Плазменная металлизация. Особенности выполнения плазменного напыления: характеристика и задачи диффузной металлизации. Режимы плазменной сварки алюминия

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 . Схема плазменного напыления:
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 . Схемы подачи порошка в плазмотрон:
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 . Схемы плазменных распылителей:
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:

Плазменное напыление основано на использовании энергии плазменной струи как для нагрева, так и для переноса частиц металла. Плазменную струю получают путем продувания плазмообразующего газа сквозь электрическую дугу и обжатия стенками медного водоохлаждаемого сопла.
Плазменные покрытия обладают такими свойствами: жаростойкостью, жаро- и эрозионной прочностью, тепло- и электроизоляцией, противосхватываемостью, коррозионной стойкостью, защитой от кавитации, полупроводниковыми, магнитными и др.

Области применения плазменных покрытий: ракетная, авиационная и космическая техника, машиностроение, энергетика (в том числе атомная), металлургия, химия, нефтяная и угольная промышленность, транспорт, электроника, радио- и приборостроение, материаловедение, строительство, ремонт машин и восстановление деталей.

Если себестоимость газопламенного напыления проволочными материалами принять за единицу, то себестоимость плазменного и газопламенного напыления порошков будут соответственно 1,9 и 1,6, а электродугового - 0,85.

Плазменную струю получают в плазменной горелке, основные части которой (рис. 3.34) - электрод-катод /, водоохлаждаемое медное сопло-анод 4, стальной корпус 2, устройства для подвода воды 3, порошка 5 и газа 6. Части корпуса, взаимодействующие с катодом или анодом, изолированы друг от друга.
Порошкообразный материал подают питателем с помощью транспортирующего газа. Возможен ввод порошка с плазмообразующим газом.
Напыляемый материал (порошок, проволока, шнур или их комбинация) вводят в сопло плазменной горелки ниже анодного пятна, в столб плазменной дуги или плазменную струю.

Высокие температура и скорость струи делают возможным напыление покрытий из любых материалов, не диссоциирующих при нагреве, без ограничений на температуру плавления. Плазменным напылением получают покрытия из металлов и сплавов, оксидов, карбидов, боридов, нитридов и композиционных материалов.

Необходимые физико-механические свойства покрытий объясняются высокими температурой плазмы и скоростью ее истечения, применением инертных плазмообразующих газов, возможностью регулирования аэродинамических условий формирования металлоплазменной струи.
В материале детали не происходит структурных преобразований, возможно нанесение тугоплавких материалов и многослойных покрытий из различных материалов в сочетании плотных и твердых нижних слоев с пористыми и мягкими верхними (для улучшения прирабатываемости покрытий), износостойкость покрытий высокая, достижима полная автоматизация процесса.

При легировании через проволоку наплавку ведут высокоуглеродистой или легированной проволокой под плавленым флюсом. При этом обеспечиваются высокая точность легирования и стабильность химического состава наплавленного металла по глубине покрытия.

Легирование наплавленного металла через флюс выполняют наплавкой малоуглеродистой проволокой под слоем керамического флюса. Высокая твердость покрытий исключает их последующую термическую обработку. Однако этот способ легирования не нашел широкого применения из-за большой неравномерности наплавленного металла по химическому составу и необходимости строго выдерживать режим наплавки.

Комбинированный способ легирования одновременно через проволоку и флюс получил наибольшее распространение.

В качестве источников питания применяют выпрямители ВС-300, ВДУ-504, ВС-600, ВДГ-301 и преобразователи ПСГ-500 с пологопадаю-щей или жесткой внешней характеристикой. В роли вращателей деталей используют специальные установки (УД-133, УД-140, УД-143, УД-144, УД-209, УД-233, УД-299, УД-302, УД-651, ОКС-11200, ОКС-11236, ОКС-11238, ОКС-14408, ОКС-27432, 011-1-00 РД) либо списанные токарные или фрезерные станки. Для подачи проволоки применяют головки А-580М, ОКС-1252М, А-765, А-1197.

Основные технологические параметры наплавки: состав электродного материала и флюса, напряжение дуги U, сила / и полярность тока, скорость наплавки vH и подачи vn электродного материала, шаг наплавки S, смещение электрода с зенита е, диаметр d3 и вылет электрода. Примерные режимы наплавки под слоем флюса цилиндрических деталей приведены в табл. 3.52.

Наплавка под слоем флюса имеет следующие разновидности.

Наплавка лежачий электродом (прутковым или пластинчатым) из низкоуглеродистой или легированной стали применяется для восстановления плоскостей. Часть флюса насыпают на восстанавливаемую поверхность (толщиной 3…5 мм), а часть - на электрод (толщина слоя флюса достигает 10… 15 мм). Применяют флюсы-смеси. В одном месте электрод замыкают с деталью для возбуждения дуги, которая при горении блуждает в поперечном направлении. Плотность тока составляет 6…9 А/мм напряжение 35…45 В. Для выполнения процесса имеется установка ОКС-11240 ГосНИТИ.

Повышение производительности и более высокое содержание легирующих элементов в покрытии обеспечиваются многоэлектродной наплавкой под флюсом на детали со значительным износом на большой площади (рис. 3.23). Блуждающая дуга горит между деталью и ближайшим к ней электродом.

Натавка по слою порошка (толщиной 6…9 мм) под флюсом повышает производительность процесса и обеспечивает получение толстых покрытий нужного состава.
Область применения механизированной наплавки пол слоем флюса распространяется на восстановление деталей (диаметром более 50 мм) из углеродистых и низколегированных сталей, требующих нанесения слоя толщиной > 2 мм с высокими требованиями к его физико-механическим свойствам. Наплавляют шейки валов, поверхности катков и роликов, направляющие станин и другие элементы.

Механизированная наплавка под слоем флюса обладает такими преимуществами:

Повышением производительности труда в 6…8 раз по сравнению с ручной электродуговой наплавкой с одновременным снижением расхода электроэнергии в 2 раза за счет более высокого термического КПД;

Высоким качеством наплавленного металла благодаря насыщению необходимыми легирующими элементами и рациональной организации тепловых процессов;

Возможностью получения покрытий толщиной > 2 мм/p.

