Technologie et procédé de pulvérisation plasma. Technologie de pulvérisation à l'arc plasma Technologie de pulvérisation au plasma

Alors, quel est le principe de la projection plasma ? Dans tous les appareils de pulvérisation plasma, la poudre acquiert température et vitesse dans un flux de gaz chaud créé par un plasmatron. À son tour, un plasmatron ou générateur de plasma est un dispositif inventé dans les années 1920, dans lequel un arc électrique brûlant entre la cathode et l'anode dans un volume limité (buse) est gonflé avec un gaz inerte et crée une flamme de réduction à haute température. .

Pourquoi ce principe est-il si attractif pour résoudre les problèmes de projection thermique ? Justement parce que la flamme du plasmatron est très chaude et toujours strictement réductrice ; la présence d'oxygène dans le plasmatron est strictement interdite en raison de la destruction rapide, sinon, des matériaux d'électrode (la pression partielle d'oxygène dans les gaz plasmagènes est déterminée par leur pureté et ne doit pas être supérieure à 0,004 %). La torche à flamme d'un plasmatron, lorsqu'elle est utilisée correctement, peut non seulement restaurer la surface métallique active des films d'oxyde sur les particules pulvérisées, mais même nettoyer la surface du substrat lui-même des oxydes. Cette opportunité est offerte exclusivement par la méthode de pulvérisation plasma.

Concernant la projection plasma, il existe un certain nombre de préjugés parmi les théoriciens et les praticiens de la projection thermique, qui, dans la plupart des cas, ne sont pas associés au processus en tant que tel, mais à une mauvaise compréhension de l'essence du processus de pulvérisation, aux défauts de conception de dispositifs spécifiques. et leur mauvaise utilisation. Discutons de ces préjugés :

1.« La flamme du plasma est trop chaude et ne convient donc qu'à la pulvérisation cathodique de matériaux métalliques réfractaires et de céramiques oxydées. Une température trop élevée entraîne l’évaporation d’une partie de la poudre et la destruction des carbures de chrome et de tungstène.

En effet, la température du plasma peut atteindre 20 000°C ou plus, ce qui est bien supérieur, par exemple, à la température d'une flamme oxyacétylène (environ 3000°C). Cependant, la température de la flamme a très peu à voir avec la température des particules pulvérisées. Sans entrer dans la physique de l'interaction des gaz chauds avec des particules solides, nous dirons seulement que cette interaction est très complexe et dépend d'un grand nombre de paramètres, parmi lesquels non seulement la température du gaz, sa vitesse, la longueur du torche et la taille des particules, mais aussi les compositions chimiques du gaz et des particules. De plus, ce n’est pas la température absolue de la flamme, mais sa luminosité, qui est déterminante pour le transfert de chaleur de la torche vers les particules. Par exemple, une flamme hydrogène-oxygène plus chaude mais presque invisible chauffe les particules bien pire qu'une flamme acétylène-oxygène plus froide mais plus brillante (en raison des nanoparticules de carbone incandescentes). La luminosité d'un panache de plasma dépend de la composition du gaz plasmagène ainsi que de la taille et de la composition des particules qui le traversent. Il est intéressant de noter que dans de nombreux cas, cette luminosité est inférieure à celle d'une flamme oxygène-acétylène et qu'elle doit être augmentée de diverses manières juste pour donner aux particules au moins la température minimale requise. Étant donné que la longueur de la flamme des appareils à flamme à gaz dépasse souvent aussi la longueur de la torche à plasma, il en résulte un « paradoxe » : les poudres métalliques à gros grains chauffent plus fortement dans les appareils de pulvérisation de poudre à flamme que dans les appareils de pulvérisation de plasma plus puissants et « chauds ». .

2. "La vitesse des particules lors de la pulvérisation plasma n'est pas suffisante pour produire des revêtements denses."

Le débit de gaz et de particules qu'il contient n'est pas déterminé par le principe de formation de flammes, mais uniquement par la conception de l'appareil. Il existe actuellement des dispositifs industriels de pulvérisation de plasma dotés d'une buse Laval qui fournissent des particules à une vitesse supersonique.

3. "Seules les unités de pulvérisation plasma sous vide coûteuses conviennent à la pulvérisation de métaux, tandis que les unités de pulvérisation plasma atmosphérique ne conviennent pas en raison de l'oxydation des particules métalliques."

Curieusement, une telle affirmation est entendue assez souvent, même de la part de personnes impliquées dans la pratique de la pulvérisation plasma, notamment en ce qui concerne les revêtements MCrAlY pour les aubes de turbines à gaz. En fait, dans cette affirmation, il y a une substitution typique de concepts : les revêtements purement métalliques à partir d'alliages de nickel à bas point de fusion obtenus par projection plasma sous vide (VPS) sont en effet meilleurs que la pulvérisation atmosphérique (APS), mais pas grâce à l'oxydation des particules dans le plasma, mais une toute autre raison, qui sera abordée dans la section sur la pulvérisation plasma sous vide. L'oxydation des particules métalliques dans ces deux méthodes se produit de la même manière.

Les dispositifs de pulvérisation de plasma atmosphérique ne sont pas différents des dispositifs de pulvérisation de plasma sous vide. La différence ne réside pas dans les appareils eux-mêmes, mais dans la manière dont le processus de dépôt est organisé : le dépôt atmosphérique s'effectue dans l'air, mais avec le dépôt sous vide, le plasmatron et la pièce à pulvériser se trouvent dans une chambre à vide sous vide. Il est clair que le dépôt atmosphérique est beaucoup plus accessible et moins cher que le dépôt sous vide ; de plus, pour les grandes pièces, le dépôt sous vide devient tout simplement impossible en raison de la taille irréaliste de la chambre à vide. Les plasmatrons eux-mêmes peuvent être utilisés pour le dépôt atmosphérique et sous vide.

Pour expliquer plus clairement les caractéristiques de la pulvérisation plasma, passons à l’examen des différentes conceptions qui existent aujourd’hui.

Installations de projection de plasma

Les appareils de pulvérisation plasma existent dans une grande variété de modèles. Nous les considérerons du plus « traditionnel » au plus « avancé ».

Les appareils les plus courants sont ceux à une cathode et une anode, et avec la poudre introduite à l'extérieur d'une buse courte, perpendiculaire à l'axe de la flamme.

