Tehnologija i postupak plazma raspršivanja. Plazma-lučno raspršivanje Tehnologija plazma raspršivanja

Dakle, koji je princip plazma raspršivanja? U svim uređajima za plazma raspršivanje prah dobiva temperaturu i brzinu u struji vrućeg plina koju stvara plazmatron. S druge strane, plazmatron ili generator plazme je uređaj izumljen 1920-ih, u kojem se električni luk koji gori između katode i anode u ograničenom volumenu (mlaznica) napuhava inertnim plinom i stvara baklju redukcijskog plamena visoke temperature .

Zašto je ovaj princip tako atraktivan za rješavanje problema toplinskog raspršivanja? Upravo zato što je plamen plazmatrona vrlo vruć i uvijek strogo reducira; prisutnost kisika u plazmatronu strogo je zabranjena zbog brzog, inače, razaranja elektrodnog materijala (parcijalni tlak kisika u plinovima koji stvaraju plazmu određen je njihovom čistoćom i ne smije biti veći od 0,004%). Plamen plamenika plazmatrona, kada se pravilno koristi, ne samo da može obnoviti aktivnu metalnu površinu od oksidnih filmova na raspršenim česticama, već čak i očistiti površinu same podloge od oksida. Ovu priliku pruža isključivo metoda prskanja plazmom.

Što se tiče plazma raspršivanja, među teoretičarima i praktičarima toplinskog raspršivanja postoje brojne predrasude koje se u većini slučajeva ne povezuju s procesom kao takvim, već s nerazumijevanjem suštine procesa raspršivanja, nedostacima u dizajnu pojedinih uređaja. i njihovu nepravilnu upotrebu. Razgovarajmo o ovim predrasudama:

1.“Plamen plazme je prevruć i stoga prikladan samo za prskanje vatrostalnih metala i oksidnih keramičkih materijala. Previsoka temperatura dovodi do isparavanja dijela praha i uništavanja karbida kroma i volframa.”

Zaista, temperatura plazme može doseći 20 000°C ili više, što je mnogo više od, na primjer, temperature oksi-acetilenskog plamena (oko 3000°C). Međutim, temperatura plamena ima vrlo malo veze s temperaturom raspršenih čestica. Ne ulazeći u fiziku interakcije vrućeg plina s krutim česticama, reći ćemo samo da je ta interakcija vrlo složena i ovisi o velikom broju parametara, uključujući ne samo temperaturu plina, njegovu brzinu, duljinu baklju i veličinu čestica, ali i kemijski sastav plina i čestica. Osim toga, za prijenos topline s baklje na čestice nije presudna apsolutna temperatura plamena, već njegov sjaj. Na primjer, topliji, ali gotovo nevidljivi plamen vodik-kisik zagrijava čestice puno gore od hladnijeg, ali svjetlijeg (zbog užarenih nanočestica ugljika) plamena acetilen-kisik. Svjetlost pramena plazme ovisi o sastavu plina koji stvara plazmu te o veličini i sastavu čestica koje prolaze kroz njega. Zanimljivo je da je u mnogim slučajevima taj luminozitet manji od plamena kisika i acetilena i mora se povećavati na različite načine samo da bi čestice dobile barem minimalnu potrebnu temperaturu. Budući da duljina plamena plinsko-plamenskih uređaja također često premašuje duljinu plazma baklje, dolazi do "paradoksa": krupnozrnati metalni prah zagrijava se jače u uređajima za raspršivanje plamenom praha nego u snažnijim i "vrućim" uređajima za raspršivanje plazme .

2. "Brzina čestica tijekom plazma raspršivanja nije dovoljna za proizvodnju gustih premaza."

Brzina protoka plina i čestica u njemu određena je ne principom stvaranja plamena, već isključivo dizajnom uređaja. Trenutno postoje industrijski uređaji za plazma raspršivanje s Lavalovom mlaznicom koji česticama daje nadzvučnu brzinu.

3. “Samo skupi vakuumski plazma raspršivači prikladni su za raspršivanje metala, dok atmosferski plazma raspršivači nisu prikladni zbog oksidacije metalnih čestica.”

Čudno je da se takva izjava čuje vrlo često, čak i od ljudi koji se praktično bave plazma raspršivanjem, posebno u vezi s MCrAlY premazima za lopatice plinskih turbina. Zapravo, u ovoj izjavi postoji tipična zamjena koncepata: čisto metalne prevlake od legura nikla s niskim talištem dobivene vakuumskim plazma raspršivanjem (VPS) doista su bolje od atmosferskog raspršivanja (APS), ali ne zbog oksidacije čestica u plazma, već sasvim drugi razlog, o čemu će biti riječi u odjeljku o raspršivanju vakuumske plazme. Oksidacija metalnih čestica u obje ove metode odvija se na isti način.

Uređaji za atmosfersko plazma raspršivanje ne razlikuju se od uređaja za vakuumsko plazma raspršivanje. Razlika nije u samim uređajima, već u načinu na koji je organiziran proces taloženja: atmosfersko taloženje se provodi na zraku, ali kod vakuumskog taloženja i plazmatron i dio koji se raspršuje nalaze se u vakuumskoj komori pod vakuumom. Jasno je da je atmosfersko taloženje puno pristupačnije i jeftinije od vakuumskog taloženja, štoviše, za velike dijelove vakuumsko taloženje postaje jednostavno nemoguće zbog nerealne veličine vakuumske komore. Sami plazmatroni mogu se koristiti i za atmosfersko i za vakuumsko taloženje.

Kako bismo jasnije objasnili značajke plazma raspršivanja, prijeđimo na razmatranje različitih dizajna koji danas postoje.

Postrojenja za prskanje plazmom

Uređaji za plazma raspršivanje dolaze u velikom izboru dizajna. Razmotrit ćemo ih od najtradicionalnijih do najnaprednijih.

Najčešći uređaji su oni s jednom katodom i jednom anodom, te s uvođenjem praha izvan kratke mlaznice, okomito na os plamena.

Princip rada takvih uređaja prikazan je na dijagramu (Slika 28):

Riža. 28. Princip plazma raspršivanja.

Kao što se može vidjeti iz dijagrama, kratka mlaznica plazmatrona također je anoda. Prah se unosi izvan mlaznice okomito na os plamena, u neposrednoj blizini luka.

