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プラズマ溶射の技術とプロセス。プラズマアーク溶射プラズマ溶射技術

プラズマ溶射の技術とプロセス。プラズマアーク溶射プラズマ溶射技術

では、プラズマ溶射の原理は何でしょうか? すべてのプラズマ溶射装置では、粉末はプラズマトロンによって生成された高温ガスの流れの中で温度と速度を獲得します。一方、プラズマトロンまたはプラズマ発生器は 1920 年代に発明された装置で、限られた体積 (ノズル) 内でカソードとアノードの間で燃焼する電気アークが不活性ガスで膨張し、高温の還元火炎のトーチを生成します。。

この原理が溶射の問題を解決する上で非常に魅力的なのはなぜですか? プラズマトロンの炎は非常に熱く、常に厳密に還元されているためです。プラズマトロン内に酸素が存在すると、電極材料が急速に破壊されてしまうため、厳禁です (プラズマ形成ガス中の酸素の分圧はその純度によって決まり、0.004% を超えてはなりません)。プラズマトロンの火炎トーチは、正しく使用すると、溶射粒子上の酸化膜から活性金属表面を回復できるだけでなく、基板自体の表面を酸化物から除去することさえできます。この機会はプラズマ溶射法によってのみ提供されます。

プラズマ溶射に関しては、溶射の理論家や実践者の間に多くの偏見があり、ほとんどの場合、それはプロセスそのものではなく、溶射プロセスの本質の誤解、特定の装置の設計上の欠陥に関連しています。そしてその誤った使用法。これらの偏見について話し合ってみましょう。

1.「プラズマ炎は熱すぎるため、高融点金属と酸化物セラミック材料のスパッタリングにのみ適しています。温度が高すぎると、粉末の一部が蒸発し、クロムおよび炭化タングステンが破壊されます。」

実際、プラズマ温度は 20,000°C 以上に達する可能性があり、これは、たとえば酸素アセチレン炎の温度 (約 3000°C) よりもはるかに高くなります。ただし、火炎の温度は、噴霧粒子の温度とはほとんど関係がありません。高温ガスと固体粒子の相互作用の物理学を深く掘り下げることなく、この相互作用は非常に複雑であり、ガスの温度、その速度、ガスの長さだけでなく、多数のパラメータに依存するということだけを述べておきます。トーチと粒子のサイズだけでなく、ガスと粒子の化学組成も異なります。さらに、トーチから粒子への熱の伝達を決定するのは、炎の絶対温度ではなく、その明るさです。たとえば、より熱いがほとんど目に見えない水素-酸素の炎は、温度は低いが（カーボンナノ粒子が輝くため）明るいアセチレン-酸素の炎よりもはるかに悪く粒子を加熱します。プラズマプルームの明るさは、プラズマ形成ガスの組成と、それを通過する粒子のサイズと組成に依存します。興味深いのは、多くの場合、この明るさは酸素アセチレン炎の明るさよりも低いため、明るさを高める必要があることです。違う方法、パーティクルに少なくとも最小限の値を与えるためだけに必要な温度。ガスフレーム装置の炎の長さは、プラズマトーチの長さを超えることも多いため、「パラドックス」が生じます。つまり、粒子の粗い金属粉末は、より強力で「熱い」プラズマスプレー装置よりも粉末フレームスプレー装置でより強く加熱されます。。

2. 「プラズマ溶射中の粒子速度は、緻密なコーティングを生成するには十分ではありません。」

ガスとその中の粒子の流量は、火炎形成の原理によってではなく、装置の設計によってのみ決まります。現在、超音速の粒子を供給するラヴァルノズルを備えた工業用プラズマスプレー装置があります。

3. 「金属溶射には高価な真空プラズマ溶射装置のみが適しており、大気プラズマ溶射装置は金属粒子が酸化するため適していません。」

奇妙なことに、特にガスタービンブレードの MCrAlY コーティングに関連して、実際にプラズマ溶射に携わっている人々からも、このような発言をよく耳にします。実際、この声明には典型的な概念の置き換えがあります。真空プラズマ溶射 (VPS) によって得られた低融点ニッケル合金からの純粋な金属コーティングは、確かに大気溶射 (APS) よりも優れていますが、粒子の酸化によるものではありません。これはプラズマによるものですが、まったく別の理由については、真空プラズマ溶射のセクションで説明します。これらの方法の両方で金属粒子の酸化は同じように起こります。

大気プラズマ溶射装置は真空プラズマ溶射装置と何ら変わりません。違いはデバイス自体にあるのではなく、蒸着プロセスの構成方法にあります。大気蒸着は空気中で実行されますが、真空蒸着では、プラズマトロンと溶射される部品の両方が真空下の真空チャンバー内にあります。大気蒸着は真空蒸着よりもはるかに利用しやすく、安価であることは明らかですが、さらに、大きな部品の場合、真空チャンバーの非現実的なサイズのため、真空蒸着はまったく不可能になります。プラズマトロン自体は、常圧蒸着と真空蒸着の両方に使用できます。

プラズマ溶射の特徴をより明確に説明するために、今日存在するさまざまなデザインについて考えてみましょう。

プラズマ溶射プラント

プラズマ溶射装置にはさまざまな設計のものがあります。最も「伝統的な」ものから最も「先進的な」ものまで検討していきます。

最も一般的な装置は、1 つの陰極と 1 つの陽極を備え、粉末が短いノズルの外側で火炎軸に垂直に導入される装置です。

このようなデバイスの動作原理を図に示します (図 28)。

米。 28. プラズマ溶射の原理。

図からわかるように、プラズマトロンの短いノズルも陽極です。粉末は、火炎軸に垂直なノズルの外側、アークに近接して導入されます。

このタイプのデバイスで最も人気のあるのは、Sulzer Metco の 3MB プラズマトロンで、わずかな変更を加えて 40 年以上使用されています。図 29 は、最大電力 40 kW のこのシリーズの現在のモデルを示しています。