Le principe de fonctionnement de tels appareils est illustré dans le schéma (Figure 28) :

Riz. 28. Le principe de la pulvérisation plasma.

Comme le montre le schéma, la buse courte du plasmatron est également une anode. La poudre est introduite à l'extérieur de la buse perpendiculairement à l'axe de la flamme, à proximité immédiate de l'arc.

L'appareil de ce type le plus populaire est le plasmatron 3 Mo de Sulzer Metco, qui, avec des modifications mineures, existe depuis plus de 40 ans. La figure 29 montre les modèles actuels de cette série avec une puissance maximale de 40 kW.

Riz. 29. Plasmatron 3 Mo.

Un dispositif à cathode unique légèrement plus récent et plus puissant (55 kW) est le plasmatron F4, illustré à la figure 30.

Riz. 30. Plasmatron F4.

L'appareil 9MB est l'un des plasmatrons monocathode les plus puissants du type traditionnel (80 kW à un courant de 1000 A et une tension de 80 V) également produit par Sulzer Metco (Figure 31) :

Riz. 31. Plasmatron 9 Mo

Les plasmatrons traditionnels à cathode unique d'autres sociétés diffèrent peu des plasmatrons Sulzer Metco : ils fonctionnent tous avec un débit de gaz relativement faible, faible (< 100 В) напряжении и большом (до 1000 А) токе дуги. Ни один из традиционных плазматронов не позволяет достичь частицам скорости звука.

L'avantage des plasmatrons à faible débit de gaz est de pouvoir conférer une température très élevée aux particules (> 4000°C) du fait du temps relativement long pendant lequel elles restent dans la zone chaude de la flamme proche de l'arc. Des températures de particules aussi élevées permettent de fondre presque tous les matériaux céramiques et métalliques.

Le développement de la technologie de pulvérisation au plasma au cours des vingt dernières années s’est orienté vers une augmentation de la vitesse des particules. Pour donner une plus grande vitesse aux particules, il est nécessaire d'augmenter la pression des gaz plasmagènes devant la buse, ce qui entraîne automatiquement une augmentation du débit de gaz et une augmentation de la tension de l'arc.

Un appareil moderne et puissant (jusqu'à 85 kW, courant jusqu'à 379 A, ​​tension jusqu'à 223 V) avec une cathode et une anode est le plasmatron 100HE de la société américaine Progressive Technologies Inc., qui, grâce à la haute pression et le débit des gaz plasmagènes, permet d'atteindre des vitesses de particules - proches de la vitesse du son (Figure 32) :

Riz. 32. Plasmatron 100HE.

En raison de la vitesse élevée du gaz plasmagène, le temps de séjour des particules dans la zone chaude de la flamme et, par conséquent, leur température diminuent. Pour contrecarrer cela, il est nécessaire d'augmenter la puissance de l'arc et d'utiliser une grande quantité d'hydrogène dans le gaz plasmagène, ce qui, grâce au processus de dissociation-association des molécules, allonge la zone chaude de la flamme. Ainsi, le plasmatron 100HE réalise la température de particules d'une taille de 20-30 microns au-dessus de 2300°C à une vitesse d'environ 250 m/sec, ce qui permet de pulvériser des revêtements de Cr 3 C 2 - NiCr, Cr 2 O. 3 et Al 2 O 3 à faible porosité.

La deuxième direction de développement, associée à une augmentation de la consommation de gaz, est la division d'un arc en trois parties, ce qui améliore la stabilité et l'uniformité de la flamme, réduit l'usure des électrodes et augmente la puissance totale de la flamme. Un exemple typique d'un tel dispositif est le dernier plasmatron TriplexPro TM -210 de Sulzer Metco avec une anode et trois cathodes, d'une puissance maximale de 100 kW (Figure 33) :

Riz. 33. Plasmatron TriplexPro MC.

1 – partie arrière du corps ; 2 – pile d'anodes ; 3 – partie avant du corps ; 4 – isolant ; 5 – écrou-raccord ; 6 – trois cathodes dans un bloc de céramique ; 7 – élément de pile d'anodes ; 8 – canal plasma ; 9 – buse avec trois buses à poudre.

La technologie Triplex de Sulzer Metco est entrée dans l'industrie de la projection thermique dans les années 1990. Ces dispositifs ont, par rapport aux plasmatrons à arc unique, une durée de vie et une stabilité des résultats de dépôt nettement plus longues. Pour de nombreuses poudres commerciales, les plasmatrons Triplex peuvent également améliorer la productivité et l'efficacité de la pulvérisation tout en conservant la qualité du revêtement.

GTV GmbH a publié, contournant le brevet Sulzer Metco pour les plasmatrons à trois cathodes, le dispositif GTV Delta avec une cathode et trois anodes, qui, en principe, est une compilation dégradée de TriplexPro (Figure 34) :

Riz. 34. Plasmatron GTV Delta.

La dernière et troisième direction de développement est l'abandon de l'apport radial de poudre au profit d'un apport beaucoup plus rationnel - axial. L'élément clé de la conception d'un plasmatron à injection axiale de poudre, Convergens, a été inventé en 1994 par l'Américain Lucian Bogdan Delcea.

Actuellement, il n'existe qu'un seul appareil similaire - le plasmatron Axial III, d'une puissance maximale de 150 kW, produit par la société canadienne Mettech, qui combine les trois directions de développement (débit de gaz élevé, trois arcs et apport axial de poudre). Les unités de pulvérisation de plasma avec le plasmatron Axial III sont également fabriquées et distribuées par la société allemande Thermico GmbH.

Les figures 35, 36 et 37 montrent le dispositif Axial III lui-même et son schéma de conception :

Riz. 35. Plasmatron Axial III.

Riz. 36. Vue du dispositif Axial III côté buse.

Riz. 37. Diagramme schématique d’Axial III.

Toutes les installations de pulvérisation plasma modernes sont automatiques, c'est-à-dire que le contrôle des sources de courant, du système de refroidissement par eau et du débit de gaz est régulé par un système CNC avec visualisation et sauvegarde des recettes sur ordinateur. Par exemple, le plasmatron Axial III est fourni par Thermico GmbH avec un système de contrôle informatisé qui allume indépendamment les arcs et passe en mode de fonctionnement, sélectionne les recettes de pulvérisation et contrôle tous les paramètres principaux : le débit de trois gaz plasmagènes (argon, azote et hydrogène), courants d'arc, paramètres du système de refroidissement par eau. Le même système automatique contrôle également le doseur de poudre.

