Плазменное напыление алюминия. Нанесение полимерных покрытий

Сущность процесса. При плазменном напылении для расплавления порошка, подаваемого в горелку-распылитель (плазмотрон), используется теплота сжатой электрической дуги (плазменной дуги). Расплавленные частицы порошка выносятся потоком горячего газа из сопла и напыляются на поверхность детали, на которую направлено пламя горелки.
Преимущества плазменного напыления перед газопламенным следующие: возможно напыление материалов, температура плавления которых превышает температуру ацетилено-кислородного пламени; производительность напыления керамических материалов увеличивается в 6-10 раз; не требуется применения кислорода и ацетилена. По сравнению с электродуговым способом напыления преимущество плазменного способа состоит в возможности напыления порошковых материалов, в том числе керамических, в то время как для электродугового способа требуется применение проволоки из напыляемого металла.
По составу, строению и свойствам (прочность, степень окисленности, тепло- и электропроводность и др.) плазменные покрытия не имеют преимуществ перед нанесенными газопламенным и электродуговым способами.
Области применения. Плазменные покрытия применяются, как правило, для нанесения жаростойких покрытий, необходимых в реактивной технике. Этим способом можно кэпылять-также поршни дизелей, рабочие лопатки дымососов, дроссельные заслонки и фурмы доменных печей и другие изделия, требующие повышенной жаростойкости. При нанесении покрытий на внутренние поверхности деталей диаметр отверстия должен быть не менее 100 мм. С увеличением толщины слоя покрытия их прочность снижается. Так, например, при покрытии окисью алюминия прочность слоя резко падает при толщине слоя свыше 0,8 мм. Обычно применяют покрытия с толщиной слоя 0,2-0,3 мм.
Для повышения прочности сцепления керамических покрытий с основным металлом их напыляют на подслой. При напылении окиси алюминия лучшим для подслоя является нихром или коррозионностойкая сталь. Толщина подслоя равна 0,05 мм. Менее пригодны для подслоя, с точки зрения термостойкости, - молибден и вольфрам, образующие окислы с недостаточной величиной прочности.
Плазменные покрытия используют также в качестве электроизоляционных, например при изготовлении деталей МГД-генераторов, теплообменников, тензодатчиков, дисков электропил, индукторов для высокочастотной пайки и других деталей в электротехнике, радиоэлектронике, приборостроении. Пористость покрытий, в том числе керамических, не препятствует применению их в качестве электроизоляционных материалов, если они защищены от попадания влаги.
Плазменные покрытия для защиты деталей от коррозии и износа менее эффективны, так как имеют высокую пористость. Для уменьшения пористости они нуждаются в дополнительной пропитке (органическими полимерными материалами - смолами и лаками) или оплавлении. Свойства пропиточных материалов определяют рабочую температуру детали. Пропитка особенно эффективна, когда деталь подвержена одновременно коррозии и абразивному или эрозионному износу. Обычно для пропитки применяют фенолформальдегидную смолу. Для высоких рабочих температур применяют пропитку покрытий из напыленного вольфрама медью и серебром.

Применяемые материалы. Для плазменного напыления используют порошки с размером частиц 20-150 мкм. Для окиси алюминия и двуокиси циркония размер частиц должен быть равным 40-70 мкм, для вольфрама 20-100 мкм. Для покрытий повышенной плотности размер частиц должен быть меньше и не превышать 10-40 мкм; для получения оптимального гранулометрического состава порошков их перед использованием следует просеивать.
Для получения жаростойких покрытий применяют следующие порошки: окись алюминия (глинозем) марок ГА85 или ГА8; двуокись циркония (90% ZrO2); вольфрам с частицами 40-100 мкм в виде порошка марки В или В-1. В качестве плазмообразующего газа используют азот концентрации 99,5% или водород чистотой 99,7% (марки А), или аргон.
Аппаратура. Для плазменного напыления используют специальные установки, выпускаемые промышленностью, например установки типа УМП-4-64 (рис. 77). Данная установка предназначена для напыления тугоплавких материалов: вольфрама, двуокиси циркония, окиси алюминия. При наличии камеры с защитной атмосферой можно также напылять карбиды, бориды, нитриды, силициды и другие соединения тугоплавких материалов. Установка состоит из плазменной горелки, порошкового питателя и пульта управления.
Для питания установки током используют сварочные преобразователи ПСО-500 (2 шт.) или полупроводниковые выпрямители ИПН-160/600 Рабочий газ - азот или смеси азотз, аргона или гелия с водородом Производитечьность установки по напьияемой окиси алюминия 3 кг/ч, напряжение при работе на азоте 85-90В, при смеси азота и водорода 100-120 В, рабочая сила тока на азоте 320-340 А, на смеси азота и водорода 270-300 А Устройство горелки для плазменного напыления показано на рис. 78.

