Разработка проекта стандарта организации процесса плазменного нанесения покрытий

 СТО СГАУ 159-2012

ЗАДАНИЕ 
СПЕЦИФИКАЦИЯ

 
РЕФЕРАТ

Дипломный проект

Пояснительная записка: 89 страниц, 7 рисунков, 7 таблиц, 30 источников, 2 приложения.

НАПЫЛЕНИЕ ПЛАЗМЕННОЕ, ПОКРЫТИЕ, СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ, ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕГЛАМЕНТ, КАЧЕСТВО, ЗАТРАТЫ, БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Цель дипломного проекта – обеспечение качества и безопасности процесса плазменного напыления.

Объект исследования – технология напыления плазменных покрытий, существующая база стандартов и документация на плазменное напыление.

Область применения – предприятие, осуществляющая процесс напыления плазменных покрытий.

В дипломном проекте проведен анализ существующей базы стандартов.

Разработан проект технического регламента N XXX-ФЗ «Плазменная обработка металлов. Требования безопасности».

Разработан проект стандарта  организации СТО СГАУ 159-2012 «Нанесение плазменных покрытий. Общие требования».

Произведен расчет затрат, необходимых для разработки проекта  технического регламента и стандарта  организации.

Рассмотрена техника безопасности при осуществлении процесса плазменного  напыления и предложены мероприятия  для обеспечения индивидуальной защиты.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Для увеличения надежности изготавливаемых изделий наносят различные виды покрытий. Широкие технологические возможности плазменного напыления обусловили его использование во многих областях производства. Плазменные покрытия применяются для защиты от нагрева, коррозии, эрозионного воздействия высокотемпературных газовых потоков, повышения износо- и жаростойкости. В целом задача создания защитного покрытия для того или иного изделия должна решаться комплексно, в именно, выбором оптимального его состава, оптимизацией технологии нанесения.

Однако, в настоящее  время, развитие плазменного способа нанесения покрытий приостановлено. Повышению качества напыляемого материала, прочности сцепления его с поверхностью  обеспечению безопасности в процессе напыления не уделяется должного внимания. База существующих стандартов стара и требует пересмотра.

Вышеизложенные обстоятельства определяют необходимость определения  путей повышения качества покрытий, а как следствие и качества изготавливаемой продукции.

В рамках данного дипломного проекта проведена работа по совершенствованию  процесса плазменного нанесения покрытий на основе стандартизации и технического регулирования.

1 Технологические особенности  процесса плазменного напыления покрытий

1.1 Сущность метода плазменного напыления

Плазменное  напыление предназначено для  нанесения покрытий различного назначения посредством распыления порошковых и проволочных материалов. Обычная толщина покрытий лежит в пределах от 0,5 мм до 2,0 мм со средней разнотолщинностью 20%.

Плазменная  струя широко используется в качестве источника нагрева распыления и ускорения частиц при напылении покрытий. Благодаря высокой скорости истечения и температуре, плазменная струя позволяет напылять практически любые материалы плазменную струю получают различными способами: дуговым прогревом газа, высокочастотным индукционным нагревом, электрическим взрывом,  лазерным нагревом и др.

Обобщенная  схема процесса плазменного напыления покрытий приведена на рисунке 1. При плазменном напылении  возможна как радиальная, так и осевая подача распыляемого материала в виде порошка или проволоки (стержней). Используются различные виды плазменных струй: турбулентные, ламинарные, дозвуковые и сверхзвуковые, закрученные и незакрученные, осесимметричные и плоскосимметричные, непрерывные и импульсные и др.

