Tecnologia e processo de pulverização de plasma. Pulverização de arco de plasma Tecnologia de pulverização de plasma

Então, qual é o princípio da pulverização de plasma? Em todos os dispositivos de pulverização de plasma, o pó adquire temperatura e velocidade no jato de gás quente gerado pela tocha de plasma. Por sua vez, uma tocha de plasma ou gerador de plasma é um dispositivo inventado na década de 1920 no qual um arco elétrico queimando entre um cátodo e um ânodo em um volume limitado (bocal) é inflado com um gás inerte e cria uma tocha de redução de alta temperatura. chama.

Por que este princípio é tão atraente para resolver problemas de aspersão térmica? Justamente porque a chama da tocha de plasma é muito quente e sempre redutora; a presença de oxigênio na tocha de plasma não é categoricamente permitida devido à rápida destruição dos materiais dos eletrodos (a pressão parcial do oxigênio nos gases de plasma é determinada por sua pureza e não deve exceder 0,004%). A tocha da chama da tocha de plasma, com seu uso adequado, pode não apenas restaurar a superfície metálica ativa dos filmes de óxido nas partículas pulverizadas, mas até mesmo limpar a superfície do substrato dos óxidos. Esta possibilidade é proporcionada exclusivamente pelo método de pulverização de plasma.

No que diz respeito à pulverização de plasma, existem vários preconceitos entre teóricos e praticantes da pulverização térmica, que, na maioria dos casos, estão associados não ao processo em si, mas a uma má compreensão da essência do processo de pulverização, falhas de projeto de dispositivos específicos e sua aplicação incorreta. Vamos discutir esses preconceitos:

1.“A chama de plasma é muito quente e, portanto, adequada apenas para deposição de metais refratários e materiais cerâmicos de óxido. Uma temperatura muito alta leva à evaporação de parte do pó e à destruição dos carbonetos de cromo e tungstênio.”

Na verdade, a temperatura do plasma pode atingir 20.000°C ou mais, o que é muito mais elevado do que, por exemplo, a temperatura de uma chama de oxi-acetileno (cerca de 3.000°C). Contudo, a temperatura da chama tem muito pouco a ver com a temperatura das partículas pulverizadas. Sem nos aprofundarmos na física da interação do gás quente com as partículas sólidas, diremos apenas que esta interação é muito complexa e depende de um grande número de parâmetros, incluindo não apenas a temperatura do gás, sua velocidade, comprimento da chama e tamanho das partículas, mas também as composições químicas do gás e das partículas. Além disso, não é a temperatura absoluta da chama, mas a sua luminosidade que é decisiva para a transferência de calor da chama para as partículas. Assim, por exemplo, uma chama de hidrogênio-oxigênio mais quente, mas quase invisível, aquece as partículas muito pior do que uma chama de acetileno-oxigênio mais fria, mas mais brilhante (devido às nanopartículas de carbono luminosas). A luminosidade de uma tocha de plasma depende da composição do gás formador de plasma, do tamanho e da composição das partículas que passam por ele. É interessante que em muitos casos esta luminosidade é inferior à de uma chama de oxi-acetileno e tem que ser aumentada de várias maneiras, apenas para dar às partículas pelo menos a temperatura mínima necessária. Como o comprimento da chama dos dispositivos de chama de gás também excede frequentemente o comprimento da tocha de plasma, obtém-se um “paradoxo”: pós metálicos de granulação grossa são aquecidos em dispositivos de pulverização com chama de pó mais do que em plasma mais potente e “quente”. dispositivos de pulverização.

2. “A velocidade das partículas durante a pulverização de plasma não é suficiente para obter revestimentos densos.”

A taxa de fluxo de gás e partículas nele contida não é determinada pelo princípio da formação da chama, mas apenas pelo design do dispositivo. Atualmente, existem dispositivos comerciais para pulverização de plasma com bico Laval, que fornecem partículas com velocidade supersônica.

3. “Apenas sistemas caros de pulverização de plasma a vácuo são adequados para deposição de metal, enquanto os sistemas de pulverização de plasma atmosférico são inadequados devido à oxidação de partículas metálicas.”

Tal afirmação, curiosamente, é ouvida com bastante frequência, mesmo entre pessoas que estão praticamente envolvidas na pulverização de plasma, especialmente em relação aos revestimentos MCrAlY para pás de turbinas a gás. Na verdade, nesta afirmação há uma substituição típica de conceitos: revestimentos metálicos puros de ligas de níquel de baixo ponto de fusão obtidos por deposição por plasma a vácuo (VPS) são de fato melhores que a deposição atmosférica (APS), mas não por causa da oxidação de partículas em o plasma, mas uma razão completamente diferente, que será discutida na seção sobre deposição de plasma a vácuo. A oxidação de partículas metálicas em ambos os métodos ocorre da mesma maneira.

Os dispositivos de pulverização de plasma atmosférico não são diferentes dos dispositivos de pulverização de plasma a vácuo. A diferença não está nos dispositivos em si, mas na forma de organizar o processo de deposição: a deposição atmosférica é realizada ao ar, enquanto na deposição a vácuo, tanto a tocha de plasma quanto a parte pulverizada ficam em uma câmara de vácuo sob vácuo. É claro que a deposição atmosférica é muito mais acessível e barata do que a deposição a vácuo; além disso, para peças grandes, a deposição a vácuo torna-se simplesmente impossível devido ao tamanho irreal da câmara de vácuo. Os próprios plasmatrons podem ser usados ​​tanto para deposição atmosférica quanto a vácuo.

Para explicar mais claramente as características da pulverização de plasma, passaremos à consideração dos vários designs que existem hoje.

Equipamento de pulverização de plasma

Os dispositivos de pulverização de plasma são diferenciados por uma ampla variedade de designs. Iremos considerá-los desde os mais “tradicionais” até os mais “avançados”.

Os dispositivos mais comuns são aqueles com um cátodo e um ânodo, e com injeção de pó fora do bico curto, perpendicular ao eixo da chama.