Рис. 77. Установка УЧП-4-64 для плазменного напыления:
1 - горелка (плазмотрон); 2 - порошковый питатель; 3 - пульт управления

Рис. 78. Горелка для плазменного напыления:
1 - насадка для охлаждения напыляемой поверхности сжатым воздухом; 2 - сопло- анод; 3 - текстолитовая втулка; 4 - ниппель для ввода газа; 5 - медный корпус катода; 6 - вольфрамовый катод диаметром 3 мм; 7 - водоохлаждаемые кабели; 8 – рукоятка; 9 - свеча зажигания; 10 - асбоцементное кольцо

Технология плазменного напыления. Перед напылением поверхность детали подвергают пескоструйной обработке, желательно непосредственно перед процессом покрытия Помимо создания шероховатой поверхности, при опескоструивании удаляется пленка адсорбированного воздуха и влаги, препятствующая контакту между напыляемыми частицами и деталью Вместо кварцевого песка, который вреден, так как вызывает силикоз, применяют порошок корунда, карбида кремния и крошку белого чугуна При коррозионностойких материалах крошку белого чугуна применять не следует, так как его частицы, остающиеся на поверхности изделия, могут вызывать местную коррозию.
Перед напылением основного покрытия напыляют подслой из соответствующих материалов, указанных выше Наносить подслой можно любым способом - газопламенным, электродуговым.
При плазменном напылении поверхность не следует перегревать свыше температуры 300°С, так как при этом возникают внутренние напряжения, которые могут привести к разрушению покрытия Для предупреждения перегрева поверхность около места напыления охлаждают сжатым воздухом, поток которого направляют на покрытие с помощью дополнительного кольцевого сопла, окружающего мундштук горелки.
Применение охлаждающего сопла позволяет уменьшить расстояние от горелки до поверхности со 120 мм до 70 мм. Это повышает производительность оборудования, увеличивает коэффициент использования порошка, повышает прочность и снижает пористость покрытия Чрезмерное охлаждение недопустимо, так как ухудшает свойства покрытия. Охлаждение не требуется, если толщина слояпокрытия менее 0,1 мм или скорость перемещения горелки относительно поверхности достаточно велика, а нанесенный слой успевает охладиться до следующего прохода горелки. Это обеспечивается при массивных деталях в которых происходит интенсивный отвод теплоты.
Угол напыления, т.е. угол между осью сопла горелки и поверхностью, должен составлять 90-60°. При угле, меньшем 60°, энергия удара частиц о поверхность снижается, что ухудшает прочность покрьтия.
Дтя получения равномерного по толщине и однородного по качеству покрытия применяют различные средства механизации процесса. Наиболее простой и доступный из них - токарный станок, в патрон которого устанавливают напыляемую деталь, а в суппорт – горелку.
В качестве плазмообразующего газа рекомендуется применять азот. Добавление к азоту 5-10% водорода повышает производительность процесса, но требует источника тока с рабочим напряжением 110-120 В вместо 85-95 В при одном азоте. Аргон можно использовать только в смеси с водородом или азотом, так как при одном аргоне рабочее напряжение не превышает 35 В, что резко снижает тепловую мощность горелки и ее производительность.

Установка для создания плазменного покрытия используется в энергетическом и авиационном машиностроении для создания керамических функциональных покрытий.

Назначение комплекса:

Нанесение коррозионностойких, износостойких, уплотнительных, теплозащитных покрытий.

Характеристики установки:

ТСЗП MF-P-1000 работает на смеси газов: основной - аргон, дополнительный - азот, водород или гелий.

Состав оборудования

Система управления смонтирована в пылезащищенном шкафу

Модульная система контроллера позволяет использовать огромный спектр дополнительных коммуникационных и функциональных модулей, которые расширяют возможности ЦПУ.

Установка управляется с панели оператора. На ней отображаются параметры протекающих процессов, и осуществляется их контроль. Машинные данные преобразуются в кривые, гистограммы и графические объекты, которые меняют свой вид в зависимости от выбранной программы и от состояния процесса. Кроме того, выводимые на панель сообщения о неисправностях, обеспечивают оператора важной информацией о состоянии управляемой установки. С нее могут контролироваться все технологические параметры процесса, и в памяти могут оставаться до ста технологических программ.