Une mention spéciale doit être faite au doseur de poudre Thermico. Cet appareil, le plus « avancé » au monde aujourd'hui, permet non seulement de réguler en permanence le débit massique de la poudre et le débit du gaz vecteur (azote ou argon), mais permet également d'utiliser des poudres à grains fins avec une mauvaise fluidité, inadaptée par exemple aux doseurs Sulzer Metco.

L'auteur travaille personnellement depuis longtemps avec le plasmatron Axial III et peut affirmer, d'après sa propre expérience, que malgré quelques défauts de conception, ce plasmatron est le dispositif de pulvérisation thermique le plus avancé, combinant les avantages de la pulvérisation à grande vitesse avec une température élevée strictement. réduire la flamme. Le principal avantage d’Axial III est l’entrée axiale de la poudre.

Avantages de l’entrée axiale de poudre

L’injection axiale de poudre constitue un progrès considérable dans la technologie de pulvérisation plasma. Le fait est non seulement qu'avec l'entrée axiale, les pertes de poudre sont considérablement réduites, mais aussi que s'ouvre la possibilité de pulvériser des matériaux en poudre complètement différents, impropres à l'entrée radiale. Cet aspect étant fondamental pour la compréhension des sections suivantes, nous y reviendrons plus en détail.

Alors, que se passe-t-il lorsque de la poudre est introduite radialement dans le jet de flamme à la sortie de la buse ? Nous énumérons les inconvénients d'une telle entrée :

1. Seules les poudres à fractions très étroites conviennent à l'injection radiale, pour laquelle il est nécessaire de sélectionner avec précision la pression du gaz vecteur. Qu'est-ce que cela signifie ? : Si la pression du gaz vecteur est insuffisante, les particules de poudre « rebondiront » sur le jet de flamme ; si la pression du gaz vecteur est trop élevée, elles « passeront à travers » cette flamme ; si la poudre est constituée de particules de tailles différentes, alors il est en principe impossible de sélectionner la pression « correcte » du gaz vecteur : les plus petites particules « rebondiront » toujours, et les plus grosses « passeront toujours à travers », c'est-à-dire Autrement dit, aucune de ces particules ne sera présente dans le revêtement pulvérisé, mais seulement quelques particules « moyennes ». Les poudres à grains fins sont particulièrement difficiles à introduire en raison de leur dispersion accrue par le gaz vecteur (un nuage de poussière typique autour d'une torche).
2. Lors de l'introduction de poudre radiale, il est impossible d'utiliser dans le mélange de poudres non seulement des particules de tailles différentes, mais également des densités différentes (masses différentes) pour la même raison : les particules plus lourdes traversent la flamme plus facilement que les plus légères. Ainsi, tenter d'utiliser des mélanges de poudres complexes entraînera une distorsion de la composition de revêtement par rapport à la composition du mélange de poudres.
3. Une augmentation de la vitesse des gaz plasmagènes complique l'injection radiale de poudre, car les plages de pressions de gaz vecteur requises et de distributions granulométriques sont encore plus rétrécies. En pratique, cela signifie ce qui suit : plus la vitesse de la flamme est élevée, plus l'efficacité de pulvérisation lors de l'injection radiale de poudre est faible. Il est impossible en aucun cas d'introduire toute la poudre dans la flamme sans perte.
4. L'emplacement des buses de poudre à proximité de la zone de flamme chaude provoque leur échauffement, qui est compensé uniquement par le refroidissement par le gaz porteur de la poudre. Si la vitesse du gaz de refroidissement n'est pas suffisante pour le refroidissement, des particules de poudre peuvent coller aux bords de l'ouverture de la buse, formant ainsi un affaissement. Les morceaux coincés se détachent périodiquement de la buse, tombent dans la flamme et provoquent un défaut caractéristique - des « crachats », conduisant à la formation de grossières inclusions poreuses dans le revêtement. Le débit du gaz vecteur étant strictement lié aux paramètres de la flamme (voir point 1), un problème se pose : pour certaines poudres, il n'y a tout simplement pas de paramètres permettant d'éliminer l'effet « crachat », surtout si ces poudres ont un point de fusion bas et /ou à grain fin.

Le passage à l'injection axiale de poudre permet de s'affranchir complètement des problèmes ci-dessus :

1. La pression et la vitesse du gaz vecteur ne sont plus liées aux paramètres de la flamme et de la poudre. La seule condition est que la pression du gaz porteur soit légèrement supérieure à la pression du gaz plasmagène dans la buse au point d'introduction de la poudre. Grâce à l'entrée axiale, toute poudre est complètement capturée par la flamme.
2. Il est toujours possible de sélectionner une pression du gaz porteur à laquelle les « crachats » associés à la poudre collant au bord du trou dans la buse à poudre ne se produiront pas.
3. Il est possible d'utiliser des mélanges de poudres de toute complexité et composition fractionnée. Les particules de différentes tailles acquerront des vitesses et des températures différentes, mais elles finiront toutes par participer à la formation du revêtement. Le fait que les petites particules deviennent nettement plus chaudes que les grosses lorsqu’elles sont introduites axialement dans une flamme de plasma ouvre de nouvelles possibilités pour la conception de mélanges de poudres. La partie principale de ce livre est consacrée à la création de telles compositions polyfractionnelles.

L’auteur a eu la grande chance de disposer depuis de nombreuses années d’un plasmatron Axial III à injection axiale de poudre. Sans cela, la création de nouveaux revêtements multicomposants serait tout simplement impossible.

Tableau récapitulatif des appareils de projection thermique

Pour généraliser, comparer directement et systématiser toutes les méthodes de projection thermique, comparons les propriétés des appareils typiques, ainsi que leurs prix approximatifs dans un tableau (tableau 2) :

Tableau 2. Comparaison des appareils de projection thermique.

Propriétés et caractéristiques	* Méthodes de pulvérisation thermique
	1	2	3	4	5	6	7	8
Utiliser de la poudre ou fil	fil	poudre	fil	poudre	poudre	poudre	fil	poudre
Vitesse maximum particules pulvérisées, m/sec	100	50	200	800	1200	1000	100	400
Température maximale particules pulvérisées, °C	2800	2500	1700	1500	600	1200	> 4000	> 4000
Taille des particules formées revêtement, microns	0,1 – 1000	10 – 150	0,1 – 1000	10 – 100	10 – 100	10 – 100	0,1 – 1000	1 – 50
Efficacité de pulvérisation par pulvérisation matériel	—	+	—	+++	+++	+++	—	++
Efficacité de pulvérisation par débit	–	+++	—	—	—	—	++	–
Porosité minimale revêtement, vol.%	10-15	10-25	5-10	2-3	< 1	< 1	5-10	0,5-3
Energie thermique appareils, kW	10-30	10-50	30-100	50-250	30-85	< 20	20-150	25-150
Performance pulvérisation, kg/heure	2-5	5-10	2-5	5-10	10-20	< 1	10-30	2-5
Prévalence appareils commerciaux et pièces détachées sur le marché mondial	Beaucoup de dispositifs	Beaucoup de dispositifs	Peu dispositifs	Beaucoup de dispositifs	Peu dispositifs	Non dispositifs	Beaucoup de dispositifs	Beaucoup de dispositifs
Mobilité des appareils	+++	+++	–	–	+++ pour - pour les autres	—	+++	– pour l'APS
Bruit de l'appareil	—	+++	—	—	—	—	—	—
Émission de vapeurs et de poussières fines	—	++	—	++	+++	++	—	–
Prix ​​des appareils individuels, €	2.000-	2.000-	10.000-	10.000-	10.000-	Non	10.000-	5.000-
Prix ​​de l'automatisation installations sans périphériques, €	Non	30.000-	Non	100.000-	100.000-	Non	Non	100.000-
Prix ​​de l'automatisation installations avec périphérie « sous clé" : cabine insonorisée, ventilation par filtre installation, robot, etc., €	Non	100.000-	Non	200.000-	200.000-	Non	Non	200.000-
Coût comparatif fonctionnement prenant en compte les consommables matériaux (à l'exception des poudres et fils), la durée de vie de l'appareil et des pièces de rechange,	10-15	5-15	30-60	40-100	40-100	> 100	5-30	30-150

* Numérotation des méthodes :

1. Projection à la flamme d'un fil
2. Pulvérisation de poudre à la flamme
3. Pulvérisation à flamme supersonique avec fil
4. Pulvérisation de poudre à flamme supersonique (HVOF et HVAF)
5. Pulvérisation de poudre à froid
6. Pulvérisation de poudre détonante
7. Pulvérisation d'arc électrique avec fil
8. Projection de poudre plasma (APS et VPS)

Le surfaçage au plasma est une méthode innovante d'application de revêtements spéciaux à haute résistance à l'usure sur la surface des produits usés. Elle est réalisée lors de la restauration de pièces et de mécanismes de machines, ainsi que lors de leur production.

1 Surfaçage plasma - informations générales sur la technique et ses avantages

Un certain nombre de composants et de mécanismes de divers appareils et machines fonctionnent aujourd'hui dans des conditions difficiles qui nécessitent que les produits répondent à plusieurs exigences à la fois. Ils doivent souvent résister à l'influence d'environnements chimiques agressifs et de températures élevées, tout en conservant leurs caractéristiques de résistance élevée.

Il est presque impossible de fabriquer de telles unités à partir d'un métal ou d'un autre matériau. Et d’un point de vue financier, il n’est pas pratique de mettre en œuvre un processus de production aussi complexe.

Il est beaucoup plus raisonnable et rentable de fabriquer de tels produits à partir d'un seul matériau extrêmement durable, puis de leur appliquer certains revêtements protecteurs - résistants à l'usure, à la chaleur, aux acides, etc.

En tant que telle « protection », vous pouvez utiliser des revêtements non métalliques et métalliques, qui diffèrent les uns des autres par leur composition. Une telle pulvérisation permet de conférer aux produits les caractéristiques diélectriques, thermiques, physiques et autres nécessaires. L'une des méthodes modernes les plus efficaces et en même temps universelles pour recouvrir des matériaux avec une couche protectrice est la pulvérisation et le surfaçage avec un arc plasma.

L’essence de l’utilisation du plasma est assez simple. Pour le revêtement, le matériau est utilisé sous forme de fil ou de poudre fine granulée, qui est introduite dans un jet de plasma, où elle est d'abord chauffée puis fondue. C'est à l'état fondu que le matériau de protection aboutit sur la pièce en cours de surfaçage. En même temps, son chauffage continu se produit.

Les avantages de cette technologie sont :

• le flux plasma permet d'appliquer des matériaux avec des paramètres différents, et en plusieurs couches (de ce fait, le métal peut être traité avec différents revêtements, chacun ayant ses propres caractéristiques de protection) ;
• les propriétés énergétiques de l'arc plasma peuvent être ajustées dans de larges limites, car il est considéré comme la source de chaleur la plus flexible ;
• le flux de plasma est caractérisé par une température très élevée, grâce à laquelle il fait fondre facilement même les matériaux décrits comme ayant un caractère réfractaire élevé ;
• les paramètres géométriques et la forme de la pièce à recharger ne limitent pas les capacités techniques de la méthode plasma et ne réduisent pas son efficacité.

Sur cette base, nous pouvons conclure que ni le vide, ni la galvanique, ni aucune autre option de pulvérisation ne peuvent être comparées en termes d'efficacité à celle du plasma. Le plus souvent, il est utilisé pour :

• renforcer les produits soumis à des charges constantes et élevées ;
• protection contre l'usure et la rouille des éléments d'arrêt et de commande et des vannes d'arrêt (la projection de métal au plasma augmente considérablement leur durabilité) ;
• protection contre les effets négatifs des températures élevées, qui provoquent une usure prématurée des produits utilisés dans les verreries.

2 La technologie du surfaçage décrit et ses subtilités

Le surfaçage plasma du métal est réalisé à l'aide de deux technologies :

• une tige, un fil ou un ruban est introduit dans le flux (ils agissent comme un matériau de remplissage) ;
• Un mélange de poudre est introduit dans le jet, qui est capturé et transféré à la surface du produit soudé par le gaz.

Le jet de plasma peut avoir différentes configurations. Selon cet indicateur, il est divisé en trois types :

• Jet fermé. Avec son aide, le dépôt de métal, la métallisation et le durcissement sont le plus souvent effectués. L'arc dans ce cas est caractérisé par une intensité relativement faible du flux de flamme, provoquée par un niveau élevé de transfert de chaleur vers l'atmosphère. Dans l'agencement décrit, l'anode est soit le canal du brûleur, soit sa buse.
• Jet ouvert. Avec cette disposition, la pièce chauffe beaucoup plus, l'anode est la tige ou la pièce elle-même. Un jet ouvert est recommandé pour appliquer des couches de protection ou pour couper du matériau.
• Option combinée. Une disposition conçue spécifiquement pour le surfaçage à la poudre plasma. Avec cette option, deux arcs sont allumés en même temps et l'anode est reliée à la buse du brûleur et au produit soudé.

Quel que soit l'agencement, les gaz utilisés pour former la flamme sont l'oxygène, l'argon, l'air, l'hélium, l'hydrogène ou l'azote. Les experts affirment que l'hélium et l'argon assurent le dépôt et le surfaçage du métal de la plus haute qualité.

3 Torche plasma combinée pour le surfaçage

Dans la plupart des entreprises modernes, le surfaçage à la poudre plasma est réalisé en unités combinées. Dans ceux-ci, de la poudre de charge métallique est fondue entre une buse de torche et une électrode en tungstène. Et pendant que l'arc brûle entre la pièce et l'électrode, le chauffage de la surface du produit soudé commence. De ce fait, une fusion rapide et de haute qualité du métal de base et du métal d'apport se produit.

La torche à plasma combinée garantit une faible teneur en matériau de base déposé, ainsi qu'une plus petite profondeur de pénétration. Ce sont ces faits qui sont reconnus comme le principal avantage technologique du surfaçage par jet de plasma.

La surface à déposer est protégée de l'influence néfaste de l'air ambiant par un gaz inerte. Il pénètre dans la buse (externe) de l'installation et protège de manière fiable l'arc qui l'entoure. Un gaz de transport aux caractéristiques inertes fournit également le mélange de poudres pour l'additif. Il provient d'une mangeoire spéciale.

En général, un plasmatron standard à action combinée, dans lequel le métal est pulvérisé et recouvert, se compose des éléments suivants :

• deux sources d'alimentation (l'une alimente l'arc « indirect », l'autre – l'arc « direct ») ;
• mangeoire pour mélange;
• résistance (ballast);
• trou où le gaz est fourni;
• buse;
• oscillateur;
• corps du brûleur;
• conduite d'alimentation en gaz transportant la composition pulvérulente.

4 Principales caractéristiques du surfaçage des métaux par technologie plasma

Les performances maximales de la torche à plasma sont observées lorsqu'un additif pour fil porteur de courant est utilisé. L'arc brûle dans ce cas entre ce fil (c'est l'anode) et la cathode de l'appareil. La méthode décrite fait fondre légèrement le matériau de base. Mais il ne permet pas de créer une couche superficielle uniforme et fine.

Si de la poudre est utilisée, la pulvérisation et le surfaçage permettent d'obtenir la couche mince spécifiée avec une résistance à l'usure et à la chaleur maximale. Généralement, les composants du mélange de poudres pour le surfaçage sont le cobalt et le nickel. Après avoir utilisé de telles poudres, la surface de la pièce n'a pas besoin d'être traitée davantage, car sa couche protectrice ne présente aucun défaut.

La pulvérisation plasma, par rapport au surfaçage, se caractérise par une vitesse de jet de plasma plus élevée et un flux thermique plus dense. Ce fait est dû au fait que lors de la pulvérisation, on utilise le plus souvent des métaux et des composés à haut niveau de réfractaire (borures, siliciures, tantale, carbures, tungstène, oxydes de zirconium, magnésium et aluminium).

Ajoutons que la méthode de surfaçage évoquée dans l'article dans ses caractéristiques techniques (plage de tensions et courants de fonctionnement, consommation de gaz inerte, etc.) n'est pas très différente de. Et les spécialistes maîtrisent aujourd’hui à la perfection ce type de soudage.

Il s'agit d'une méthode de revêtement progressive, dans laquelle la fusion et le transfert du matériau sur la surface à restaurer sont effectués par un jet de plasma. Le plasma est un état hautement ionisé d'un gaz dans lequel la concentration d'électrons et d'ions négatifs est égale à la concentration d'ions chargés positivement. Un jet de plasma est obtenu en faisant passer un gaz plasmagène à travers un arc électrique lorsqu'il est alimenté par une source de courant continu avec une tension de 80 à 100 V.

La transition du gaz vers un état ionisé et sa désintégration en atomes s'accompagnent de l'absorption d'une quantité importante d'énergie, qui est libérée lorsque le plasma est refroidi en raison de son interaction avec l'environnement et la partie pulvérisée. Cela provoque une température élevée du jet de plasma, qui dépend de l'intensité du courant, du type et du débit du gaz. Le gaz plasmagène est généralement de l'argon ou de l'azote et, plus rarement, de l'hydrogène ou de l'hélium. Lors de l'utilisation de l'argon, la température du plasma est de 15 000 à 30 000 °C et celle de l'azote de 10 000 à 15 000 °C. Lors du choix d'un gaz, il convient de garder à l'esprit que l'azote est moins cher et moins rare que l'argon, mais pour y allumer un arc électrique, une tension nettement plus élevée est nécessaire, ce qui détermine des exigences accrues en matière de sécurité électrique. Par conséquent, parfois lors de l'allumage d'un arc, de l'argon est utilisé, pour lequel la tension d'excitation et de combustion de l'arc est inférieure, et de l'azote est utilisé dans le processus de pulvérisation.

Le revêtement est formé du fait que le matériau appliqué entrant dans le jet de plasma fond et est transféré par un flux de gaz chaud à la surface de la pièce. La vitesse de vol des particules métalliques est de 150 à 200 m/s à une distance de la buse à la surface de la pièce de 50 à 80 mm. En raison de la température plus élevée du matériau appliqué et de la vitesse de vol plus élevée, la résistance de la connexion entre le revêtement plasma et la pièce est plus élevée qu'avec d'autres méthodes de métallisation.

Une température élevée et une puissance élevée par rapport à d'autres sources de chaleur sont les principales différences et avantages de la métallisation au plasma, offrant une augmentation significative de la productivité du processus, la capacité de fondre et de déposer tous les matériaux résistants à la chaleur et à l'usure, y compris les alliages durs et les matériaux composites. , ainsi que des oxydes, borures, nitrures, etc., dans diverses combinaisons. Grâce à cela, il est possible de former des revêtements multicouches aux propriétés diverses (résistant à l'usure, facile à effraction, résistant à la chaleur, etc.). Les revêtements de la plus haute qualité sont obtenus en utilisant des matériaux de surface auto-fondants.