米。 29. プラズマトロン 3MB。

わずかに新しく、より強力な (55 kW) シングルカソードデバイスは、図 30 に示す F4 プラズマトロンです。

米。 30. プラズマトロン F4。

9MB デバイスは、同じく Sulzer Metco によって製造されている従来型の最も強力なシングルカソードプラズマトロン (電流 1000 A、電圧 80 V で 80 kW) の 1 つです (図 31)。

米。 31. プラズマトロン 9MB

他社の従来のシングルカソードプラズマトロンは、Sulzer Metco プラズマトロンとほとんど変わりません。それらはすべて、比較的低いガス流量、つまり低いガス流量で動作します。< 100 В) напряжении и большом (до 1000 А) токе дуги. Ни один из традиционных плазматронов не позволяет достичь частицам скорости звука.

ガス流量が低いプラズマトロンの利点は、粒子がアークに隣接する火炎の高温領域に比較的長い時間留まるため、粒子に非常に高い温度 (> 4000°C) を与えることができることです。このような高い粒子温度により、ほぼすべてのセラミックおよび金属材料を溶解することが可能になります。

過去 20 年間のプラズマ溶射技術の開発は、粒子速度の向上に向かって進んできました。粒子の速度を高めるには、ノズルの前でプラズマ形成ガスの圧力を高める必要があり、これにより自動的にガス流量が増加し、アーク電圧が増加します。

1 つのカソードとアノードを備えた最新の強力 (最大 85 kW、最大電流 379 A、最大電圧 223 V) のデバイスは、アメリカの会社 Progressive Technologies Inc. の 100HE プラズマトロンです。とプラズマ形成ガスの流量により、音速に近い粒子速度を実現できます (図 32)。

米。 32. プラズマトロン100HE。

プラズマ形成ガスの速度が速いため、火炎のホットゾーンでの粒子の滞留時間が短くなり、それに応じて粒子の温度も低下します。これに対抗するには、アーク出力を増加し、プラズマ形成ガスに大量の水素を使用する必要があります。これにより、分子の解離 - 会合のプロセスにより、火炎のホットゾーンが長くなります。したがって、100HE プラズマトロンは、サイズ 20 ～ 30 ミクロンの粒子の温度を約 250 m/秒の速度で 2300°C 以上に上昇させることで、Cr 3 C 2 - NiCr、Cr 2 O のコーティングをスプレーすることが可能になります。 3 および気孔率の低い Al 2 O 3 。

開発の 2 番目の方向は、ガス消費量の増加と組み合わせて、1 つのアークを 3 つの部分に分割することです。これにより、火炎の安定性と均一性が向上し、電極の磨耗が軽減され、総火炎出力が増加します。このようなデバイスの典型的な例は、1 つのアノードと 3 つのカソードを備え、最大出力 100 kW の Sulzer Metco の最新の TriplexPro TM -210 プラズマトロンです (図 33)。

米。 33. プラズマトロントリプレックスプロ TM。

1 – ボディの後部。 2 – アノードスタック。 3 – 体の前部。 4 – 絶縁体。 5 – ユニオンナット; 6 – セラミックブロック内の 3 つのカソード。 7 – アノードスタック要素。 8 – 血漿チャネル。 9 – 3 つの粉末ノズルを備えたノズル。

Sulzer Metco の Triplex テクノロジーは、1990 年代に溶射業界に参入しました。これらのデバイスは、単一アークのプラズマトロンと比較して、耐用年数が大幅に長く、蒸着結果の安定性が優れています。多くの市販の粉末についても、Triplex プラズマトロンはコーティングの品質を維持しながら、スプレーの生産性と効率を向上させることができます。

GTV GmbH は、3 カソードプラズマトロンに関する Sulzer Metco の特許を回避して、1 つのカソードと 3 つのアノードを備えた GTV Delta デバイスをリリースしました。これは、原理的には TriplexPro を劣化させたものです (図 34)。

米。 34. GTVデルタプラズマトロン。

最後の 3 番目の開発方向は、半径方向の粉末投入を放棄し、より合理的な 1 軸方向の粉末投入を選択することです。軸方向粉末噴射を備えたプラズマトロンの重要な設計要素である Convergens は、1994 年にアメリカ人のルシアンボグダンデルセアによって発明されました。

現在、同様の装置はカナダの Mettech 社が製造した最大出力 150 kW の Axial III プラズマトロン 1 つだけで、開発の 3 つの方向性 (高ガス流量、3 つのアーク、軸方向の粉末入力) をすべて組み合わせています。 Axial III プラズマトロンを備えたプラズマ溶射ユニットも、ドイツの Thermico GmbH によって製造および販売されています。

図 35、36、および 37 は、Axial III デバイス自体とその設計図を示しています。

米。 35.プラズマトロンアキシャルIII。

米。 36. ノズル側から見た Axial III デバイスの図。

米。 37. 回路図アキシャルⅢ。

最新のプラズマ溶射設備はすべて自動です。つまり、電流源、水冷システム、ガス流の制御は、コンピュータ上でレシピを視覚化して保存できる CNC システムによって制御されます。たとえば、Axial III プラズマトロンは Thermico GmbH によって供給されており、独立してアークを点火して動作モードに入り、スプレーレシピを選択し、すべての主要パラメータを制御するコンピュータ制御システムを備えています。つまり、3 つのプラズマ形成ガス (アルゴン、アルゴン、窒素と水素）、アーク電流、水冷システムのパラメータ。これと同じ自動システム粉末フィーダーも制御します。