Пульт управления установкой плазменного напыления

Блок газоподготовки для подачи газа в плазмотрон

Блок газоподготовки включает: Металлические газовые линии Датчик давления для каждого газа Отдельные микрофильтры и электромагнитные клапаны для каждого газа Детекторы утечки газа Электронные расходомеры Bronkhorst El-Flow Блок управления сжатым воздухом для охлаждения детали Управление сжатым воздухом для охлаждения детали Контроль расхода охлаждающей жидкости Все данные с блока газоподготовки выводятся на панель оператора. Плазмообразующие газы: аргон, водород, азот, гелий. Система позволяет работать с одним или двумя плазмообразующими газами.Транспортирующий газ: аргон

Источник питания плазмотрона PPC 2002

Источник постоянного тока PPC 2002 выполнен по принципу высококачественного инвертирования постоянного тока, что обеспечивает плавное нарастание тока дуги. Техническая характеристика Габаритные размеры

Габаритные размеры

Порошковый дозатор состоит из двух миксеров, двух бункеров, двух дисковых приводов регулирования подачи порошка. Газовая система питателя составлена из предохранительных клапанов, двух ротаметров, электромагнитных вентилей, шлангов и дросселей. Управление работой осуществляется на базе контроллера Simatic S7-300. Питатель порошка может работать в автономном режиме или управляться с центральной панели оператора. Емкость бункеров (колб) может быть 1,5 или 5 литров — их количество и объем оговаривается при подписании договора. Техническая характеристика Производительность одной колбы до 6 кг/час в зависимости от типа порошка. Габаритные размеры

Габаритные размеры

Технические характеристики плазмотронов

Модель F4 – одна из самых распространенных. Доступны различные разъемы для подключения водяного охлаждения. Установка может поставляться с ручкой для ручного напыления. Устройство универсально с точки зрения широты задаваемых параметров — материала, твердости, пористости и шероховатости.

Для повышения качества напыления могут применяться различные сопла.

• Обычно эксплуатируются с плазменными установками мощностью до 55 Квт
• Обычно эксплуатируются с плазмообразующими газами Ar/H 2 , для некторых материалов могут применяться смеси Ar/He, Ar/N 2 или N 2 /H 2 ;

Плазмотрон F6

Аттестован авиацией, основан на классической модели F4. При сохранении базовой геометрии и основных параметров напыления, улучшенная система охлаждения позволяет существенно повысить производительность и продлить ресурс анода/катода. Кроме того, все части выполнены из бронзы, без применения пайки. Быстросъемные соединения позволяют осуществлять замену электродов за секунды. Фитинги шлангов водяного охлаждения соединены с базовой пластиной и не повреждаются в процессе замены электродов.

Для повышения качества напыления используются различные сопла.

• Обычно эксплуатируются с плазменными установками мощностью до 55 Квт
• с плазмообразующими газами Ar/H2, для некоторых материалов могут применяться смеси Ar/He, Ar/N2 или N2/H2;
• Для увеличения качества напыления используются различные сопла: сопла Лаваля позволяют напыление с более высокими эффективностью и коeффициентом использования материала при пониженном уровне шума.

Плазмотрон Delta

Использование трех анодов и одного катода позволяет объединить преимущества всех известных технологий. Стабильная дуга обеспечивает производительность до 300 грамм порошка в минуту.

Модель дельта состоит из сопла, каскада, малоизнашиваемого контактного электрода и треханодного сегмента. Основной компонент легко заменяется. Это позволяет сокращать потери времени и оптимизировать плазмотрон под различные операции за счет замены сопел.

Благодаря эффективности и высокой производительности, используется для напыления покрытий на большие поверхности. Для мелких деталей не подходит в связи с большим пятном распыления.

Сравнение плазмотронов Delta со стандартными:

F4 / F6 / P2:

• Единственная дуга
• различные диаметры сопел
• колебание напряжения +/-20V.

Delta:

• Одна каскадируемая дуга, стабилизированная как аксиально, так и радиально
• колебание напряжения +/-3V.
• Постоянная передача плазменной энергии радиально впрыскиваемым частицам порошка. Дуга равномерно распределяется на три анода.
• Не требуется корректировка положения порошковых инжекторов в зависимости от параметров напыления, т. к. положение трех оснований анодов сбалансировано радиально.

Технические характеристики:

• Обычно эксплуатируются с плазменными установками мощностью до 70 Квт
• Обычно эксплуатируются с плазмообразующими газами Ar/H2, для некторых материалов может применяться смесь Ar/He;
• Благодаря высокой производительности и эффективности рекомендуется для напыления покрытий на большие поверхности. Не лучший выбор для маленьких деталей - довольно большое пятно распыления.

Плазмотрон P2

Размещение анода и катода полностью совпадают, что позволяет использовать базовые параметры напыления. Главное преимущество установки — компактность, которая достигается за счет короткого электрода. Нестандартный дизайн позволяет избежать негативных последствий как для продолжительности жизни электрода, так и для качества плазмы. Рекомендуется увеличение температуры для максимизации продолжительности работы. Стоит отметить, что катоды и аноды стоят значительно дешевле, чем для F4.

