdaños debido a influencias mecánicas, químicas y térmicas. El análisis de daños muestra que alrededor del 70% de su número total son piezas con defectos superficiales de hasta 0,4-2,0 mm de profundidad. El uso de sistemas de fibra óptica para enviar un rayo láser al lugar del defecto abre la posibilidad de reparar un álabe de turbina sin desmontarlo. El tamaño de la zona afectada térmicamente no supera los 15 µm. La estructura de la capa depositada está finamente dispersa.

Arroz. 4.11. Sección transversal en la ubicación del tubo sin soldar de la sección del refrigerador.

Arroz. 4.12. Rectificado del sitio del defecto procesado en modo soldadura-soldadura.

Durante el proceso de fabricación de secciones de agua, pueden ocurrir defectos en forma de soldaduras faltantes. Se ha desarrollado una tecnología para eliminar fugas en las secciones mediante soldadura-soldadura con láser pulsado (Fig. 4.11 y 4.12).

Para eliminar fugas en una costura soldada, se utiliza radiación láser pulsada de un láser de estado sólido. Un sistema de televisión integrado en el emisor láser que utiliza la designación de objetivos basada en un láser He - Ne (helio - neón) le permite dirigir con precisión el rayo láser al sitio del defecto. Equipar el láser con un sistema de fibra óptica le permite eliminar defectos en lugares de difícil acceso y realizar una transición rápida de un defecto a otro.

La pulverización por plasma (o, en otras palabras, la metalización por difusión) es una forma eficaz de cambiar las propiedades físicas y mecánicas, así como la estructura de la superficie principal. Por tanto, se suele utilizar con fines decorativos y para aumentar la durabilidad del producto final.

El principio de la pulverización por plasma.

Al igual que los métodos tradicionales de recubrimiento de superficies, la metalización por difusión implica la deposición sobre la superficie del metal de una capa de otro metal o aleación, que tiene las propiedades necesarias para el uso posterior de la pieza: el color deseado, la resistencia a la corrosión y la dureza. Las diferencias son las siguientes:

1. El plasma a alta temperatura (5000 - 6000 °C) acelera significativamente el proceso de recubrimiento, que puede tardar una fracción de segundo.
2. Durante la metalización por difusión en un chorro de plasma, los elementos químicos del gas donde se lleva a cabo el tratamiento también pueden difundirse hacia las capas superficiales del metal. Por tanto, ajustando la composición química del gas, es posible lograr una saturación superficial combinada del metal con átomos de los elementos deseados.
3. La uniformidad de temperatura y presión dentro del chorro de plasma garantiza una alta calidad de los recubrimientos finales, lo cual es muy difícil de lograr con los métodos de metalización tradicionales.
4. La pulverización con plasma se caracteriza por una duración del proceso extremadamente corta. Como resultado, no sólo aumenta la productividad, sino que también se eliminan el sobrecalentamiento, la oxidación y otros fenómenos superficiales indeseables.

Entornos de trabajo para la implementación del proceso.

Dado que una descarga eléctrica se utiliza con mayor frecuencia para iniciar plasma de alta temperatura (arco, chispa o pulso), el equipo utilizado para este método de pulverización catódica incluye:

• Fuente de creación de descarga: generador de alta frecuencia o convertidor de soldadura;
• Una cámara sellada de trabajo donde se coloca la pieza a metalizar;
• Un depósito de gas en cuya atmósfera se formará plasma a alta temperatura;
• Una bomba o unidad de vacío que proporciona la presión necesaria para bombear el medio de trabajo o crear el vacío requerido;
• Sistemas de control de procesos.

El funcionamiento de una antorcha de plasma que realiza pulverización por plasma se produce de la siguiente manera. La parte pulverizada se fija en una cámara sellada, después de lo cual se excita una descarga eléctrica entre las superficies del electrodo de trabajo (que incluye los elementos pulverizados) y la pieza de trabajo. Al mismo tiempo, se bombea un medio líquido o gaseoso a través de la zona de trabajo con la presión necesaria. Su finalidad es comprimir la zona de descarga, aumentando así la densidad volumétrica de su potencia térmica. El plasma altamente concentrado proporciona una evaporación dimensional del metal del electrodo y simultáneamente inicia la pirólisis del entorno que rodea la pieza de trabajo. Como resultado, se forma una capa de la composición química deseada en la superficie. Al cambiar las características de descarga (corriente, voltaje, presión), puede controlar el espesor y la estructura del recubrimiento rociado.

El proceso de metalización por difusión en el vacío ocurre de manera similar, excepto que la compresión del plasma se produce debido a la diferencia de presión dentro y fuera de su columna.

Equipos tecnológicos, consumibles.

La elección del material del electrodo depende del propósito de la pulverización y del tipo de metal que se procesa. Por ejemplo, para endurecer matrices, los electrodos más eficaces están hechos de aleaciones de hierro y níquel, que además se alean con elementos como cromo, boro y silicio. El cromo aumenta la resistencia al desgaste del revestimiento, el boro aumenta la dureza y el silicio aumenta la densidad del revestimiento de acabado.

Al metalizar con fines decorativos, el criterio principal para elegir el metal del electrodo de trabajo es la configuración de la superficie a pulverizar, así como su apariencia. La deposición de cobre se realiza, por ejemplo, mediante electrodos de cobre eléctrico M1.

Un componente estructural importante del proceso es la composición del medio. Por ejemplo, si es necesario obtener nitruros y carburos altamente resistentes en la capa pulverizada, el gas debe contener medios orgánicos que contengan carbono o nitrógeno.

Procesamiento posterior del revestimiento terminado.

Debido a la naturaleza del proceso, la densidad de la capa pulverizada y la fuerza de su adhesión al metal base no siempre son suficientes para garantizar la durabilidad del recubrimiento. Por lo tanto, a menudo después del procesamiento, la pieza se somete a una posterior fusión superficial utilizando una llama de oxígeno-acetileno o en hornos térmicos. Como resultado, la densidad del recubrimiento aumenta varias veces. Después de esto, el producto se muele y se pule con herramientas de carburo.

Teniendo en cuenta el acabado posterior del producto, el espesor de la capa de metal después del procesamiento se considera de al menos 0,8 - 0,9 mm.

Para darle a la pieza propiedades de resistencia finales, se endurece y revene utilizando las condiciones tecnológicas recomendadas para el metal base.

La pulverización con plasma aumenta la resistencia al calor, la resistencia al desgaste y la dureza de los productos, aumenta su capacidad para resistir los procesos de corrosión y la pulverización con fines decorativos mejora significativamente la apariencia de las piezas.

Las limitaciones de la tecnología de pulverización por plasma por difusión son la excesiva complejidad de la configuración de la pieza de trabajo, así como la relativa complejidad de las instalaciones utilizadas.

Si los requisitos para la uniformidad de la capa resultante no son elevados, se pueden utilizar instalaciones más sencillas que recuerdan estructuralmente a las máquinas de soldar semiautomáticas. En este caso, la pulverización con plasma se realiza en una burbuja de aire que se forma cuando un compresor sopla la zona de tratamiento. Los electrodos, que contienen el metal pulverizado, se mueven secuencialmente a lo largo del contorno del producto. Para mejorar la adherencia del metal pulverizado a la base, también se introduce material de aportación en la zona de pulverización.