Najpopularniji uređaj ove vrste je 3MB plazmatron tvrtke Sulzer Metco, koji uz manje izmjene postoji više od 40 godina. Slika 29 prikazuje trenutne modele ove serije s maksimalnom snagom od 40 kW.

Riža. 29. Plazmatron 3MB.

Nešto noviji i snažniji (55 kW) uređaj s jednom katodom je plazmatron F4, prikazan na slici 30.

Riža. 30. Plazmatron F4.

Uređaj 9MB jedan je od najsnažnijih jednokatodnih plazmatrona tradicionalnog tipa (80 kW pri struji od 1000 A i naponu od 80 V) također proizveden od strane Sulzer Metco (Slika 31):

Riža. 31. Plasmatron 9MB

Tradicionalni plazmatroni s jednom katodom drugih tvrtki malo se razlikuju od plazmatrona Sulzer Metco: svi oni rade s relativno malom brzinom protoka plina, niskim (< 100 В) напряжении и большом (до 1000 А) токе дуги. Ни один из традиционных плазматронов не позволяет достичь частицам скорости звука.

Prednost plazmatrona s malom brzinom protoka plina je mogućnost davanja vrlo visoke temperature česticama (> 4000°C) zbog relativno dugog vremena koje ostaju u vrućoj zoni plamena pored luka. Tako visoke temperature čestica omogućuju taljenje gotovo svih keramičkih i metalnih materijala.

Razvoj tehnologije plazma raspršivanja u posljednjih dvadesetak godina ide putem povećanja brzine čestica. Da bi čestice dobile veću brzinu, potrebno je povećati tlak plinova koji stvaraju plazmu ispred mlaznice, što automatski dovodi do povećanja protoka plina i povećanja napona luka.

Moderan, snažan (do 85 kW, struja do 379 A, ​​napon do 223 V) uređaj s jednom katodom i anodom je plazmatron 100HE američke tvrtke Progressive Technologies Inc., koji zahvaljujući visokom tlaku i brzine protoka plinova koji stvaraju plazmu, omogućuje postizanje brzina čestica - bliskih brzini zvuka (slika 32):

Riža. 32. Plazmatron 100HE.

Zbog velike brzine plina koji stvara plazmu, smanjuje se vrijeme zadržavanja čestica u vrućoj zoni plamena, a time i njihova temperatura. Da bi se tome suprotstavilo, potrebno je povećati snagu luka i koristiti veliku količinu vodika u plinu koji stvara plazmu, koji zahvaljujući procesu disocijacije-udruživanja molekula produljuje vruću zonu plamena. Tako plazmatron 100HE ostvaruje temperaturu čestica veličine 20-30 mikrona iznad 2300°C pri brzini od oko 250 m/s, što omogućuje prskanje premaza Cr 3 C 2 - NiCr, Cr 2 O 3 i Al 2 O 3 niske poroznosti.

Drugi smjer razvoja, u kombinaciji s povećanjem potrošnje plina, je podjela jednog luka na tri dijela, čime se poboljšava stabilnost i ujednačenost plamena, smanjuje trošenje elektroda i povećava ukupna snaga plamena. Tipičan primjer takvog uređaja je najnoviji plazmatron TriplexPro TM -210 tvrtke Sulzer Metco s jednom anodom i tri katode, maksimalne snage 100 kW (slika 33):

Riža. 33. Plasmatron TriplexPro TM.

1 – stražnji dio tijela; 2 – snop anoda; 3 – prednji dio tijela; 4 – izolator; 5 – spojna matica; 6 – tri katode u keramičkom bloku; 7 – element snopa anode; 8 – plazma kanal; 9 – mlaznica sa tri mlaznice praha.

Triplex tehnologija tvrtke Sulzer Metco ušla je u industriju termalnih raspršivača 1990-ih. Ovi uređaji imaju, u usporedbi s plazmatronima s jednim lukom, značajno duži radni vijek i stabilnost rezultata taloženja. Za mnoge komercijalne prahove Triplex plazmatroni također mogu poboljšati produktivnost i učinkovitost prskanja uz zadržavanje kvalitete premaza.

GTV GmbH je, zaobilazeći patent Sulzer Metco za trokatodne plazmatrone, objavio GTV Delta uređaj s jednom katodom i tri anode, koji je u principu degradirana kompilacija TriplexPro (slika 34):

Riža. 34. GTV Delta plazmatron.

Posljednji, treći smjer razvoja je napuštanje radijalnog unosa praha u korist mnogo racionalnijeg - aksijalnog. Ključni element dizajna plazmatrona s aksijalnim ubrizgavanjem praha, Convergens, izumio je 1994. Amerikanac Lucian Bogdan Delcea.

Trenutno postoji samo jedan sličan uređaj - plazmatron Axial III, maksimalne snage 150 kW, proizvođača kanadske tvrtke Mettech, koji objedinjuje sva tri pravca razvoja (veliki protok plina, tri luka i aksijalni unos praha). Jedinice za plazma prskanje s plazmatronom Axial III također proizvodi i distribuira njemačka tvrtka Thermico GmbH.

Slike 35, 36 i 37 prikazuju sam uređaj Axial III i njegov dijagram dizajna:

Riža. 35. Plazmatron aksijalni III.

Riža. 36. Pogled na uređaj Axial III sa strane mlaznice.

Riža. 37. Shematski prikaz aksijalne III.

Sve moderne instalacije za plazma raspršivanje su automatizirane, odnosno upravljanje izvorima struje, sustavom za hlađenje vode i protokom plina regulirano je CNC sustavom uz vizualizaciju i spremanje recepata na računalu. Na primjer, plazmatron Axial III isporučuje Thermico GmbH zajedno s računalnim sustavom upravljanja koji samostalno pali lukove i ulazi u način rada, odabire recepte za raspršivanje i kontrolira sve glavne parametre: protok triju plinova koji stvaraju plazmu (argon, dušik i vodik), struje luka, parametri sustava vodenog hlađenja. Isti automatski sustav također kontrolira dodavač praha.