Технические характеристики:

• Обычно эксплуатируются с плазменными установками мощностью до 55 Квт
• Обычно эксплуатируются с плазмообразующими газами Ar/H2, для некторых материалов могут применяться смеси Ar/He, Ar/N2 или N2/H2;
• Для увеличения качества напыления используются различные сопла: сопла Лаваля позволяют напыление с более высокими эффективностью и коeффициэнтом использования при пониженном уровне шума.

Общепринятая в авиации установка для осуществления напыления в отверстиях.

Обычно эксплуатируется с плазмообразующими газами Ar/H2. Совместим с плазменными установками мощностью до 500 А

Минимальный диаметр — 80 мм.

• Обычно эксплуатируются с плазменными установками мощностью до 500 А
• Обычно эксплуатируются с плазмообразующими газами Ar/H2,
• Минимальный диаметр - 80 мм

Предназначен для напыления внутренних поверхностей диаметром от 90 мм. Техническая характеристика плазмотрона F1

Плазмотрон F7, для внутреннего напыления

Установка разработана для напыления внутренних поверхностей.

Отличается улучшенным энергопотреблением, обычно используется при силе тока до 600 A.

Есть возможность охлаждения обрабатываемой детали воздушными соплами, которые встроены непосредственно в устройство. Минимальный диаметр напыляемого отверстия - 90 мм.

Преимущества:

• Улучшенное по сравнению с F1 энергопотребление, обычно используется при силе тока до 600 A
• Возможность охлаждения напыляемой детали воздушными соплами, встроенными в плазмотрон;
• Минимальный диаметр напыляемого отверстия - 90 мм

Мощность изменяется в зависимости от выбранных катода и анода. Максимальная величина – 80 кВт.

Комплектуется удлинителем для напыления внутренних поверхностей.

Плазменное напыление по сравнению с газопламенным напылением и электродуговой металлизацией имеет ряд преимуществ:

• позволяет наносить покрытия из материалов широкого состава (металлы, сплавы, оксиды, карбиды, нитриды, бориды, пластмассы и их различные композиции) на разнообразный материал основы (металлы, керамика, графит, пластмассы и др.);
• плазмотроны позволяют в широких пределах регулировать энергетические характеристики плазмы, что облегчает получение покрытий со свойствами, обусловленными требованиями технологии;
• использование в плазменных горелках инертных газов и смесей, не содержащих кислорода, способствует уменьшению окисления напыляемого материала и поверхности детали;
• покрытия, полученные плазменным напылением, по физикомеханическим свойствам превосходят покрытия, полученные газопламенным и дуговым способами напыления.

Плазменно-дуговое напыление по виду используемого присадочного материала подразделяется на: напыление порошком и напыление проволокой (рис. 3.12 ).

Технологический процесс

Порошковые распылители в зависимости от свойств и размеров частиц могут осуществлять подачу присадочного материала (рис. 3.13 ):

• непосредственно в плазменную струю на выходе из плазмотрона;
• под углом к соплу плазмотрона, навстречу потоку ионизированного газа;
• внутрь сопла плазмотрона в заанодную зону или в доанодную зону плазменной дуги.

Подача порошка в плазменную струю используется в плазмотронах большой мощности. Такая схема подачи не влияет на формирование потока плазмы, а плазмотроны характеризуются завышенной мощностью, чтобы тепла плазменной струи хватило на нагрев порошка.

Подача порошка в доанодную зону наиболее выгодна с точки зрения теплообмена, но сопряжена с перегревом частиц в сопле и забиванием сопла расплавленными частицами, что приводит к необходимости выдвижения повышенных требований к равномерности подачи порошка.

Эффективность нагрева частиц порошка можно повысить при одних и тех же параметрах режимов путем более равномерного его распределения по сечению горячей зоны плазменной струи. Этому способствуют конструкции плазмотронов, позволяющие вводить порошок в плазменную струю не через одно отверстие, а, например, через три, расположенных под углом 120°. При этом КПД нагрева порошка изменяется от 2 до 30 %.

Рис. 3.12
а - порошком; б - проволокой. 1 - подвод плазмообразующего газа; 2 - катод плазмотрона; 3 - корпус катода; 4 - изолятор; 5 -корпус анода; 6 - порошковый питатель (рис. а) или механизм подачи проволоки (рис. б); 7 - подвод газа, транспортирующего порошок; 8 - плазменная струя; 9 - источник питания.

Рис. 3.13
1 - в плазменную струю; 2 - под углом к плазменной струе; 3 - в сопло.