Процесс плазменного  напыления легко механизируется и автоматизируется. Наряду с ручными  способами применяют механизированные с различной степенью автоматизации. Созданные комплексы позволяют  напылять покрытия при автоматическом поддержании многих параметров процесса. [2]

Рисунок 1 –  Обобщенная схема процесса плазменного  напыления покрытий:

1 – плазмообразующее  сопло; 2 – ядро плазменной струи  (начальный участок l_н);

3 – основной  участок плазменной струи; 4 –  напыленное покрытие;

φ_н – угол расхождения струи

1.2 Плазмообразующие газы

Для плазменного  напыления могут быть использованы многие газы и их смеси. Наиболее общие  требования к плазмообразующим газам  следующие: высокие значения теплообменных  критериев, пассивность к элементам  плазменного распылителя, невысокая стоимость и дефицитность. В ряде случаев плазмообразующий газ должен быть инертным по отношению к распыляемому материалу, иметь высокие значения температуры и энтальпии, обеспечивать максимальные показатели ɳ_т.р, ɳ_и и др.

На практике используют следующие группы плазмообразующих газов:

1) Инертные газы и их смеси (Ar, He, Ar+He);

2) Активные газы и их смеси (N₂,NH₃, воздух и др.);

3) Инертные газы в смеси с активными (Ar+H₂, Ar+H₂ и др.).

Инертные  газы и их смеси. В основном используют аргон, значительно реже гелий. Одноатомные инертные газы обеспечивают высокую температуру

Рисунок 2 –  Распределение среднемассовой     температуры t_ср и энтальпии ΔН_ср по оси плазменной струи:

              –для аргона;

- - - - -  –  для азота

на срезе сопла плазменного  распылителя при сравнительно невысоких  значениях энтальпии (рисунок 2). Для повышения температуры и энтальпии аргоновых плазменных струй применяют аргоногелиевые смеси с широким диапазоном концентраций. Для плазменного напыления используют стандартный аргон: высшего, первого и второго сорта. Содержание аргона равно соответственно 99,99; 99,98; 99,95 об.%. К примесям относят кислород, азот и влагу. Гелий – газообразный, чистый поставляется по техническим условиям, содержание азота, водорода и влаги в гелии высокой чистоты 0,02 об.%, в техническом гелии – до 0,2 об.%.

Активные газы и их смеси. Наиболее часто применяют азот или азот с добавками водорода, аммиака, горючих газов. Иногда в качестве плазмообразующих газов используют воздух. Активные газы и их смеси отличаются более высокими значениями энтальпии и сравнительно более высокими температурами (см. рисунок 2). При больших добавках водорода к азоту (20 об.% и более) или при использовании аммиака наблюдается интенсивная эрозия сопла. Для получения плазменных струй с высокой тепловой мощностью в качестве добавки особенно целесообразно использовать горючие газы (ацетилен, метан, пропан). Дополнительное тепловыделение обусловлено сгоранием горючих газов за счет кислорода воздуха. Наряду с этим такие добавки позволяют регулировать окислительно-восстановительный потенциал струи по отношению к распыляемому материалу.

Для напыления покрытий применяют  в основном стандартный технический  азот чистотой 98,5 об.%. Примеси в азоте: кислород, влага и др. Стандартный водород выделяется четырех марок: А, Б, В, Г. Наиболее чистый водород марки А, получаемый электролизом воды (98,9 об.%, примеси: кислород, влага и др.).

Инертные  газы в смеси с активными. Для повышения энтальпии аргонных плазменных струй к основному газу часто добавляют азот (10-50 об.%) или водород (5-20 об.%). Целесообразно применять и другие добавки, например аммиак, горючие газы и др. наиболее важные теплофизические свойства газов, применяемых для плазменного напыления, приведены в таблице 1. [1]

Таблица 1 – Физические свойства  плазмообразующих газов

1.3 Параметры распыляемого материала

Для плазменного  напыления применяют порошок  со средним диаметром частиц от 10 до 200 мкм. С увеличением размера  частиц возникают трудности их нагрева до температуры плавления. При этом резко снижается эффективность процесса. Особенно сложно проплавить крупные частицы тугоплавких материалов с низкой плотностью и теплопроводностью, для этого требуются высокие мощности дуги и применение высокоэнтальпийных газов.