O princípio de funcionamento de tais dispositivos é mostrado no diagrama (Figura 28):

Arroz. 28. O princípio da pulverização de plasma.

Como pode ser visto no diagrama, o bico curto da tocha de plasma também é o ânodo. O pó é introduzido fora do bico perpendicular ao eixo da chama, próximo ao arco.

O dispositivo mais popular desse tipo é a tocha de plasma de 3 MB da Sulzer Metco, que, com pequenas modificações, existe há mais de 40 anos. A Figura 29 mostra os modelos atuais desta série com potência máxima de 40 kW.

Arroz. 29. Plasmatron 3 MB.

Um dispositivo de cátodo único um pouco mais novo e mais potente (55 kW) é a tocha de plasma F4, mostrada na Figura 30.

Arroz. 30. Plasmatron F4.

O dispositivo de 9 MB, um dos mais potentes plasmatrons de cátodo único do tipo tradicional (80 kW com corrente de 1000 A e tensão de 80 V), também é produzido pela Sulzer Metco (Figura 31):

Arroz. 31. Plasmatron 9 MB

As tochas de plasma de cátodo único tradicionais de outras empresas diferem pouco das tochas de plasma Sulzer Metco: todas operam com uma taxa de fluxo de gás relativamente baixa, baixa (< 100 В) напряжении и большом (до 1000 А) токе дуги. Ни один из традиционных плазматронов не позволяет достичь частицам скорости звука.

A vantagem das tochas de plasma com baixo consumo de gás é a possibilidade de transmitir temperaturas muito elevadas (> 4000°C) às partículas devido ao tempo relativamente longo de sua residência na zona quente da chama próxima ao arco. Essas altas temperaturas das partículas tornam possível fundir quase todos os materiais cerâmicos e metálicos.

O desenvolvimento da tecnologia de pulverização de plasma nos últimos vinte anos seguiu o caminho do aumento da velocidade das partículas. Para dar maior velocidade às partículas, é necessário aumentar a pressão dos gases de plasma na frente do bico, o que leva automaticamente a um aumento na vazão do gás e a um aumento na tensão do arco.

Um dispositivo moderno e potente (até 85 kW, corrente até 379 A, ​​tensão até 223 V) com um cátodo e um ânodo é o plasmatron 100HE da empresa americana Progressive Technologies Inc., que, devido ao alto pressão e vazão dos gases de plasma, permite atingir velocidades de partículas - próximas à velocidade do som (Figura 32):

Arroz. 32. Plasmatron 100HE.

Devido à alta velocidade do gás formador de plasma, o tempo de residência das partículas na zona quente da chama diminui e, consequentemente, a sua temperatura diminui. Para neutralizar isso, é necessário aumentar a potência do arco e utilizar grande quantidade de hidrogênio no gás plasma, que, devido ao processo de dissociação-associação das moléculas, alonga a zona quente da chama. Assim, a tocha de plasma 100HE realiza a temperatura de partículas com tamanho de 20-30 mícrons, acima de 2300°C a uma velocidade de cerca de 250 m/s, o que permite pulverizar revestimentos de Cr 3 C 2 - NiCr, Cr 2 O 3 e Al 2 O 3 com baixa porosidade.

A segunda direção de desenvolvimento, aliada ao aumento do consumo de gás, é a divisão de um arco em três partes, o que permite melhorar a estabilidade e uniformidade da chama, reduzindo o desgaste do eletrodo e aumentando a potência total da chama. Um exemplo típico de tal dispositivo é a mais recente tocha de plasma TriplexPro TM -210 da Sulzer Metco com um ânodo e três cátodos, com potência máxima de 100 kW (Figura 33):

Arroz. 33. Plasmatron TriplexPro™.

1 - verso da caixa; 2 – pilha de ânodos; 3 - parte frontal do corpo; 4 - isolador; 5 - porca de capa; 6 – três cátodos em bloco cerâmico; 7 – elemento de pilha anódica; 8 - canal plasmático; 9 - bico com três bicos de pó.

A tecnologia Triplex da Sulzer Metco entrou na prática de pulverização térmica na década de 1990. Comparados às tochas de plasma com arco único, esses dispositivos possuem recursos significativamente maiores e estabilidade nos resultados de deposição. Para muitos pós comerciais, as tochas de plasma Triplex também podem melhorar o desempenho e a eficiência da deposição, mantendo a qualidade do revestimento.

Ignorando a patente da Sulzer Metco para plasmatrons de três cátodos, a GTV GmbH lançou o dispositivo GTV Delta com um cátodo e três ânodos, que, em princípio, é uma compilação TriplexPro degradada (Figura 34):

Arroz. 34. Plasmatron GTV Delta.

A última e terceira direção de desenvolvimento é a rejeição da introdução radial do pó em favor de uma introdução muito mais racional - axial. O principal elemento de design da tocha de plasma com injeção axial de pó - Convergens foi inventado em 1994 pelo americano Lucien Bogdan Delcha (Delcea, Lucian Bogdan).

Atualmente, existe apenas um desses dispositivos, a tocha de plasma Axial III com potência máxima de 150 kW, fabricada pela empresa canadense Mettech, que combina as três áreas de desenvolvimento (alto fluxo de gás, três arcos e injeção axial de pó). As máquinas de pulverização de plasma com tocha de plasma Axial III também são produzidas e distribuídas pela empresa alemã Thermico GmbH.

As Figuras 35, 36 e 37 mostram o dispositivo Axial III propriamente dito e seu diagrama estrutural:

Arroz. 35. Plasmatron Axial III.

Arroz. 36. Vista do dispositivo Axial III pela lateral do bico.

Arroz. 37. Diagrama esquemático do Axial III.