Применение

Для напыления износостойких покрытий применяют порошки с грануляцией, не превышающей 200 мкм. При этом дисперсность частиц порошка должна находиться в узких пределах с разницей размеров не более 50 мкм. При значительной разнице размеров частиц невозможно обеспечить их равномерный нагрев. Это объясняется тем, что, несмотря на высокую температуру плазменной струи, крупный порошок не успевает расплавиться за короткое время его нахождения в плазменной струе (10 -4 -10 -2 с), мелкий частично испаряется, а основная его масса из-за низкой кинетической энергии оттесняется плазменной струей в сторону, не достигнув ее центральной зоны. При восстановлении деталей напылением порошковыми износостойкими сплавами на никелевой и железной основе наиболее рациональнои является грануляция порошка с размерами частиц 40-100 мкм.

При напылении, как правило, применяют частицы порошка сферической формы, поскольку они обладают наиболее высокой сыпучестью. Оптимальным режимом работы плазмотрона следует считать такой, при котором наибольшее число частиц достигает подложки (основы) детали в расплавленном состоянии. Поэтому для высокоэффективного нагрева и транспортирования частиц порошка необходимо, чтобы конструкция плазмотрона обеспечивала получение плазменной струи достаточной мощности. В настоящее время разработаны установки мощностью до 160-200 кВт, работающие на воздухе, аммиаке, пропане, водороде, в динамическом вакууме, в воде. Применение специальных сопл позволило получить сверхзвуковое истечение струи двухфазного потока, которое, в свою очередь, обеспечило получение плотного покрытия. Плазменная струя вытекает из плазмотрона со скоростью 1000-2000 м/с и сообщает частицам порошка скорость 50-200 м/с.

Увеличение ресурса соплового аппарата (катод-анод) плазменного распылителя повышенной мощности (50-80 кВт) тормозилось из-за низкой эрозионной стойкости медного сопла в зоне анодного пятна. С целью увеличения стойкости сопла были разработаны вольфрамовые вставки, запрессованные в медное сопло таким образом, чтобы теплота эффективно отводилась медной оболочкой и удалялась охлаждающей водой. Выпускаемые в настоящее время промышленностью установки для плазменного напыления комплектуют плазмотронами с потребляемой мощностью 25-30 кВт при силе тока 350-400 А.

С другой стороны, для нанесения покрытий на малые детали (поверхности), например, коронки в стоматологии, бандажные полки лопаток ГТД в авиастроении были разработаны микроплазменные горелки, работающие на токах 15-20 А при мощности до 2 кВт.

Эффективность нагрева частиц и скорость их полета зависят от применяемого вида газа: двухатомные газы (азот, водород), а также воздух и их смеси с аргоном повышают указанные параметры.

Технологический процесс восстановления деталей плазменным напылением включает следующие операции: подготовка порошка, поверхности детали, напыление и механическая обработка напыленных покрытий. Подготовке поверхности детали к напылению придается первостепенное значение, поскольку от ее качества в значительной мере зависит прочность сцепления частиц порошка с поверхностью детали. Восстанавливаемую поверхность перед обработкой следует обезжирить. Участки, прилегающие к поверхности, подлежащей напылению, защищают специальным экраном. Напылять покрытия следует сразу после дробеструйной обработки, так как уже через 2 ч ее активность уменьшается из-за увеличения на обработанной поверхности оксидной пленки.

Для повышения прочности сцепления покрытия с основой процесс плазменного напыления проводят с последующим оплавлением. Операция оплавления завершает процесс нанесения покрытия. Оплавление осуществляют тем же плазмотроном, что и напыление, при той же мощности сжатой дуги, с приближением сопла плазмотрона к детали на расстояние 50-70 мм. Сопротивление усталости после оплавления повышается на 20-25 %. Прочность сцепления после оплавления достигает 400 МПа. Зона перемешивания оплавленного и основного металлов составляет 0,01-0,05 мм.

Рис. 3.14
а - пруткового; б - проволочного («проволока-анод»).

Недостатки

Существенным недостатком плазменного нагрева при оплавлении является то, что плазменная струя, обладая высокой температурой и значительной концентрацией энергии, весьма быстро нагревает поверхность покрытия при недостаточном прогреве поверхности детали и тем самым часто приводит к свертыванию оплавляемого покрытия. Кроме того, в результате высокой скорости истечения плазменной струи и значительного давления на напыляемую поверхность также может произойти нарушение слоя покрытия. Плазменное напыление с последующим оплавлением рекомендуется применять для малогабаритных деталей диаметром, не превышающим 50 мм.

При использовании в качестве присадочного материала проволоки возможно применение двух схем подключения плазмотрона: при токоведущем сопле (рис. 3.14, а ) или при токоведущей проволоке (рис. 3.14, б ).