La densité, la structure et les propriétés physiques et mécaniques des revêtements plasma dépendent du matériau appliqué, de la dispersion, de la température et du taux de collision des particules transférées avec la pièce à restaurer. Les deux derniers paramètres sont fournis par le contrôle du jet de plasma. Les propriétés des revêtements plasma augmentent considérablement lors de leur fusion ultérieure. De tels revêtements sont efficaces sous des chocs et des charges de contact élevées.

Le principe de fonctionnement et la conception de la torche à plasma sont illustrés sur la Fig. 4.51. Un jet de plasma est obtenu en faisant passer du gaz plasmagène 7 à travers un arc électrique créé entre la cathode de tungstène 2 et l'anode de cuivre 4 lorsqu'une source de courant leur est connectée.

La cathode et l'anode sont séparées l'une de l'autre par un isolant 3 et sont refroidies en continu par le liquide b (de préférence de l'eau distillée). L'anode est réalisée sous la forme d'une buse dont la conception assure la compression et une certaine direction du jet de plasma. La compression est également facilitée par le champ électromagnétique qui se crée autour du jet. Ainsi, le gaz ionisé plasmagène quitte la buse du plasmatron sous la forme d'un jet de petite section, qui fournit une concentration élevée d'énergie thermique.

Riz. 4.51. Schéma du processus de pulvérisation plasma : 1 - distributeur de poudre ; 2- cathode ; 3 - joint isolant ; 4 - anodes ; 5 - transporter du gaz ; 6 - liquide de refroidissement ; 7 - gaz plasmagène

Les matériaux appliqués sont utilisés sous forme de poudres granulaires d'une granulométrie de 50 à 200 microns, de cordes ou de fils. La poudre peut être introduite dans le jet de plasma avec le gaz plasmagène ou depuis le distributeur 1 avec le gaz de transport 5 (azote) dans la buse de la torche à gaz, et un fil ou un cordon est inséré dans le jet de plasma sous le buse de la torche à plasma. Avant utilisation, la poudre doit être séchée et calcinée pour réduire la porosité et augmenter l'adhérence du revêtement à la pièce.

La protection du jet de plasma et des particules de métal fondu qu'il contient contre l'interaction avec l'air peut être réalisée par un flux de gaz inerte, qui doit entourer le jet de plasma. A cet effet, une buse supplémentaire est prévue dans le plasmatron, concentriquement à la buse principale, à travers laquelle du gaz inerte est fourni. Grâce à cela, l'oxydation, la nitruration et la décarbonisation du matériau projeté sont éliminées.

Dans l'exemple considéré, la source d'alimentation est reliée aux électrodes de la torche à plasma (circuit de connexion fermé), l'arc électrique ne sert donc qu'à créer un jet de plasma. Lors de l'utilisation du matériau appliqué sous forme de fil, la source d'alimentation peut également y être connectée. Dans ce cas, en plus du jet de plasma, un arc de plasma se forme, qui participe également à la fusion de la tige, grâce à quoi la puissance de la torche à plasma augmente considérablement

Les installations modernes de surfaçage au plasma disposent de systèmes électroniques de régulation des paramètres du processus et sont équipées de manipulateurs et de robots. Cela augmente la productivité et la qualité du processus de pulvérisation et améliore les conditions de travail du personnel d'exploitation.

Les principales différences entre la métallisation au plasma et les autres méthodes de fusion sont une température plus élevée et une puissance plus élevée, ce qui permet une augmentation significative de la productivité du processus et la capacité d'appliquer et de fondre tout matériau résistant à la chaleur et à l'usure (Fig. 4.8). Pour la pulvérisation au plasma, des gaz argon et azote sont utilisés pour fournir la température du jet. Pour la métallisation plasma, les installations UPU et UMN sont largement utilisées, dont l'ensemble comprend un rotateur, une chambre de protection, un distributeur de poudre, une source d'alimentation et un panneau de commande.

La partie principale de l'installation est le plasmatron dont la durée de vie est déterminée par la durabilité de la buse. La durée de fonctionnement de la torche à plasma est courte, ses pièces d'usure sont donc remplaçables. Les sources de courant sont des générateurs de soudage PSO-500 ou des redresseurs I PN-160/600.

Riz. 4.8. Schéma du processus de pulvérisation plasma :

1 - distributeur de poudre ; 2 - cathode; 3 - joint isolant ; 4 - anodes ; 5 - transporter du gaz ; 6 - liquide de refroidissement ; 7 - gaz plasmagène

L'argon ou l'azote, moins rare et moins cher, est utilisé comme gaz plasmagène. Cependant, l'allumage d'un arc dans un environnement azoté est plus difficile et nécessite une tension nettement plus élevée, ce qui présente un danger pour le personnel d'exploitation. Une méthode est utilisée dans laquelle un arc est allumé dans un environnement d'argon avec une tension d'excitation et de combustion d'arc plus faible, puis commuté à l'azote. Le gaz plasmagène est ionisé et sort de la buse du plasmatron sous la forme d'un jet de faible section. La compression est facilitée par les parois du canal de la buse et le champ électromagnétique qui se crée autour du jet. La température du jet de plasma dépend de l'intensité du courant, du type et du débit du gaz et varie de 10 000 à 30 000 °C ; la vitesse d'écoulement du gaz est de 100 à 1 500 m/s. Le plasma d'argon a une température de 15 000 à 30 000 °C, le plasma d'azote de 10 000 à 15 000 °C.

Dans la métallisation au plasma, une poudre granulée d'une granulométrie de 50 à 200 microns est utilisée comme matériau appliqué. La poudre est introduite dans la zone d'arc par un gaz de transport (azote), fondue et transférée dans la pièce. La vitesse de vol des particules de poudre est de 150 à 200 m/s, la distance entre la buse et la surface de la pièce est de 50 à 80 mm. En raison de la température plus élevée du matériau appliqué et de la vitesse de vol plus élevée des particules pulvérisées, la résistance de la connexion entre le revêtement et la pièce dans cette méthode est plus élevée qu'avec d'autres méthodes de métallisation.