Todas as modernas instalações de pulverização de plasma são automáticas, ou seja, o controle das fontes de energia, sistema de refrigeração de água e vazão de gás é controlado por sistema CNC com visualização e salvamento das receitas em computador. Por exemplo, a tocha de plasma Axial III é fornecida pela Thermico GmbH completa com um sistema de controle computadorizado que conduz de forma independente a ignição do arco e o acesso ao modo de operação, a escolha das receitas de deposição e controla todos os parâmetros principais: a vazão de três plasma gases (argônio, nitrogênio e hidrogênio), correntes de arco, parâmetros do sistema de refrigeração de água. O mesmo sistema automático também controla o alimentador de pó.

Menção especial deve ser feita ao alimentador de pó Thermico. Este, o dispositivo mais "avançado" do mundo hoje, permite não apenas ajustar constantemente a vazão mássica do pó e a vazão do gás de arraste (nitrogênio ou argônio), mas também permite o uso de pós de granulação fina com baixa fluidez, inadequado, por exemplo, para alimentadores Sulzer Metco.

O autor trabalha pessoalmente com a tocha de plasma Axial III há muito tempo e pode dizer por experiência própria que, apesar de algumas falhas de projeto, esta tocha de plasma é o dispositivo de deposição térmica mais avançado que combina as vantagens da deposição em alta velocidade com a alta temperatura de uma chama estritamente redutora. A principal vantagem do Axial III é a entrada axial do pó.

Benefícios da entrada axial de pó

A injeção axial de pó é um salto quântico na tecnologia de pulverização de plasma. A questão aqui não é apenas que, com a injeção axial, as perdas de pó são significativamente reduzidas, mas também que se abre a possibilidade de pulverizar materiais em pó completamente diferentes, inadequados para injeção radial. Como este aspecto é de fundamental importância para a compreensão das seções a seguir, iremos abordá-lo com mais detalhes.

Então, o que acontece quando o pó é introduzido radialmente no jato de chama na saída do bico? Listamos as desvantagens de tal entrada:

1. Somente pós de grãos muito estreitos são adequados para injeção radial, para a qual é necessário selecionar com precisão a pressão do gás de arraste. O que isso significa?: Se a pressão do gás de arraste for insuficiente, as partículas de pó “saltarão” do jato de chama, se a pressão do gás de arraste for muito alta, elas “atravessarão” essa chama; se o pó consiste em partículas de tamanhos diferentes, então, em princípio, é impossível escolher a pressão “correta” do gás de arraste: as partículas menores sempre “saltarão” e as maiores sempre “dispararão”, ou seja , nenhuma dessas partículas no revestimento pulverizado não existirá, mas haverá apenas algumas partículas "médias". É especialmente difícil introduzir pós de granulação fina devido à sua maior dispersão pelo gás de arraste (uma típica nuvem de poeira ao redor da chama).
2. Com a introdução radial do pó, é impossível utilizar na mistura de pós não apenas partículas de tamanhos diferentes, mas também de densidades diferentes (massas diferentes) pelo mesmo motivo: partículas mais pesadas voam pela chama com mais facilidade do que as mais leves. Assim, a tentativa de utilizar misturas de pós complexas resultará numa distorção da composição de revestimento em comparação com a composição da mistura de pós.
3. Um aumento na velocidade dos gases formadores de plasma complica a introdução radial do pó, uma vez que os intervalos das pressões necessárias do gás transportador e a distribuição de tamanho das partículas são ainda mais estreitados. Na prática, isso significa o seguinte: quanto maior a velocidade da chama, menor a eficiência da pulverização com injeção radial de pó. É impossível em hipótese alguma introduzir todo o pó na chama sem perdas.
4. A localização dos bicos de pó próximos à zona quente da chama faz com que eles aqueçam, o que é compensado apenas pelo resfriamento pelo gás que transporta o pó. Se a velocidade do gás de resfriamento não for suficiente para o resfriamento, as partículas de pó podem aderir às bordas da abertura do bico, formando flacidez. As peças aderentes se desprendem periodicamente do bico, caem na chama e causam um defeito característico - “salpicos”, levando à formação de inclusões grosseiras porosas no revestimento. Como a vazão do gás de arraste está estritamente relacionada aos parâmetros da chama (ver ponto 1), surge um problema: para alguns pós, simplesmente não há parâmetros que removam o efeito de “cuspir”, especialmente se esses pós forem fusíveis e/ou finos -granulado.

Mudar para a injeção axial do pó permite que você se livre completamente dos problemas acima:

1. A pressão e a velocidade do gás de arraste não estão mais vinculadas aos parâmetros de chama e pó. A única condição é que a pressão do gás de arraste seja ligeiramente superior à pressão do gás formador de plasma no bocal no ponto de injeção do pó. Devido à entrada axial, qualquer pó é completamente capturado pela chama.
2. É sempre possível escolher uma tal pressão do gás de arraste à qual não ocorrerá o "salpico" associado à aderência do pó à borda da abertura do bocal de pó.
3. É possível utilizar misturas de pós de qualquer complexidade e composição fracionada. Partículas de diferentes tamanhos adquirirão diferentes velocidades e temperaturas, mas todas, no final, participarão da formação do revestimento. O fato de partículas pequenas se tornarem muito mais quentes que partículas grandes quando introduzidas axialmente na chama de plasma abre novas possibilidades para o projeto de misturas de pós. A parte principal deste livro é dedicada à criação de tais composições polifracionárias.

O autor teve muita sorte de ter à sua disposição por muitos anos uma tocha de plasma Axial III com injeção axial de pó. Se não fosse por isso, a criação de novos revestimentos multicomponentes seria simplesmente impossível.

Tabela resumida de dispositivos de pulverização térmica

Para generalizar, comparação direta e sistematização de todos os métodos de pulverização térmica, comparemos as propriedades dos dispositivos típicos, bem como seus preços aproximados em uma tabela (Tabela 2):

Mesa 2. Comparação de dispositivos de pulverização térmica.