Схема проволочного распыления с токоведущей проволокой - анодом была разработана В. В. Кудиновым в конце 50-х годов прошлого столетия. Тогда удалось получить невиданную производительность - 15 кг/ч вольфрама при мощности 12 кВт. При плазменном напылении наряду с проволокой используют и прутки. Таким образом, чтобы теплота эффективно отводилась медной оболочкой и удалялась охлаждающей водой. Выпускаемые в настоящее время промышленностью установки для плазменного напыления комплектуют плазмотронами с потребляемой мощностью 25-30 кВт при силе тока 350-400 А. С другой стороны, для нанесения покрытий на малые детали (поверхности), например, коронки в стоматологии, бандажные полки лопаток ГТД в авиастроении были разработаны микроплазменные горелки, работающие на токах 15-20 А при мощности до 2 кВт.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

Основными отличиями плазменной металлизации от других спо­собов расплавления являются более высокая температура и боль­шая мощность, что обеспечивает значительное повышение про­изводительности процесса и возможность наносить и расплавлять любые жаростойкие и износостойкие материалы (рис. 4.8). Для плазменного напыления используют газы аргон и азот, обеспечи­вающие температуру струи. Для плазменной металлизации широ­ко применяют установки УПУ и УМН, в комплект которых вхо­дят вращатель, защитная камера, дозатор порошка, источник пи­тания и пульт управления.

Основной частью установки служит плазмотрон, срок службы которого определяется стойкостью сопла. Период работы плазмотрона невелик, поэтому его быстроизнашивающиеся части де лают сменными. Источниками тока являются сварочные генера­торы ПСО-500 или выпрямители И ПН-160/600.

Рис. 4.8. Схема процесса плазменно­го напыления:

1 - порошковый дозатор; 2 - ка­тод; 3 - изоляционная прокладка; 4 - анод; 5 - транспортирующий газ; 6 - охлаждающая жидкость; 7 - плазмообразующий газ

В качестве плазмообразую­щего газа используют аргон или менее дефицитный и дешевый азот. Однако зажечь дугу в сре­де на азоте сложнее и требуется значительно большее напряже­ние, что представляет опасность для обслуживающего персонала. Применяют способ, при кото­ром зажигают дугу в среде арго­на с напряжением возбуждения и горения дуги меньше, а затем переходят на азот. Плазмообра­зующий газ ионизуется и выхо­дит из сопла плазмотрона в виде струи небольшого сечения. Обжа­тию способствуют стенки канала сопла и электромагнитное поле, возникающее вокруг струи. Тем­пература плазменной струи зависит от силы тока, вида и расхода газа и изменяется от 10000 до 30 000 °С; скорость истечения газов 100-1500 м/с. Аргонная плазма имеет температуру 15 000-30 000 °С, азотная - 10000-15000 °С.

При плазменной металлизации в качестве наносимого материа­ла применяют гранулированный порошок с размером частиц 50- 200 мкм. Порошок подается в зону дуги транспортирующим газом (азотом), расплавляется и переносится на деталь. Скорость полета частиц порошка 150-200 м/с, расстояние от сопла до поверхнос­ти детали 50-80 мм. Благодаря более высокой температуре нано­симого материала и большей скорости полета распыляемых час­тиц прочность соединения покрытия с деталью в этом методе вы­ше, чем при других способах металлизации.

Плазменная металлизация, происходящая при высокой тем­пературе плазменной струи, позволяет наносить любые матери-

алы, в том числе самые износостойкие, но при этом возникает проблема последующей обработки сверхтвердых и износостойких материалов.

Использование импульсного лазерного излучения, длительность которого составляет миллисекунды, позволяет получать минималь­ные зоны термического влияния, которые не превышают несколь­ких десятков микрон. Минимальные объемы расплава и минималь­ные тепловложения в подвариваемую деталь позволяют сократить продольные и поперечные деформации и тем самым сохранить прецизионные размеры детали в поле допуска - несколько мик­рон. Точность наведения и локальность действия луча лазера поз­воляет подваривать строго определенные геометрические участки детали, обеспечивая минимальный припуск на механическую об­работку, который составляет 0,2-0,5 мм. Так как при импульсной лазерной наплавке зоны термического влияния очень малы, под­ложка остается практически холодной, а скорость охлаждения жид­кой фазы расплава металла достигает 102-103 °С/с. В этих усло­виях имеет место процесс автозакалки, который приводит к фор­мированию чрезвычайно мелкодисперсной структуры, обладающей повышенной износостойкостью.

При сравнении практически все принципиальные технические различия технологии электродуговой наплавки и импульсной ла­зерной наплавки являются следствием того, что дуга является кон­центрированным сварочным источником энергии, а луч лазера - высококонцентрированным источником энергии. Импульсная ла­зерная наплавка по сравнению с электродуговой наплавкой характе­ризуется минимальными объемами расплава, зонами термического влияния и соответственно существенно меньшими поперечными и продольными усадками.