К параметрам, характеризующим  ввод порошка в плазменный распылитель, относят массовый расход, составляющий 0,25-2 г/с и скорость частиц в транспортирующем канале. Большое количество порошка, подаваемого в плазменную струю, охлаждают ее, при этом снижаются показатели эффективности процесса. При определенной длине порошкового канала скорость частиц близка к скорости транспортирующего газа и составляет 2-4,5 м/с, эта скорость определяет глубину проникновения частиц в плазменную струю. Для подачи порошка используются газы, аналогичные плазмообразующим, можно также применять и  другие газы с различными физико-химическими свойствами.

Расход газа на подачу порошка составляет около 10% от расхода плазмообразующего  газа. Увеличение расхода транспортирующего газа G_т.г, а следовательно, и его скорости, облегчает и стабилизирует подачу порошка, при этом наблюдается смещение потока напыляемых частиц относительно плазменной струи (рисунок 3, а), падает температура, скорость частиц и коэффициент использования порошка. На степень нагрева порошка в плазменной струе влияет его начальная температура, поэтому в практике напыления иногда используют предварительный подогрев порошка.

Целесообразно использовать отбор транспортирующего  газа на входе в плазменный распылитель, при этом существенно возрастает производительность напыления порошка (рисунок 3, б).

При проволочных (стержневых) способах плазменного  напыления применяют проволоку  диаметром 08-2,5 мм. Увеличение диаметра проволоки приводит к возрастанию среднего размера распыляемых частиц.

Рисунок 3 – Влияние условий подачи порошка (а) и проволоки (б) на эффективность напыления: а – смещение потока частиц при максимальном расходе транспортирующего газа G_т.г.; б – зависимость производительности (массы напыленного материала) G_н.м. от мощности дуги N_д [1 – для металлических порошков; 2 – для оксидов (пунктирные линии – без отбора транспортирующего газа, сплошные – с отбором G_т.г.)]; в – заглубление l_з проволоки в плазменной струе

Малые заглубления (l_з<1/2d_с) способствуют образованию крупных, слабо диспергированных капель, с увеличением скорости подачи проволоки величина заглубления возрастает (l_з>1/2d_с) и соответственно, формируется поток более дисперсных частиц. Оптимальные скорости подачи проволоки при плазменном напылении составляют для нейтральной проволоки 10-25, а для проволоки-анода 30-70 м/с. Для увеличения производительности может быть использован непосредственный подогрев проволоки.

Аналогичные закономерности можно наблюдать и при распылении проволоки двухструйным плазмотроном (рисунок 4). При небольших скоростях подачи (позиция I-II) образуются крупные капли. Газодинамическое воздействие потока мало. При оптимальных скоростях подачи (III) наблюдается высокая степень распыления с узким интервалом частиц. Высокие скорости приводят к появлению нерасплавленного стержня (IV).

Рисунок 4 – Механизм плавления и распыления нейтральной проволоки в двухструйном плазмотроне в зависимости от скорости подачи ν_пр:

1 – подача  проволоки; 2 – расплавленные частицы

1.4 Параметры, характеризующие внешние  условия напыления

Для плазменного  напыления оптимальные дистанции L в зависимости от режима работы плазмотрона составляют 30-500 мм. Малые дистанции напыления, близкие к длине начального участка плазменной струи (см. рисунок 1), не всегда обеспечивают прогрев порошковых частиц и придание им необходимой скорости, кроме  того, возрастает опасность недопустимого нагрева напыляемого изделия. С увеличением дистанции на основном участке струи резко падает ее температура и скорость, соответственно снижаются температура и скорость напыляемых частиц. Существенно возрастает дистанция напыления с увеличением мощности дуги.

Большое влияние  на температуру в пятне напыления  оказывает скорость перемещения  распылителя, обычно она находится в пределах 0,05-1,0 м/с. Невысокие скорости увеличивают контактную температуру частиц, однако при этом возрастает опасность перегрева напыляемого изделия.

Для плазменного  напыления характерны специфические  параметры, влияющие на эффективность процесса:

• расход защитного газа при ведении процесса с местной защитой;
• давление и температура газа в камере.