Propriedades e características	* Métodos de pulverização térmica
	1	2	3	4	5	6	7	8
Uso de pó ou arame	arame	pó	arame	pó	pó	pó	arame	pó
velocidade máxima partículas pulverizadas, m/s	100	50	200	800	1200	1000	100	400
Temperatura máxima partículas pulverizadas, °C	2800	2500	1700	1500	600	1200	> 4000	> 4000
O tamanho das partículas que se formam revestimento, μm	0,1 – 1000	10 – 150	0,1 – 1000	10 – 100	10 – 100	10 – 100	0,1 – 1000	1 – 50
Eficiência de pulverização sobre pulverizado material	—	+	—	+++	+++	+++	—	++
Eficiência de pulverização catódica por consumo	–	+++	—	—	—	—	++	–
Porosidade mínima revestimentos, vol.%	10-15	10-25	5-10	2-3	< 1	< 1	5-10	0,5-3
Poder Térmico dispositivos, kW	10-30	10-50	30-100	50-250	30-85	< 20	20-150	25-150
Desempenho pulverização, kg/h	2-5	5-10	2-5	5-10	10-20	< 1	10-30	2-5
Prevalência dispositivos comerciais e peças de reposição no mercado mundial	Um monte de dispositivos	Um monte de dispositivos	Alguns dispositivos	Um monte de dispositivos	Alguns dispositivos	Não dispositivos	Um monte de dispositivos	Um monte de dispositivos
Mobilidade de dispositivos	+++	+++	–	–	+++ para - para os outros	—	+++	– para APS
Ruído do dispositivo	—	+++	—	—	—	—	—	—
Emissão de vapores e poeira fina	—	++	—	++	+++	++	—	–
Preço dos dispositivos individuais, €	2.000-	2.000-	10.000-	10.000-	10.000-	Não	10.000-	5.000-
Preço do automatizado instalações sem periféricos, €	Não	30.000-	Não	100.000-	100.000-	Não	Não	100.000-
Preço do automatizado instalações com periféricos “sob chave ": cabine à prova de som, ventilação com filtro instalação, robô, etc., €	Não	100.000-	Não	200.000-	200.000-	Não	Não	200.000-
Custo comparativo operação, levando em consideração os consumíveis materiais (exceto pós e fios), recursos do dispositivo e peças de reposição,	10-15	5-15	30-60	40-100	40-100	> 100	5-30	30-150

* Numeração do método:

1. Pulverização de chama com arame
2. Pulverização de pó de chama
3. Pulverização de fio de chama supersônica
4. Pulverização de pó de chama supersônica (HVOF e HVAF)
5. Revestimento em pó frio
6. Revestimento em pó de detonação
7. Pulverização de arco de arame
8. Pulverização de plasma em pó (APS e VPS)

A superfície de plasma é um método inovador de aplicação de revestimentos especiais com alto índice de resistência ao desgaste na superfície de produtos desgastados. É realizado na restauração de peças de máquinas e mecanismos, bem como na sua produção.

1 Superfície Plasmática – informações gerais sobre a técnica e suas vantagens

Atualmente, vários componentes e mecanismos de vários dispositivos e máquinas operam em condições difíceis, exigindo que os produtos atendam a vários requisitos ao mesmo tempo. Freqüentemente, eles são obrigados a resistir à influência de ambientes químicos agressivos e temperaturas elevadas e, ao mesmo tempo, manter suas características de alta resistência.

É quase impossível fabricar tais unidades a partir de qualquer metal ou outro material. E do ponto de vista financeiro, é inconveniente implementar um processo produtivo tão complexo.

É muito mais razoável e lucrativo produzir esses produtos a partir de um material mais durável e, em seguida, aplicar certos revestimentos protetores a eles - resistentes ao desgaste, ao calor, aos ácidos e assim por diante.

Revestimentos não metálicos e metálicos, que diferem entre si em sua composição, podem ser utilizados como tal “proteção”. Essa pulverização catódica permite dar aos produtos as características dielétricas, térmicas, físicas e outras características necessárias. Um dos métodos modernos mais eficazes e ao mesmo tempo universais de revestimento de materiais com uma camada protetora é reconhecido como pulverização e revestimento com arco de plasma.

A essência do uso do plasma é bastante simples. Para o revestimento, utiliza-se material na forma de fio ou pó fino granular, que é alimentado em um jato de plasma, onde é primeiro aquecido e depois derretido. É no estado fundido que o material protetor cai sobre a peça submetida ao revestimento. Ao mesmo tempo, ocorre seu aquecimento contínuo.

As vantagens desta tecnologia são:

• o fluxo de plasma permite aplicar materiais de diferentes parâmetros, e em diversas camadas (por isso, o metal pode ser tratado com diferentes revestimentos, cada um com suas próprias características de proteção);
• as propriedades energéticas do arco plasma podem ser ajustadas dentro de amplos limites, uma vez que é considerada a fonte de calor mais flexível;
• o fluxo de plasma é caracterizado por uma temperatura muito elevada, devido à qual derrete facilmente mesmo aqueles materiais que são descritos por maior refratariedade;
• os parâmetros geométricos e a forma da peça a ser revestida não limitam as capacidades técnicas do método plasma e não reduzem a sua eficácia.

Com base nisso, podemos concluir que nem o vácuo, nem a galvânica, nem qualquer outra variante de deposição podem ser comparadas em termos de eficiência com o plasma. Na maioria das vezes é usado para:

• endurecimento de produtos submetidos a cargas elevadas constantes;
• proteção contra desgaste e ferrugem dos elementos de fechamento e controle (a pulverização de metal com auxílio de plasma aumenta significativamente sua durabilidade);
• proteção contra os efeitos negativos das altas temperaturas, que causam desgaste prematuro dos produtos utilizados pelas empresas vidreiras.

2 A tecnologia do revestimento descrito e suas sutilezas

A superfície de plasma é realizada usando duas tecnologias:

• uma haste, fio ou fita é introduzida no jato (eles atuam como material de enchimento);
• uma mistura de pó é alimentada no jato, que é capturada e transferida para a superfície do produto soldado pelo gás.