После электродуговой наплавки припуски могут достигать не­скольких миллиметров, что вызывает необходимость последую­щей механической обработки. Использование в качестве источни­ка энергии электрической дуги сопровождается ее силовым дейст­вием на жидкую фазу расплава металла, в результате образуются подрезы, которые не возникают при лазерной наплавке. Электродуговая наплавка требует предварительного и сопутствующего» подогрева мест наплавки и последующей термообработки и «и тип от лазерной наплавки.

Технология лазерной наплавки может быть использована для восстановления изношенных пресс-форм, штампов и устранения различных дефектов, образующихся в процессе изготовления пресс- форм и штампов. Виды дефектов, устраняемые с помощью лазер­ной наплавки: места пробы на твердость HRC, трещины, забоины, задиры, раковины и поры, разгарные трещины, места адгезионного схватывания. Технологический процесс лазерной наплавки пред­ставляет собой одновременный подвод к месту дефекта лазерного излучения и присадочной проволоки в среде инертных газов. При­садочный материал, расплавляясь, заполняет место дефекта. После лазерной наплавки требуется минимальная по сравнению с тради­ционными методами наплавки механическая обработка. Высокая точность наведения лазерного луча на место дефекта, локальность действия лазерного излучения позволяет наплавлять строго опре­деленные участки дефектных деталей (рис. 4.9).

Кратковременность протекания процесса, длительность импуль­са лазерного излучения, составляющая несколько миллисекунд, а также точная дозировка энергии обеспечивают минимальные зоны термического влияния и отсутствие поводок детали. Лазерная на­плавка позволяет значительно снизить трудоемкость ремонта ос­настки и, как следствие, себестоимость за счет исключения из про­цесса предварительного подогрева, последующей термообработки, необходимости снятия хромистого покрытия с поверхности и пос­ледующего его нанесения, если де­таль хромированная. Преимущес­тва лазерной наплавки указаны в табл. 4.2.

Для предотвращения окисления расплавленного металла зону на­плавки защищают инертными га­зами, например, смесью аргона с гелием. Для наплавки крупногаба­ритных узлов (длиной до несколь­ких метров) используют твердо­тельные лазерные установки, ос­нащенные оптоволоконными сис­темами. Разработана технология устранения дефектов в виде горячих и холодных несквозных трещин, образующихся при электродуговой сварке штучными электродами, с использованием импульсного лазерного излучения твердотельных лазеров.

Заварка нескольких трещин с использованием импульсного лазерного излучения позволяет реализовать так называемый «холодный» режим сварки, при котором не происходит разогрев сварного шва ремонтируемой зоны, что позволяет сохранить механическую прочность сварного соединения и избежать отпуска металла в шве.

Использование оптоволоконной системы длиной несколько мет­ров позволяет производить ремонт в самых труднодоступных по гео­метрии местах. Данную технологию можно использовать для уст­ранения различных дефектов, образующихся при электродуговой сварке, - трещин, как холодных, так и горячих, раковин, крате­ров, свищей, подрезов.

По характеру и условиям работы боковая поверхность лопа­ток турбин высокого давления подвергается микроповреждени­ям механического, химического и термического влияния. Анализ повреждаемости показывает, что около 70 % от их общего чис­ла составляют детали с поверхностными дефектами глубиной до 0,4-2,0 мм. Использование оптоволоконных систем доставки лу­ча лазера к месту дефекта открывает возможность ремонта лопат­ки турбины без ее демонтажа. Величина зоны термического влия ния не превышает 15 мкм. Структура наплавленного слоя мелко­дисперсная.

Рис. 4.11. Поперечное сечение в месте непропая трубки секции холодильника

Рис. 4.12. Шлиф места дефекта, обработанного в режиме сварки-пайки

В процессе изготовления водяных секций могут возникать де­фекты в виде непропаев. Разработана технология устранения негерметичности секций методом импульсной лазерной пайки-свар­ки (рис. 4.11 и 4.12).

Для устранения негерметичности паяного шва используется им­пульсное лазерное излучение твердотельного лазера. Встроенная в излучатель лазера телевизионная система с использованием целе­указания на основе Не - Ne (гелий - неон) лазера позволяет точ­но наводить луч лазера на место дефекта. Оснащение лазера опто­волоконной системой позволяет производить устранение дефектов в труднодоступных местах и производить быстрый переход с одно­го дефекта на другой.

Плазменное напыление (или, другими словами – диффузионная металлизация) эффективный способ изменения физико-механических свойств, а также структуры основной поверхности. Поэтому он часто используется с декоративными целями, и для увеличения стойкости конечного продукта.

Принцип плазменного напыления

Как и традиционные методы поверхностных покрытий, при диффузионной металлизации происходит осаждение на поверхности металла слоя другого металла или сплава, который обладает необходимыми для последующего применения детали свойствами – нужным цветом, антикоррозионной стойкостью, твёрдостью. Отличия заключаются в следующем:

1. Высокотемпературная (5000 — 6000 °С) плазма значительно ускоряет процесс нанесения покрытий, который может составлять доли секунд.
2. При диффузионной металлизации в струе плазмы в поверхностные слои металла могут диффундировать также химические элементы из газа, где проводится обработка. Таким образом, регулируя химический состав газа, можно добиваться комбинированного поверхностного насыщения металла атомами нужных элементов.
3. Равномерность температуры и давления внутри плазменной струи обеспечивает высокое качество конечных покрытий, чего весьма трудно достичь при традиционных способах металлизации.
4. Плазменное напыление отличается чрезвычайно малой длительностью процесса. В результате не только повышается производительность, но также исключается перегрев, окисление, прочие нежелательные поверхностные явления.

Рабочие установки для реализации процесса

Поскольку чаще всего для инициации высокотемпературной плазмы используется электрический разряд – дуговой, искровой или импульсный – то применяемое для такого способа напыления оборудование включает:

• Источник создания разряда: высокочастотный генератор, либо сварочный преобразователь;
• Рабочую герметизированную камеру, где размещается подвергаемая металлизации заготовка;
• Резервуар для газа, в атмосфере которого будет производиться формирование высокотемпературной плазмы;
• Насосной или вакуумной установки, обеспечивающей необходимое давление для прокачки рабочей среды или для создания требуемого разрежения;
• Системы управления за ходом протекания процесса.

Работа плазмотрона, выполняющего плазменное напыление, происходит так. В герметизированной камере закрепляется напыляемая деталь, после чего между поверхностями рабочего электрода (в состав которого входят напыляемые элементы) и заготовкой возбуждается электрический разряд. Одновременно через рабочую зону с требуемым давлением прокачивается жидкая или газообразная среда. Её назначение – сжать зону разряда, повысив тем самым объёмную плотность его тепловой мощности. Высококонцентрированная плазма обеспечивает размерное испарение металла электрода и одновременно инициирует пиролиз окружающей заготовку среды. В результате на поверхности образуется слой нужного химического состава. Изменяя характеристики разряда – ток, напряжение, давление – можно управлять толщиной, а также структурой напыляемого покрытия.

Аналогично происходит и процесс диффузионной металлизации в вакууме, за исключением того, что сжатие плазмы происходит вследствие разницы давлений внутри и вне её столба.

Технологическая оснастка, расходные материалы

Выбор материала электродов зависит от назначения напыления и вида обрабатываемого металла. Например, для упрочнения штампов наиболее эффективны электроды из железо-никелевых сплавов, которые дополнительно легируются такими элементами, как хром, бор, кремний. Хром повышает износостойкость покрытия, бор – твёрдость, а кремний – плотность финишного покрытия.

При металлизации с декоративными целями, главным критерием выбора металла рабочего электрода является конфигурация напыляемой поверхности, а также её внешний вид. Напыление медью, например, производят электродами из электротехнической меди М1.

Важной структурной составляющей процесса является состав среды. Например, при необходимости получить в напыляемом слое высокостойкие нитриды и карбиды, в газе должны присутствовать органические среды, содержащие углерод или азот.

Последующая обработка готового покрытия

В силу особенностей процесса плотность напылённого слоя и прочность его сцепления с основным металлом не всегда бывают достаточными для обеспечения долговечности покрытия. Поэтому часто после обработки деталь подвергается последующему поверхностному оплавлению с использованием кислородно-ацетиленового пламени, либо в термических печах. Как следствие, плотность покрытия возрастает в несколько раз. После этого продукцию шлифуют и полируют, применяя твердосплавный инструмент.

С учётом последующей доводки изделия, толщину слоя металла после обработки принимают не менее 0,8 — 0,9 мм.

Для придания детали окончательных прочностных свойств её закаливают и отпускают, применяя технологические режимы, рекомендуемые для основного металла.

Плазменное напыление повышает теплостойкость, износостойкость и твёрдость изделий, увеличивает их способность противодействовать коррозионным процессам, а напыление с декоративными целями значительно улучшает внешний вид деталей.

Ограничениями технологии диффузионного плазменного напыления считаются чрезмерная сложность конфигурации заготовки, а также относительная сложность используемых установок.

При невысоких требованиях к равномерности образующегося слоя можно использовать и более простые установки, конструктивно напоминающие сварочные полуавтоматы. В этом случае плазменное напыление производится в воздушном пузыре, который образуется при обдуве зоны обработки компрессором. Электроды, в составе которых имеется напыляемый металл, последовательно перемещаются по контуру изделия. Для улучшения сцепления напыляемого металла с основой внутрь зоны напыления вводится также присадочный материал.