Thermico 粉末フィーダーについては特に言及する必要があります。これは、現在世界で最も「先進的な」装置であり、粉末の質量流量とキャリアガス（窒素またはアルゴン）の流量を常に制御できるだけでなく、粒子の粗い粉末の使用も可能にします。流動性が高く、たとえば、Sulzer Metco フィーダーには適していません。

著者は個人的に Axial III プラズマトロンを長期間使用しており、自身の経験から言えますが、設計上のいくつかの欠陥はあるものの、このプラズマトロンは高速溶射と高温溶射の利点を厳密に組み合わせた最先端の溶射装置です。炎を減らします。 Axial III の主な利点は、粉末を軸方向に投入できることです。

軸方向粉体投入のメリット

軸方向粉末噴射は、プラズマ溶射技術における飛躍的な進歩です。ここで重要なのは、軸方向入力では粉末の損失が大幅に減少するだけでなく、半径方向入力には不向きなまったく異なる粉末材料を噴霧する可能性が広がることです。この側面は次のセクションを理解するために基本的に重要であるため、さらに詳しく説明します。

では、粉末がノズル出口で火炎ジェットに放射状に導入されるとどうなるでしょうか? このような入力の欠点を列挙します。

放射状噴射には非常に狭いフラクション粉末のみが適しており、そのためにはキャリアガスの圧力を正確に選択する必要があります。これは何を意味しますか?: キャリアガスの圧力が不十分な場合、粉末粒子は火炎ジェットから「跳ね返り」、キャリアガスの圧力が高すぎる場合、粉末粒子はこの火炎を「貫通」します。粉末が異なるサイズの粒子で構成されている場合、キャリアガスの「正しい」圧力を選択することは原理的に不可能です。最小の粒子は常に「跳ね返り」、最大の粒子は常に「貫通」します。つまり、これらの粒子はいずれもスプレーコーティングには存在せず、いくつかの「平均的な」粒子のみが存在します。細粒粉末は、キャリアガス (トーチの周囲に典型的な粉塵雲) による分散が増加するため、導入が特に困難です。
放射状粉末を導入する場合、粉末混合物に粒子だけを使用できないわけではありません異なるサイズしかし、同じ理由で異なる密度 (異なる質量) を持つこともあります。つまり、重い粒子は軽い粒子よりも炎の中を飛びやすいのです。したがって、複雑な粉末混合物を使用しようとすると、粉末混合物の組成と比較してコーティング組成物の歪みが生じることになる。
プラズマ形成ガスの速度が増加すると、必要なキャリアガス圧力と粒子サイズ分布の範囲がさらに狭くなるため、粉末の放射状噴射が複雑になります。実際には、これは次のことを意味します。火炎速度が高くなるほど、粉末を放射状に噴射する際の噴霧効率が低くなります。いかなる状況においても、すべての粉末を損失なく炎に投入することは不可能です。
粉末ノズルは高温の火炎ゾーンに隣接して配置されているため、加熱が発生しますが、これは粉末を運ぶガスによる冷却によってのみ補われます。冷却ガスの速度が冷却に十分でない場合、粉末粒子がノズル開口部の端に付着し、たわみが形成される可能性があります。固着した破片は定期的にノズルから外れて炎の中に落ち、特徴的な欠陥「吐き出し」を引き起こし、コーティング内に粗い多孔質の介在物の形成につながります。キャリアガスの流量は火炎パラメータに厳密に関係しているため (ポイント 1 を参照)、問題が発生します。一部の粉末では、特にこれらの粉末が低融点で融点が低い場合、「吐き出し」効果を排除するパラメータが存在しません。 /またはきめの細かい。

粉末の軸方向射出に切り替えると、上記の問題を完全に取り除くことができます。

キャリアガスの圧力と速度は、火炎や粉体のパラメータに関連付けられなくなりました。唯一の条件は、キャリアガスの圧力が、粉末が導入されるノズル内のプラズマ形成ガスの圧力よりわずかに高くなければならないことです。軸方向の入力により、粉末は火炎によって完全に捕捉されます。
粉末ノズルの穴の端に粉末が付着することに伴う「吐き出し」が発生しないキャリアガスの圧力を選択することが常に可能です。
あらゆる複雑さおよび部分的な組成の粉末混合物を使用することが可能です。さまざまなサイズの粒子が収集されます異なる速度と温度ですが、最終的にはすべてがコーティングの形成に関与します。プラズマ炎の中に軸方向に導入されると、小さな粒子が大きな粒子よりも大幅に高温になるという事実により、粉末混合物の設計に新たな可能性が開かれます。この本の主要部分は、そのようなポリフラクショナル組成物の作成に当てられています。

著者は、アキシャル粉末噴射を備えた Axial III プラズマトロンを長年自由に使用できたことを非常に幸運でした。これがなければ、新しい多成分コーティングの作成は不可能でしょう。

溶射装置の概要表

すべての溶射方法を一般化し、直接比較し、体系化するために、代表的なデバイスの特性とそのおおよその価格を 1 つの表で比較してみましょう (表 2)。

表 2. 溶射装置の比較.

