Технологія та процес плазмового напилення. Плазмово-дугове напилення Технологія плазмового напилення

Отже, у чому полягає принцип плазмового напилення? У всіх пристроях плазмового напилення порошок набуває температуру і швидкість струменя гарячого газу, створюваного плазматроном. У свою чергу, плазматрон або плазмовий генератор - це пристрій, винайдений в 1920-х роках, в якому електрична дуга, що горить між катодом і анодом в обмеженому обсязі (соплі), роздмухується інертним газом і створює факел відновного полум'я високотемпературного полум'я.

Чим же такий привабливий цей принцип вирішення завдань термічного напилення? Саме тим, що полум'я плазматрона дуже гаряче і завжди суворо відновлювальне; присутність кисню в плазматроні категорично не допускається через швидке, в іншому випадку, руйнування матеріалів електродів (парціальний тиск кисню в плазмоутворюючих газах визначається їх чистотою і має бути не вище 0,004%). Факел полум'я плазматрона, при грамотному його застосуванні, може не тільки відновити активну металеву поверхню з оксидних плівок на частинках, що напиляються, але навіть і очистити від оксидів саму поверхню субстрату. Подібну можливість надає винятково метод плазмового напилення.

Відносно плазмового напилення існує, серед теоретиків і практиків термічного напилення, ряд забобонів, які, в більшості випадків, пов'язані не з процесом як таким, а з непорозумінням суті процесу напилення, недоліками конструкцій конкретних пристроїв і з неправильним їх застосуванням. Обговоримо ці забобони:

1.“Полум'я плазми надто гаряче і придатне тому, тільки для напилення тугоплавких металевих та оксидних керамічних матеріалів. Занадто висока температура призводить до випаровування частини порошку та руйнування карбідів хрому та вольфраму”.

Справді, температура плазми може досягати 20.000°C і більше, що значно вище, ніж, наприклад, температура ацетиленокисневого полум'я (близько 3000°C). Однак, температура полум'я має дуже мало спільного з температурою частинок, що напилюються. Не заглиблюючись у фізику взаємодії гарячого газу з твердими частинками, скажімо тільки, що ця взаємодія дуже складна і залежить від великої кількості параметрів, серед яких не лише температура газу, його швидкість, довжина смолоскипу та розмір частинок, а й хімічні склади газу та частинок . До того ж, вирішальне значення передачі тепла від факела до частинкам має абсолютна температура полум'я, яке світність. Так, наприклад, більш гаряче, але майже невидиме воднево-кисневе полум'я нагріває частинки набагато гірше, ніж холодніше, але яскраве (через частинок вуглецю, що світяться нано) ацетилено-кисневе полум'я. Світимість факела плазми залежить від складу плазмоутворюючого газу, від розміру та складу частинок, що проходять крізь нього. Цікаво, що у багатьох випадках ця світність менша, ніж у ацетиленокисневого полум'я і її доводиться збільшувати різними способами, тільки щоб надати частинкам хоча б мінімальної необхідної температури. Так як довжина полум'я газополум'яних пристроїв також часто перевищує довжину смолоскипа плазми, виходить «парадокс»: грубозернисті металеві порошки нагріваються в пристроях порошкового газополум'яного напилення сильніше, ніж більш потужних і «гарячих» пристроях плазмового напилення.

2. "Швидкість частинок при плазмовому напиленні недостатня для отримання щільних покриттів".

Швидкість потоку газу та частинок у ньому визначається не принципом утворення полум'я, а виключно конструкцією пристрою. В даний час існують промислові пристрої плазмового напилення із соплом Лаваля, що забезпечують частинкам надзвукову швидкість.

3. "Для напилення металів підходять тільки дорогі установки вакуумного плазмового напилення, а установки атмосферного плазмового напилення непридатні через окислення металевих частинок".

Подібне твердження доводиться, як не дивно, чути досить часто, навіть від людей, що практично займаються плазмовим напиленням, особливо стосовно покриття з MCrAlY для лопаток газових турбін. Насправді ж, у цьому твердженні відбувається типова підміна понять: чисто металеві покриття з легкоплавких нікелевих сплавів, отримані вакуумним плазмовим напиленням (VPS), дійсно краще за атмосферно напилені (APS), але не через окислення частинок у плазмі, а зовсім по іншій причині, про яку буде розказано у розділі, присвяченому вакуумному плазмовому напиленню. Окислення ж металевих частинок обох цих способах відбувається однаково.

Пристрої плазмового атмосферного напилення нічим не відрізняються від пристроїв вакуумного плазмового напилення. Різниця не в самих пристроях, а в способі організації процесу напилення: атмосферне напилення проводиться на повітрі, а при вакуумному напиленні і плазматрон, і деталь, що напилюється, знаходяться у вакуумній камері під розрядженням. Зрозуміло, що атмосферне напилення набагато доступніше і дешевше вакуумного, до того ж для великих деталей вакуумне напилення стає просто неможливим через нереальний розмір вакуумної камери. Самі ж плазматрони можуть використовуватися як для атмосферного, так вакуумного напилення.

Щоб зрозуміліше пояснити особливості плазмового напилення, перейдемо до розгляду різних конструкцій, що існують на сьогоднішній день.

Установки плазмового напилення

Пристрої плазмового напилення відрізняються великою різноманітністю конструкцій. Розглянемо їх від «традиційних» до «просунутих».

Найбільш поширені пристрої - це пристрої з одним катодом і одним анодом, і з введенням порошку зовні короткого сопла, перпендикулярно осі полум'я.

Принцип дії таких пристроїв показано на схемі (рисунок 28):

Мал. 28. Принцип плазмового напилення.