O jato de plasma pode ter layouts diferentes. De acordo com este indicador, ele é dividido em três tipos:

• fluxo fechado. Com sua ajuda, a pulverização, a metalização e o endurecimento do metal são realizados com mais frequência. O arco, neste caso, é caracterizado por uma intensidade relativamente baixa do fluxo de chama, devido ao alto nível de transferência de calor para a atmosfera. O ânodo na disposição descrita é o canal do queimador ou o seu bocal.
• Fluxo aberto. Com esta disposição, a peça aquece muito mais, sendo o ânodo uma barra ou a própria peça. Recomenda-se um jato aberto para aplicação de camadas protetoras ou para corte de material.
• Opção combinada. Um layout projetado especificamente para revestimento de plasma em pó. Com esta opção, dois arcos são acesos simultaneamente e o ânodo é conectado ao bico do queimador e à peça a ser soldada.

Qualquer um dos arranjos usa oxigênio, argônio, ar, hélio, hidrogênio ou nitrogênio como gases usados ​​para formar a chama. Os especialistas dizem que o hélio e o argônio fornecem pulverização e revestimento de metal da mais alta qualidade.

3 Tocha de plasma combinada para revestimento duro

O revestimento com pó de plasma na maioria das empresas modernas é realizado precisamente em unidades combinadas. Neles, o pó de enchimento metálico é derretido entre o bico do queimador e o eletrodo de tungstênio. E no momento em que o arco queima entre a peça e o eletrodo, inicia-se o aquecimento da superfície do produto depositado. Devido a isso, ocorre uma fusão rápida e de alta qualidade do metal de base e de adição.

A tocha de plasma combinada proporciona baixo teor do material base depositado na composição, bem como a menor profundidade de sua penetração. São esses fatos que são reconhecidos como a principal vantagem tecnológica da superfície com jato de plasma.

A superfície soldada é protegida dos efeitos nocivos do ar circundante por um gás inerte. Entra no bico (externo) da instalação e protege de forma confiável o arco que o envolve. Um gás de transporte com características inertes também é utilizado para fornecer a mistura em pó para o aditivo. Vem de um alimentador especial.

Em geral, uma tocha de plasma padrão de tipo combinado de ação, na qual é realizada pulverização e revestimento de metal, consiste nas seguintes partes:

• duas fontes de energia (uma alimenta o arco “indireto”, a outra - “direto”);
• alimentador de mistura;
• resistência (lastro);
• o furo onde o gás é fornecido;
• bocal;
• oscilador;
• corpo do queimador;
• um tubo para fornecer um gás que transporta a composição em pó.

4 Principais características do revestimento metálico com tecnologia de plasma

O desempenho máximo da tocha de plasma é observado quando um aditivo de fio condutor de corrente é usado. O arco neste caso queima entre este fio (é o ânodo) e o cátodo da unidade. O método descrito derrete ligeiramente o material de base. Mas não permite realizar uma camada superficial uniforme e fina.

Se for utilizado pó, a pulverização e o revestimento permitem obter a camada fina especificada com máxima resistência ao desgaste e ao calor. Os constituintes comuns da mistura de pó de revestimento duro são cobalto e níquel. Após a utilização desses pós, a superfície da peça não precisa ser processada posteriormente, pois sua camada protetora não apresenta defeitos.

A pulverização de plasma, em comparação com o revestimento duro, é descrita por uma maior velocidade do jato de plasma e um fluxo de calor mais denso. Esse fato se deve ao fato de metais e compostos com alto nível de refratariedade (boretos, silicietos, tântalo, carbonetos, tungstênio, zircônio, óxidos de magnésio e alumínio) serem mais utilizados durante a pulverização.

Acrescentamos que o método de revestimento considerado no artigo em termos de suas características técnicas (faixa de tensões e correntes de operação, consumo de gás inerte, etc.) não é muito diferente. E hoje os especialistas dominam esse tipo de atividade de soldagem com perfeição.

Trata-se de um método progressivo de revestimento, no qual a fusão e transferência do material para a superfície a ser restaurada é realizada por meio de jato de plasma. O plasma é um estado de gás altamente ionizado quando a concentração de elétrons e íons negativos é igual à concentração de íons carregados positivamente. Um jato de plasma é obtido pela passagem de um gás formador de plasma através de um arco elétrico quando alimentado por uma fonte DC com tensão de 80-100 V.

A transição de um gás para o estado ionizado e sua decadência em átomos é acompanhada pela absorção de uma quantidade significativa de energia, que é liberada durante o resfriamento do plasma como resultado de sua interação com o meio ambiente e a parte pulverizada. Isso causa uma alta temperatura do jato de plasma, que depende da intensidade da corrente, tipo e vazão do gás. Como gás de plasma, geralmente é usado argônio ou nitrogênio e, menos frequentemente, hidrogênio ou hélio. Ao usar argônio, a temperatura do plasma é de 15.000 a 30.000°C e do nitrogênio - de 10.000 a 15.000°C. Na escolha de um gás, deve-se levar em consideração que o nitrogênio é mais barato e menos escasso que o argônio, mas para acender um arco elétrico nele é necessária uma tensão muito maior, o que acarreta maiores requisitos de segurança elétrica. Portanto, às vezes, na ignição do arco, utiliza-se argônio, para o qual a tensão de excitação e queima do arco é menor, e no processo de deposição utiliza-se nitrogênio.

O revestimento é formado devido ao fato do material aplicado que entra no jato de plasma ser derretido e transferido por um fluxo de gás quente para a superfície da peça. A velocidade de voo das partículas metálicas é de 150-200 m/s a uma distância do bocal à superfície da peça de 50-80 mm. Devido à maior temperatura do material aplicado e à maior velocidade de vôo, a resistência da conexão entre o revestimento de plasma e a peça é maior do que com outros métodos de galvanização.

Alta temperatura e alta potência em comparação com outras fontes de calor são o principal diferencial e vantagem da metalização a plasma, que proporciona um aumento significativo na produtividade do processo, a capacidade de derreter e aplicar quaisquer materiais resistentes ao calor e ao desgaste, incluindo ligas duras e compósitos materiais, bem como óxidos, boretos, nitretos e etc., em diversas combinações. Graças a isso, é possível formar revestimentos multicamadas com diferentes propriedades (resistentes ao desgaste, bem rodados, resistentes ao calor, etc.). Os revestimentos da mais alta qualidade são obtidos usando materiais de superfície autofundentes.