性質と特徴	※溶射法
性質と特徴	1	2	3	4	5	6	7	8
パウダーを使ったり、ワイヤー	ワイヤー	粉	ワイヤー	粉	粉	粉	ワイヤー	粉
最大速度噴霧粒子、m/秒	100	50	200	800	1200	1000	100	400
最高温度噴霧粒子、℃	2800	2500	1700	1500	600	1200	> 4000	> 4000
形成される粒子のサイズコーティング、ミクロン	0,1 – 1000	10 – 150	0,1 – 1000	10 – 100	10 – 100	10 – 100	0,1 – 1000	1 – 50
噴霧による噴霧効率材料	—	+	—	+++	+++	+++	—	++
流量別噴霧効率	–	+++	—	—	—	—	++	–
最小気孔率コーティング、体積%	10-15	10-25	5-10	2-3	< 1	< 1	5-10	0,5-3
熱出力デバイス、kW	10-30	10-50	30-100	50-250	30-85	< 20	20-150	25-150
パフォーマンススプレー、kg/時間	2-5	5-10	2-5	5-10	10-20	< 1	10-30	2-5
有病率商用機器と世界市場のスペアパーツ	たくさんのデバイス	たくさんのデバイス	少しデバイス	たくさんのデバイス	少しデバイス	いいえデバイス	たくさんのデバイス	たくさんのデバイス
デバイスのモビリティ	+++	+++	–	–	+++のための - ほかの人のため	—	+++	– APSの場合
デバイスノイズ	—	+++	—	—	—	—	—	—
蒸気や微粉塵の排出	—	++	—	++	+++	++	—	–
個々のデバイスの価格、€	2.000-	2.000-	10.000-	10.000-	10.000-	いいえ	10.000-	5.000-
自動化の価格周辺機器なしの設置、€	いいえ	30.000-	いいえ	100.000-	100.000-	いいえ	いいえ	100.000-
自動化の価格周囲を「下」に設置した場合キー": 防音キャビン、フィルター換気設置、ロボットなど、€	いいえ	100.000-	いいえ	200.000-	200.000-	いいえ	いいえ	200.000-
コストの比較消耗品を考慮した運用材料（粉末およびワイヤ）、デバイスの寿命、スペアパーツ、	10-15	5-15	30-60	40-100	40-100	> 100	5-30	30-150

* メソッドの番号付け:

ワイヤーフレーム溶射
火炎粉末噴霧
ワイヤーによる超音波フレーム溶射
超音速火炎粉末噴霧（HVOFおよびHVAF）
コールドパウダースプレー
爆発粉体噴霧
ワイヤーによる電気アーク溶射
プラズマパウダースプレー（APSおよびVPS）

プラズマ表面仕上げは、磨耗した製品の表面に特殊なコーティングを施す革新的な方法です。高率耐摩耗性。機械部品や機構の修復、あるいは製造時に行われます。

1 プラズマ表面化 - 技術とその利点に関する一般情報

今日、さまざまな装置や機械の多くのコンポーネントや機構は、製品が複数の要件を同時に満たす必要がある困難な条件で動作しています。多くの場合、攻撃的な化学環境の影響に耐えることが求められます。高温、同時にその高強度特性を維持します。

このようなユニットを単一の金属または他の材料から作ることはほとんど不可能です。そして経済的な観点から見るとそれは非常に困難です製造プロセス実装するのは非現実的です。

このような製品を 1 つの最大限の耐久性のある材料から製造し、それに耐摩耗性、耐熱性、耐酸性などの特定の保護コーティングを施す方がはるかに合理的で収益性が高くなります。

このような「保護」として、組成が互いに異なる非金属および金属コーティングを使用できます。このようなスプレーにより、製品に必要な誘電性、熱性、物理的特性、およびその他の特性を与えることが可能になります。保護層で材料をコーティングする最も効果的であると同時に普遍的な最新の方法の 1 つは、プラズマアークによるスプレーと表面仕上げです。

プラズマの使用の本質は非常にシンプルです。コーティングには、材料がワイヤーまたは粒状の微粉末の形で使用され、プラズマジェットに供給され、そこで最初に加熱され、次に溶解されます。保護材料が表面仕上げを受ける部品に付着するのは、溶融状態です。同時に、継続的な加熱が発生します。

このテクノロジーの利点は次のとおりです。

プラズマフローにより、さまざまなパラメータを持つ材料を複数の層に適用することができます (このため、金属をさまざまなコーティングで処理でき、それぞれに独自の保護機能があります)。
プラズマアークは最も柔軟な熱源と考えられているため、プラズマアークのエネルギー特性を広い範囲内で調整できます。
プラズマ流は非常に高温であるという特徴があり、そのため、高耐火性を持つと言われている材料さえも容易に溶解します。
表面仕上げのための部品の幾何学的パラメータと形状は、プラズマ法の技術的能力を制限したり、その有効性を低下させたりするものではありません。

これに基づいて、真空、ガルバニック、その他のスプレーオプションのいずれも、その有効性においてプラズマと比較することはできないと結論付けることができます。ほとんどの場合、次の目的で使用されます。

継続的に高い負荷がかかる製品の強化。
遮断および制御要素および遮断バルブの摩耗および錆からの保護 (プラズマを使用した金属溶射により耐久性が大幅に向上します)。
ガラス工場で使用される製品の早期摩耗を引き起こす高温の悪影響から保護します。

2 説明されている表面仕上げの技術とその微妙な点

金属のプラズマ表面仕上げは、次の 2 つの技術を使用して実行されます。

ロッド、ワイヤー、またはテープが流れに導入されます（これらは充填材として機能します）。
粉末混合物がジェットに供給され、ガスによって捕捉されて溶接製品の表面に転写されます。