Як видно із схеми, коротке сопло плазматрону одночасно є анодом. Порошок вводиться зовні сопла перпендикулярно до осі полум'я, в безпосередній близькості від дуги.

Найпопулярніший пристрій цього типу - плазматрон 3MB фірми Sulzer Metco, який, з невеликими модифікаціями, існує вже більше 40 років. На малюнку 29 представлені актуальні моделі серії з максимальною потужністю 40 кВт.

Мал. 29. Плазматрон 3MB.

Дещо новіший і потужніший (55 кВт) однокатодний пристрій – плазматрон F4, показаний на малюнку 30.

Мал. 30. Плазматрон F4.

Пристрій 9MB - один з найпотужніших однокатодних плазматронів традиційного типу (80 кВт при струмі 1000 А і напрузі 80 В) виробляється також фірмою Sulzer Metco (рисунок 31):

Мал. 31. Плазматрон 9MB

Традиційні однокатодні плазматрони інших фірм мало відрізняються від плазматронів Sulzer Metco: всі вони працюють при відносно малій витраті газів, низькому (< 100 В) напряжении и большом (до 1000 А) токе дуги. Ни один из традиционных плазматронов не позволяет достичь частицам скорости звука.

Перевагою плазматронів з невеликою витратою газів є можливість надання дуже високої температури (> 4000°C) через відносно довгий час їх перебування в гарячій зоні полум'я поруч із дугою. Такі високі температури частинок дозволяють розплавити практично будь-які керамічні та металеві матеріали.

Розвиток техніки плазмового напилення останні двадцять років йде шляхом збільшення швидкості частинок. Для надання часткам більшої швидкості необхідно збільшити тиск плазмоутворювальних газів перед соплом, що автоматично призводить до підвищення витрати газів та зростання напруги дуги.

Сучасний, потужний (до 85 кВт, струм до 379 А, напруга до 223 В) пристрій з одним катодом і анодом – це плазматрон 100HE американської фірми Progressive Technologies Inc. близьких до швидкості звуку (рисунок 32):

Мал. 32. Плазматрон 100HE.

Через високу швидкість плазмоутворюючого газу зменшується час перебування частинок у гарячій зоні полум'я і, відповідно, їх температура. Для протидії цьому необхідно збільшувати потужність дуги та використовувати в плазмоутворюючому газі велику кількість водню, який завдяки процесу дисоціації-асоціації молекул подовжує гарячу зону полум'я. Таким чином, плазматрон 100HE реалізує температуру частинок, з розміром 20-30 мкм, вище 2300°C при швидкості близько 250 м/сек, що уможливлює напилювати покриття з Cr 3 C 2 - NiCr, Cr 2 O 3 і Al 2 O 3 з малою пористістю.

Другим напрямом розвитку, у комбінації зі збільшенням витрати газів, є розподіл однієї дуги на три частини, що дозволяє покращити стабільність і рівномірність факела полум'я, зменшити знос електродів та збільшити сумарну потужність полум'я. Типовим прикладом такого пристрою є найновіший плазматрон TriplexPro TM -210 фірми Sulzer Metco з одним анодом та трьома катодами, максимальною потужністю 100 кВт (рисунок 33):

Мал. 33. Плазматрон TriplexPro TM.

1 – задня частина корпусу; 2 – анодний стек; 3 – передня частина корпусу; 4 – ізолятор; 5 – накидна гайка; 6 – три катоди у керамічному блоці; 7 – елемент анодного стека; 8 – канал плазми; 9 – насадка із трьома порошковими дюзами.

Технологія Triplex від Sulzer Metco увійшла до практики термічного напилення у 90-х роках. Ці пристрої мають, порівняно з плазматронами з однією дугою, значно більшим ресурсом і стабільністю результатів напилення. Для багатьох комерційних порошків плазматрони Triplex дозволяють також покращити продуктивність та ККД напилення при збереженні якості покриття.

Фірмою GTV GmbH випущено, в обхід патенту Sulzer Metco на трикатодні плазматрони, пристрій GTV Delta з одним катодом і трьома анодами, що, в принципі, є погіршеною компіляцією TriplexPro (рис. 34):

Мал. 34. Плазматрон GTV Delta.

Останній, третій напрямок розвитку – це відмова від радіального введення порошку на користь набагато раціональнішого – осьового. Ключовий елемент конструкції плазматрона з осьовим введенням порошку - Convergens був винайдений в 1994 американцем Люсьєном Богданом Дельча (Delcea, Lucian Bogdan).

В даний час існує тільки один подібний пристрій, - плазматрон Axial III, максимальною потужністю 150 кВт, виробництва канадської фірми Mettech, яке об'єднує всі три напрями розвитку (велика витрата газів, три дуги і осьовий введення порошку). Установки плазмового напилення з плазматроном Axial III виробляються та поширюються також німецькою фірмою Thermico GmbH.

На малюнках 35, 36 і 37 зображено сам пристрій Axial III та його конструктивна схема:

Мал. 35. Плазматрон Axial III.

Мал. 36. Вигляд пристрою Axial III з боку сопла.

Мал. 37. Принципова схема Axial III.

Всі сучасні установки плазмового напилення є автоматичними, тобто управління джерелами струму, системою водяного охолодження та витратою газів регулюється системою ЧПУ з візуалізацією та збереженням рецептів на комп'ютері. Так, наприклад, плазматрон Axial III поставляється фірмою Thermico GmbH в комплекті з комп'ютеризованою системою управління, що самостійно проводить запалення дуг і вихід на робочий режим, вибір рецептів напилення, і здійснює контроль усіх основних параметрів: витрати трьох плазмоутворювальних газів (аргону, азоту та водню) , струмів дуг, параметри системи водяного охолодження. Ця ж автоматична система керує і порошковим живильником.