В качестве плазмообразующих газов при напылении материалов используют аргон, гелий, азот, водород и их смеси (табл. 3.68). Плазмообразующие газы не содержат кислорода, поэтому не окисляют материал и напыляемую поверхность.

Гелий и водород в чистом виде практически не применяются по экономическим соображениям, а также вследствие разрушающего действия на электрод.

Азот и аргон используются чаще, однако наилучшими показателями обладают газовые смеси, например Ar + N, и Аг + Н2. Вид плазмообразующего газа выбирают исходя из требуемых температуры, теплосодержания и скорости потока, его степени инертности к распыляемому материалу и восстанавливаемой поверхности. Следует учитывать, что плазма двух- и многоатомарных газов по сравнению с одноатомарными содержит больше тепла при одинаковой температуре, потому что ее энтальпия определяется тепловым движением атомов, ионизацией и энергией диссоциации.

При напылении порошковых или шнуровых материалов электрическое напряжение прилагают к электродам плазменной горелки. При напылении проволочных материалов напряжение подводят к электродам горелки, дополнительно оно может быть приложено к напыляемому материалу, т.е. проволока может быть токоведушей или нет. Напыляемую деталь в цепь нагрузки не включают.

Порошки для плазменного напыления не должны создавать заторы в транспортных трубопроводах, а должны равномерно подаваться в плазменную струю и свободно перемещаться с газовым потоком. Этим требованиям удовлетворяют частицы порошка сферической формы диаметром 20… 100 мкм.

В Институте электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины разработаны порошковые проволоки сер. АМОТЕК. состоящие из стальной оболочки и порошкового наполнителя. Эти материалы предназначены для нанесения износо- и коррозионностойких покрытий способами газопламенного, электродугового и плазменного напыления. Особенностью материалов является возможность аморфизации структуры напыляемых покрытий. Наличие аморфной составляющей в структуре покрытий обеспечивает комплекс повышенных служебных свойств (износо- и коррозие-стойкости, прочности соединения с основой).

Для защиты частиц напыляемого материала от окисления, обезуглероживания и азотирования применяют газовые линзы (кольцевой потокинертного газа), являющиеся как бы оболочкой плазменной струи, и специальные камеры с инертной средой, в которых происходит процесс напыления.

Приведем примеры применения плазменного напыления в процессах восстановления деталей.

Освоено несколько разновидностей процесса восстановления коренных опор блоков цилиндров. Первые исследователи способа рекомендовали в качестве наносимого материала малоуглеродистую стальную проволоку Св-08 для обеспечения однородной мелкодисперсной структуры покрытия и повышения прочности соединения его с основой. Позднее были рекомендованы порошкообразные материалы. Распространение получили композиционные порошки и порошки из бронзы. Порошки из бронзы наносят на поверхности как чугунных деталей, так и деталей из алюминиевого сплава. Предварительно должен быть нанесен термореагирующий подслой Al-Ni.

При восстановлении коренных опор в чугунных блоках цилиндров применяют более дешевый порошок грануляцией 160…200 мкм состава: Fe (основа). 5 % Си и 1 % AI. Режим нанесения покрытия: ток плазменной дуги 330 А, напряжение 70 В, расход плазмообразующего газа (азота) 25 л/мин, диаметр сопла плазмотрона 5,5 мм, частота качаний плазмотрона 83 мин’, подача детали 320 мм/мин, расход порошка 7 кг/ч.

Процесс нанесения плазменного покрытия на поверхности отверстий в деталях из алюминиевого сплава включает:

1) сушку порошков при температуре 150..20 °С в течение 3 ч;

2) предварительное растачивание отверстий до размера, превышающего на 1 мм номинальный размер отверстия;

3) установку защитных экранов;

4) обезжиривание напыляемых поверхностей ацетоном;

5) нанесение покрытия в две операции;

6) снятие защитных экранов;

7) предварительное и окончательное растачивание;

8) удаление облоя.

В первой операции наносят подслой ПН-85Ю15, во второй - основной слой из медного порошка ПМС-Н. Режимы нанесения покрытий: сила тока 220…280 А, расход азота 20…25 л/мин при давлении 0,35 МПа. расстояние от сопла до детали 100… 120 мм, время нанесения покрытия 15 мин. Покрытие наносят на стенде. Плазмообразующее оборудование состоит из источника питания ИПН 160/600 н установки УПУ-ЗД или УПУ-8.

Применяют плазменное напыление при нанесении покрытий на плоскости головок цилиндров из силумина. Технология включает предварительное фрезерование изношенной поверхности, нанесение покрытия и последующую обработку. В качестве материала покрытия используют порошок из алюминия и 40…48 % Fe. Режим нанесения покрытия: сила тока 280 А, расстояние от сопла до детали 90 мм. расход плазмообразующего газа (азота) 72 л/мин.

С целью удешевления процесса и повышения его производительности внедрен процесс электродугового напыления плоскостей из проволоки Св-АК5 диаметром 2 мм. Применяют источник тока ВГД-301 и металлизатор ЭМ-12. Режимы напыления: сила тока 300 А, напряжение 28… 32 В, давление распыливающего воздуха 0.4…0.6 МПа, расстояние от сопла до детали 80… 100 мм. Покрытие толщиной 5 мм наносят за 8… 10 мин.

При восстановлении поршней из алюминиевого сплава наносят плазменное покрытие из порошка бронзы ПР-Бр. АЖНМц 8,5-4-5-1,5 (8,5 % AI, 4 % Fe, 4.8 % Ni. 1,4 % Мп, остальное Си). Игпользуют установку УПУ-8. Режим нанесения: ток 380 А, расстояние от сопла до детали 120 мм. плазмообразуюший газ - смесь аргона с азотом.

При восстановлении коленчатых валов из высокопрочного чугуна наносят плазменное покрытие из композиции порошков на термореагирующий подстой из материала ПН-85Ю15. Состав композиции: 50 % ПГСР, 30 % ПЖ4 и 20 % ПН85Ю15.