Posebno treba spomenuti Thermico dodavač praha. Ovaj, danas „najnapredniji“ uređaj na svijetu, omogućuje ne samo stalnu regulaciju masenog protoka praha i protoka nosivog plina (dušika ili argona), već također omogućuje korištenje fino zrnatih prahova s ​​lošim protočnost, neprikladan, na primjer, za hranilice Sulzer Metco.

Autor je osobno radio s plazmatronom Axial III dugo vremena i iz vlastitog iskustva može reći da je unatoč nekim nedostacima u dizajnu ovaj plazmatron najnapredniji uređaj za toplinsko raspršivanje, koji kombinira prednosti raspršivanja velike brzine s visokom temperaturom. smanjenje plamena. Glavna prednost Axial III je aksijalni unos praha.

Prednosti aksijalnog unosa praha

Aksijalno ubrizgavanje praha je kvantni skok u tehnologiji plazma raspršivanja. Ovdje se ne radi samo o tome da se kod aksijalnog unosa značajno smanjuju gubici praha, već se otvara mogućnost raspršivanja potpuno drugačijih praškastih materijala koji nisu prikladni za radijalni unos. Budući da je ovaj aspekt fundamentalno važan za razumijevanje sljedećih odjeljaka, detaljnije ćemo se zadržati na njemu.

Dakle, što se događa kada se prah radijalno unese u plameni mlaz na izlazu iz mlaznice? Navodimo nedostatke takvog unosa:

1. Za radijalno injektiranje prikladni su samo prahovi vrlo uske frakcije, za što je potrebno precizno odabrati tlak plina nositelja. Što to znači?: Ako je tlak plina nosača nedovoljan, čestice praha će se "odbiti" od mlaza plamena; ako je tlak plina nositelja previsok, one će "pucati" kroz ovaj plamen; ako se prah sastoji od čestica različitih veličina, tada je u principu nemoguće odabrati “ispravan” tlak plina nositelja: najmanje čestice će se uvijek “odbiti”, a one najveće će uvijek “probiti”, tj. Naime, niti jedna od ovih čestica neće biti u raspršenom premazu neće biti, već samo neke "prosječne" čestice. Fino zrnate prahove posebno je teško uvesti zbog njihove povećane disperzije plinom nositeljem (tipičan oblak prašine oko baklje).
2. Kod uvođenja radijalnog praha nemoguće je u smjesi praha koristiti ne samo čestice različite veličine, već i različite gustoće (različite mase) iz istog razloga: teže čestice lakše lete kroz plamen od lakših. Stoga će pokušaj korištenja složenih mješavina praha rezultirati iskrivljenjem sastava premaza u usporedbi sa sastavom smjese praha.
3. Povećanje brzine plinova koji stvaraju plazmu komplicira radijalno ubrizgavanje praha, budući da su rasponi potrebnih tlakova plina nositelja i raspodjele veličine čestica dodatno suženi. U praksi to znači sljedeće: što je veća brzina plamena, to je niža učinkovitost prskanja tijekom radijalnog ubrizgavanja praha. Nemoguće je ni pod kojim okolnostima unijeti sav prah u plamen bez gubitaka.
4. Položaj mlaznica za prah uz zonu vrućeg plamena uzrokuje njihovo zagrijavanje, koje se kompenzira samo hlađenjem plinom koji nosi prah. Ako brzina rashladnog plina nije dovoljna za hlađenje, tada se čestice praha mogu zalijepiti za rubove otvora mlaznice, stvarajući ulegnuće. Zaglavljeni komadi povremeno odlaze s mlaznice, padaju u plamen i uzrokuju karakterističan nedostatak - "pljuvanje", što dovodi do stvaranja grubih poroznih inkluzija u premazu. Budući da je brzina protoka plina nositelja strogo povezana s parametrima plamena (vidi točku 1), javlja se problem: za neke prahove jednostavno nema parametara koji eliminiraju učinak "pljuvanja", osobito ako su ti prahovi niskog tališta i /ili sitnozrnati.

Prelazak na aksijalno ubrizgavanje praha omogućuje vam da se potpuno riješite gore navedenih problema:

1. Tlak i brzina plina nositelja više nisu vezani za parametre plamena i praha. Jedini uvjet je da tlak plina nosača mora biti malo viši od tlaka plina koji stvara plazmu u mlaznici na mjestu uvođenja praha. Zbog aksijalnog unosa, svaki prah je potpuno zahvaćen plamenom.
2. Uvijek je moguće odabrati tlak plina nositelja pri kojem se neće pojaviti "pljuvanje" povezano s lijepljenjem praha na rub rupe u mlaznici praha.
3. Moguće je koristiti praškaste smjese bilo koje složenosti i frakcijskog sastava. Čestice različitih veličina poprimit će različite brzine i temperature, no sve će na kraju sudjelovati u stvaranju premaza. Činjenica da male čestice postaju znatno toplije od velikih kada se aksijalno uvedu u plazma plamen otvara nove mogućnosti za dizajn praškastih smjesa. Glavni dio ove knjige posvećen je stvaranju takvih polifrakcijskih sastava.

Autor je imao veliku sreću što je dugi niz godina imao na raspolaganju Axial III plazmatron s aksijalnim ubrizgavanjem praha. Da nije toga, stvaranje novih višekomponentnih premaza jednostavno bi bilo nemoguće.

Zbirna tablica uređaja za termalno raspršivanje

Da bismo generalizirali, izravno usporedili i sistematizirali sve metode toplinskog prskanja, usporedimo svojstva tipičnih uređaja, kao i njihove približne cijene u jednoj tablici (tablica 2):

Tablica 2. Usporedba uređaja za toplinsko raspršivanje.