Про порошковий живильник Thermico треба сказати особливо. Це найбільш «просунуте» на сьогоднішній день у світі пристрій дозволяє не тільки постійно регулювати масову витрату порошку і витрату несучого газу (азоту або аргону), але й допускає використання тонкозернистих порошків з поганою сипкістю, непридатних, наприклад, для живильників фірми Sulzer Metco.

Автор особисто, протягом тривалого часу працював з плазматроном Axial III і може зі свого досвіду сказати, що незважаючи на деякі конструктивні недоробки, цей плазматрон є найпрогресивнішим пристроєм термічного напилення, що поєднує переваги високошвидкісного напилення з високою температурою строго відновного полум'я. Головна ж перевага Axial III полягає в осьовому введенні порошку.

Переваги осьового введення порошку

Осьовий введення порошку – це якісний стрибок у техніці плазмового напилення. Справа тут не тільки в тому, що при осьовому введенні значно зменшуються втрати порошку, а й у тому, що відкриваються можливості напилення зовсім інших порошкових матеріалів, непридатних для радіального введення. Оскільки цей аспект є важливим розуміння наступних розділів, зупинимося у ньому докладніше.

Отже, що ж відбувається при радіальному введенні порошку в струмінь полум'я на виході із сопла? Перерахуємо недоліки такого введення:

1. Для радіального введення придатні тільки вузькофракційні порошки, для яких необхідно точно підбирати тиск несучого газу. Що це означає?: При недостатньому тиску несучого газу частинки порошку «відскакуватимуть» від струменя полум'я, при надто високому тиску несучого газу вони прострілюватимуть це полум'я наскрізь; якщо ж порошок складається з частинок різного розміру, то підібрати «правильний» тиск несучого газу в принципі неможливо: найдрібніші частинки завжди «відскакуватимуть», а найбільші – завжди «прострілюватимуть», тобто ні тих ні інших частинок у покритті, що напилюється. не буде, а будуть лише якісь «середні» частки. Особливо важко вводяться дрібнозернисті порошки через їх підвищене розсіювання несучим газом (типова хмара пилу навколо смолоскипа).
2. При радіальному введенні порошку не можна використовувати в порошковій суміші не тільки частинки різних розмірів, а й різних щільностей (різних мас) з тієї ж причини: більш важкі частки пролітають крізь вогонь легше. Таким чином, спроба використання складних порошкових сумішей призведе до спотворення складу покриття, порівняно зі складом порошкової суміші.
3. Збільшення швидкості плазмоутворюючих газів ускладнює радіальне введення порошку, оскільки додатково звужуються інтервали необхідних тисків несучого газу та розподілу частинок за розмірами. На практиці це означає наступне: що вища швидкість полум'я, то менше ККД напилення при радіальному введенні порошку. Ввести весь порошок в полум'я без втрат неможливо за жодних обставин.
4. Розташування порошкових дюз поруч із гарячою зоною полум'я викликає їх розігрів, що компенсується лише охолодженням газом, що несе порошок. Якщо ж швидкості охолоджуючого газу недостатньо для охолодження, то частинки порошку можуть налипати на отвори краю дюз, утворюючи натіки. Налиплі шматки періодично відриваються від дюзи, потрапляють у полум'я та викликають характерний дефект – «плювання», що призводить до утворення грубих пористих включень у покритті. Так як швидкість закінчення несучого газу суворо пов'язана з параметрами полум'я (див. пункт 1), то виникає проблема: для деяких порошків просто не існує параметрів, що забирають ефект «плювання», особливо якщо ці порошки легкоплавкі та/або дрібнозернисті.

Перехід на осьове введення порошку дозволяє повністю позбавитися перерахованих вище проблем:

1. Тиск та швидкість несучого газу більше не прив'язані до параметрів полум'я та порошку. Єдина умова, – тиск несучого газу має бути дещо вищим за тиск плазмоутворюючого газу в соплі в місці введення порошку. За рахунок осьового введення будь-який порошок повністю захоплюється полум'ям.
2. Завжди можна підібрати такий тиск несучого газу, при якому «плювання», пов'язаного з налипанням порошку на край отвору порошкової дюзи, не відбуватиметься.
3. Можливе використання порошкових сумішей будь-якої складності та фракційного складу. Частинки різних розмірів будуть набувати різних швидкостей і температури, але всі, в результаті, візьмуть участь в утворенні покриття. Те, що дрібні частинки при осьовому введенні в полум'я плазми стають значно гарячішими за великі, відкриває нові можливості для дизайну порошкових сумішей. Створенню таких поліфракційних композицій присвячено основну частину цієї книги.

Автору дуже пощастило, що у його розпорядженні протягом багатьох років знаходився плазматрон Axial III з осьовим введенням порошку. Якби не це, то створення нових багатокомпонентних покриттів було б просто неможливим.

Зведена таблиця пристроїв термічного напилення

Для узагальнення, прямого порівняння та систематизації всіх способів термічного напилення можна порівняти властивості типових пристроїв, а також їх приблизні ціни в одній таблиці (таблиця 2):

Таблиця 2. Порівняння пристроїв термічного напилення.