A densidade, estrutura e propriedades físicas e mecânicas dos revestimentos de plasma dependem do material aplicado, da finura, da temperatura e da velocidade de colisão das partículas transferidas com a peça a ser restaurada. Os dois últimos parâmetros são fornecidos pelo controle do jato de plasma. As propriedades dos revestimentos de plasma aumentam significativamente durante o refluxo subsequente. Esses revestimentos são eficazes contra choques e altas cargas de contato.

O princípio de operação e o dispositivo da tocha de plasma estão ilustrados na Fig. 4.51. O jato de plasma é obtido pela passagem do gás formador de plasma 7 através de um arco elétrico criado entre o cátodo de tungstênio 2 e o ânodo de cobre 4 quando uma fonte de corrente é conectada a eles.

O cátodo e o ânodo são separados pelo isolador 3 e são continuamente resfriados pelo líquido b (de preferência água destilada). O ânodo é feito em forma de bico, cujo desenho proporciona compressão e uma determinada direção do jato de plasma. A compressão também é facilitada pelo campo eletromagnético que surge ao redor do jato. Portanto, o gás formador de plasma ionizado sai do bico da tocha de plasma na forma de um jato de pequena seção transversal, o que garante alta concentração de energia térmica.

Arroz. 4.51. Esquema do processo de pulverização de plasma: 1 - dispensador de pó; 2- cátodo; 3 - junta isolante; 4 - ânodo; 5 - gás de arraste; 6 - refrigerante; 7 - gás plasma

Os materiais aplicados são utilizados na forma de pós granulares com tamanho de partícula de 50-200 mícrons, cordões ou fios. O pó pode ser alimentado no jato de plasma junto com o gás formador de plasma ou do dispensador 1 pelo gás de transporte 5 (nitrogênio) no bocal do queimador de gás, e o fio ou cordão é introduzido no jato de plasma abaixo do queimador de plasma bocal. Antes do uso, o pó deve ser seco e calcinado para diminuir a porosidade e aumentar a aderência do revestimento à peça.

A proteção do jato de plasma e das partículas de metal fundido nele contidas da interação com o ar pode ser realizada por um fluxo de gás inerte, que deve cobrir o jato de plasma. Para isso, é fornecido um bico adicional na tocha de plasma concentricamente ao principal, através do qual é fornecido um gás inerte. Graças a ele, são excluídas a oxidação, nitretação e descarbonetação do material pulverizado.

No exemplo considerado, a fonte de energia é conectada aos eletrodos da tocha de plasma (conexão fechada), portanto o arco elétrico serve apenas para criar um jato de plasma. Ao utilizar o material aplicado em forma de fio, a fonte de alimentação também pode ser conectada a ele. Neste caso, além do jato de plasma, forma-se um arco de plasma, que também participa da fusão da haste, com o qual a potência da tocha de plasma aumenta significativamente.

As modernas instalações de superfície de plasma possuem sistemas eletrônicos de regulação de parâmetros de processo, equipados com manipuladores e robôs. Isto aumenta a produtividade e a qualidade do processo de deposição, melhora as condições de trabalho do pessoal de manutenção.

As principais diferenças entre a metalização a plasma e outros métodos de fusão são temperaturas mais altas e maior potência, o que proporciona um aumento significativo na produtividade do processo e a capacidade de aplicar e derreter quaisquer materiais resistentes ao calor e ao desgaste (Fig. 4.8). Para pulverização de plasma, gases argônio e nitrogênio são usados ​​para fornecer a temperatura do jato. Para a metalização a plasma, são amplamente utilizadas instalações UPU e UMN, que incluem um rotador, uma câmara protetora, um dispensador de pó, uma fonte de energia e um painel de controle.

A parte principal da instalação é uma tocha de plasma, cuja vida útil é determinada pela resistência do bico. O período de operação da tocha de plasma é curto, portanto suas peças de desgaste são substituíveis. As fontes de corrente são geradores de soldagem PSO-500 ou retificadores E PN-160/600.

Arroz. 4.8. Esquema do processo de pulverização de plasma:

1 - dispensador de pó; 2 - cátodo; 3 - junta isolante; 4 - ânodo; 5 - gás de arraste; 6 - refrigerante; 7 - gás plasma

Como gás formador de plasma, utiliza-se argônio ou nitrogênio menos escasso e barato. Contudo, é mais difícil iniciar um arco num ambiente de nitrogénio e é necessária uma tensão muito mais elevada, o que representa um perigo para o pessoal operacional. É utilizado um método no qual o arco é aceso em meio de argônio com excitação do arco e tensão de queima menor, e então eles mudam para nitrogênio. O gás formador de plasma é ionizado e sai do bico da tocha de plasma na forma de um jato de pequena seção transversal. A compressão é facilitada pelas paredes do canal do bico e pelo campo eletromagnético que surge ao redor do jato. A temperatura do jato de plasma depende da intensidade da corrente, do tipo e do consumo de gás e varia de 10.000 a 30.000 °C; taxa de fluxo de gás 100-1500 m/s. O plasma de argônio tem uma temperatura de 15.000-30.000 °C, nitrogênio - 10.000-15.000 °C.

Na metalização a plasma, um pó granular com tamanho de partícula de 50-200 mícrons é usado como material aplicado. O pó é alimentado na zona do arco por um gás de arraste (nitrogênio), derretido e transferido para a peça de trabalho. A velocidade de vôo das partículas de pó é de 150 a 200 m/s, a distância do bico à superfície da peça é de 50 a 80 mm. Devido à maior temperatura do material aplicado e à maior velocidade das partículas pulverizadas, a resistência de união do revestimento com a peça neste método é maior do que em outros métodos de metalização.