Svojstva i karakteristike	* Metode toplinskog raspršivanja
	1	2	3	4	5	6	7	8
Korištenje praha ili žica	žica	puder	žica	puder	puder	puder	žica	puder
Maksimalna brzina raspršene čestice, m/sek	100	50	200	800	1200	1000	100	400
Maksimalna temperatura raspršene čestice, °C	2800	2500	1700	1500	600	1200	> 4000	> 4000
Veličina čestica koje nastaju premaz, mikrona	0,1 – 1000	10 – 150	0,1 – 1000	10 – 100	10 – 100	10 – 100	0,1 – 1000	1 – 50
Učinkovitost prskanja po prskanju materijal	—	+	—	+++	+++	+++	—	++
Učinkovitost prskanja prema brzini protoka	–	+++	—	—	—	—	++	–
Minimalna poroznost premaz, vol.%	10-15	10-25	5-10	2-3	< 1	< 1	5-10	0,5-3
Toplinska snaga uređaji, kW	10-30	10-50	30-100	50-250	30-85	< 20	20-150	25-150
Izvođenje raspršivanje, kg/sat	2-5	5-10	2-5	5-10	10-20	< 1	10-30	2-5
Prevalencija komercijalni uređaji i rezervnih dijelova na svjetskom tržištu	Puno uređaja	Puno uređaja	Nekoliko uređaja	Puno uređaja	Nekoliko uređaja	Ne uređaja	Puno uređaja	Puno uređaja
Mobilnost uređaja	+++	+++	–	–	+++ za - za druge	—	+++	– za APS
Buka uređaja	—	+++	—	—	—	—	—	—
Emisija para i fine prašine	—	++	—	++	+++	++	—	–
Cijena pojedinačnih uređaja, €	2.000-	2.000-	10.000-	10.000-	10.000-	Ne	10.000-	5.000-
Cijena automatiziranog instalacije bez periferije, €	Ne	30.000-	Ne	100.000-	100.000-	Ne	Ne	100.000-
Cijena automatiziranog instalacije s periferijom “pod ključ": zvučno izolirana kabina, filter-ventilacija instalacija, robot i sl. €	Ne	100.000-	Ne	200.000-	200.000-	Ne	Ne	200.000-
Usporedni trošak rad uzimajući u obzir potrošni materijal materijala (osim pudera i žice), vijek trajanja uređaja i Rezervni dijelovi,	10-15	5-15	30-60	40-100	40-100	> 100	5-30	30-150

* Numeriranje metoda:

1. Žičano plameno prskanje
2. Prskanje plamenim prahom
3. Nadzvučno plameno prskanje žicom
4. Nadzvučno prskanje plamenim prahom (HVOF i HVAF)
5. Hladno prskanje prahom
6. Detonacijsko prskanje prahom
7. Elektrolučno raspršivanje žicom
8. Prskanje plazma prahom (APS i VPS)

Plazma navarivanje je inovativna metoda nanošenja posebnih premaza visoke otpornosti na habanje na površinu istrošenih proizvoda. Izvodi se za obnovu strojnih dijelova i mehanizama, kao i tijekom njihove proizvodnje.

1 Plazma navarivanje - opće informacije o tehnici i njezinim prednostima

Niz sastavnih dijelova i mehanizama raznih uređaja i strojeva danas radi u teškim uvjetima koji od proizvoda zahtijevaju istovremeno ispunjavanje nekoliko zahtjeva. Od njih se često zahtijeva da izdrže utjecaj agresivnih kemijskih okruženja i povišenih temperatura, a da istovremeno zadrže svoje visoke karakteristike čvrstoće.

Gotovo je nemoguće napraviti takve jedinice od bilo kojeg metala ili drugog materijala. A s financijske točke gledišta, nije praktično provoditi tako složen proizvodni proces.

Mnogo je razumnije i isplativije proizvoditi takve proizvode od jednog, maksimalno izdržljivog materijala, a zatim na njih nanijeti određene zaštitne premaze - otporne na habanje, otporne na toplinu, otporne na kiseline i tako dalje.

Kao takvu "zaštitu" možete koristiti nemetalne i metalne premaze, koji se međusobno razlikuju po svom sastavu. Takvo prskanje omogućuje da se proizvodima daju potrebne dielektrične, toplinske, fizičke i druge karakteristike. Jedna od najučinkovitijih i istodobno univerzalnih modernih metoda premazivanja materijala zaštitnim slojem je raspršivanje i navarivanje plazma lukom.

Suština korištenja plazme je vrlo jednostavna. Za premazivanje se koristi materijal u obliku žice ili granuliranog finog praha koji se dovodi u plazma mlaz, gdje se prvo zagrijava, a zatim topi. U rastaljenom stanju zaštitni materijal završava na dijelu koji se navariva. Istodobno se događa njegovo kontinuirano zagrijavanje.

Prednosti ove tehnologije su:

• protok plazme omogućuje vam nanošenje materijala s različitim parametrima iu nekoliko slojeva (zbog toga se metal može tretirati različitim premazima, od kojih svaki ima svoje zaštitne karakteristike);
• energetska svojstva plazma luka mogu se prilagoditi u širokim granicama, budući da se smatra najfleksibilnijim izvorom topline;
• strujanje plazme karakterizira vrlo visoka temperatura, zbog koje lako topi čak i one materijale koji su opisani kao visoko vatrostalni;
• geometrijski parametri i oblik dijela za navarivanje ne ograničavaju tehničke mogućnosti plazma metode i ne smanjuju njenu učinkovitost.

Na temelju toga možemo zaključiti da se ni vakuumska, ni galvanska, niti bilo koja druga opcija raspršivanja ne može usporediti po svojoj učinkovitosti s plazmom. Najčešće se koristi za:

• jačanje proizvoda koji su podložni stalnim velikim opterećenjima;
• zaštita od habanja i hrđanja zapornih i regulacijskih elemenata i zapornih ventila (metalno prskanje plazmom znatno povećava njihovu trajnost);
• zaštita od negativnih učinaka visokih temperatura, koji uzrokuju prerano trošenje proizvoda koje koriste tvornice stakla.

2 Tehnologija opisane obrade i njezine suptilnosti

Plazma navarivanje metala izvodi se pomoću dvije tehnologije:

• šipka, žica ili traka uvodi se u potok (oni djeluju kao materijal za punjenje);
• Mješavina praha se dovodi u mlaz, koji se hvata i plinom prenosi na površinu zavarenog proizvoda.

Plazma mlaz može imati različite konfiguracije. Prema ovom pokazatelju, podijeljen je u tri vrste:

• Zatvoreni mlaz. Uz njegovu pomoć najčešće se vrši taloženje metala, metalizacija i otvrdnjavanje. Luk u ovom slučaju karakterizira relativno nizak intenzitet protoka plamena, što je uzrokovano visokom razinom prijenosa topline u atmosferu. U opisanom rasporedu, anoda je ili kanal plamenika ili njegova mlaznica.
• Otvoreni mlaz. S ovim rasporedom, dio se zagrijava mnogo više; anoda je šipka ili sam obradak. Za nanošenje zaštitnih slojeva ili za rezanje materijala preporučuje se otvoreni mlaz.
• Kombinirana opcija. Izgled dizajniran posebno za navarivanje plazma prahom. S ovom opcijom, dva luka se pale istodobno, a anoda je spojena na mlaznicu plamenika i na zavareni proizvod.