Властивості та характеристики	* Способи термічного напилення
	1	2	3	4	5	6	7	8
Використання порошку або дроту	дріт	порошок	дріт	порошок	порошок	порошок	дріт	порошок
максимальна швидкість напилюваних частинок, м/сек	100	50	200	800	1200	1000	100	400
Максимальна температура напилюваних частинок, °C	2800	2500	1700	1500	600	1200	> 4000	> 4000
Розмір частинок, що утворюють покриття, мкм	0,1 – 1000	10 – 150	0,1 – 1000	10 – 100	10 – 100	10 – 100	0,1 – 1000	1 – 50
ККД напилення по напилюваному матеріалу	—	+	—	+++	+++	+++	—	++
ККД напилення за витратою	–	+++	—	—	—	—	++	–
Мінімальна пористість покриття, об.%	10-15	10-25	5-10	2-3	< 1	< 1	5-10	0,5-3
Термічна потужність пристроїв, кВт	10-30	10-50	30-100	50-250	30-85	< 20	20-150	25-150
Продуктивність напилення, кг/година	2-5	5-10	2-5	5-10	10-20	< 1	10-30	2-5
Поширеність комерційних пристроїв та запчастин на світовому ринку	Багато пристроїв	Багато пристроїв	Мало пристроїв	Багато пристроїв	Мало пристроїв	Ні пристроїв	Багато пристроїв	Багато пристроїв
Мобільність пристроїв	+++	+++	–	–	+++ для - для інших	—	+++	– для APS
Шумність пристроїв	—	+++	—	—	—	—	—	—
Емісія парів та тонкого пилу	—	++	—	++	+++	++	—	–
Ціна окремих пристроїв, €	2.000-	2.000-	10.000-	10.000-	10.000-	ні	10.000-	5.000-
Ціна автоматизованих установок без периферії, €	ні	30.000-	ні	100.000-	100.000-	ні	ні	100.000-
Ціна автоматизованих установок з периферією «під ключ»: звукозахисною кабіною, фільтровентиляційної установкою, роботом і т.д., €	ні	100.000-	ні	200.000-	200.000-	ні	ні	200.000-
Порівняльна вартість експлуатації з урахуванням витратних матеріалів (крім порошків та дротів), ресурсу пристроїв та запасних частин,	10-15	5-15	30-60	40-100	40-100	> 100	5-30	30-150

* Нумерація способів:

1. Газополум'яне напилення дротом
2. Газополум'яне напилення порошком
3. Надзвукове газополум'яне напилення дротом
4. Надзвукове газополум'яне напилення порошком (HVOF та HVAF)
5. Холодне напилення порошком
6. Детонаційне напилення порошком
7. Електродугове напилення дротом
8. Плазмове напилення порошком (APS та VPS)

Плазмова наплавка – інноваційний метод нанесення на поверхню зношених виробів спеціальних покриттів із високим показником зносостійкості. Вона виконується для відновлення деталей машин та механізмів, а також при їх виробництві.

1 Плазмова наплавка – загальна інформація про методику та її переваги

Ряд вузлів та механізмів різноманітних апаратів та машин у наші дні функціонують у складних умовах, що вимагають від виробів відповідати одразу кільком вимогам. Найчастіше вони мають витримувати вплив агресивних хімічних середовищ і підвищених температур, і навіть зберігати свої високі характеристики міцності.

Виготовити подібні вузли з якогось одного металу чи іншого матеріалу практично неможливо. Та й з фінансового погляду такий складний виробничий процес реалізовувати недоцільно.

Набагато розумніше і вигідніше випускати такі вироби з одного, максимально міцного матеріалу, а потім наносити на них ті чи інші захисні покриття - зносостійкі, жаростійкі, кислототривкі і так далі.

Як такий "захисту" можна використовувати неметалеві та металеві покриття, які за своїм складом відрізняються один від одного. Подібне напилення дозволяє надавати виробам необхідні їм діелектричні, теплові, фізичні та інші характеристики. Одним із найефективніших і при цьому універсальних сучасних способів покриття матеріалів захисним шаром визнається напилення та наплавлення плазмовою дугою.

Суть застосування плазми є досить простою. Для покриття використовується матеріал у вигляді дроту або дрібного гранульованого порошку, який подається в струмінь плазми, де він спочатку нагрівається, а потім розплавляється. Саме в розплавленому стані захисний матеріал і потрапляє на деталь, що піддається наплавленню. У той же час відбувається і її безперервне нагрівання.

Переваги такої технології такі:

• плазмовий потік дозволяє наносити різні за своїми параметрами матеріали, причому кілька шарів (за рахунок цього метал можна обробляти різними покриттями, кожен з яких має власні захисні особливості);
• енергетичні властивості плазмової дуги допускається регулювати в широких межах, оскільки вона вважається найгнучкішим джерелом тепла;
• потік плазми характеризується дуже високою температурою, завдяки чому він легко розплавляє навіть ті матеріали, які описуються підвищеною тугоплавкістю;
• геометричні параметри та форма деталі для наплавлення не обмежують технічні можливості плазмового способу та не знижують його результативність.

Виходячи з цього, можна зробити висновок про те, що ні вакуумний, ні гальванічний, ні якийсь інший варіант напилення не може зрівнятися за своєю ефективністю з плазмовим. Найчастіше він використовується для:

• зміцнення виробів, що піддаються постійним високим навантаженням;
• запобігання зносу та іржавінню елементів запірно-регулюючої та запірної (напилення металу за допомогою плазми в рази збільшує їх стійкість);
• захисту від негативного впливу високих температур, що викликають передчасне зношування виробів, що використовуються скляними підприємствами.

2 Технологія описуваної наплавки та її тонкощі

Наплавлення металу плазмою виконується за двома технологіями:

• в струмінь вводять пруток, дріт чи стрічку (вони виконують функцію присадного матеріалу);
• в струмінь подають порошкову суміш, яка захоплюється і переноситься на поверхню виробу, що наплавляється газом.