Режимы процесса: I = 400 А, расстояние от сопла до детали 150 мм. расход азота 25 л/мин. Согласно авторскому свидетельству на изобретение СССР № 1737017. цель которого - повышение адгезионной и когезионной прочности покрытий, наносимый материал содержит (в мае. %): самофлюсующийся сплав системы Ni-Сг-В-Si 25…50, порошок железа 30…50 и никель-алюминиевый порошок 20…25.

Микроплазменное напыление применяют при восстановлении участков деталей с размерами 5… 10 мм с целью уменьшения потерь напыляемого материала. Используют плазмотроны малой мощности (до 2… 2,5 кВт), генерирующие квазиламинарную плазменную струю при силе тока 10…60 А. В качестве плазмообразующего и защитного газа применяют аргон. При микроплазменном напылении удается уменьшить диаметр металлоплазменной струи до 1…5 мм. Процесс характерен низким уровнем шума (30…50 дБ) и небольшим количеством отработавших газов, что позволяет вести напыление в помещении без применения рабочей камеры. Создана установка микроплазменного напыления МПН-001.

Технологические режимы плазменного напыления определяются: видом и дисперсностью материала, током плазменной струи и его напряжением, видом и расходом плазмообразующего газа, диаметром сопла плазменной горелки и расстоянием от сопла до напыляемой поверхности.

Дисперсность частиц материала, ток плазменной струи и расход плазмообразующего газа определяют температуру нагрева частиц и их скорость перемещения, а значит, - плотность и структуру покрытия.

Большая равномерность свойств покрытия обеспечивается при более высокой скорости перемещения плазмотрона относительно детали и меньшей толщине слоя. Эта скорость мало влияет на коэффициент использования материала и значительно сказывается на производительности процесса.

Расстояние от сопла до восстанавливаемой поверхности зависит от вида плазмообразующего газа, свойств напыляемого материала и изменяется в пределах 120…250 мм (чаще 120…150 мм). Угол между осью потока частиц и восстанавливаемой поверхностью должен приближаться к 90°.

Оптимальное сочетание теплосодержания потока плазмы, времени пребывания частиц в этом потоке и их скорости обеспечивает получение покрытий с высокими физико-механическими свойствами.

Свойства плазменных покрытий существенно улучшаются при их оплавлении. При этом плавится наиболее легкоплавкая часть материала, однако температура нагрева должна быть достаточной для плавления боросиликатов, которые восстанавливают металлы из оксидов и образуют шлаки.

Оплавляемые материалы должны удовлетворять таким требованиям: температура плавления легкоплавкой составляющей сплава не должна превышать 1000… 1100 °С. сплав в разогретом состоянии должен хорошо смачивать поверхность заготовки и обладать свойством самофлюсования. Такими свойствами обладают порошковые материалы на основе никеля, имеющие температуру плавления 980… 1050 °С и содержащие флюсующие элементы: бор и кремний. Недостаточная температура нагрева покрытия приводит к образованию на поверхности капель металла. Жидкое состояние части покрытия способствует интенсивному протеканию диффузионных процессов, при этом материал детали остается в твердом состоянии.

В результате оплавления значительно повышается прочность соединения покрытия с основой, увеличивается когезионная прочность, исчезает пористость и улучшается износостойкость.

Оплавленные покрытия имеют обрабатываемость, близкую к обрабатываемости монолитных жаропрочных сталей и сплавов аналогичного химического состава.
Покрытия оплавляют: газовой горелкой (ацетиленокислородным пламенем), в термической печи, индуктором (токами высокой частоты), электронным или лазерным лучом, плазменной горелкой (плазменной струей), пропусканием тока большой величины.

Оплавление газовой горелкой - наиболее простой способ, позволяющий визуально контролировать качество оплавления. Недостатки способа - односторонний нагрев детали, который может привести к ее короблению, и большая трудоемкость при обработке массивных деталей.

Печное оплавление обеспечивает прогрев всего объема детали, поэтому вероятность появления трещин уменьшается. Однако сопряженные с покрытием участки детали покрываются окалиной, их физико-механические свойства ухудшаются. Негативное влияние окислительной атмосферы на свойства покрытий при их нагреве исключается при наличии защитной среды.

Хорошие результаты дает индукционное оплавление, которое обеспечивает большую производительность без нарушения термообработки всей заготовки. Нагреву подвергают только покрытие и примыкающий к нему тонкий слой основного металла. Толщина прогреваемого металла зависит от частоты тока: с увеличением последней толщина уменьшается. Высокие скорости нагрева и охлаждения могут привести к трещинам в покрытии.

Оплавление покрытий электронным или лазерным лучом практически не изменяет свойств сопряженных с покрытием участков и сердцевину детали. Вследствие высокой стоимости эти способы следует применять при восстановлении ответственных дорогостоящих деталей, покрытия на которых трудно оплавить другими способами.

Оплавленные покрытия из сплавов на основе никеля ПГ-СР2. ПГ-СРЗ и ПГ-СР4 имеют такие свойства:

Твердость 35…60 HRC в зависимости от содержания в них бора;

Повышенную в 2…3 раза износостойкость по сравнению с закаленной сталью 45, что объясняется присутствием в структуре покрытия твердых кристаллов (боридов и карбидов);

Увеличенную в 8… 10 раз прочность соединения покрытия с основой по сравнению с прочностью соединения неоплавленных покрытий;

Повышенную на 20…25 % усталостную прочность.

Область применения плазменных покрытий с последующим оплавлением - это восстановление поверхностей деталей, работающих в условиях знакопеременных и контактных нагрузок.

Оплавленные покрытия имеют многофазную структуру, составляющие которой - бориды, избыточные карбиды и эвтектика. Вид микроструктуры (дисперсность, вид и количество составляющих) зависит от химического состава самофлюсующегося сплава, времени и температуры нагрева.

Наилучшую износостойкость деталям в нагруженных сопряжениях обеспечивают покрытия из самофлюсующихся сплавов. Структура покрытия - высоколегированный твердый раствор с включениями дисперсных металлоподобных фаз (прежде всего боридных или карбидных) с размером частиц 1…10 мкм, равномерно распределенных в основе.

Для плазменного напыления металлических и неметаллических покрытий (тугоплавких, износостойких, коррозионностойких) применяют установки: УН-115, УН-120, УПМ-6. УПУ-ЗД. УПС-301. АПР-403. УПРП-201.

