Плазменное напыление
Титульник
ЛИСТ ЗАДАНИЯ
ЛИСТ ДЛЯ ЗАМЕЧАНИЙ
ОГЛАВЛЕНИЕ
1 ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ. СПОСОБЫ НАПЫЛЕНИЯ……………
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………….
|
5 5 7 9 9
11
11 13 14
16 20
21 23 |
1 ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ. СПОСОБЫ НАПЫЛЕНИЯ
Плазменное напыление является одним из способов газотермического нанесения покрытий. В основе этого процесса лежит нагрев напыляемого материала до жидкого или пластического состояния, перенос его высокотемпературной плазменной струей к подложке с последующим образованием слоя покрытия .
1.1Плазменное напыление порошком
При плазменном напылении в качестве напыляющих материалов применяют порошки, проволоки, прутки. Наиболее широко распространено напыление порошками. Схема плазменного напыления с использованием порошковых материалов показана на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема плазменного напыления порошком: 1 — подвод плазмообразуюшего газа; 2 — катод плазмотрона; 3 — корпус катода; 4 — изолятор; 5 — корпус анода; 6 — порошковый питатель; 7 — подвод газа, транспортирующего порошок; 8 — плазменная дуга; 9 — источник питания
В плазмотроне, состоящем из водоохлаждаемого катодного узла (катод 2 и корпус 3) и анодного узла, с помощью источника 9 постоянного сварочного тока возбуждается плазменная дуга 8, которая стабилизируется стенками канала сопла и плазмообразующим газом, поступающим через подвод 1. Порошок подают из порошкового питателя 6 с помощью газа, который поступает по подводу 7.
Температура плазменной струи достигает 5000-5500°С, а скорость истечения — 1000-3000 м/с. В плазменной струе частицы порошка расплавляются и приобретают скорость 50-500 м/с. Скорость полета частиц порошка зависит от их размера, плотности материала, силы сварочного тока дуги, природы и расхода плазмообразующего газа, конструкции плазмотрона. Порошок вводят в плазменную струю ниже среза сопла, на срез сопла или непосредственно в сопло. Нагрев напыляемых деталей не превышает 100-200 °С.
Плазменным напылением наносят покрытия как на плоские поверхности, так и на тела вращения и криволинейные поверхности. Для покрытия характерна слоистая структура с высокой неоднородностью физических и механических свойств (рисунок 2). Тип связей между покрытием и деталью (подложной), а также между частицами покрытия обычно смешанный — механическое сцепление, сила физического и химического взаимодействий. Прочность сцепления покрытия с подложкой обычно составляет 10-50 МПа при испытаниях на нормальный отрыв.
Рисунок 2 - Схема структуры плазменного покрытия: 1 — граница между частицами напыленного материала; 2 — граница между слоями; 3 — граница между покрытием и деталью; 4 — частица напыленного материала; 5 — поверхность детали
Физические особенности формирования покрытий обуславливают появление открытой и закрытой пористостей. По мере увеличения толщины наносимого слоя открытые поры перекрываются, и пористость покрытия снижается. Поэтому плотность плазменных покрытий отличается от плотности материала и колеблется в пределах 80-97%. Обычно пористость плазменных покрытий составляет 10-15%.
Толщина покрытия практически не ограничена возможностями самого способа. Однако в силу физических особенностей процесса образования покрытий с увеличением толщины наносимого слоя в нем возрастают внутренние напряжения, которые стремятся оторвать покрытие от подложки. Поэтому обычно толщина покрытия не превышает 1 мм. Конструктивную нагрузку несет материал детали, а материал покрытия придает поверхности детали такие свойства, как твердость, износостойкость и т. п.
В качестве плазмообразующих
газов применяют аргон, азот высокой чистоты,
водород, гелий, а также смеси этих и других
газов, В последние десятилетия успешно
развиваются процессы плазменного напыления
с использованием в качестве плазмообразующего
газа смеси воздуха с горючим углеводородным
газом (метаном, пропан-бутаном). Плазма
продуктов сгорания воздуха с горючим
углеводородным газом отличается высокими
значениями теплоемкости и теплопроводности,
легкостью регулирования окислительно-
1.2Плазменное напыление проволокой
В качестве напыляемого материала при плазменном напылении используют также проволоки.
Плазменное напыление с распылением проволоки (рисунок 3) осуществляют двумя способами: нейтральной проволокой и проволокой- анодом. В первом случае нагрев, плавление и распыление нейтральной проволоки осуществляют плазменной струей, а во втором — на проволоку-анод подают положительный потенциал источника питания дуги, а нагрев и плавление проволоки происходят преимущественно за счет выделения теплоты в анодном пятне. Плазменная струя, в основном, выполняет функции распыления.