Za bilo koji raspored, plinovi koji se koriste za stvaranje plamena su kisik, argon, zrak, helij, vodik ili dušik. Stručnjaci kažu da helij i argon omogućuju najkvalitetnije taloženje i navarivanje metala.

3 Kombinirani plazma plamenik za navarivanje

Plazma-praškasto navarivanje u većini modernih poduzeća provodi se u kombiniranim jedinicama. U njima se prah metalnog punila topi između mlaznice plamenika i volframove elektrode. I dok luk gori između dijela i elektrode, počinje zagrijavanje površine zavarenog proizvoda. Zbog toga dolazi do kvalitetne i brze fuzije osnovnog i dodatnog metala.

Kombinirani plazma plamenik osigurava nizak udio nataloženog osnovnog materijala, kao i najmanju dubinu njegovog prodiranja. Upravo su te činjenice prepoznate kao glavna tehnološka prednost navarivanja plazma mlazom.

Površina koja se nanosi zaštićena je od štetnog utjecaja okolnog zraka inertnim plinom. Ulazi u mlaznicu (vanjsku) instalacije i pouzdano štiti luk koji ga okružuje. Transportni plin s inertnim karakteristikama također opskrbljuje smjesu praha za aditiv. Dolazi iz posebne hranilice.

Općenito, standardni plazmatron kombiniranog tipa djelovanja, u kojem se metal raspršuje i nanosi površinu, sastoji se od sljedećih dijelova:

• dva izvora napajanja (jedan napaja "neizravni" luk, drugi - "izravni");
• hranilica za smjesu;
• otpor (balast);
• rupa u koju se dovodi plin;
• mlaznica;
• oscilator;
• tijelo plamenika;
• cijev za dovod plina koji nosi praškasti sastav.

4 Glavne značajke navarivanja metala plazma tehnologijom

Maksimalna učinkovitost plazma baklje opažena je kada se koristi aditiv za žicu koja nosi struju. Luk u ovom slučaju gori između ove žice (to je anoda) i katode jedinice. Opisana metoda lagano topi osnovni materijal. Ali to ne omogućuje stvaranje ravnomjernog i tankog površinskog sloja.

Ako se koristi prah, raspršivanjem i navarivanjem moguće je dobiti navedeni tanki sloj s maksimalnom otpornošću na trošenje i toplinu. Tipično, komponente praškaste smjese za navarivanje su kobalt i nikal. Nakon korištenja takvih prašaka, površinu dijela nije potrebno dodatno obrađivati, jer njegov zaštitni sloj nema nikakvih nedostataka.

Plazma raspršivanje, u usporedbi s navarivanjem, opisuje se većom brzinom mlaza plazme i gušćim toplinskim tokom. Ova činjenica je zbog činjenice da se tijekom prskanja najčešće koriste metali i spojevi s visokom razinom vatrostalnosti (boridi, silicidi, tantal, karbidi, volfram, oksidi cirkonija, magnezija i aluminija).

Dodajmo da se metoda navarivanja o kojoj se raspravlja u članku u svojim tehničkim karakteristikama (raspon radnih napona i struja, potrošnja inertnog plina itd.) Ne razlikuje mnogo od. A stručnjaci su ovih dana do savršenstva ovladali ovom vrstom zavarivanja.

Ovo je progresivna metoda nanošenja premaza, kod koje se taljenje i prijenos materijala na površinu koja se obnavlja vrši mlazom plazme. Plazma je visoko ionizirano stanje plina u kojem je koncentracija elektrona i negativnih iona jednaka koncentraciji pozitivno nabijenih iona. Plazma mlaz se dobiva propuštanjem plina koji stvara plazmu kroz električni luk kada se napaja izvorom istosmjerne struje napona 80-100 V.

Prijelaz plina u ionizirano stanje i njegovo raspadanje na atome popraćeno je apsorpcijom značajne količine energije, koja se oslobađa kada se plazma hladi kao rezultat njezine interakcije s okolinom i raspršenim dijelom. To uzrokuje visoku temperaturu mlaza plazme, koja ovisi o jakosti struje, vrsti i brzini protoka plina. Plin koji stvara plazmu obično je argon ili dušik i, rjeđe, vodik ili helij. Kada se koristi argon, temperatura plazme je 15.000-30.000 °C, a dušik - 10.000-15.000 °C. Pri odabiru plina treba uzeti u obzir da je dušik jeftiniji i manje rijedak od argona, ali za paljenje električnog luka u njemu potreban je znatno veći napon, što određuje povećane zahtjeve za električnom sigurnošću. Stoga se ponekad pri paljenju luka koristi argon, za koji je napon pobude i gorenja luka niži, a dušik se koristi u procesu raspršivanja.

Premaz nastaje zbog činjenice da se naneseni materijal koji ulazi u mlaz plazme topi i prenosi strujom vrućeg plina na površinu dijela. Brzina leta metalnih čestica je 150-200 m/s na udaljenosti od mlaznice do površine dijela od 50-80 mm. Zbog više temperature nanesenog materijala i veće brzine leta, čvrstoća veze između plazma premaza i dijela je veća nego kod drugih metoda metalizacije.

Visoka temperatura i velika snaga u usporedbi s drugim izvorima topline glavne su razlike i prednosti plazma metalizacije, osiguravajući značajno povećanje produktivnosti procesa, sposobnost taljenja i taloženja bilo kojeg materijala otpornog na toplinu i habanje, uključujući tvrde legure i kompozitne materijale , kao i oksidi, boridi, nitridi i dr., u raznim kombinacijama. Zahvaljujući tome, moguće je oblikovati višeslojne premaze s različitim svojstvima (otporan na habanje, lako provaljiv, otporan na toplinu itd.). Premazi najviše kvalitete dobivaju se korištenjem samotopivih materijala za površinsku obradu.