A metalização a plasma, ocorrendo em alta temperatura do jato de plasma, permite a aplicação de qualquer material

sala, incluindo os mais resistentes ao desgaste, mas isso levanta o problema do processamento subsequente de materiais superduros e resistentes ao desgaste.

A utilização da radiação laser pulsada, com duração de milissegundos, permite obter zonas mínimas afetadas pelo calor que não ultrapassam várias dezenas de mícrons. Os volumes mínimos de fusão e a entrada mínima de calor na peça soldada permitem reduzir as deformações longitudinais e transversais e, assim, manter as dimensões precisas da peça dentro do campo de tolerância de vários mícrons. A precisão da pontaria e a localização da ação do feixe de laser possibilitam a soldagem de seções geométricas estritamente definidas da peça, proporcionando uma tolerância mínima de usinagem, que é de 0,2-0,5 mm. Como as zonas de influência térmica são muito pequenas durante o revestimento a laser pulsado, o substrato permanece praticamente frio e a taxa de resfriamento da fase líquida do metal fundido atinge 102–103 °C/s. Nessas condições ocorre o processo de autoendurecimento, que leva à formação de uma estrutura extremamente fina e com maior resistência ao desgaste.

Quando comparadas, quase todas as diferenças técnicas fundamentais entre a tecnologia de superfície de arco elétrico e a superfície de laser pulsado são o resultado do fato de que o arco é uma fonte de energia de soldagem concentrada e o feixe de laser é uma fonte de energia altamente concentrada. A superfície a laser pulsado, em comparação com a superfície a arco, é caracterizada por volumes mínimos de fusão, zonas afetadas pelo calor e, consequentemente, contrações transversais e longitudinais significativamente mais baixas.

Após a superfície do arco, as tolerâncias podem atingir vários milímetros, o que requer usinagem subsequente. A utilização do arco elétrico como fonte de energia é acompanhada de sua ação de força sobre a fase líquida do metal fundido, resultando na formação de reentrâncias que não ocorrem durante o revestimento a laser. A superfície por arco elétrico requer aquecimento preliminar e concomitante dos locais de superfície e posterior tratamento térmico e “e tipo de revestimento a laser.

A tecnologia de revestimento a laser pode ser usada para restaurar moldes, matrizes desgastadas e eliminar diversos defeitos que se formam durante a produção de moldes e matrizes. Tipos de defeitos que podem ser eliminados com revestimento a laser: pontos de teste de dureza HRC, rachaduras, cortes, marcas de desgaste, cavidades e poros, rachaduras de fogo, pontos de fixação de adesivo. O processo tecnológico de revestimento a laser é o fornecimento simultâneo de radiação laser e fio de enchimento ao local do defeito em um ambiente de gás inerte. O material de enchimento, derretendo, preenche o local do defeito. Após o revestimento a laser, é necessário um processamento mecânico mínimo em comparação com os métodos tradicionais de revestimento. A alta precisão de apontar o feixe de laser para o local do defeito, a localidade de ação da radiação laser possibilita soldar áreas estritamente definidas de peças defeituosas (Fig. 4.9).

A curta duração do processo, a duração do pulso de radiação laser, que é de alguns milissegundos, bem como a dosagem exata de energia, garantem o mínimo de zonas afetadas pelo calor e a ausência de trela parcial. O revestimento a laser pode reduzir significativamente a intensidade do trabalho de reparo do ferramental e, consequentemente, o custo devido à exclusão do processo de pré-aquecimento, posterior tratamento térmico, necessidade de retirar o revestimento de cromo da superfície e depois aplicá-lo se a peça é cromado. As vantagens do revestimento a laser estão listadas na Tabela. 4.2.

Para evitar a oxidação do metal fundido, a zona de soldagem é protegida com gases inertes, por exemplo, uma mistura de argônio e hélio. Para a superfície de unidades grandes (até vários metros de comprimento), são utilizados sistemas de laser de estado sólido equipados com sistemas de fibra óptica. Uma tecnologia foi desenvolvida para eliminar defeitos na forma de trincas não passantes quentes e frias formadas durante a soldagem a arco com eletrodo revestido usando radiação laser pulsada de lasers de estado sólido.

A soldagem de diversas fissuras por meio de radiação laser pulsada permite implementar o chamado modo de soldagem "frio", no qual a costura de solda da área reparada não aquece, o que permite manter a resistência mecânica da junta soldada e evite o revenido do metal na costura.

A utilização de um sistema de fibra óptica com vários metros de comprimento permite realizar reparos nas geometrias mais inacessíveis. Esta tecnologia pode ser usada para eliminar vários defeitos formados durante a soldagem a arco elétrico - rachaduras, tanto frias quanto quentes, conchas, crateras, fístulas, cortes inferiores.

Pela natureza e condições de operação, a superfície lateral das pás da turbina de alta pressão está sujeita a microdanos de efeitos mecânicos, químicos e térmicos. A análise de danos mostra que cerca de 70% do seu número total são peças com defeitos superficiais de até 0,4-2,0 mm de profundidade. O uso de sistemas de fibra óptica para direcionar um feixe de laser a um defeito abre a possibilidade de reparar uma pá de turbina sem desmontá-la. O tamanho da zona afetada pelo calor não excede 15 µm. A estrutura da camada depositada é finamente dispersa.

Arroz. 4.11. Seção transversal no lugar do tubo não soldado da seção do refrigerador

Arroz. 4.12. Seção polida de um defeito processado no modo soldagem-soldagem

No processo de fabricação de seções de água, podem ocorrer defeitos na forma de soldas não soldadas. Foi desenvolvida uma tecnologia para eliminar vazamentos em seções pelo método de soldagem e soldagem a laser pulsado (Figuras 4.11 e 4.12).

Para eliminar vazamentos em uma junta de solda, é usada radiação laser pulsada de um laser de estado sólido. Um sistema de televisão embutido no emissor de laser usando designação de alvo baseada em um laser He-Ne (hélio-néon) torna possível direcionar com precisão o feixe de laser para o local do defeito. Equipar o laser com sistema de fibra óptica permite eliminar defeitos em locais de difícil acesso e fazer uma transição rápida de um defeito para outro.