Рисунок 3 - Схема плазменного напыления проволокой: 1 — подвод плазмообразующего газа; 2 — катод плазмотрона; 3 — корпус катода; 4 — изолятор; 5 — корпус анода; 6 — механизм подачи проволоки; 7 — сплошная или порошковая проволока; 8 — плазменная дуга; 9 — источник питания
На рисунке 4 показана схема плазменно-дугового напыления покрытий токоведущей проволокой с одновременной зачисткой слоев металлической щеткой. Напыление осуществляют слоями толщиной 0,05-0,10 мм с одновременной обработкой каждого последующего слоя специальной вращающейся металлической щеткой. Непрерывная механическая обработка поверхностного слоя основы, совмещенная во времени с процессом напыления, обеспечивает благоприятые условия для напыления покрытий большой толщины (15-20 мм).
Рисунок 4 - Схема плазменно-дугового напыления покрытий проволокой: 1 — изделие; 2 — поток частиц напыляемого материала; 3 — плазмообразующее сопло; 4 — сжатый воздух; 5 — катод; 6 — плазмотрон; 7 — плазмообразующий газ; 8 — источник питания; 9 — балластное сопротивление; 10 — распыляемая проволока; 11 — подающий механизм; 12 — кассета с проволокой; 13 — покрытие; 14 — вращающаяся металлическая щетка
Технология плазменно-дугового напыления токоведущей проволокой позволяет наносить покрытия на металлические изделия любой проволокой, в том числе порошковой и проволокой из цветных металлов и сплавов; на многослойные покрытия из различных материалов, в том числе антикоррозионные покрытия; на металлические покрытия и неметаллические изделия (пластмассы, бетон, кирпич, графит и т. д.); на композитные покрытия одновременным распылением нескольких проволок различного состава; на покрытия внутренних поверхностей тел вращения диаметром более 200 мм.
1.3Микроплазменное напыление
Применение плазменных установок мощностью 30-60 кВт для напыления мелких деталей, узких кромок или дорожек ведет к большим потерям напыляемого материала и необходимости введения дополнительных операций. Для устранения этих недостатков предложен способ микроплазменного напыления. Его осуществляют квазиламинарной плазменной струей, образованной плазмотроном мощностью до 2 кВт при си¬ле сварочного тока 20-50 А. Способ позволяет напылять узкие дорожки шириной 1-3 мм при толщине 0,2-0,5 мм из различных материалов. При микроплазменном напылении на коротких дистанциях никелевого самофлюсующегося сплава с температурой плавления около 1000 °С одновременно происходит процесс оплавления с образованием плотной, литой структуры покрытия. Низкая тепловая мощность микроплазменной струи позволяет уменьшить нагрев основы, что обеспечивает нанесение покрытий на изделия малых размеров и с тонкими стенками без существенного локального перегрева и коробления.
1.4Другие способы плазменного напыления
Лучшие результаты получают при плазменном напылении покрытий в динамическом вакууме. При этом истечение струи происходит в вакуумную камеру, из которой непрерывно откачивают рабочие газы, причем скорость струи превышает скорость звука в 2-3 раза, скорость напыляемых частиц материала увеличивают до 800 м/с. Получают более плотные, чем обычно покрытия, характеризующиеся прочным сцеплением с основным материалом детали.
Необходимо подчеркнуть, что использование сверхзвуковых струй при газотермическом напылении является одним из главных направлений современного развития этой технологии. Повышение скорости и кинетической энергии частиц напыляемого материала позволяет, с одной стороны, улучшить условия формирования покрытий, а с другой — ограничить вредное воздействие окружающей среды и снизить интенсивность процессов термического разложения материалов.
В мировой практике сверхзвуковое плазменное напыление реализуют с помощью установок «Plazjet-ll-200». В качестве рабочего газа используют азот или смесь азота с водородом и аргоном. При мощности установки 200 кВт температура струи достигает 6600 °С, скорость частиц в 6-8 раз выше, чем при обычном напылении. Расход порошка составляет до 12 кг/ч оксида алюминия и 40 кг/ч карбида вольфрама.
- ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИМЕНЯЕМОЕ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ
Следует выделить три группы основного оборудования для плазменного упрочнении и напыления: установки и полуавтоматы для струйно-абразивной обработки деталей; установки (аппараты) для плазменного упрочнения и напыления; полуавтоматы для плазменного напыления.