Особенно большое  влияние оказывает снижение давления в камере, при этом существенно  меняются теплофизические свойства струи, характер ее истечения, а также температура и скорость напыляемых частиц. [3]

1.5 Параметры плазменной струи  и потока напыляемых частиц

К параметрам плазменной струи, зависящим от режима процесса, следует относить:

• среднемассовую температуру, энтальпию и скорость плазменной струи на срезе сопла распылителя;
• изменение этих параметров и состава газа по оси струи и в сечениях;
• тепловые и скоростные границы плазменной струи (угол расхождения);
• длину начального участка плазменной струи;
• длину высокотемпературного участка плазменной струи (условная длина струи).

В целом параметры  плазменной струи определяют нагрев и ускорение напыляемых частиц, а  также состояние поверхности  напыления.

Параметры потока напыляемых частиц следует рассматривать  во всем диапазоне их взаимодействия с плазменной струей. На эффективность напыления оказывают преимущественное влияние параметры потока частиц, характеризующие их состояние вблизи поверхности формирования покрытия, к таким параметрам относят в основном:

• температуру, энтальпию и скорость частиц по пятну напыления;
• результаты взаимодействия напыляемых частиц с газовой фазой;
• степень испарения, сублимации и диссоциации;
• плотность потока частиц по пятну напыления;
• угол расхождения потока напыляемых частиц.

Рассмотренные группы параметров: конструктивных, режима работы плазмотрона и других – определяют параметры плазменной струи и потока напыляемых частиц. [5]

1.6 Степень защиты процесса

По степени  защиты различают плазменное напыление: без защиты, с местной защитой  и общей защитой.

Плазменное  напыление без защиты. Процесс ведется на воздухе без изоляции плазменной струи, потока напыляемых частиц и пятна напыления. При этом создаются благоприятные условия для попадания воздуха в зону протекания процесса. Появляется возможность окисления распыляемого материала и насыщения его азотом. Даже применение инертных плазмообразующих газов не обеспечивает защиту процесса от взаимодействия с воздухом.

Плазменное  напыление с местной защитой (рисунок 5). В большинстве случаев местная защита недостаточно эффективна. Для этих целей применяют местные камеры или кольцевую газовую защиту с использованием дополнительных сопловых устройств. Достаточно надежен способ защиты при использовании насадок на сопловую часть распылителя.

Рисунок 5 – Схема плазменного напыления с местной защитой:

а – местная камера (стрелками показано перемещение напыляемого изделия);

б – струйная защита из сопла; в – струйная кольцевая защита из насадка;

1 – местная  камера; 2 – сопло; 3 – насадок; 4 –  плазменный распылитель;

5 – отсос  плазменной струи

В насадке происходит нагрев и ускорение напыляемых частиц плазменной струей при полной изоляции их от воздуха. На выходе плазменная струя  обтирается посредством ее отсоса. В этом случае поток напыляемых частиц и пятно напыления изолируются  кольцевым газовым потоком защитного газа, создаваемого дополнительным сопловым устройством. Способ позволяет также устранять или регулировать термосиловое воздействие плазменной струи на поверхность напыления. При ведении процесса с регулируемым термосиловым воздействием струи удается устранять перегрев напыляемых изделий.

Плазменное  напыление с общей защитой (рисунок 6). Напыление покрытий ведется в камере, процесс полностью изолирован от воздуха, атмосфера в камере формируется с помощью плазмообразующего газа. Применяются два способа для напыления с общей защитой покрытий, особенно ответственного назначения:      1) при нормальном давлении газа в камере (небольшое избыточное давление); 2) при пониженном давлении 0,133-2,66 МПа. Второй способ («плазменное напыление в динамическом вакууме») позволяет получать покрытия наиболее высокого качества благодаря более высокой чистоте атмосферы по активным газам; высоким скоростям напыляемых частиц; возможности активации поверхности напыления повышением температуры и газовыми разрядами. [8]

Риcунок 6 – Схема плазменного напыления с общей защитой в камерах (стрелками указаны перемещения распылителя и распыляемого материала):

1 – камера; 2 – плазменный распылитель; 3 –  откачка камеры перед напылением

В стадии разработки находится способ напыления в камере при повышенном и высоком давлении.