A pulverização de plasma (ou, em outras palavras, metalização por difusão) é uma forma eficaz de alterar as propriedades físicas e mecânicas, bem como a estrutura da superfície principal. Por isso, é frequentemente utilizado para fins decorativos e para aumentar a durabilidade do produto final.

O princípio da pulverização de plasma

Assim como os métodos tradicionais de revestimentos de superfície, durante a metalização por difusão, uma camada de outro metal ou liga é depositada na superfície do metal, que possui as propriedades necessárias para o uso posterior da peça - cor desejada, resistência à corrosão, dureza. As diferenças são as seguintes:

1. O plasma de alta temperatura (5.000 - 6.000 °C) acelera significativamente o processo de revestimento, que pode levar frações de segundo.
2. Durante a metalização por difusão em jato de plasma, elementos químicos do gás onde o tratamento é realizado também podem se difundir nas camadas superficiais do metal. Assim, ajustando a composição química do gás, é possível obter uma saturação superficial combinada do metal com átomos dos elementos necessários.
3. A uniformidade de temperatura e pressão dentro do jato de plasma garante alta qualidade dos revestimentos finais, o que é muito difícil de conseguir com os métodos tradicionais de metalização.
4. A pulverização de plasma é caracterizada por um tempo de processo extremamente curto. Como resultado, não apenas o aumento da produtividade, mas também o superaquecimento, a oxidação e outros fenômenos superficiais indesejáveis ​​são eliminados.

Instalações de trabalho para a implementação do processo

Como na maioria das vezes uma descarga elétrica é usada para iniciar plasma de alta temperatura - arco, faísca ou pulsado - o equipamento usado para este método de deposição inclui:

• Fonte de geração de descarga: gerador de alta frequência ou conversor de soldagem;
• Uma câmara de trabalho selada onde é colocada a peça a ser metalizada;
• Um reservatório de gás, em cuja atmosfera se formará plasma de alta temperatura;
• Uma unidade de bombeamento ou vácuo que fornece a pressão necessária para bombear o meio de trabalho ou para criar o vácuo necessário;
• Sistemas de controle de processos.

A operação de uma tocha de plasma que realiza a pulverização de plasma ocorre da seguinte forma. A peça pulverizada é fixada em uma câmara selada, após a qual uma descarga elétrica é excitada entre as superfícies do eletrodo de trabalho (que inclui os elementos pulverizados) e a peça de trabalho. Ao mesmo tempo, um meio líquido ou gasoso é bombeado através da zona de trabalho com a pressão necessária. Sua finalidade é comprimir a zona de descarga, aumentando assim a densidade volumétrica de sua potência térmica. O plasma altamente concentrado proporciona evaporação dimensional do metal do eletrodo e ao mesmo tempo inicia a pirólise do meio que envolve a peça de trabalho. Como resultado, uma camada com a composição química desejada é formada na superfície. Ao alterar as características da descarga - corrente, tensão, pressão - é possível controlar a espessura, bem como a estrutura do revestimento depositado.

O processo de metalização por difusão no vácuo ocorre de forma semelhante, exceto que a compressão do plasma ocorre devido à diferença de pressão dentro e fora de sua coluna.

Equipamentos tecnológicos, consumíveis

A escolha do material do eletrodo depende da finalidade da deposição e do tipo de metal a ser processado. Por exemplo, para endurecer carimbos, os eletrodos mais eficazes são feitos de ligas de ferro-níquel, que são adicionalmente ligadas com elementos como cromo, boro e silício. O cromo aumenta a resistência ao desgaste do revestimento, o boro aumenta a dureza e o silício aumenta a densidade do revestimento de acabamento.

Na metalização para fins decorativos, o principal critério para a escolha do metal do eletrodo de trabalho é a configuração da superfície pulverizada, bem como sua aparência. A pulverização catódica de cobre, por exemplo, é realizada com eletrodos eletrotécnicos de cobre M1.

Um importante componente estrutural do processo é a composição do meio. Por exemplo, se for necessário obter nitretos e carbonetos altamente resistentes na camada pulverizada, devem estar presentes no gás meios orgânicos contendo carbono ou nitrogênio.

Pós-tratamento do revestimento acabado

Devido à natureza do processo, a densidade da camada pulverizada e a resistência de sua adesão ao metal base nem sempre são suficientes para garantir a durabilidade do revestimento. Portanto, muitas vezes após o processamento, a peça é submetida à posterior fusão superficial por meio de chama de oxi-acetileno ou em fornos térmicos. Como resultado, a densidade do revestimento aumenta várias vezes. Em seguida, os produtos são retificados e polidos com ferramenta de metal duro.

Tendo em conta o acabamento posterior do produto, a espessura da camada metálica após o processamento é considerada de pelo menos 0,8 - 0,9 mm.

Para conferir à peça as propriedades de resistência final, ela é temperada e revenida utilizando os regimes tecnológicos recomendados para o metal base.

A pulverização de plasma aumenta a resistência ao calor, a resistência ao desgaste e a dureza dos produtos, aumenta sua capacidade de resistir aos processos de corrosão e a pulverização para fins decorativos melhora significativamente a aparência das peças.

As limitações da tecnologia de pulverização por plasma por difusão são consideradas a excessiva complexidade da configuração da peça, bem como a relativa complexidade das instalações utilizadas.

Com baixos requisitos de uniformidade da camada resultante, podem ser utilizadas instalações mais simples que lembram estruturalmente a soldagem semiautomática. Neste caso, a pulverização de plasma é realizada em uma bolha de ar, que se forma quando o compressor sopra a zona de tratamento. Os eletrodos, que incluem o metal pulverizado, movem-se sequencialmente ao longo do contorno do produto. Para melhorar a adesão do metal pulverizado à base, um material de enchimento também é introduzido na zona de pulverização.