- Установки и полуавтоматы для струйно-абразивной обработки деталей
Эта группа оборудования предназначена для образования шероховатой поверхности деталей под плазменное напыление в условиях мелкосерийного и ремонтного производств.
При струйно-абразивной обработке энергия сжатого воздуха преобразуется в кинетическую энергию потока абразивных частиц. Для этого используют аппараты двух систем: нагнетательной и всасывающей. В аппаратах нагнетательного типа абразив из питательного бункера через клапан периодически подается в камеру, находящуюся под давлением сжатого воздуха. Из камеры абразив поступает в смеситель, где подхватывается потоком воздуха, поступающего из магистрали по трубопроводу. Смесь воздуха с абразивом поступает к соплу и затем в виде струи направляется на обрабатываемую поверхность.
В аппаратах всасывающего типа (рисунок 5) струя воздуха, выходящая из сопла 1, создает в камере-смесителе 2 и патрубке 4 разрежение, в результате чего в патрубок через отверстие в насадке 6 засасывается атмосферный воздух, перемещающий абразив из бункера 5 в смеситель. Абразив подхватывается потоком воздуха из сопла 1, направляется в сопло 3 и из него в виде воздушно-абразивной струи подается на обрабатываемую поверхность.
Рисунок 5 – Схема струйно-абразивного аппарата всасывающего действия
Аппараты всасывающего типа имеют более простую конструкцию, надежны в работе, но несколько менее производительны, чем аппараты нагнетательного типа. Производительность аппаратов всасывающего типа зависит от давления воздуха и величины диаметра проходного отверстия сопла.
Установка РАО-01 для ручной абразивной обработки (рисунок 6) представляет собой герметично закрытую камеру с бункером, рабочим столом, струйным аппаратом, вытяжной системой вентиляции и пультом управления. На передней части камеры имеются дверцы для загрузки и выгрузки деталей и пульт управления измерительными приборами. Наблюдение и контроль за процессом струйно-абразивной обработки осуществляют через застекленное смотровое окно. Внутри камеры расположены поворотный столик и подвеска с абразивным пистолетом.
Рисунок 6 – Общий вид установки РАО-01 для ручной струйно-абразивной обработки
В состав полуавтоматов для струйно-абразивной обработки 487Р и 2201П входят струйно-абразивная камера, станина с приемными бункерами, система подачи абразива и подготовки воздуха, а также струйный аппарат. Внутри камеры расположены патрон и задняя бабка с направляющими для крепления обрабатываемой детали, а также два пистолета. Манипулятор перемещения пистолетов и привод вращения детали вынесены за пределы камеры, что повышает надежность оборудования, обеспечивает удобство обслуживания и эксплуатации. Полуавтомат 2201П укомплектован системой программного управления.
- Установки (аппараты) для плазменного напыления
К данному оборудованию относятся установки (аппараты), непосредственно генерирующие плазму. Конструктивная схема установки «Киев-7» для плазменного напыления показана на рисунке 7. Она включает блок электропитания 1, пульт управления 2, модуль 3 подачи горючего газа, блок 4 подачи порошка, унифицированный плазмотрон 5, комплект 6 кабелей и шлангов, кабель 7 подключения к полуавтомату.
Рисунок 7 – Конструктивная схема установки «Киев -7» для плазменного напыления
Установку плазменного напыления «ТОПАС-40» мощностью 40 кВт комплектуют плазмотронами в ручном исполнении, а также в исполнении для использования в механизированных и автоматизированных комплексах. Плазмотроны выполнены с одиночной МЭВ и рекуперативным охлаждением, могут работать на сверх- и дозвуковом режимах. Установка предназначена для напыления покрытий на наружные и внутренние поверхности. Для напыления можно использовать порошковые и проволочные материалы.
- Полуавтоматы для плазменного напыления
Полуавтоматы, разработанные ОАО «УкрИСП», представляют собой оборудование камерного типа, состоящее из защитной камеры, плазменной установки в сборе, аспирационной установки. В камере расположены плазмотрон, передняя и задняя бабки для крепления напыляемой детали. Механизмы перемещения плазмотрона и вращения детали вынесены за пределы камеры, что обеспечивает удобство обслуживания и эксплуатации оборудования.
Полуавтоматами с программным управлением обрабатывают наружные поверхности цилиндрических деталей и деталей сложной конфигурации (конус, цилиндрические ступенчатые валы и др.). Управление осуществляют с помощью систем ЧПУ или компьютера.