Gustoća, struktura i fizikalna i mehanička svojstva plazma premaza ovise o nanesenom materijalu, disperziji, temperaturi i brzini sudara prenesenih čestica s dijelom koji se obnavlja. Zadnja dva parametra osiguravaju se upravljanjem plazma mlazom. Svojstva plazma premaza značajno se povećavaju tijekom njihovog naknadnog taljenja. Takvi su premazi učinkoviti pri udarcima i velikim kontaktnim opterećenjima.

Princip rada i dizajn plazma plamenika ilustriran je na sl. 4.51. Plazma mlaz se dobiva propuštanjem plina koji stvara plazmu 7 kroz električni luk stvoren između volframove katode 2 i bakrene anode 4 kada je na njih spojen izvor struje.

Katoda i anoda su odvojene jedna od druge izolatorom 3 i kontinuirano se hlade tekućinom b (po mogućnosti destiliranom vodom). Anoda je izrađena u obliku mlaznice, čiji dizajn osigurava kompresiju i određeni smjer mlaza plazme. Kompresiju također olakšava elektromagnetsko polje koje nastaje oko mlaza. Zbog toga ionizirani plin koji stvara plazmu izlazi iz mlaznice plazmatrona u obliku mlaza malog presjeka, što osigurava visoku koncentraciju toplinske energije.

Riža. 4.51. Shema procesa plazma prskanja: 1 - dozator praha; 2- katoda; 3 - izolacijska brtva; 4 - anoda; 5 - transportni plin; 6 - rashladna tekućina; 7 - plin koji stvara plazmu

Primijenjeni materijali koriste se u obliku granuliranih prahova veličine čestica 50-200 mikrona, užadi ili žice. Prah se može unijeti u mlaz plazme zajedno s plinom koji stvara plazmu ili iz dozatora 1 s transportnim plinom 5 (dušikom) u mlaznicu plinske baklje, a žica ili uže se umetne u mlaz plazme ispod mlaznica plazma plamenika. Prije upotrebe, prah treba osušiti i kalcinirati kako bi se smanjila poroznost i povećalo prianjanje premaza na dio.

Zaštita mlaza plazme i čestica rastaljenog metala sadržanih u njemu od interakcije sa zrakom može se izvesti protokom inertnog plina, koji bi trebao okružiti mlaz plazme. U tu svrhu u plazmatronu je predviđena dodatna mlaznica, koncentrično s glavnom, kroz koju se dovodi inertni plin. Zahvaljujući njemu eliminiraju se oksidacija, nitriranje i dekarbonizacija raspršenog materijala.

U razmatranom primjeru izvor napajanja je spojen na elektrode plazma baklje (zatvoreni spojni krug), pa električni luk služi samo za stvaranje mlaza plazme. Kod upotrebe nanesenog materijala u obliku žice, na nju se može spojiti i izvor napajanja. U ovom slučaju, osim mlaza plazme, formira se i plazma luk, koji također sudjeluje u taljenju šipke, zbog čega se snaga plazma baklje značajno povećava.

Moderne instalacije za plazma navarivanje imaju elektroničke sustave za regulaciju procesnih parametara i opremljene su manipulatorima i robotima. Time se povećava produktivnost i kvaliteta procesa prskanja, te poboljšavaju uvjeti rada operativnog osoblja.

Glavne razlike između plazma metalizacije i drugih metoda taljenja su viša temperatura i veća snaga, što omogućuje značajno povećanje produktivnosti procesa i mogućnost nanošenja i taljenja bilo kojeg materijala otpornog na toplinu i habanje (slika 4.8). Za plazma raspršivanje koriste se plinovi argon i dušik za postizanje temperature mlaza. Za plazma metalizaciju naširoko se koriste UPU i UMN instalacije, čiji set uključuje rotator, zaštitnu komoru, dozator praha, izvor napajanja i upravljačku ploču.

Glavni dio instalacije je plazmatron, čiji je vijek trajanja određen izdržljivošću mlaznice. Radni vijek plazma plamenika je kratak, pa su njegovi potrošni dijelovi zamjenjivi. Izvori struje su generatori za zavarivanje PSO-500 ili ispravljači I PN-160/600.

Riža. 4.8. Shema procesa plazma prskanja:

1 - dozator praha; 2 - katoda; 3 - izolacijska brtva; 4 - anoda; 5 - transportni plin; 6 - rashladna tekućina; 7 - plin koji stvara plazmu

Kao plin koji stvara plazmu koristi se argon ili manje rijetki i jeftiniji dušik. Međutim, paljenje luka u dušičnoj sredini je teže i zahtijeva znatno veći napon, što predstavlja opasnost za operativno osoblje. Koristi se metoda u kojoj se luk pali u okruženju argona s nižim naponom pobude i gorenja luka, a zatim se prebacuje na dušik. Plin koji stvara plazmu je ioniziran i napušta mlaznicu plazmatrona u obliku mlaza malog presjeka. Kompresiju olakšavaju stijenke kanala mlaznice i elektromagnetsko polje koje nastaje oko mlaza. Temperatura mlaza plazme ovisi o jakosti struje, vrsti i protoku plina i varira od 10 000 do 30 000 °C; brzina strujanja plina je 100-1500 m/s. Argonska plazma ima temperaturu od 15.000-30.000 °C, dušična plazma - 10.000-15.000 °C.

U plazma metalizaciji kao naneseni materijal koristi se granulirani prah veličine čestica od 50-200 mikrona. Prah se dovodi u zonu luka transportnim plinom (dušikom), topi se i prenosi na dio. Brzina leta čestica praha je 150-200 m/s, udaljenost od mlaznice do površine dijela je 50-80 mm. Zbog više temperature nanesenog materijala i veće brzine leta raspršenih čestica, čvrstoća veze između premaza i dijela kod ove metode je veća nego kod drugih metoda metalizacije.

Plazma metalizacija, koja se javlja pri visokoj temperaturi plazma mlaza, omogućuje nanošenje bilo kojeg materijala

materijala, uključujući i one najotpornije na habanje, ali to otvara problem naknadne obrade supertvrdih i otpornih materijala.