La métallisation plasma, qui se produit à haute température du jet de plasma, permet l'application de n'importe quel matériau

matériaux, y compris les plus résistants à l'usure, mais cela pose le problème du traitement ultérieur des matériaux ultra-durs et résistants à l'usure.

L'utilisation d'un rayonnement laser pulsé, dont la durée est de quelques millisecondes, permet d'obtenir des zones thermiquement affectées minimales ne dépassant pas plusieurs dizaines de microns. Des volumes minimaux de matière fondue et un apport thermique minimal dans la pièce à souder permettent de réduire les déformations longitudinales et transversales et ainsi de maintenir les dimensions de précision de la pièce dans la plage de tolérance de plusieurs microns. La précision du guidage et l'action locale du faisceau laser permettent de souder des zones géométriques strictement définies de la pièce, en prévoyant une surépaisseur minimale d'usinage, qui est de 0,2 à 0,5 mm. Étant donné que lors du rechargement par laser pulsé, les zones affectées thermiquement sont très petites, le substrat reste pratiquement froid et la vitesse de refroidissement de la phase liquide du métal fondu atteint 102-103 °C/s. Dans ces conditions, un processus d'auto-durcissement a lieu, ce qui conduit à la formation d'une structure extrêmement finement dispersée présentant une résistance à l'usure accrue.

En comparaison, presque toutes les différences techniques fondamentales entre les technologies de rechargement par arc électrique et par laser pulsé sont une conséquence du fait que l'arc est une source d'énergie de soudage concentrée et que le faisceau laser est une source d'énergie hautement concentrée. Le surfaçage au laser pulsé, par rapport au surfaçage à l'arc électrique, se caractérise par des volumes minimes de matière fondue, des zones affectées par la chaleur et, par conséquent, un retrait transversal et longitudinal nettement inférieur.

Après surfaçage à l'arc électrique, les surépaisseurs peuvent atteindre plusieurs millimètres, ce qui nécessite un usinage ultérieur. L'utilisation d'un arc électrique comme source d'énergie s'accompagne de son effet de force sur la phase liquide du métal fondu, entraînant la formation de contre-dépouilles qui ne se produisent pas lors du rechargement laser. Le surfaçage à l'arc électrique nécessite un chauffage préalable et concomitant des zones de soudage et un traitement thermique ultérieur et un type de surfaçage au laser.

La technologie de surfaçage au laser peut être utilisée pour restaurer des moules et des matrices usés et éliminer divers défauts formés au cours du processus de fabrication des moules et des matrices. Types de défauts éliminés grâce au rechargement laser : sites d'essais de dureté HRC, fissures, entailles, éraflures, cavités et pores, fissures profondes, sites de collage. Le processus technologique de surfaçage laser consiste en un apport simultané de rayonnement laser et de fil d'apport sur le site du défaut dans un environnement de gaz inerte. Le matériau de remplissage, en fondant, remplit le site du défaut. Après le surfaçage au laser, un traitement mécanique minimal est requis par rapport aux méthodes de surfaçage traditionnelles. La grande précision du pointage du faisceau laser sur l'emplacement du défaut, la localité d'action du rayonnement laser permet de fusionner des zones strictement définies de pièces défectueuses (Fig. 4.9).

La courte durée du processus, la durée de l'impulsion laser de plusieurs millisecondes ainsi que le dosage précis de l'énergie garantissent un minimum de zones affectées par la chaleur et l'absence d'usure des pièces. Le surfaçage au laser peut réduire considérablement l'intensité du travail des réparations d'outillage et, par conséquent, le coût en éliminant du processus le préchauffage, le traitement thermique ultérieur et la nécessité d'enlever le revêtement de chrome de la surface et son application ultérieure si la pièce est chromée. -plaqué. Les avantages du revêtement laser sont répertoriés dans le tableau. 4.2.

Pour éviter l'oxydation du métal en fusion, la zone de surfaçage est protégée par des gaz inertes, par exemple un mélange d'argon et d'hélium. Pour le surfaçage de composants de grande taille (jusqu'à plusieurs mètres de longueur), des systèmes laser à solide équipés de systèmes à fibre optique sont utilisés. Une technologie a été développée pour éliminer les défauts sous forme de fissures non traversantes chaudes et froides formées lors du soudage à l'arc électrique avec des électrodes en bâton utilisant le rayonnement laser pulsé de lasers à semi-conducteurs.

Le soudage de plusieurs fissures par rayonnement laser pulsé permet de mettre en œuvre le mode de soudage dit « à froid », dans lequel la soudure dans la zone réparée ne s'échauffe pas, ce qui permet de maintenir la résistance mécanique du joint soudé et d'éviter le revenu du métal dans la soudure.

L'utilisation d'un système de fibre optique de plusieurs mètres de long permet d'effectuer des réparations dans les endroits les plus difficiles d'accès. Cette technologie peut être utilisée pour éliminer divers défauts formés lors du soudage à l'arc électrique - fissures, à froid et à chaud, cavités, cratères, fistules, contre-dépouilles.

En raison de la nature et des conditions de fonctionnement, la surface latérale des aubes de turbine haute pression est soumise à des microdommages dus à des influences mécaniques, chimiques et thermiques. L'analyse de la dommageabilité montre qu'environ 70 % de leur nombre total sont des pièces présentant des défauts de surface allant jusqu'à 0,4 à 2,0 mm de profondeur. L'utilisation de systèmes à fibres optiques pour délivrer un faisceau laser sur le site du défaut ouvre la possibilité de réparer une aube de turbine sans la démonter. La taille de la zone thermiquement affectée ne dépasse pas 15 µm. La structure de la couche déposée est finement dispersée.

Riz. 4.11. Coupe transversale à l'emplacement du tube dessoudé de la partie réfrigérateur

Riz. 4.12. Meulage du site du défaut traité en mode soudage-brasage

Lors du processus de fabrication des sections d'eau, des défauts sous forme de soudures manquantes peuvent survenir. Une technologie a été développée pour éliminer les fuites de sections à l'aide du brasage-soudage au laser pulsé (Fig. 4.11 et 4.12).