Конструкция полуавтоматов обеспечивает:
« возможность ручного регулирования дистанции напыления и упрочнения;
• ручной поворот и фиксацию плазмотрона относительно продольной оси детали;
• плавное регулирование скоростей вращения изделия, продольного и поперечного перемещений плазмотронов;
• возможность автоматического позиционирования плазмотрона по продольной оси;
• защиту приводов перемещения плазмотрона и вращения детали от попадания напыляемого порошка;
• защиту обслуживающего персонала и окружающей среды от шума, излучения, аэрозолей и других сопровождающих напыление вредных воздействий;
• позиционирование и изменение скорости перемещения плазмотрона по двум координатам с интерполяцией по заданной программе;
• изменение частоты вращения шпинделя по заданной программе;
• поворот плазмотрона в заранее заданную точку; автоматическое регулирование расстояния от плазмотрона до напыляемой детали.
Полуавтоматы комплектуют установками плазменного напыления.
Рисунок 8 – Общий вид полуавтомата 15-ВБ для плазменного напыления
- МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ПЛАЗМЕННОМ НАПЫЛЕНИИ
Исходными технологическими материалами плазменного напыления являются порошки тугоплавких металлов, оксидов, твердых сплавов, композиционных материалов дисперсностью 40-315 мкм, что обусловлено относительно низкой стоимостью и простой технологией процесса получения порошков. К порошковым металлическим материалам, используемым для напыления основного защитного покрытия, относятся порошки кобальтовых и никелевых сплавов, включающих хром, вольфрам и железо, обладающих высокой твердостью, которая практически не снижается даже при высоких температурах, износостойкостью и антикоррозионными свойствами. Такие сплавы используют для напыления с добавками бора и кремния, образуя самофлюсующиеся сплавы, покрытия из которых получаются без пор, обладают износостойкостью, эрозионной стойкостью, коррозионной стойкостью, стойкостью к окислению при высоких температурах.
Таблица 1 - Химический состав и твердость некоторых самофлюсующихся сплавов системы Ni - Cr - B – Si
Ni |
Cr |
B |
Si |
Fe |
C |
Другие элементы |
Твердость HRC |
18,25 |
5,00 |
1,00 |
3,00 |
3,50 |
15-20 |
||
81,0 |
11,0 |
2,00 |
2,00 |
2,00 |
0,30 |
1,5% |
38 |
62,45 |
11,50 |
2,50 |
3,25 |
3,75 |
0,55 |
16% |
50-55 |
Для напыления освоен промышленный выпуск порошков некоторых интерметаллидных материалов (интерметаллиды - химическое соединение металлов друг с другом). Многие интерметаллические соединения могут использоваться в качестве материала для покрытий, предохраняющих различные металлы от газовой коррозии, так как обладают тугоплавкостью, высоким сопротивлением окислению и прочностью сцепления с подложкой. Наибольшее распространение получил алюминид никеля NiAl ( Тпл = 1913 К), который выпускается как в виде готового интерметаллида, так и в виде порошка алюминия, плакированного никелем. В последнем случае никель и алюминий под действием нагрева в плазменной струе вступают в экзотермическую реакцию, тепло которой, выделяясь на подложке, способствует образованию высокопрочных связей покрытия с подложкой. Это достоинство послужило одной из причин широкого использования никель-алюминиевого плакированного порошка для напыления подслоя на детали, изготовленные из различных конструкционных материалов.
К керамике обычно относят такие соединения, как окислы металлов, бориды, нитриды, силициды, карбиды и др. Керамика является тугоплавким материалом. Наиболее широко используют для напыления окись алюминия, двуокись циркония, карбиды вольфрама, хрома и титана.
Таблица 2 - Физико-механические свойства и область применения некоторых тугоплавких керамических материалов
Материал |
Плотность 103кг/м3 |
Температура плавления,К |
Теплопро-водность, Вт/мК |
Коэффици-ент терми-ческого рас-ширения |
Назначение покрытий |
Окись алюминия
Двуокись циркония
Карбид вольфрама Карбид хрома
Карбид титана |
3,96
5,56
15,57
6,7
4,25 |
2303
3123
3140
2163
3140 |
2,39
2,05
45,3
21,0
39,7 |
8,0
5,5
6,2
8,6
10,5 |
Теплоизоляционное, теплоустойчивое при высоких температурах износостойкое, электроизоляционное Теплоизоляционное, устойчивое при тепловых ударах Износостойкое, эрозионностойкое Износостойкое, жаростойкое при высоких температурах Износостойкое, жаростойкое при температурах до 1023K |
По сравнению с другими высокотемпературными материалами окислы имеют наиболее низкую электротеплопроводность и значительную прочность при высоких температурах, но не все окислы при высоких температурах являются химически устойчивыми.