Korištenje pulsirajućeg laserskog zračenja, čije je trajanje milisekundi, omogućuje dobivanje minimalnih zona toplinskog utjecaja koje ne prelaze nekoliko desetaka mikrona. Minimalni volumeni taline i minimalni unos topline u dio koji se zavaruje omogućavaju smanjenje uzdužnih i poprečnih deformacija i time održavanje preciznih dimenzija dijela u rasponu tolerancije od nekoliko mikrona. Preciznost vođenja i lokalno djelovanje laserske zrake omogućuje zavarivanje strogo definiranih geometrijskih područja dijela, osiguravajući minimalni dopuštenje za strojnu obradu, što je 0,2-0,5 mm. Budući da su tijekom pulsirajućeg laserskog oblaganja zone pod utjecajem topline vrlo male, podloga ostaje praktički hladna, a brzina hlađenja tekuće faze taline metala doseže 102-103 °C/s. U tim uvjetima odvija se proces samostvrdnjavanja, što dovodi do stvaranja izrazito fino dispergirane strukture s povećanom otpornošću na trošenje.

U usporedbi, gotovo sve temeljne tehničke razlike između elektrolučnih i pulsnih laserskih tehnologija oblaganja posljedica su činjenice da je luk koncentrirani izvor energije zavarivanja, a laserska zraka visoko koncentrirani izvor energije. Pulsno lasersko navarivanje, u usporedbi s navarivanjem električnim lukom, karakteriziraju minimalni volumeni taline, zona utjecaja topline i, sukladno tome, značajno manje poprečno i uzdužno skupljanje.

Nakon navarivanja električnim lukom, dodaci mogu doseći nekoliko milimetara, što zahtijeva naknadnu strojnu obradu. Korištenje električnog luka kao izvora energije popraćeno je njegovim snažnim djelovanjem na tekuću fazu taline metala, što rezultira stvaranjem podreza koji se ne pojavljuju tijekom laserskog plakovanja. Navarivanje električnim lukom zahtijeva prethodno i popratno" zagrijavanje područja zavarivanja i naknadnu toplinsku obradu i "i tip od laserskog navarivanja.

Tehnologija laserskog navarivanja može se koristiti za obnavljanje istrošenih kalupa, kalupa i otklanjanje raznih nedostataka nastalih tijekom procesa proizvodnje kalupa i kalupa. Vrste nedostataka eliminiranih korištenjem laserskog oblaganja: mjesta ispitivanja HRC tvrdoće, pukotine, urezi, ogrebotine, šupljine i pore, duboke pukotine, mjesta lijepljenja. Tehnološki proces laserskog navarivanja je istodobna opskrba laserskog zračenja i žice za punjenje do mjesta oštećenja u okruženju inertnog plina. Materijal za punjenje, topeći se, ispunjava mjesto oštećenja. Nakon laserskog navarivanja potrebna je minimalna mehanička obrada u usporedbi s tradicionalnim metodama navarivanja. Visoka točnost usmjeravanja laserske zrake na mjesto kvara, lokalitet djelovanja laserskog zračenja omogućuje spajanje strogo definiranih područja neispravnih dijelova (slika 4.9).

Kratko trajanje procesa, trajanje laserskog impulsa od nekoliko milisekundi, kao i precizno doziranje energije osiguravaju minimalne zone toplinskog utjecaja i odsutnost trošenja dijelova. Lasersko navarivanje može značajno smanjiti radni intenzitet popravaka alata i, kao posljedicu, troškove eliminirajući iz procesa predgrijavanje, naknadnu toplinsku obradu i potrebu za uklanjanjem kromirane prevlake s površine i njezinom naknadnom primjenom ako je dio kromiran. -pozlaćen. Prednosti laserskog oblaganja navedene su u tablici. 4.2.

Kako bi se spriječila oksidacija rastaljenog metala, zona navarivanja zaštićena je inertnim plinovima, na primjer, mješavinom argona i helija. Za navarivanje komponenti velikih dimenzija (dužine do nekoliko metara) koriste se poluprovodnički laserski sustavi opremljeni sustavima optičkih vlakana. Razvijena je tehnologija za uklanjanje nedostataka u obliku toplih i hladnih neprolaznih pukotina nastalih tijekom elektrolučnog zavarivanja štapnim elektrodama pomoću pulsnog laserskog zračenja iz lasera u čvrstom stanju.

Zavarivanje nekoliko pukotina pulsirajućim laserskim zračenjem omogućuje implementaciju takozvanog "hladnog" načina zavarivanja, u kojem se zavar u popravljenom području ne zagrijava, što omogućuje održavanje mehaničke čvrstoće zavarenog spoja i izbjegavanje kaljenja metal u zavaru.

Korištenje optičkog sustava dugog nekoliko metara omogućuje popravke na najteže dostupnim mjestima. Ovom se tehnologijom mogu ukloniti različiti nedostaci nastali tijekom elektrolučnog zavarivanja - pukotine, hladne i vruće, šupljine, krateri, fistule, podrezivanja.

Zbog prirode i uvjeta rada, bočna površina lopatica visokotlačne turbine podložna je mikrooštećenjima od mehaničkih, kemijskih i toplinskih utjecaja. Analiza oštećenja pokazuje da oko 70% njihovog ukupnog broja čine dijelovi s površinskim greškama dubine do 0,4-2,0 mm. Korištenje optičkih sustava za dovođenje laserske zrake do mjesta kvara otvara mogućnost popravka lopatice turbine bez njezine demontaže. Veličina termički zahvaćene zone ne prelazi 15 µm. Struktura nataloženog sloja je fino dispergirana.

Riža. 4.11. Poprečni presjek na mjestu nezalemljene cijevi dijela hladnjaka

Riža. 4.12. Brušenje mjesta oštećenja obrađeno u načinu zavarivanja-lemljenja

Tijekom procesa proizvodnje vodenih dijelova mogu se pojaviti nedostaci u obliku nedostajućih lemova. Razvijena je tehnologija za uklanjanje curenja na sekcijama pomoću pulsirajućeg laserskog lemljenja-zavarivanja (sl. 4.11 i 4.12).

Za uklanjanje curenja u zalemljenom šavu koristi se pulsno lasersko zračenje iz lasera u čvrstom stanju. Televizijski sustav ugrađen u laserski emiter koji koristi označavanje cilja na temelju He - Ne (helij - neonskog) lasera omogućuje vam precizno usmjeravanje laserske zrake na mjesto kvara. Opremanje lasera sustavom optičkih vlakana omogućuje vam uklanjanje nedostataka na teško dostupnim mjestima i brz prijelaz s jednog kvara na drugi.