プラズマジェットはさまざまな構成を持つことができます。この指標によると、次の 3 つのタイプに分類されます。

密閉型ジェット。その助けを借りて、金属の蒸着、金属化、硬化が最も頻繁に実行されます。この場合のアークは、大気への高レベルの熱伝達によって引き起こされる火炎流の強度が比較的低いことが特徴です。説明した構成では、アノードはバーナーチャネルまたはそのノズルのいずれかです。
ジェットを開けます。この構成では、ロッドまたはワークピース自体が陽極となるため、部品はさらに加熱されます。保護層を塗布したり、材料を切断したりするには、オープンジェットを推奨します。
組み合わせオプション。プラズマパウダー表面処理用に特別に設計されたレイアウト。このオプションでは、2 つのアークが同時に点火され、陽極がバーナーノズルと溶接製品に接続されます。

どのような構成でも、炎を形成するために使用されるガスは、酸素、アルゴン、空気、ヘリウム、水素、または窒素です。専門家らは、ヘリウムとアルゴンが最高品質の金属の堆積と表面仕上げを提供すると述べています。

3 浮上用複合プラズマトーチ

ほとんどの現代企業におけるプラズマ粉末表面処理は、複合ユニットで実行されます。それらでは、金属フィラー粉末がトーチノズルとタングステン電極の間で溶解されます。そして、部品と電極の間でアークが燃えている間、溶接製品の表面の加熱が始まります。これにより、母材と溶加材の高品質かつ迅速な融合が起こります。

組み合わせたプラズマトーチにより、堆積される母材の含有量が低くなり、その浸透深さが最小限に抑えられます。これらの事実が、プラズマジェットを使用した表面仕上げの主な技術的利点として認識されています。

蒸着される表面は、不活性ガスによって周囲空気の有害な影響から保護されます。それは設備のノズル（外部）に入り、アークを囲んで確実に保護します。不活性特性を備えた輸送ガスも添加剤の粉末混合物を供給します。特別なフィーダーから供給されます。

一般に、金属を溶射して表面処理する複合作用の標準的なプラズマトロンは、次の部品で構成されます。

2 つの電源 (1 つは「間接」アークに電力を供給し、もう 1 つは「直接」アークに電力を供給します)。
混合用フィーダー。
抵抗（バラスト）;
ガスが供給される穴。
ノズル;
発振器。
バーナー本体。
粉末組成物を運ぶガスを供給するためのパイプ。

4 プラズマ技術による金属表面仕上げの主な特長

プラズマトーチの最大の性能は、通電ワイヤ添加剤を使用したときに観察されます。この場合のアークは、このワイヤ（陽極）とユニットの陰極の間で燃えます。記載されている方法では、基材がわずかに溶けます。しかし、均一で薄い表面層を作成することはできません。

粉末を使用する場合、スプレーと表面仕上げにより、最大の耐摩耗性と耐熱性を備えた指定された薄層を得ることができます。通常、表面仕上げ用の粉末混合物の成分はコバルトとニッケルです。このような粉末を使用した後、部品の保護層には欠陥がないため、部品の表面をさらに処理する必要はありません。

プラズマ溶射は、表面仕上げと比較して、より高いプラズマジェット速度とより高密度の熱流束によって説明されます。この事実は、溶射中に高レベルの耐火性を備えた金属および化合物（ホウ化物、ケイ化物、タンタル、炭化物、タングステン、ジルコニウム、マグネシウムおよびアルミニウムの酸化物）が最も頻繁に使用されるという事実によるものです。

この記事で説明した表面処理方法には独自の方法があることを付け加えておきます。技術仕様（動作電圧と電流の範囲、不活性ガスの消費量など）と大きな違いはありません。そして最近では、専門家がこの種の溶接を完璧に習得しています。

これは進歩的なコーティング方法であり、材料の溶解と修復対象の表面への転写がプラズマジェットによって実行されます。プラズマは、電子と負のイオンの濃度が正に帯電したイオンの濃度と等しい、高度にイオン化された状態のガスです。プラズマジェットは、電源から電力が供給されたときにプラズマ形成ガスを電気アークに通すことによって生成されます。直流電圧80-100V。

ガスのイオン化状態への移行と原子への崩壊には、大量のエネルギーの吸収が伴います。このエネルギーは、環境やスプレー部分との相互作用の結果としてプラズマが冷却されるときに放出されます。これによりプラズマジェットが高温になりますが、これは電流の強さ、ガスの種類、流量によって異なります。プラズマ形成ガスは通常アルゴンまたは窒素ですが、それほど一般的ではありませんが水素またはヘリウムです。アルゴンを使用する場合、プラズマ温度は 15,000 ～ 30,000 °C、窒素の場合は 10,000 ～ 15,000 °C です。ガスを選択するときは、窒素はアルゴンよりも安価で希少性が低いことを考慮する必要がありますが、その中で電気アークを点火するにはかなり高い電圧が必要であり、これにより電気的安全性の要件が高まります。したがって、アークを点火する際には、励起電圧とアーク燃焼電圧が低いアルゴンが使用され、スパッタリングプロセスでは窒素が使用されることがあります。

コーティングは、プラズマジェットに入る塗布された材料が溶け、高温ガスの流れによって部品の表面に転写されることによって形成されます。金属粒子の飛行速度は、ノズルから部品表面までの距離が 50 ～ 80 mm の場合、150 ～ 200 m/s です。さらなるおかげで高温適用される材料とより高い飛行速度により、プラズマコーティングと部品の間の接続強度は他のメタライゼーション方法よりも高くなります。