Для генерирования плазмы используют различные плазмотроны. Реализуемые в конкретной конструкции диапазон и уровень удельных мощностей характеризуют эффективность преобразования электрической энергии дуги в тепловую плазменной струи, а также технологические возможности плазмотрона.

Задача разработки технологического плазмотрона всегда сводится к созданию относительно простой, ремонтопригодной конструкции, обеспечивающей стабильную длительную работу в широком диапазоне изменения сварочного тока дуги, расхода и состава плазмообразующего газа, а также генерирование плазменной струи с воспроизводимыми параметрами, что позволяет эффективно обрабатывать материалы с различными свойствами.

В практике напыления применяют как однородные порошки различных материалов (металлов, сплавов, оксидов, бескислородных тугоплавких соединений), так и композиционные, а также механические смеси указанных материалов.

Наиболее распространены следующие порошковые материалы:

металлы - Ni, Al, Mo, Ti, Cr, Cu;

сплавы - легированные стали, чугун, никелевые, медные, кобальтовые, титановые, в том числе самофлюсующиеся сплавы (Ni-Cr-B-Si, Ni-B-Si, Co-Ni-Cr-B-Si, Ni-Cu-B-Si);

оксиды Al , Ti , Cr , Zr и других металлов и их композиции;

бескислородные тугоплавкие соединения и твердые сплавы - карбиды Cr , Ti , W и др. и их композиции с Со и Ni ;

композиционные плакированные порошки - Ni -графит, Ni -А l и др.;

композиционные конгломерированные порошки- Ni — Al , NiCrBSi — Al
и др.;

механические смеси - Cr 3 C 2 + NiCr , NiCrBSi + Cr 3 C 2 и др.

В случае применения композиционных порошков в технологии газотермического напыления преследуют следующие цели:

использование экзотермического эффекта взаимодействия компонентов (Ni — Al , Ni — Ti и т. п.);

равномерное распределение компонентов в объеме покрытия, например, типа керметов (Ni — Al 2 0 3 и т. п.);

защита материала ядра частицы от окисления или разложения при напылении (Co — WC , Ni — TiC и т. п.):

формирование покрытия с участием материала, самостоятельно не образующего покрытия при газотермическом напылении (Ni -графит и т. п.);

улучшение условий формирования покрытий за счет увеличения средней плотности частиц, введение компонентов с высокой энтальпией.

Применяемые для напыления порошки не должны разлагаться или возгоняться в процессе напыления, а должны иметь достаточную разницу между температурами плавления и кипения (не менее 200 °С).

При выборе порошковых материалов для получения различных плазменных покрытий необходимо учитывать следующие положения.

Гранулометрический состав применяемых порошковых материалов имеет первостепенное значение, так как от него зависят производительность и коэффициент использования, а также свойства покрытий. Размер частиц порошка выбирают в зависимости от характеристик источника тепловой энергии, теплофизических свойств напыляемого материала и его плотности.

Обычно при напылении мелкодисперсного порошка получают более плотное покрытие, хотя в нем содержится большое количество оксидов, возникающих в результате нагрева частиц и их взаимодействия с высокотемпературным потоком плазмы. Чрезмерно крупные частицы не успевают прогреться, поэтому не образуют достаточно прочной связи с поверхностью и между собой или просто отскакивают при ударе. При напылении порошка, состоящего из смеси частиц разных диаметров, более мелкие частицы расплавляются в непосредственной близости от места их подачи в сопло, заплавляют отверстие и образуют наплывы, которые время от времени отрываются и в виде больших капель попадают на напыляемое покрытие, ухудшая его качество. Поэтому напыление предпочтительно следует производить порошками одной фракции, а все порошки перед напылением подвергать рассеиванию (классификации).

Для керамических материалов оптимальный размер частиц порошка 50-70 мкм, а для металлов - около 100 мкм. Порошки, предназначенные для напыления, должны иметь сферическую форму. Они обладают хорошей сыпучестью, что облегчает их транспортировку к плазмотрону.

Почти все порошки гигроскопичны и могут окисляться, поэтому их хранят в закрытой таре. Порошки, находившиеся некоторое время в открытой таре, перед напылением прокаливают в сушильном шкафу из нержавеющей стали слоем 5-10 мм при температуре 120-130 °С в течение 1,5-2 ч.

Порошок для напыления выбирают с учетом условий эксплуатации напыляемых деталей.

Возможными дефектами плазменно-дугового способа нанесения покрытий является отслоение напыленного слоя, растрескивание покрытия, появление на поверхности крупных капель материала покрытия, капель меди, а также разнотолщинность покрытия (выше допустимой).

С целью повышения адгезионной и когезионной прочностей и других качественных характеристик плазменные покрытия подвергают дополнительной обработке различными способами: обкатка роликами под током, очистка напыляемых поверхностей от окалины и удаление слабо сцепленных с основой или с предыдущим слоем частиц металлическими щетками в процессе самого напыления, струйно-абразивная и ультразвуковая обработка и др.

Одним из наиболее распространенных способов улучшения качества покрытий из самофлюсующихся сплавов является их оплавление. Для оплавления используют индукционный или печной нагрев, нагрев в расплавах солей или металлов, плазменный, газопламенный, лазерный и др. В большинстве случаев предпочтение отдают нагреву в индукторах токами высокой частоты (ТВЧ). Напыленные покрытия системы Ni — Cr — B — Si — C подвергают оплавлению при 920-1200 0 С с целью уменьшения исходной пористости, повышения твердости и прочности сцепления с металлом - основой.

Технологический процесс плазменного напыления состоит из предварительной очистки (любым известным методом), активационной обработки (например, абразивно-струйной) и непосредственно нанесения покрытия путем перемещения изделия относительно плазмотрона или наоборот.

Лащенко Г.И. Плазменное упрочнение и напыление. – К.: «Екотехнолог i я», 2003 – 64 с.

Важно отметить, что резервы свойств исходных материалов и общеизвестных технологий, используемых при изготовлении изнашиваемых деталей, с точки зрения повышения износостойкости, практически полностью израсходованы.