Струмінь плазми може мати різне компонування. За цим показником її поділяють на три види:

• Закритий струмінь. З її допомогою найчастіше виконують напилення, металізацію та загартування металу. Дуга у разі характеризується порівняно невеликий інтенсивністю полум'яного потоку, що зумовлюється високим рівнем віддачі тепла в атмосферу. Анодом при описаному компонуванні виступає або канал пальника, або його сопло.
• Відкритий струмінь. При цьому компонуванні деталь нагрівається набагато більше, анодом є пруток або виріб, що безпосередньо обробляється. Відкритий струмінь рекомендований для нанесення захисних шарів або для різання матеріалу.
• Комбінований варіант. Компонування, створене спеціально для виконання плазмово-порошкового наплавлення. При такому варіанті одночасно запалюють дві дуги, а анод підключать до сопла пальника і до виробу, що наплавляється.

При будь-якій компонуванні як гази, що використовуються для утворення полум'я, застосовують кисень, аргон, повітря, гелій, водень або азот.Фахівці стверджують, що максимально якісне напилення та наплавлення металу забезпечують гелій та аргон.

3 Комбінований плазмотрон для наплавлення

Плазмово-порошкове наплавлення на більшості сучасних підприємств здійснюється саме в комбінованих агрегатах. Вони металевий присадковий порошок розплавляється між соплом пальника і електродом з вольфраму. А в той час, коли дуга горить між деталлю і електродом, починається нагрівання поверхні виробу, що наплавляється. За рахунок цього відбувається якісне та швидке сплавлення основного та присадного металу.

Комбінований плазмотрон забезпечує малий вміст у складі основного наплавленого матеріалу, а також найменшу глибину його проплавлення. Саме ці факти і визнаються головною технологічною гідністю наплавлення за допомогою плазмового струменя.

Від шкідливого впливу навколишнього повітря поверхня, що наплавляється, оберігається інертним газом. Він надходить у сопло (зовнішнє) установки та надійно захищає дугу, оточуючи її. Транспортуючим газом з інертними характеристиками здійснюється і подача порошкової суміші для присадки. Вона надходить із спеціального живильника.

В цілому стандартний плазмотрон комбінованого типу дії, в якому проводиться напилення та наплавлення металу, складається з наступних частин:

• два джерела живлення (один живить "непряму" дугу, інший - "пряму");
• живильник для суміші;
• опори (баластні);
• отвір, куди подається газ;
• сопло;
• осцилятор;
• корпус пальника;
• труба для подачі несучого порошкової композиції газу.

4 Основні особливості наплавлення металу за плазмовою технологією

Максимальна продуктивність плазмотрона відзначається тоді, коли застосовується дротяна струмоведушна присадка. Дуга в даному випадку горить між цим дротом (вона є анодом) та катодом агрегату. Описаний метод трохи проплавляє основний матеріал. Але він не дає можливості виконати рівномірний та тонкий наплавний шар.

Якщо ж використовується порошок, напилення та наплавлення дозволяють отримувати вказаний тонкий шар з максимальними показниками зносостійкості та жароміцності. Зазвичай складовими порошкової суміші для наплавлення є кобальт та нікель. Після використання таких порошків поверхня деталі немає потреби обробляти додатково, оскільки її захисний шар не має жодних дефектів.

Плазмове напилення порівняно з наплавленням описується більшою швидкістю струменя плазми та більш щільним тепловим потоком. Зумовлений цей факт тим, що при напиленні найчастіше застосовуються метали та сполуки з високим рівнем тугоплавкості (бориди, силіциди, тантал, карбіди, вольфрам, оксиди цирконію, магнію та алюмінію).

Додамо, що розглянутий у статті метод наплавлення за своїми технічними характеристиками (інтервал робочих напруг і струмів, витрата інертного газу тощо) мало чим відрізняється від . А цей вид виконання зварювальних заходів фахівці освоїли у наші дні досконало.

Це прогресивний спосіб нанесення покриттів, при якому розплавлення та перенесення матеріалу на поверхню, що відновлюється, здійснюється струменем плазми. Плазма - це сильно іонізований стан газу, коли концентрація електронів та негативних іонів дорівнює концентрації позитивно заряджених іонів. Плазмовий струмінь одержують, пропускаючи плазмоутворюючий газ через електричну дугу при її живленні від джерела постійного струму напругою 80-100 В.

Перехід газу в іонізований стан і розпад його на атоми супроводжується поглинанням значної кількості енергії, яка виділяється при охолодженні плазми в результаті її взаємодії з навколишнім середовищем і деталлю, що напилюється. Це зумовлює високу температуру плазмового струменя, що залежить від сили струму, виду та витрати газу. Як плазмоутворюючий газ зазвичай застосовують аргон або азот і рідше водень або гелій. При використанні аргону температура плазми становить 15 000-30 000 ° С, а азоту - 10 000-15 000 ° С. При виборі газу слід враховувати, що азот дешевший і менш дефіцитний, ніж аргон, але щоб запалити в ньому електричну дугу, потрібна значно більша напруга, що зумовлює підвищені вимоги до електробезпеки. Тому іноді при запаленні дуги використовують аргон, для якого напруга збудження та горіння дуги менша, а в процесі напилення - азот.

Покриття формується за рахунок того, що матеріал, що надходить в струмінь плазми, розплавляється і переносяться потоком гарячого газу на поверхню деталі. Швидкість польоту частинок металу становить 150-200 м/с на відстані від сопла до поверхні деталі 50-80 мм. Завдяки вищій температурі матеріалу, що наноситься і більшій швидкості польоту, міцність з'єднання плазмового покриття з деталлю вище, ніж при інших способах металізації.

Висока температура і велика потужність у порівнянні з іншими джерелами тепла є основною відмінністю та перевагою плазмової металізації, що забезпечує значне підвищення продуктивності процесу, можливість розплавляти та наносити будь-які жаростійкі та зносостійкі матеріали, включаючи тверді сплави та композиційні матеріали, а також оксиди, бориди, нітриди та ін, у різних поєднаннях. Завдяки цьому можна формувати багатошарові покриття з різними властивостями (зносостійкі, добре приробляються, жаростійкі та ін). Найбільш якісні покриття виходять при застосуванні наплавних матеріалів, що самофлюсуються.