他の熱源と比較した高温と高出力がプラズマメタライゼーションの主な違いと利点であり、プロセスの生産性が大幅に向上し、硬質合金や複合材料を含むあらゆる耐熱性と耐摩耗性の材料を溶解および堆積することができます。、酸化物、ホウ化物、窒化物などをさまざまに組み合わせて使用できます。これにより、さまざまな特性（耐摩耗性、なじみやすさ、耐熱性など）を備えた多層皮膜を形成することが可能です。最高品質のコーティングは、自己融解性表面材を使用することによって得られます。

プラズマコーティングの密度、構造、物理的および機械的特性は、適用される材料、分散、温度、および復元される部品と転写された粒子の衝突率によって異なります。最後の 2 つのパラメーターは、プラズマジェットを制御することによって提供されます。プラズマコーティングの特性は、その後の溶融中に大幅に増加します。このようなコーティングは、衝撃や高い接触荷重の下で効果を発揮します。

プラズマトーチの動作原理と設計を図に示します。 4.51。プラズマジェットは、タングステン陰極２と銅陽極４に電流源が接続されているときに、それらの間に生成される電気アークにプラズマ形成ガス７を通過させることによって得られる。

カソードとアノードは絶縁体３によって互いに分離されており、液体ｂ（好ましくは蒸留水）によって連続的に冷却される。アノードはノズルの形で作られており、その設計によりプラズマジェットの圧縮と特定の方向が保証されます。圧縮は、ジェットの周囲に生じる電磁場によっても促進されます。したがって、イオン化されたプラズマ形成ガスは、小さな断面積のジェットの形でプラズマトロンノズルから出て、高濃度の熱エネルギーを提供します。

米。 4.51。プラズマ溶射プロセスのスキーム: 1 - 粉末ディスペンサー。 2-陰極。 3 - 絶縁ガスケット; 4 - アノード。 5 - 輸送ガス。 6 - 冷却剤。 7 - プラズマ形成ガス

塗布材料は粒径50～200ミクロンの粒状粉末、コード、ワイヤーなどの形状で使用されます。粉末は、プラズマ形成ガスと一緒にプラズマジェットに供給することも、ディスペンサー 1 から輸送ガス 5 (窒素) と一緒にガストーチのノズルに供給することもでき、ワイヤまたはコードがプラズマジェットのノズルの下に挿入されます。プラズマトーチのノズル。使用前に粉末を乾燥および焼成して、気孔率を減らし、部品へのコーティングの密着性を高める必要があります。

プラズマジェットとそれに含まれる溶融金属粒子を空気との相互作用から保護するには、プラズマジェットを取り囲む不活性ガスの流れによって行うことができます。この目的のために、追加のノズルがプラズマトロン内に主ノズルと同心円状に設けられ、そこから不活性ガスが供給される。そのおかげで、溶射材料の酸化、窒化、脱炭が解消されます。

考慮した例では、電源はプラズマトーチの電極 (閉接続回路) に接続されているため、電気アークはプラズマジェットを生成するためだけに機能します。塗布材料をワイヤー状で使用する場合には、電源を接続することも可能です。この場合、プラズマジェットに加えてプラズマアークが形成され、これもロッドの溶融に関与し、これによりプラズマトーチの出力が大幅に増加します。

最新のプラズマ表面設備には、プロセスパラメータを調整するための電子システムが備わっており、マニピュレータとロボットが装備されています。これにより、スプレープロセスの生産性と品質が向上し、作業員の労働条件が改善されます。

プラズマメタライゼーションと他の溶解方法の主な違いは、より高い温度とより大きな電力であり、これによりプロセスの生産性が大幅に向上し、あらゆる耐熱性および耐摩耗性の材料を適用および溶解できるようになります (図 4.8)。 プラズマスプレーの場合、ジェットの温度を提供するためにアルゴンガスと窒素ガスが使用されます。プラズマメタライゼーションでは、UPU および UMN 設備が広く使用されており、そのセットには回転子、保護チャンバー、粉末ディスペンサー、電源、および制御パネルが含まれます。

設備の主要部分はプラズマトロンであり、その耐用年数はノズルの耐久性によって決まります。プラズマトーチは使用期間が短いため、消耗部品は交換可能となっています。電流源は溶接発電機 PSO-500 または整流器 I PN-160/600 です。

米。 4.8. プラズマ溶射プロセスのスキーム:

1 - パウダーディスペンサー; 2 - カソード。 3 - 絶縁ガスケット; 4 - アノード。 5 - 輸送ガス。 6 - 冷却剤。 7 - プラズマ形成ガス

アルゴンまたは希少で安価な窒素がプラズマ形成ガスとして使用されます。ただし、窒素環境でアークを点火することはより難しく、非常に高い電圧が必要となるため、作業員に危険が生じます。励起電圧とアーク燃焼電圧が低いアルゴン環境でアークを点火し、その後窒素に切り替える方法が使用されます。プラズマ形成ガスはイオン化され、小さな断面積のジェットの形でプラズマトロンノズルから出ます。圧縮は、ノズルチャネルの壁とジェットの周囲に生じる電磁場によって促進されます。プラズマジェットの温度は、電流の強さ、種類、ガスの流量によって異なり、10,000 ～ 30,000 °C の範囲で変化します。ガス流速は 100 ～ 1500 m/s です。アルゴンプラズマの温度は15,000～30,000℃、窒素プラズマの温度は10,000～15,000℃です。