Одним из перспективных направлений на пути создания высоконадежных, долговечных и конкурентоспособных изнашиваемых деталей является применение современных технологий нанесения функциональных покрытий. В мировой практике известны три основных наиболее часто применяемых метода нанесения покрытий – это технологии наплавки, напыления и осаждения. Трудности выбора оптимального метода, стоящие перед технологами машиностроительных производств, осложняются большим количеством подвидов вышеназванных технологий, многовариантностью режимов, а также многообразием применяемых присадочных и других вспомогательных материалов. Поэтому знание основных характеристик, достоинств и недостатков данных процессов позволит ориентироваться в выборе технологий для решения конкретных производственных задач.

Рис. 1 Напыление вала

Основным отличительным признаком метода нанесения является толщина покрытия: для процессов наплавки – это более 1 мм, для напыления – менее 1 мм, для осаждения – менее 10 мкм. В данной статье приведены сравнительные характеристики наиболее часто используемых газотермических методов, проводимых при атмосферном давлении, дано определение этих методов, рассмотрена их классификация, преимущества и недостатки.

Технологии наплавки

Наплавка – нанесение покрытий слоями толщиной в несколько миллимет­ров из расплавленного присадочного материала на оплавленную металлическую поверхность изделия. В зависимости от вида источника нагрева рассматриваемых газотермических процессов наплавка может производиться при помощи теплоты газового пламени (газопламенная наплавка), электрической дуги (электродуговая наплавка в среде защитного газа) или сжатой дуги (плазменная наплавка).

Рис. 2 ПНН клапана

Назначение наплавки – изготовление деталей с износо­ и коррозионностойкими свойствами поверхности, а также восстановление размеров изношенных и бракованных деталей за счет нанесения покрытий, обладающих высокой плотностью и прочностью сцепления с изделием, работающих в условиях высоких динамических, знакопеременных нагрузок или подверженных интенсивному абразивному изнашиванию.

Преимущества процессов наплавки:

• отсутствие ограничений по размерам наплавляемых зон;
• возможность нанесения покрытий различных толщин;
• возможность получения требуемых размеров восстанавливаемых деталей путем нанесения материала того же состава, что и основной металл;
• использование не только для восстановления размеров изношенных деталей, но и для ремонта изделий за счет ликвидации локальных трещин, пор и других дефектов;
• возможность (применительно к плазменной наплавке) ведения процесса на постоянном токе обратной полярности, повышающим качество и стабильность свойств биметаллических соединений за счет эффекта катодной очистки, проявляющемся в удалении окисных и адсорбированных пленок и улучшении смачивания жидким металлом обрабатываемой поверхности; более низкого тепловложения по сравнению с наплавкой на токе прямой полярности и, как следствие, отсутствие или минимальное расплавление подложки;
• возможность многократного проведения процесса и, следовательно, высокая ремонтоспособность наплавляемых деталей;
• высокая производительность и легкость автоматизации процесса;
• относительная простота и мобильность оборудования.

Недостатки технологий наплавки:

• возможность изменения свойств наплавленного покрытия из­за перехода в него элементов основного металла;
• изменение химического состава основного и наплавленного металла вследствие окисления легирующих элементов и основы металла;
• возможность структурных превращений в основном металле, в частности, образование крупнозернистой структуры, новых хрупких фаз;
• возникновение деформаций в наплавленных изделиях за счет значительного термического воздействия;
• образование больших растягивающих напряжений в поверхностном слое детали, достигающих 500 МПа;
• снижение характеристик сопротивления усталости наплавленных изделий;
• возможность возникновения трещин в наплавленном металле и зоне термического влияния, и, как следствие, более ограниченный, чем, например, при напылении, выбор сочетаний основного и наплавленного металлов;
• обязательное использование в отдельных случаях предварительного нагрева и медленного остывания наплавляемого изделия, что увеличивает длительность процесса;
• наличие больших припусков на механическую обработку и, как следствие, существенные потери металла наплавки;
• трудоемкость механической обработки наплавленного слоя большой толщины;
• требования преимущественного расположения наплавляемой поверхности в горизонтальном положении (необходимость применения наплавки в нижнем положении при использовании порошковых металлов);
• трудность наплавки мелких изделий сложной формы.

Таблица 1. Технико-экономические показатели методов наплавки

Метод наплавки	Производи­тельность метода		Толщина покры­тия	Припуск на обработ­ку	Доля основного металла в наплавлен­ном	Проч­ность сцепле­ния	Деформация детали после наплавки	Снижение сопротивле­ния усталости	Коэффициент производи­тельности, К п	Коэффи­циент технико­экономической эффективности, К э
	кг/ч	см 2 /мин	мм	мм	%	МПа		%
Газопламенный	0,15 ­ 2,0	1 ­ 3	0,5­3,5	0,4­0,8	5­30	480	Значительная	25	0,7­0,6	0,14
В среде CO 2	1,5 ­ 4,5	18 ­ 36	0,5­3,5	0,7­1,3	12­45	550	Значи­тельная	15	1,8­1,7	0,40
В среде Ar	0,3 ­ 3,6	12 ­ 26	0,5­2,5	0,4­0,9	6­25	450	Пониженная	25	2,1­1,7	0,17
Плазменный	1 ­ 12	45 ­ 72	0,5­5,0	0,4­0,9	0­30	490	Пониженная	12	2,2­1,9	0,56

Технико­экономические показатели рассматриваемых способов наплавки представлены в табл. 1 , где даны показатели для покрытий толщиной 1 мм. Коэффициент производительности – К п рассчитан как отношение основного времени, затраченного на восстановление условной детали ручным дуговым способом t р.н., к основному времени восстановления условной детали сравниваемым способом t i: К п =t р.н. /t i . За основное время восстановления условной детали приняты затраты времени, включающие предварительную и последующую механические обработки и нанесение покрытия. Коэффициент технико­экономической эффективности – К э определялся с учетом производительности и экономичности способа восстановления условной детали: К э =К п ·Э а /100, где Э а – экономия при восстановлении условной детали, %.

Использование конкретного способа наплавки из рассмотренных обусловлено условиями производства, количеством, формой и размерами наплавляемых деталей, допустимой долей участия основного металла в наплавленном, технико­экономическими показателями, а для восстановительной наплавки – величиной износа.