Щільність, структура і фізико-механічні властивості плазмових покриттів залежать від матеріалу, що наноситься, дисперсності, температури і швидкості зіткнення частинок, що переносяться, з відновлюваною деталлю. Останні два параметри забезпечуються за рахунок керування плазмовим струменем. Властивості плазмових покриттів суттєво підвищуються при подальшому їх оплавленні. Такі покриття ефективні при ударних та високих контактних навантаженнях.

Принцип роботи та влаштування плазмотрону ілюструє рис. 4.51. Плазмовий струмінь отримують, пропускаючи плазмоутворюючий газ 7 через електричну дугу, що створюється між вольфрамовим катодом 2 і мідним анодом 4 при підключенні до них джерела струму.

Катод та анод розділені між собою ізолятором 3 і безперервно охолоджуються рідиною б (бажано дистильованою водою). Анод виконаний у вигляді сопла, конструкція якого забезпечує обтискання та певний напрямок плазмового струменя. Обтисканню сприяє також електромагнітне поле, що виникає навколо струменя. Тому іонізований плазмоутворюючий газ виходить із сопла плазмотрона у вигляді струменя невеликого перерізу, що забезпечує високу концентрацію теплової енергії.

Мал. 4.51. Схема процесу плазмового напилення: 1 – порошковий дозатор; 2- катод; 3 – ізоляційна прокладка; 4 – анод; 5 - транспортуючий газ; 6 - охолодна рідина; 7 - плазмоутворюючий газ

Матеріали, що наносяться, використовуються у вигляді гранульованих порошків з розміром частинок 50-200 мкм, шнурів або дроту. Порошок може подаватися в плазмовий струмінь разом з плазмоутворюючим газом або з дозатора 1 транспортуючим газом 5 (азотом) в сопло газового пальника, а дріт або шнур вводять в плазмовий струмінь нижче сопла плазмового пальника. Перед використанням порошок слід просушити і прожарити для зменшення пористості та підвищення зчеплення покриття з деталлю.

Захист плазмового струменя і розплавлених частинок металу, що знаходяться в ньому, від взаємодії з повітрям може здійснюватися потоком інертного газу, який повинен охоплювати плазмовий струмінь. Для цього в плазмотроні концентрично переважно передбачається додаткове сопло, через яке подається інертний газ. Завдяки йому виключається окислення, азотування та знеуглерожування напилюваного матеріалу.

У розглянутому прикладі джерело живлення підключене до електродів плазмотрона (закрита схема підключення), тому електрична дуга служить тільки для створення плазмового струменя. При застосуванні матеріалу, що наноситься у вигляді дроту, джерело живлення може бути підключений також і до нього. У цьому випадку крім плазмового струменя утворюється плазмова дуга, яка також бере участь у розплавленні дроту, завдяки чому потужність плазмотрона істотно зростає.

Сучасні плазмові наплавні установки мають електронні системи регулювання параметрів процесу, оснащуються маніпуляторами та роботами. Це підвищує продуктивність та якість процесу напилення, покращує умови роботи обслуговуючого персоналу.

Основними відмінностями плазмової металізації від інших способів розплавлення є більш висока температура і більша потужність, що забезпечує значне підвищення продуктивності процесу та можливість наносити та розплавляти будь-які жаростійкі та зносостійкі матеріали (рис. 4.8). Для плазмового напилення використовують гази аргон та азот, що забезпечують температуру струменя.Для плазмової металізації широко застосовують установки УПУ та УМН, до комплекту яких входять обертач, захисна камера, дозатор порошку, джерело живлення та пульт управління.

Основною частиною установки є плазмотрон, термін служби якого визначається стійкістю сопла. Період роботи плазмотрону невеликий, тому його швидкозношувані частини роблять змінними. Джерелами струму є зварювальні генератори ПСО-500 або випрямлячі І ПН-160/600.

Мал. 4.8. Схема процесу плазмового напилення:

1 – порошковий дозатор; 2 – катод; 3 – ізоляційна прокладка; 4 – анод; 5 - транспортуючий газ; 6 - охолодна рідина; 7 - плазмоутворюючий газ

Як плазмоутворюючий газ використовують аргон або менш дефіцитний і дешевий азот. Однак запалити дугу в середовищі на азоті складніше і потрібна значно більша напруга, що становить небезпеку обслуговуючого персоналу. Застосовують спосіб, при якому запалюють дугу серед аргону з напругою збудження і горіння дуги менше, а потім переходять на азот. Плазмоутворюючий газ іонізується і виходить із сопла плазмотрона у вигляді струменя невеликого перерізу. Обтисканню сприяють стінки каналу сопла та електромагнітне поле, що виникає навколо струменя. Температура плазмового струменя залежить від сили струму, виду та витрати газу та змінюється від 10000 до 30 000 °С; швидкість витікання газів 100-1500 м/с. Аргонная плазма має температуру 15 000-30 000 °З, азотна - 10000-15000 °З.

При плазмовій металізації як нанесений матеріал застосовують гранульований порошок з розміром частинок 50-200 мкм. Порошок подається в зону дуги транспортуючим газом (азотом), розплавляється та переноситься на деталь. Швидкість польоту частинок порошку 150-200 м/с відстань від сопла до поверхні деталі 50-80 мм. Завдяки вищій температурі матеріалу, що наноситься, і більшій швидкості польоту розпилюваних частинок міцність з'єднання покриття з деталлю в цьому методі вище, ніж при інших способах металізації.