プラズマメタライゼーションでは、適用材料として粒径50～200ミクロンの造粒粉が使用されます。粉末は輸送ガス（窒素）によってアークゾーンに供給され、溶融して部品に移送されます。粉末粒子の飛行速度は150〜200 m/s、ノズルから部品の表面までの距離は50〜80 mmです。適用される材料の温度が高く、溶射粒子の飛行速度が速いため、この方法におけるコーティングと部品間の接続強度は他のメタライゼーション方法よりも高くなります。

プラズマジェットの高温で起こるプラズマメタライゼーションにより、あらゆる材料の塗布が可能になります。

しかし、このことは、超硬質で耐摩耗性の材料の後続の加工の問題を引き起こします。

持続時間がミリ秒のパルスレーザー放射を使用すると、数十ミクロンを超えない最小限の熱影響ゾーンを得ることが可能になります。溶融物の量を最小限に抑え、溶接される部品への入熱を最小限に抑えることで、縦方向と横方向の変形を軽減し、部品の精度を数ミクロンの公差範囲内に維持することができます。レーザービームの誘導と局所的な動作の精度により、部品の厳密に定義された幾何学的領域を溶接することができ、機械加工の最小許容値 (0.2 ～ 0.5 mm) が得られます。パルスレーザークラッディング中、熱の影響を受けるゾーンは非常に小さいため、基板は実質的に冷たいままであり、金属溶融物の液相の冷却速度は 102 ～ 103 °C/s に達します。これらの条件下では、自動硬化プロセスが起こり、耐摩耗性が向上した極めて微細に分散した構造が形成されます。

比較すると、電気アーク被覆技術とパルスレーザー被覆技術の基本的な技術的違いのほとんどは、アークが集中した溶接エネルギー源であり、レーザービームが高度に集中したエネルギー源であるという事実の結果です。パルスレーザーによるサーフェシングは、電気アークによるサーフェシングと比較して、溶融物や熱影響を受けるゾーンが最小限に抑えられ、したがって横方向および縦方向の収縮が大幅に小さいという特徴があります。

電気アークの表面処理後は、許容範囲が数ミリメートルに達する場合があり、その後の機械加工が必要になります。エネルギー源として電気アークを使用すると、金属溶融物の液相に対する強力な影響が伴い、その結果、レーザークラッディング中には発生しないアンダーカットが形成されます。電気アーク表面仕上げには、事前および付随する「溶接領域の加熱とその後の熱処理」およびレーザー表面仕上げが必要です。

レーザー表面仕上げ技術は、磨耗した金型や金型を修復し、金型や金型の製造過程で発生するさまざまな欠陥を除去するために使用できます。レーザークラッディングを使用して除去される欠陥の種類: HRC 硬度試験部位、亀裂、傷、擦り傷、空洞および細孔、深い亀裂、接着部位。技術プロセスレーザー表面仕上げは、不活性ガス環境で欠陥部位にレーザー放射とフィラーワイヤーを同時に供給することです。溶融した充填材が欠陥部位を充填します。レーザークラッディング後は、従来のクラッディング方法と比較して最小限のクラッディングが必要になります。機械的修復。レーザービームを欠陥の位置に向ける精度が高く、レーザー放射の作用が局所的であるため、欠陥部品の厳密に定義された領域を融合することが可能になります（図 4.9）。

プロセスの継続時間が短く、レーザーパルスの継続時間が数ミリ秒であること、およびエネルギーの正確な投与量により、熱の影響を受けるゾーンが最小限に抑えられ、部品の磨耗が生じません。レーザー表面仕上げは、工具修理の労力を大幅に削減し、その結果、プロセスの予熱、その後の熱処理、および部品がクロムの場合は表面からクロムコーティングを除去する必要性とその後の塗布の必要性を排除することでコストを大幅に削減できます。 -メッキ。レーザークラッディングの利点を表に示します。 4.2.

溶融金属の酸化を防ぐために、浮上ゾーンは不活性ガス、たとえばアルゴンとヘリウムの混合ガスで保護されます。大型部品（長さ数メートルまで）の表面仕上げには、光ファイバーシステムを備えた固体レーザーシステムが使用されます。製造時に発生する熱間および冷間非貫通亀裂の欠陥を除去する技術を開発しました。電気アーク溶接固体レーザーからのパルスレーザー放射を使用したピース電極。

パルスレーザー放射を使用していくつかの亀裂を溶接すると、いわゆる「冷間」溶接モードの実装が可能になります。このモードでは、修復領域の溶接部が加熱されず、溶接継手の機械的強度を維持し、溶接部の焼き戻しを回避できます。溶接部に金属が入っています。

数メートルの長さの光ファイバーシステムを使用することで、最も届きにくい場所でも修理を行うことができます。この技術は、電気アーク溶接中に形成されるさまざまな欠陥（低温および高温の亀裂、空洞、クレーター、フィステル、アンダーカットなど）を除去するために使用できます。

性質や運転条件に応じて、タービンブレードの側面高圧機械的、化学的、熱的な影響により微小損傷を受けます。損傷可能性の分析によると、部品の総数の約 70% に深さ 0.4 ～ 2.0 mm の表面欠陥がある部品が含まれています。欠陥箇所にレーザービームを照射するために光ファイバーシステムを使用すると、タービンブレードを分解せずに修理できる可能性が広がります。熱影響を受けるゾーンのサイズは 15 μm を超えません。蒸着層の構造は細かく分散されています。

米。 4.11。冷凍機部の半田付けされていないチューブ部分の断面図

米。 4.12. 溶接・はんだ付けモードで加工した欠陥箇所の研磨

水まわりの製造工程において、はんだ抜けなどの不良が発生する場合がございます。パルスレーザーはんだ溶接による断面リークを解消する技術を開発しました（図4.11、4.12）。