При напылении  в камере плазмообразующий газ сбрасывается в атмосферу либо поступает на регенерацию, процесс ведется по замкнутому циклу, что в ряде случаев  экономично оправданно.

Способы плазменного напыления в камере перспективны, позволяют получать покрытия высокого качества при улучшении условий труда и без нарушения экологии. [10]

1.7 Преимущества и недостатки метода

Основные достоинства  метода плазменного напыления:

• высокая производительность процесса [от 2-8 кг/ч для плазмотронов мощностью 20-60 кВт до 50-80 кг/ч при более мощных распылителях (150-200 кВт)];
• универсальность по распыляемому материалу (проволока, порошок с различной температурой плавления);
• большое количество параметров, обеспечивающих гибкое регулирование процесса напыления;
• регулирование в широких пределах качества напыления покрытий, в том числе получение особо качественных при ведении процесса с общей защитой;
• высокие значения коэффициента использования материала (К_им) [при напылении проволочных материалов – 0,7+0,85, порошковых – 0,2+0,8];
• возможность комплексной механизации и автоматизации процесса;
• широкая доступность метода, достаточная экономичность и невысокая стоимость простейшего оборудования.

К недостаткам  метода следует отнести:

• невысокие значения коэффициента использования энергии (при проволочном напылении ɳ_и=0,02-0,18; при порошковом - ɳ_и=0,001-0,02);
• наличие пористостей и других видов несплошностей (2-15%);
• высокий уровень шума при открытом ведении процесса (60-120 дБ).

По мере совершенствования  метода плазменного напыления количество недостатков снижается. Перспективны, например, разработки со сверхзвуковым  истечением плазменной струи, позволяющие  формировать покрытия преимущественно  из частиц без расплавления, находящихся в вязкопластичном состоянии. По сравнению с радиальной, наиболее эффективна осевая подача распыляемого материала в дуговых плазменных распылителях.

Значительный  интерес представляет плазменное напыление  с использованием двухдуговых или  трехфазных плазмотронов. Большие преимущества сулит применение ВЧ-плазмотронов. В этих случаях получают плазму, не загрязненную материалами электродов, упрощается осевая подача распыляемого материала.

В последнее  время активно развиваются импульсные способы плазменного напыления покрытий. Для образования низкотемпературной импульсной плазмы используется электрический взрыв проводников энергией, запасенной в конденсаторной батарее, например фольги или других материалов. Простейшая схема процесса показана на рисунке 7. Продукты взрыва образуют гетерогенный поток плазмы с мельчайшими частицами материала фольги. При укладке на фольгу порошковых частиц гетерогенность потока возрастает. Наиболее высокую скорость в импульсном потоке имеет гомогенная часть потока плазмы – (10-30) 10³ м/с. Воздействуя на поверхность напыления, она подготавливает ее для последующего закрепления конденсированных частиц потока, скорость которых может быть на порядок меньшей. В аналогичных по конструкции установках получают высокотемпературную импульсную плазму (рисунок 7). Этот способ в основном используют для облучения поверхностей и придания им аномальных свойств. [6]

Рисунок 7 – Схемы импульсных способов нанесения покрытий плазмой низкотемпературной (а) и высокотемпературной (б) [C - емкость; P - разрядник]:

1 – камера; 2 – электроды; 3 – фольга; 4 – плазма; 5 – обрабатываемое изделие

1.8 Области применения плазменных покрытий

Плазменные  покрытия получили распространение  в самых различных отраслях техники. Кроме ракетной техники и машиностроения, где плазменные покрытия впервые нашли свое применение, в последние годы их стали использовать в атомной энергетике, металлургии, в микро- и радиоэлектронике, авиастроении, технологии производства композиционных материалов.

Таблица 2 - Области применения плазменных покрытий, для которых получены или ожидаются положительные результаты [4]