Выбор типа наплавленного металла и, следовательно, марки присадочного материала производится в соответствии с видом рабочего нагружения наплавляемой детали. Основными видами нагружения деталей машин и инструмента являются: абразивное, ударно­абразивное, гидроабразивное, контактно­ударное, термомеханическое, трение металла о металл, кавитационное, коррозионное. Детали машин чаще всего испытывают одновременно несколько видов нагружения. Поэтому при выборе типа наплавленного металла ориентируются на преобладающий вид износа.

Рис. 3 Осаждение покрытия на фрезу

Из сравнительного анализа рассмотренных методов очевидно преимущество процесса плазменной наплавки, вследствие его высокой производительности, незначительного припуска на механическую обработку, минимальной доли основного металла в наплавленном, наименьшему снижению сопротивления усталости. Особенно эффективен процесс плазменно­порошковой наплавки, позволяющий обеспечить точно заданную глубину проплавления и толщину покрытия, высокую равномерность по толщине слоя, возможность обеспечения необходимых состава, структуры и свойств уже в первом слое металла наплавки, высокую степень автоматизации, малые остаточные напряжения и деформации, отсутствие разбавления наплавляемого покрытия основным металлом.

Технологии напыления

Напыление – процесс, заключающийся в нагреве распыляемого материала высокотемпературным источником, образовании двухфазного газопорошкового потока и формировании покрытия на поверхности изделия толщиной менее 1 мм.

В зависимости от вида используемого источника энергии процессы напыления подразделяются на:

• газопламенные, в которых используется тепло при сгорании горючих газов (ацетилена, пропан­бутана, водорода, метана, природного газа и др.) в смеси с кислородом или сжатым воздухом;
• электродуговые, где осуществляется плавление проволоки электрической дугой и распыление расплавленного металла сжатым воздухом;
• детонационные, использующие энергию детонации газовых смесей (кислород + горючий газ), в которых перенос и нагрев частиц осуществляется ударной волной, образующейся в результате взрыва горючей смеси и выделении при этом теплоты;
• плазменные, где плавление наносимого порошкового материала осуществляется в плазменной струе;
• высокоскоростные, где порошок подается в камеру сгорания, в которой обеспечивается горение топлива содержащего кислород и горючие газы (керосин, водород, пропан, метан) с последующим прохождением порошка и газов через расширяющееся сопло.

Метод напыления

Вид напыляемого материала

Оптимальная толщина покрытия

Температура пламени, дуги, детонации, струи

Скорость истечения пламени, дуги, детонации, струи

Скорость частиц

Прочность сцепления покрытия с основой

Пористость покрытия

Производительность процесса

Коэф­фициент исполь­зования материала

Уровень шума

металл

керамика

кг / ч

Газопламенный

порошок, проволока

3463 (С 2 Н 2 +О 2)

Электродуговой

проволока

Детонационный

Плазменный

в инертных средах

порошок, проволока

0,5­8 (20­60 кВт)

в активных средах

в разряженных средах

Высокоcкоростной

Назначение процессов напыления – нанесение защитных покрытий заданных свойств минимальной толщиной от 0,05 мм и восстановление размеров изношенных и бракованных поверхностей. Технико­экономические показатели процессов напыления представлены в табл. 2 .

Преимущества технологий напыления:

• универсальность процессов, позволяющая наносить покрытия разного функционального назначения, а также для восстановления размеров изношенных деталей;
• малое термическое воздействие на напыляемую основу (температура ее нагрева не превышает 100­150 °С), позволяющее исключить нежелательные для нее структурные превращения, избежать деформаций и изменения размеров изделий;
• возможность нанесения покрытий на изделия, изготовленные практически из любого материала;
• отсутствие ограничений по размерам напыляемых изделий;
• возможность нанесения покрытий на локальные поверхности;
• возможность нанесения многослойных покрытий разнородными материалами;
• высокая технологичность процесса, в связи с гибкостью регулирования параметров режима;
• возможность получения регламентируемой однородной пористости покрытия для использования в условиях работы со смазкой поверхностей скольжения;
• положительное влияние на усталостную прочность основы, за счет получения при напылении слоистой структуры покрытия, в отличие от столбчатой, образующейся при осаждении из газовой или паровой фазы, диффузионном насыщении;
• нанесение равномерного покрытия с минимальными припусками для последующей механической обработки;
• возможность эксплуатации в отдельных случаях напыленных деталей без последующей механической обработки;
• возможность использования напыления для формообразования деталей (напыление производят на поверхности формы­оправки, которую после окончания процесса удаляют; остается оболочка из напыленного материала);
• высокая производительность процесса напыления;
• возможность автоматизации процесса.

Недостатки процессов напыления:

• нестойкость напыленных покрытий к ударным механическим нагрузкам;
• анизотропия свойств напыленных покрытий;
• низкий коэффициент использования напыленного материала при нанесении покрытий на мелкие детали;
• обязательное использование перед процессом напыления активационной обработки (например, абразивно­струйной), что увеличивает длительность и трудоемкость процесса;
• выделение аэрозолей напыляемого материала и побочных газов, требует использования мощной вытяжной вентиляции;
• повышенный уровень шума, а в случаях, связанных с электрической дугой – ультрафиолетового излучения.

Технологии осаждения

Осаждение – это методы нанесения защитных покрытий микронной толщины (менее 10 мкм), характеризующиеся конденсацией на поверхности изделий компонентов паровой или газовой фазы в условиях обработки частицами высоких энергий в вакууме или плазменными струями при атмосферном давлении.

Отличительными свойствами методов является обеспечение высокой адгезионной прочности покрытия к основе за счет применения физических процессов подготовки и активации поверхности (нагрева и предварительной очистки поверхностей тлеющим разрядом, бомбардировкой ионами инертных газов).

Процесс формирования покрытий осуществляется за счет обработки ионами в процессе конденсации, осаждения высоко­энергетических ионов, а также атомов и молекул с участием плазмохимических процессов.