Плазмова металізація, що відбувається при високій температурі плазмового струменя, дозволяє наносити будь-які матері-

али, у тому числі найбільш зносостійкі, але при цьому виникає проблема подальшої обробки надтвердих та зносостійких матеріалів.

Використання імпульсного лазерного випромінювання, тривалість якого становить мілісекунди, дозволяє отримувати мінімальні зони термічного впливу, які не перевищують кількох десятків мікронів. Мінімальні обсяги розплаву і мінімальні тепловкладення в деталь, що підварюється, дозволяють скоротити поздовжні і поперечні деформації і тим самим зберегти прецизійні розміри деталі в полі допуску - кілька мікрон. Точність наведення та локальність дії променя лазера дозволяє підварювати строго певні геометричні ділянки деталі, забезпечуючи мінімальний припуск на механічну обробку, що становить 0,2-0,5 мм. Так як при імпульсному лазерному наплавленні зони термічного впливу дуже малі, підкладка залишається практично холодною, а швидкість охолодження рідкої фази розплаву металу досягає 102-103 ° С/с. У цих умовах має місце процес автозагартування, який призводить до формування надзвичайно дрібнодисперсної структури, що має підвищену зносостійкість.

При порівнянні майже всі важливі технічні відмінності технології електродугового наплавлення та імпульсної лазерної наплавки є наслідком того, що дуга є концентрованим зварювальним джерелом енергії, а промінь лазера - висококонцентрованим джерелом енергії. Імпульсна лазерна наплавка в порівнянні з електродуговим наплавленням характеризується мінімальними обсягами розплаву, зонами термічного впливу і відповідно істотно меншими поперечними і поздовжніми усадками.

Після електродугового наплавлення припуски можуть досягати декількох міліметрів, що викликає необхідність подальшої механічної обробки. Використання як джерело енергії електричної дуги супроводжується її силовою дією на рідку фазу розплаву металу, в результаті утворюються підрізи, які не виникають при лазерній наплавці. Електродугова наплавка вимагає попереднього та супутнього» підігріву місць наплавлення та подальшої термообробки та «і тип від лазерного наплавлення.

Технологія лазерної наплавки може бути використана для відновлення зношених прес-форм, штампів та усунення різних дефектів, що утворюються в процесі виготовлення прес-форм та штампів. Види дефектів, що усуваються за допомогою лазерної наплавки: місця проби на твердість HRC, тріщини, вибоїни, задираки, раковини та пори, розпашні тріщини, місця адгезійного схоплювання. Технологічний процес лазерної наплавки є одночасним підведенням до місця дефекту лазерного випромінювання і присадного дроту в середовищі інертних газів. Присадковий матеріал, розплавляючись, наповнює місце дефекту. Після лазерного наплавлення потрібна мінімальна порівняно з традиційними методами наплавлення механічна обробка. Висока точність наведення лазерного променя місце дефекту, локальність дії лазерного випромінювання дозволяє наплавляти суворо певні ділянки дефектних деталей (рис. 4.9).

Короткочасність перебігу процесу, тривалість імпульсу лазерного випромінювання, що становить кілька мілісекунд, а також точне дозування енергії забезпечують мінімальні зони термічного впливу та відсутність повідців деталі. Лазерна наплавка дозволяє значно знизити трудомісткість ремонту оснастки і, як наслідок, собівартість за рахунок виключення з процесу попереднього підігріву, подальшої термообробки, необхідності зняття хромистого покриття з поверхні та подальшого нанесення, якщо деталь хромована. Переваги лазерного наплавлення вказані в табл. 4.2.

Для запобігання окисленню розплавленого металу зону наплавлення захищають інертними газами, наприклад сумішшю аргону з гелієм. Для наплавлення великогабаритних вузлів (довжиною до кількох метрів) використовують твердотільні лазерні установки, оснащені оптоволоконними системами. Розроблено технологію усунення дефектів у вигляді гарячих та холодних ненаскрізних тріщин, що утворюються при електродуговому зварюванні штучними електродами, з використанням імпульсного лазерного випромінювання твердотільних лазерів.

Заварювання декількох тріщин з використанням імпульсного лазерного випромінювання дозволяє реалізувати так званий «холодний» режим зварювання, при якому не відбувається розігрів зварного шва зони, що ремонтується, що дозволяє зберегти механічну міцність зварного з'єднання і уникнути відпустки металу в шві.

Використання оптоволоконної системи довжиною кілька метрів дозволяє проводити ремонт у найважче доступних за геометрією місцях. Дану технологію можна використовувати для усунення різних дефектів, що утворюються при електродуговому зварюванні, - тріщин, як холодних, так і гарячих, раковин, кратерів, нориць, підрізів.

За характером та умовами роботи бічна поверхня лопаток турбін високого тиску піддається мікроушкодженням механічного, хімічного та термічного впливу. Аналіз ушкоджуваності показує, що близько 70% від їх загального числа складають деталі з поверхневими дефектами глибиною до 04-20 мм. Використання оптоволоконних систем доставки лазерного променя до місця дефекту відкриває можливість ремонту лопатки турбіни без її демонтажу. Величина зони термічного впливу не перевищує 15 мкм. Структура наплавленого шару дрібнодисперсна.

Мал. 4.11. Поперечний переріз у місці непропаю трубки секції холодильника

Мал. 4.12. Шліф місця дефекту, обробленого в режимі зварювання-паяння

У процесі виготовлення водяних секцій можуть бути дефекти як непропаїв. Розроблено технологію усунення негерметичності секцій методом імпульсного лазерного паяння-зварювання (рис. 4.11 та 4.12).