Plazma raspršivanje (ili, drugim riječima, difuzijska metalizacija) učinkovit je način mijenjanja fizičkih i mehaničkih svojstava, kao i strukture glavne površine. Stoga se često koristi u dekorativne svrhe i za povećanje trajnosti konačnog proizvoda.

Princip plazma raspršivanja

Poput tradicionalnih metoda površinskog premazivanja, difuzijska metalizacija uključuje taloženje sloja drugog metala ili legure na metalnu površinu, koja ima svojstva potrebna za kasniju upotrebu dijela - željenu boju, otpornost na koroziju, tvrdoću. Razlike su sljedeće:

1. Visokotemperaturna (5000 - 6000 °C) plazma značajno ubrzava proces premazivanja, koji može trajati djelić sekunde.
2. Tijekom difuzijske metalizacije u plazma mlazu, kemijski elementi iz plina u kojem se provodi obrada također mogu difundirati u površinske slojeve metala. Dakle, podešavanjem kemijskog sastava plina moguće je postići kombiniranu površinsku zasićenost metala atomima željenih elemenata.
3. Ujednačenost temperature i tlaka unutar plazma mlaza osigurava visoku kvalitetu završnih premaza, što je vrlo teško postići tradicionalnim metodama metalizacije.
4. Plazma raspršivanje karakterizira izuzetno kratko trajanje procesa. Kao rezultat toga, ne samo da se povećava produktivnost, već se eliminiraju i pregrijavanje, oksidacija i drugi nepoželjni površinski fenomeni.

Radne postavke za provedbu procesa

Budući da se električno pražnjenje najčešće koristi za iniciranje visokotemperaturne plazme - luk, iskra ili puls - oprema koja se koristi za ovu metodu raspršivanja uključuje:

• Izvor stvaranja pražnjenja: visokofrekventni generator ili pretvarač za zavarivanje;
• Radna zatvorena komora u koju se postavlja obradak koji treba metalizirati;
• Spremnik plina u čijoj će se atmosferi stvarati visokotemperaturna plazma;
• Pumpa ili vakuumska jedinica koja osigurava potreban tlak za pumpanje radnog medija ili za stvaranje potrebnog vakuuma;
• Sustavi upravljanja procesima.

Rad plazma plamenika koji vrši plazma prskanje odvija se na sljedeći način. Raspršeni dio je fiksiran u zatvorenoj komori, nakon čega se pobuđuje električno pražnjenje između površina radne elektrode (koja uključuje raspršene elemente) i obratka. Istodobno se tekući ili plinoviti medij pumpa kroz radno područje s potrebnim tlakom. Njegova je svrha komprimirati zonu pražnjenja, čime se povećava volumenska gustoća njegove toplinske snage. Visoko koncentrirana plazma osigurava dimenzionalno isparavanje metala elektrode i istovremeno inicira pirolizu okoline koja okružuje radni komad. Kao rezultat, na površini se formira sloj željenog kemijskog sastava. Promjenom karakteristika pražnjenja - struje, napona, tlaka - možete kontrolirati debljinu i strukturu raspršenog premaza.

Proces difuzijske metalizacije u vakuumu odvija se slično, osim što dolazi do kompresije plazme zbog razlike u tlaku unutar i izvan njenog stupca.

Tehnološka oprema, potrošni materijal

Izbor materijala elektrode ovisi o namjeni prskanja i vrsti metala koji se obrađuje. Na primjer, za kalupe za kaljenje, najučinkovitije elektrode su izrađene od legura željeza i nikla, koje su dodatno legirane elementima kao što su krom, bor i silicij. Krom povećava otpornost premaza na trošenje, bor povećava tvrdoću, a silicij povećava gustoću završnog premaza.

Kod metalizacije u dekorativne svrhe, glavni kriterij za odabir metala radne elektrode je konfiguracija površine koja se raspršuje, kao i njen izgled. Taloženje bakra, na primjer, provodi se pomoću elektroda izrađenih od električnog bakra M1.

Važna strukturna komponenta procesa je sastav medija. Na primjer, ako je potrebno dobiti visokootporne nitride i karbide u raspršenom sloju, u plinu moraju biti prisutni organski mediji koji sadrže ugljik ili dušik.

Naknadna obrada gotovog premaza

Zbog prirode procesa, gustoća raspršenog sloja i čvrstoća njegovog prianjanja na osnovni metal nisu uvijek dovoljni da osiguraju trajnost premaza. Stoga se često nakon obrade dio podvrgava naknadnom površinskom taljenju pomoću plamena kisika i acetilena ili u toplinskim pećima. Kao rezultat toga, gustoća premaza povećava se nekoliko puta. Nakon toga proizvod se brusi i polira alatima od tvrdog metala.

Uzimajući u obzir naknadnu doradu proizvoda, debljina metalnog sloja nakon obrade uzima se najmanje 0,8 - 0,9 mm.

Da bi dio dobio konačna svojstva čvrstoće, otvrdnjava se i tempira koristeći tehnološke uvjete preporučene za osnovni metal.

Plazma raspršivanje povećava otpornost na toplinu, otpornost na trošenje i tvrdoću proizvoda, povećava njihovu sposobnost otpornosti na procese korozije, a raspršivanje u dekorativne svrhe značajno poboljšava izgled dijelova.

Ograničenja tehnologije difuzijskog plazma raspršivanja su pretjerana složenost konfiguracije obratka, kao i relativna složenost instalacija koje se koriste.

Ako zahtjevi za ujednačenošću dobivenog sloja nisu visoki, mogu se koristiti jednostavnije instalacije koje strukturno podsjećaju na poluautomatske strojeve za zavarivanje. U ovom slučaju, plazma raspršivanje se provodi u mjehuriću zraka, koji nastaje kada se područje tretiranja puše kompresorom. Elektrode, koje sadrže raspršeni metal, pomiču se uzastopno duž konture proizvoda. Da bi se poboljšalo prianjanje raspršenog metala na podlogu, u zonu prskanja se također uvodi materijal za punjenje.