Процессы осаждения подразделяются на:

• плазменные, заключающиеся в нанесении покрытий при атмосферном давлении и являющиеся продуктами плазмохимических реакций реагентов, прошедших через дуговой или высокочастотный плазмотрон;
• ионно­плазменные, происходящие в вакууме: необходимый для получения покрытий материал переводится из твердой в газовую фазу распылением мишени энергетическими ионами или испарением катода, добавкой реакционных газов;
• ионно­лучевые, аналогичные ионно­плазменным, в которых дополнительно используются электроннолучевые пушки.

Назначение процессов осаждения – изготовление деталей машин и механизмов, технологической оснастки и инструмента, предусматривающее финишный способ нанесения тонкопленочных покрытий различного применения.

Рассмотрим сравнительные характеристики двух основных процессов осаждения покрытий микронной толщины при помощи использования плазменных струй, истекающих при атмосферном давлении – высокочастотного плазменного нанесения износостойких покрытий и электродугового плазменного нанесения тонкопленочных покрытий (технология финишного плазменного упрочнения – ФПУ).

Процесс высокочастотного плазменного нанесения тонкопленочных покрытий осуществляется на установке «Плазма­401», предназначенной для упрочнения элементов штампов холодного деформирования из инструментальных сталей типа Х12М и У10 и различного режущего инструмента. Нанесение износостойких покрытий осуществляется при атмосферном давлении при помощи высокочастотного индукционного (ВЧИ) плазмотрона, позволяющего получать объемные потоки спектрально чистой плазмы благодаря отсутствию эрозирующих электродов. Элементы покрытия образуются за счет разогрева газоразрядной плазмой пучка кварцевых стержней. Одновременно в камеру ВЧИ­плазмотрона подается реакционный газ – аргон, барботируемый через этиловый спирт. В зоне высоких температур пары реакционных веществ разлагаются на исходные компоненты, а при снижении температуры происходит восстановление элементов с плазмохимическим синтезом кремнийуглеродистых соединений, которые уносятся плазмообразующим газом и осаждаются на напыляемой детали.

Сущность технологии электродугового плазменного нанесения тонкопленочных покрытий (процесс финишного плазменного упрочнения – ФПУ) состоит в нанесении износостойкого покрытия с возможностью или отсутствием одновременного осуществления процесса повторной плазменной закалки приповерхностного слоя (на глубину нескольких микрометров). Покрытие является продуктом плазмохимических реакций реагентов, прошедших через дуговой плазмотрон. Закалка происходит за счет локального воздействия высококонцентрированной плазменной струи.

Цель ФПУ– изготовление инструмента, штампов, пресс­форм, ножей, фильер, подшипников и др. деталей машин со специальными свойствами поверхности: износостойкостью, антифрикционностью, коррозионностойкостью, жаростойкостью, разгаростойкостью, антисхватыванием, стойкостью против фреттинг­коррозии.

Эффект от ФПУ достигается за счет изменения физико­механических свойств поверхностного слоя: увеличения микротвердости, уменьшения коэффициента трения, создания сжимающих напряжений, залечивания микродефектов, образования на поверхности диэлектрического и жаростойкого пленочного покрытия с низким коэффициентом теплопроводности, химической инертностью и специфической топографией поверхности.

Оборудование для ФПУ включает в себя источник тока, блок аппаратуры с жидкостным дозатором, плазмотроном и плазмохимическим генератором.

Технологический процесс ФПУ проводится при атмосферном давлении и состоит из операций предварительной очистки (любым известным методом) и непосредственно упрочнения обрабатываемой поверхности путем взаимного перемещения изделия и плазмотрона. Температура нагрева деталей при ФПУ не превышает 100­120 0 С. Параметры шероховатости поверхности после ФПУ не изменяются. В качестве плазмообразующего газа используется аргон, исходным материалом для прохождения плазмохимических реакций и образования покрытия является жидкий препарат СЕТОЛ. Его расход не превышает 0,5 г/ч (не более 0,5 литра в год).

По сравнению с аналогами – ионно­плазменным напылением, лазерным и электроискровым упрочнением, эпиламированием, нанесением кластерных покрытий процесс ФПУ имеет следующие преимущества:

• высокая воспроизводимость и стабильность упрочнения за счет двойного эффекта – от износостойкого покрытия и структурных изменений в тонком приповерхностном слое;
• проведение процесса упрочнения на воздухе при температуре окружающей среды не требует применения вакуумных или других камер и ванн;
• вследствие нанесения тонкопленочного покрытия (толщиной не более 3 микрометров), укладывающегося в допуски на размеры деталей, процесс упрочнения используется в качестве окончательной финишной операции;
• отсутствие изменений параметров шероховатости поверхности после процесса упрочнения;
• минимальный нагрев в процессе обработки (не более 100­120 о С) не вызывает деформаций деталей, а также позволяет упрочнять инструментальные стали с низкой температурой отпуска;
• возможность упрочнения локальных (по глубине и площади) объемов деталей в местах износа с сохранением исходных свойств материала в остальном объеме;
• тонкопленочное покрытие по микротвердости наиболее близко к алмазоподобным покрытиям;
• образующиеся на поверхности после ФПУ сжимающие остаточные напряжения при циклической нагрузке повышают усталостную прочность изделия (для сравнения: после операции шлифования возникают растягивающие напряжения, ведущие к снижению усталостной прочности);
• высокая адгезионная прочность сцепления покрытия с основой обеспечивает максимальную сопротивляемость истиранию (в том числе – при взаимодействии инструмента с обрабатываемым материалом);
• низкий коэффициент трения способствует подавлению процессов наростообразования при резании или налипания при штамповке и прессовании;
• формирование специфического микрорельефа поверхности способствует эффективному его заполнению смазочно­охлаждающей жидкостью при эксплуатации инструмента и деталей машин;
• образующееся на поверхности тонкопленочное аморфное (стеклообразное) покрытие защищает изделие от воздействия высокой температуры (испытания на высокотемпературную воздушную коррозию в течение 100 часов при температуре 800 о С);
• высокая производительность упрочнения (время обработки, например, кромок вырубного штампа средних размеров может составлять несколько минут);
• простота операций по очистке и обезжириванию перед упрочнением (отсутствие специальной предварительной подготовки);
• возможность упрочнения поверхностей деталей любых габаритов в ручном или автоматическом режимах;
• минимальное потребление и низкая стоимость расходных материалов;
• низкая потребляемая мощность установки для упрочнения – менее 6 кВт;
• незначительная площадь, занимаемая оборудованием – 1­3 м 2 ;
• малогабаритный плазмотрон для упрочнения (массой около 1 кг) может быть легко закреплен на манипуляторе, в руке робота, а также позволяет вести обработку вручную;
• транспортабельность и маневренность оборудования (масса порядка 100 кг);
• экологическая чистота процесса в связи с отсутствием отходов при упрочнении;
• минимальный уровень шума, не требующий специальных мер защиты;
• в отличие от методов упрочнения с использованием поверхностно­активных веществ в данной технологии отсутствуют особые требования к помещению, нет контактирования с токсичными материалами, не требуется затрат времени на выдержку в растворах и сушку обработанных деталей;
• возможность образования профилированных углублений путем обработки поверхности методом ФПУ и образования рабочих зазоров 2­3 мкм (например, для газодинамических подшипников);
• в отличие от избирательного переноса в процессе трения при ФПУ происходит принудительное образование в зоне фрикционного контакта тонкой неокисляющейся аморфной пленки с низким сопротивлением сдвигу, неспособной накапливать дислокации (дефекты) при деформации.