はんだ付けシームの漏れをなくすために、固体レーザーからのパルスレーザー放射が使用されます。 He - Ne (ヘリウム - ネオン) レーザーに基づくターゲット指定を使用してレーザーエミッターに組み込まれたテレビシステムを使用すると、レーザービームを欠陥部位に正確に向けることができます。レーザーに光ファイバーシステムを装備すると、届きにくい場所の欠陥を除去し、ある欠陥から別の欠陥に迅速に移行できます。

プラズマ溶射（または、拡散メタライゼーション）効果的な方法物理的および機械的特性の変化、および主表面の構造の変化。したがって、よく一緒に使用されます装飾目的、最終製品の耐久性を向上させます。

プラズマ溶射の原理

のように伝統的な手法表面コーティングでは、拡散メタライゼーション中に別の金属または合金の層が金属表面に堆積され、その後の部品の使用に必要な特性 (目的の色、耐食性、硬度) が得られます。違いは次のとおりです。

高温 (5000 ～ 6000 °C) プラズマによりコーティングプロセスが大幅にスピードアップされ、所要時間は数分の 1 秒に短縮されます。
プラズマジェットでの拡散金属化中に、それらは金属の表面層に拡散することもあります。化学元素処理が行われるガスから。したがって、ガスの化学組成を調整することにより、所望の元素の原子による金属表面の複合飽和を達成することが可能である。
プラズマジェット内の温度と圧力の均一性により、最終コーティングの高品質が保証されますが、これは従来のメタライゼーション方法では達成することが非常に困難でした。
プラズマ溶射は、プロセス時間が非常に短いことが特徴です。その結果、生産性が向上するだけでなく、過熱、酸化、その他の望ましくない表面現象も排除されます。

プロセス実装の作業設定

高温プラズマ (アーク、スパーク、またはパルス) を開始するには放電が最もよく使用されるため、このスパッタリング法に使用される装置には次のものが含まれます。

放電発生源: 高周波発生器または溶接コンバータ;
金属化されるワークピースが配置される作業用密閉チャンバー。
高温プラズマが形成される大気中のガスの貯蔵庫。
作動媒体を汲み上げたり、必要な真空を作り出したりするために必要な圧力を提供するポンプまたは真空ユニット。
プロセス制御システム。

プラズマ溶射を行うプラズマトーチの動作は次のように行われます。溶射された部品は密閉されたチャンバー内に固定され、その後、作用電極（溶射元素を含む）の表面とワークピースとの間で放電が励起されます。同時に作業エリア液体または気体媒体が必要な圧力でポンプで送られます。その目的は、放電ゾーンを圧縮し、それによって熱出力の体積密度を高めることです。高度に濃縮されたプラズマは、電極金属を立体的に蒸発させ、同時にワークピースの周囲の環境の熱分解を開始します。その結果、目的の層が化学組成。電流、電圧、圧力などの放電特性を変更することで、溶射皮膜の厚さと構造を制御できます。

真空中での拡散金属化プロセスも同様に行われますが、カラムの内側と外側の圧力差によりプラズマ圧縮が発生する点が異なります。

技術機器、消耗品

電極材料の選択は、溶射の目的と処理される金属の種類によって異なります。たとえば、金型を硬化する場合、最も効果的な電極は鉄ニッケル合金で作られており、さらにクロム、ホウ素、シリコンなどの元素が添加されています。クロムはコーティングの耐摩耗性を高め、ホウ素は硬度を高め、シリコンは仕上げコーティングの密度を高めます。

装飾目的で金属化する場合、作用電極の金属を選択する主な基準は、溶射表面の形状とその形状です。外観。たとえば、銅の堆積は、電気銅 M1 で作られた電極を使用して実行されます。

このプロセスの重要な構造要素は媒体の組成です。例えば、溶射層中に高耐性の窒化物や炭化物を得る必要がある場合、ガス中に炭素や窒素を含む有機媒体が存在する必要があります。

完成したコーティングの後処理

プロセスの性質上、溶射層の密度と母材金属への接着強度は、コーティングの耐久性を確保するには必ずしも十分ではありません。したがって、多くの場合、加工後、酸素アセチレン火炎または熱炉を使用して部品の表面溶解が行われます。その結果、コーティング密度が数倍に増加します。その後、超硬工具を使用して研削・研磨を行います。

製品のその後の仕上げを考慮して、加工後の金属層の厚さは少なくとも0.8〜0.9 mmとされます。

部品に最終的な強度特性を与えるために、母材金属に推奨される技術条件を使用して焼き入れおよび焼き戻しが行われます。

プラズマ溶射は、製品の耐熱性、耐摩耗性、硬度を高め、腐食プロセスに耐える能力を高めます。また、装飾目的での溶射は部品の外観を大幅に改善します。

拡散プラズマ溶射技術の限界は、ワークピースの構成が過度に複雑であることと、使用される設備が相対的に複雑であることです。

得られる層の均一性に対する要件がそれほど高くない場合は、構造的に半自動溶接機を彷彿とさせる、より単純な設備を使用できます。この場合、プラズマ溶射は、コンプレッサーによって処理領域に吹き付けられるときに形成される気泡の中で実行されます。溶射された金属を含む電極が製品の輪郭に沿って順次移動します。溶射された金属のベースへの密着性を向上させるために、溶射ゾーンに充填材も導入されます。

プラズマ溶射の技術とプロセス。 プラズマアーク溶射 プラズマ溶射技術