Покрытия из чистой окиси алюминия обладают хорошими теплоизоляционными свойствами и являются устойчивыми при высоких температурах. Высокая твердость, низкий коэффициент трения и химическая устойчивость покрытий из окиси алюминия позволяют применять их в качестве износостойких материалов. Основной недостаток - хрупкость и низкая механическая прочность, особенно при ударных нагрузках. Такие покрытия, содержащие в твердом растворе небольшое количество окиси титана, отличаются большей пластичностью и стойкостью к удару, хорошей износостойкостью. Покрытия из стабилизированной двуокиси циркония обладают большой стойкостью к тепловым ударам, высокой жаростойкостью и очень низкой теплопроводностью.
Бориды тугоплавких металлов имеют высокую температуру плавления и обладают значительной твердостью, однако в окислительной среде при 1573-1773 К нестойки. В нейтральной и восстановительной атмосферах, а также в вакууме бориды используют как жаропрочные материалы.
Температура плавления карбидов металлов значительно выше температуры плавления самих металлов. Большинство из карбидов обладают высокой жаростойкостью. Даже при высоких температурах их механические характеристики изменяются незначительно. Почти все карбиды обладают хорошей тепло- и электропроводностью. Карбиды бора, кремния, титана, хрома и вольфрама характеризуются высокой твердостью. Их широко используют в качестве износостойких материалов. Карбид вольфрама обладает очень высокой твердостью. Из чистого WC трудно получить покрытие, так как при напылении он легко разлагается. Поэтому используют смесь WC с металлами типа кобальта или порошок WC, плакированный Со (Ni). Карбид вольфрама вводят в самофлюсующиеся сплавы (от 30 до 80%).
Кроме возможности получения покрытия из различных материалов - металлов, сплавов, окислов, карбидов и т.д., плазменное напыление позволяет формировать покрытие из сочетаний материалов, которых трудно добиться другими способами, например: графит-металл, керамика-металл. Если смешиваются металлы и сплавы, то покрытия называются псевдосплавами, если смешиваются окислы (керамика) с металлами, то покрытия имеют название керметов.
Применение таких смесей существенно повышает работоспособность покрытий - термостойкость, ударную вязкость, коррозионную стойкость, износостойкость и т.д. Созданы различные технологические варианты напыления композиционных покрытий: метод напыления механической смеси компонентов, использование для напыления порошка механической смеси компонентов, гранулированной на каком-либо связующем веществе; способ напыления частиц, состоящих из ядра основы, окруженного плакирующим слоем второго компонента (плакирующий слой наносится либо химическим осаждением, либо вакуумным испарением).
- ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПОКРЫТИЮ
Изделия с напыленным покрытием подвергают контролю по внешнему виду, толщине, геометрическим размерам.
Определение прочности сцепления, пористости, твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, термостойкости, жаростойкости и других свойств в зависимости от назначения покрытия проводится на 3—10 образцах-свидетелях.
Основной целью данных технологий является обеспечение высокой износо- и коррозионностойкости поверхностей деталей при их изготовлении, а также восстановление размеров изношенных поверхностей деталей за счет нанесения на них покрытий. При этом к покрытиям, в первую очередь, предъявляются требования их высокой прочности, а также прочности их соединения с деталями. Во-вторых, покрытия должны обеспечивать высокую надежность деталей в условиях эксплуатационных нагрузок (динамических, знакопеременных, подверженных абразивному, коррозионному, высокотемпературному или иному воздействию).
- ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ
Плазменное напыление широко применяется для упрочнения и восстановления рабочих поверхностей деталей изделий. К существенным технико-экономическим достоинствам технологии относятся:
высокая производительность процесса;
получение высококачественного покрытия, особенно в условиях общей защиты;
наличие большого количества технологических факторов, варьирование которых обеспечивает гибкое регулирование процесса напыления;
высокий коэффициент использования порошкового материала;
широкая доступность метода как в основном, так и ремонтном производстве;
экономичность;
невысокая стоимость простейшего оборудования;
возможность комплексной механизации и автоматизации процесса;
продление ресурса дорогостоящих деталей (коленчатых валов, подшипников скольжения, поршневых колей и др.);
уникальная возможность получения рабочих поверхностей деталей с заданными эксплуатационными свойствами;
универсальность применения порошковых материалов, в том числе с высокой температурой плавления.
Метод плазменного напыления покрытий имеет также ряд недостатков, которые по существу являются резервом в совершенствовании технологии, а именно: