Разработка проекта стандарта организации процесса плазменного нанесения покрытий

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]

Изделие	Назначение  покрытия	Материал  покрытия
Ракетная техника
Головки и сопла  ракет	Жаростойкость	Al2O3, ZrO2
Космические объекты
Обтекатели  реактивных снарядов	Жаропрочность	W
Аппараты для  космических исследований	Теплоизоляция	ZrO2
	Жаростойкость	Al2O3, ZrO2, W
	Теплоизоляция	Металлы и мелкодисперсные  порошки окислов, карбидов, силицидов
	Терморадиационные свойства
Авиация
Сочленения  и лопатки турбины и компрессора реактивного двигателя. Лопатки газовых турбин	Эрозионная  стойкость	Co – WC, TiC, Cr2O3, Ni – Al. Ni – Cr – B – Si
Цапфы шасси	Жаростойкость	Ai – Ni, Al, Al2O3
Несущие конструкции  крыльев и фюзеляжа	Износостойкость	Твердые карбиды  и сплавы
	Прочность. Жесткость	Композиционные  материалы с волокнистым упрочнением
Машиностроение
Прессформы  для литья под давлением	Жаростойкость	Сr – Ni-сплавы
	Жаропрочность и защита от приваривания	Al2O3, Al – Ni
Разъемные и  неразъемные матрицы для прессования	Износостойкость	Cr – B – Ni – Si
	Теплоизоляция	Al2O3
Матрицы для  экструзии тугоплавких металлов. Рольганги прокатных станков	Антисхватывание		Al2O3
Полупостоянные  формы для отливки крупных  деталей (например, турбин)	Жаростойкость		Al2O3
Индукторы для высокочастотной пайки	Электроизоляция		Al2O3