Pour éliminer les fuites dans un joint soudé, un rayonnement laser pulsé provenant d'un laser à semi-conducteurs est utilisé. Un système de télévision intégré à l'émetteur laser utilisant une désignation de cible basée sur un laser He - Ne (hélium - néon) vous permet de diriger avec précision le faisceau laser vers le site du défaut. Equiper le laser d'un système à fibre optique permet d'éliminer les défauts dans les endroits difficiles d'accès et de passer rapidement d'un défaut à l'autre.

La pulvérisation plasma (ou, en d'autres termes, la métallisation par diffusion) est un moyen efficace de modifier les propriétés physiques et mécaniques, ainsi que la structure de la surface principale. Par conséquent, il est souvent utilisé à des fins décoratives et pour augmenter la durabilité du produit final.

Le principe de la pulvérisation plasma

Comme les méthodes traditionnelles de revêtement de surface, la métallisation par diffusion implique le dépôt d'une couche d'un autre métal ou alliage sur la surface métallique, qui possède les propriétés nécessaires à l'utilisation ultérieure de la pièce - la couleur souhaitée, la résistance à la corrosion, la dureté. Les différences sont les suivantes :

1. Le plasma à haute température (5 000 - 6 000 °C) accélère considérablement le processus de revêtement, qui peut prendre une fraction de seconde.
2. Lors de la métallisation par diffusion dans un jet de plasma, des éléments chimiques issus du gaz où est effectué le traitement peuvent également diffuser dans les couches superficielles du métal. Ainsi, en ajustant la composition chimique du gaz, il est possible d'obtenir une saturation combinée de la surface du métal en atomes des éléments souhaités.
3. L'uniformité de la température et de la pression à l'intérieur du jet de plasma garantit une haute qualité des revêtements finaux, ce qui est très difficile à obtenir avec les méthodes de métallisation traditionnelles.
4. La pulvérisation plasma se caractérise par une durée de processus extrêmement courte. En conséquence, non seulement la productivité augmente, mais la surchauffe, l'oxydation et d'autres phénomènes de surface indésirables sont également éliminés.

Paramètres de travail pour la mise en œuvre du processus

Puisqu'une décharge électrique est le plus souvent utilisée pour initier un plasma à haute température - arc, étincelle ou impulsion - l'équipement utilisé pour cette méthode de pulvérisation comprend :

• Source de création de décharge : générateur haute fréquence ou convertisseur de soudage ;
• Une chambre de travail étanche où est placée la pièce à métalliser ;
• Un réservoir de gaz dans l'atmosphère duquel se formera un plasma à haute température ;
• Une pompe ou une unité de vide qui fournit la pression nécessaire pour pomper le fluide de travail ou pour créer le vide requis ;
• Systèmes de contrôle de processus.

Le fonctionnement d'une torche à plasma qui effectue une pulvérisation de plasma se déroule comme suit. La partie pulvérisée est fixée dans une chambre étanche, après quoi une décharge électrique est excitée entre les surfaces de l'électrode de travail (qui comprend les éléments pulvérisés) et la pièce. Dans le même temps, un milieu liquide ou gazeux est pompé à travers la zone de travail avec la pression requise. Son but est de comprimer la zone de décharge, augmentant ainsi la densité volumétrique de sa puissance thermique. Le plasma hautement concentré permet une évaporation dimensionnelle du métal de l'électrode et initie simultanément la pyrolyse de l'environnement entourant la pièce. En conséquence, une couche de la composition chimique souhaitée se forme sur la surface. En modifiant les caractéristiques de décharge - courant, tension, pression - vous pouvez contrôler l'épaisseur et la structure du revêtement pulvérisé.

Le processus de métallisation par diffusion sous vide se déroule de la même manière, sauf que la compression du plasma se produit en raison de la différence de pression à l'intérieur et à l'extérieur de sa colonne.

Équipements technologiques, consommables

Le choix du matériau de l'électrode dépend du but de la pulvérisation et du type de métal traité. Par exemple, pour le durcissement des matrices, les électrodes les plus efficaces sont constituées d'alliages fer-nickel, qui sont en outre alliés à des éléments tels que le chrome, le bore et le silicium. Le chrome augmente la résistance à l'usure du revêtement, le bore augmente la dureté et le silicium augmente la densité du revêtement de finition.

Lors d'une métallisation à des fins décoratives, le critère principal de choix du métal de l'électrode de travail est la configuration de la surface à pulvériser, ainsi que son aspect. Le dépôt de cuivre est par exemple réalisé à l'aide d'électrodes en cuivre électrique M1.

Un élément structurel important du processus est la composition du milieu. Par exemple, s'il est nécessaire d'obtenir des nitrures et carbures très résistants dans la couche pulvérisée, des milieux organiques contenant du carbone ou de l'azote doivent être présents dans le gaz.

Traitement ultérieur du revêtement fini

En raison de la nature du procédé, la densité de la couche projetée et la force de son adhérence au métal de base ne sont pas toujours suffisantes pour assurer la durabilité du revêtement. Par conséquent, souvent après le traitement, la pièce est soumise à une fusion superficielle ultérieure à l'aide d'une flamme oxygène-acétylène ou dans des fours thermiques. En conséquence, la densité du revêtement augmente plusieurs fois. Le produit est ensuite meulé et poli à l'aide d'outils en carbure.

Compte tenu de la finition ultérieure du produit, l'épaisseur de la couche métallique après traitement est considérée comme étant d'au moins 0,8 à 0,9 mm.

Pour conférer à la pièce les propriétés de résistance finale, celle-ci est trempée et revenue dans les conditions technologiques préconisées pour le métal de base.

La pulvérisation plasma augmente la résistance à la chaleur, la résistance à l'usure et la dureté des produits, augmente leur capacité à résister aux processus de corrosion et la pulvérisation à des fins décoratives améliore considérablement l'apparence des pièces.

Les limites de la technologie de projection plasma par diffusion sont la complexité excessive de la configuration de la pièce, ainsi que la complexité relative des installations utilisées.

Si les exigences d'uniformité de la couche résultante ne sont pas élevées, des installations plus simples, rappelant structurellement les machines à souder semi-automatiques, peuvent être utilisées. Dans ce cas, la pulvérisation plasma est réalisée dans une bulle d'air, qui se forme lorsque la zone de traitement est soufflée par un compresseur. Les électrodes, qui contiennent le métal pulvérisé, se déplacent séquentiellement le long du contour du produit. Pour améliorer l'adhérence du métal projeté sur la base, un matériau de remplissage est également introduit dans la zone de pulvérisation.