Для усунення негерметичності паяного шва використовується імпульсне лазерне випромінювання твердотільного лазера. Вбудована в випромінювач лазера телевізійна система з використанням цілевказівки на основі Не - Ne (гелій - неон) лазера дозволяє точно наводити лазерний промінь на місце дефекту. Оснащення лазера оптоволоконної системою дозволяє проводити усунення дефектів у важкодоступних місцях і швидкий перехід з одного дефекту на інший.

Плазмове напилення (або, іншими словами - дифузійна металізація) - ефективний спосіб зміни фізико-механічних властивостей, а також структури основної поверхні. Тому він часто використовується з декоративними цілями і для збільшення стійкості кінцевого продукту.

Принцип плазмового напилення

Як і традиційні методи поверхневих покриттів, при дифузійній металізації відбувається осадження на поверхні металу шару іншого металу або сплаву, який має необхідні для подальшого застосування деталі властивості – потрібний колір, антикорозійну стійкість, твердість. Відмінності полягають у наступному:

1. Високотемпературна (5000 - 6000 ° С) плазма значно прискорює процес нанесення покриттів, який може становити частки секунд.
2. При дифузійній металізації в струмені плазми поверхневі шари металу можуть дифундувати також хімічні елементи з газу, де проводиться обробка. Таким чином, регулюючи хімічний склад газу, можна досягати комбінованого поверхневого насичення металу атомами необхідних елементів.
3. Рівномірність температури і тиску всередині плазмового струменя забезпечує високу якість кінцевих покриттів, чого дуже важко досягти за традиційних способів металізації.
4. Плазмове напилення відрізняється дуже малою тривалістю процесу. В результаті не тільки підвищується продуктивність, але також унеможливлюється перегрів, окислення, інші небажані поверхневі явища.

Робочі установки для реалізації процесу

Оскільки найчастіше для ініціації високотемпературної плазми використовується електричний розряд - дуговий, іскровий або імпульсний - обладнання, що застосовується для такого способу напилення включає:

• Джерело створення розряду: високочастотний генератор або зварювальний перетворювач;
• Робочу герметизовану камеру, де розміщується заготовка, що піддається металізації;
• Резервуар для газу, в атмосфері якого проводитиметься формування високотемпературної плазми;
• Насосної або вакуумної установки, що забезпечує необхідний тиск для прокачування робочого середовища або створення необхідного розрідження;
• Системи управління за перебігом процесу.

Робота плазмотрону, який виконує плазмове напилення, відбувається так. У герметизованій камері закріплюється деталь, що напилюється, після чого між поверхнями робочого електрода (до складу якого входять напилювані елементи) і заготовкою збуджується електричний розряд. Одночасно через робочу зону з необхідним тиском прокачується рідке або газоподібне середовище. Її призначення – стиснути зону розряду, підвищивши цим об'ємну щільність його теплової потужності. Висококонцентрована плазма забезпечує розмірне випаровування металу електрода і одночасно ініціює піроліз навколишнього заготівлі середовища. У результаті поверхні утворюється шар потрібного хімічного складу. Змінюючи характеристики розряду - струм, напруга, тиск - можна керувати товщиною, а також структурою покриття, що напилюється.

Аналогічно відбувається і процес дифузійної металізації у вакуумі, за винятком того, що стиск плазми відбувається внаслідок різниці тисків усередині та поза її стовпом.

Технологічне оснащення, витратні матеріали

Вибір матеріалу електродів залежить від призначення напилення та виду металу, що обробляється. Наприклад, для зміцнення штампів найбільш ефективними є електроди із залізо-нікелевих сплавів, які додатково легуються такими елементами, як хром, бор, кремній. Хром підвищує зносостійкість покриття, бор – твердість, а кремній – щільність фінішного покриття.

При металізації з декоративними цілями, головним критерієм вибору металу робочого електрода є конфігурація поверхні, що напилюється, а також її зовнішній вигляд. Напилення міддю, наприклад, роблять електродами з електротехнічної міді М1.

Важливою структурною складовою процесу є склад середовища. Наприклад, при необхідності одержати в напилюваному шарі високостійкі нітриди і карбіди, в газі повинні бути органічні середовища, що містять вуглець або азот.

Подальша обробка готового покриття

В силу особливостей процесу щільність напиленого шару та міцність його зчеплення з основним металом не завжди бувають достатніми для забезпечення довговічності покриття. Тому часто після обробки деталь піддається подальшому поверхневому оплавленню з використанням киснево-ацетиленового полум'я або в термічних печах. Як наслідок, густина покриття зростає в кілька разів. Після цього продукцію шліфують та полірують, застосовуючи твердосплавний інструмент.

З урахуванням наступного доведення виробу, товщину шару металу після обробки приймають не менше 0,8 - 0,9 мм.

Для надання деталі остаточних властивостей міцності її загартовують і відпускають, застосовуючи технологічні режими, рекомендовані для основного металу.

Плазмове напилення підвищує теплостійкість, зносостійкість та твердість виробів, збільшує їхню здатність протидіяти корозійним процесам, а напилення з декоративними цілями значно покращує зовнішній вигляд деталей.

Обмеженнями технології дифузійного плазмового напилення вважаються надмірна складність конфігурації заготівлі, а також відносна складність установок, що використовуються.

При невисоких вимогах до рівномірності шару, що утворюється, можна використовувати і простіші установки, що конструктивно нагадують зварювальні напівавтомати. У цьому випадку плазмове напилення проводиться у повітряному міхурі, який утворюється при обдуві зони обробки компресором. Електроди, у складі яких є метал, що напилюється, послідовно переміщаються по контуру виробу. Для поліпшення зчеплення металу, що напилюється, з основою всередину зони напилення вводиться також присадковий матеріал.