Тополянский П.А.,
Тополянский А.П.

НПФ «Плазмацентр»
(Санкт­Петербург)

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.

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.

Это прогрессивный способ нанесения покрытий, при котором расплавление и перенос материала на восстанавливаемую поверхность осуществляется струей плазмы. Плазма - это сильно ионизированное состояние газа, когда концентрация электронов и отрицательных ионов равна концентрации положительно заряженных ионов. Плазменную струю получают, пропуская плазмообразующий газ через электрическую дугу при ее питании от источника постоянного тока напряжением 80-100 В.

Переход газа в ионизированное состояние и распад его на атомы сопровождается поглощением значительного количества энергии, которая выделяется при охлаждении плазмы в результате ее взаимодействия с окружаемой средой и напыляемой деталью. Это обуславливает высокую температуру плазменной струи, которая зависит от силы тока, вида и расхода газа. В качестве плазмообразующего газа обычно применяют аргон или азот и реже водород или гелий. При использовании аргона температура плазмы составляет 15000-30000°С, а азота - 10 000-15 000 °С. При выборе газа следует учитывать, что азот дешевле и менее дефицитен, чем аргон, но чтобы зажечь в нем электрическую дугу, требуется значительно большее напряжение, что обуславливает повышенные требования к электробезопасности. Поэтому иногда при зажигании дуги используют аргон, для которого напряжение возбуждения и горения дуги меньше, а в процессе напыления - азот.

Покрытие формируется за счет того, что поступающий в струю плазмы наносимый материал расплавляется и переносятся потоком горячего газа на поверхность детали. Скорость полета частиц металла составляет 150-200 м/с при расстоянии от сопла до поверхности детали 50-80 мм. Благодаря более высокой температуре наносимого материала и большей скорости полета, прочность соединения плазменного покрытия с деталью выше, чем при других способах металлизации.

Высокая температура и большая мощность по сравнению с другими источниками тепла является основным отличием и преимуществом плазменной металлизации, обеспечивающим значительное повышение производительности процесса, возможность расплавлять и наносить любые жаростойкие и износостойкие материалы, включая твердые сплавы и композиционные материалы, а также оксиды, бориды, нитриды и др., в различных сочетаниях. Благодаря этому можно формировать многослойные покрытия с различными свойствами (износостойкие, хорошо прирабатывающиеся, жаростойкие и др.). Наиболее качественные покрытия получаются при применении самофлюсующихся наплавочных материалов.

Плотность, структура и физико-механические свойства плазменных покрытий зависят от наносимого материала, дисперсности, температуры и скорости столкновения переносимых частиц с восстанавливаемой деталью. Последние два параметра обеспечиваются за счет управления плазменной струей. Свойства плазменных покрытий существенно повышаются при последующем их оплавлении. Такие покрытия эффективны при ударных и высоких контактных нагрузках.

Принцип работы и устройство плазмотрона иллюстрирует рис. 4.51. Плазменную струю получают, пропуская плазмообразующий газ 7 через электрическую дугу, создаваемую между вольфрамовым катодом 2 и медным анодом 4 при подключении к ним источника тока.

Катод и анод разделены между собой изолятором 3 и непрерывно охлаждаются жидкостью б (желательно дистиллированной водой). Анод выполнен в виде сопла, конструкция которого обеспечивает обжатие и определенное направление плазменной струи. Обжатию способствует также электромагнитное поле, возникающее вокруг струи. Поэтому ионизированный плазмообразующий газ выходит из сопла плазмотрона в виде струи небольшого сечения, что обеспечивает высокую концентрацию тепловой энергии.

Рис. 4.51. Схема процесса плазменного напыления: 1 - порошковый дозатор; 2- катод; 3 - изоляционная прокладка; 4 - анод; 5 - транспортирующий газ; 6 - охлаждающая жидкость; 7 - плазмообразующий газ

Наносимые материалы используются в виде гранулированных порошков с размером частиц 50-200 мкм, шнуров или проволоки. Порошок может подаваться в плазменную струю вместе с плазмообразующим газом или из дозатора 1 транспортирующим газом 5 (азотом) в сопло газовой горелки, а проволоку или шнур вводят в плазменную струю ниже сопла плазменной горелки. Перед использованием порошок следует просушить и прокалить для уменьшения пористости и повышения сцепляемости покрытия с деталью.

Защита плазменной струи и находящихся в ней расплавленных частиц металла от взаимодействия с воздухом может осуществляться потоком инертного газа, который должен охватывать плазменную струю. Для этого в плазмотроне концентрично основному предусматривается дополнительное сопло, через которое подается инертный газ. Благодаря ему исключается окисление, азотирование и обезуглероживание напыляемого материала.

В рассмотренном примере источник питания подключен к электродам плазмотрона (закрытая схема подключения), поэтому электрическая дуга служит только для создания плазменной струи. При применении наносимого материала в виде проволоки источник питания может быть подключен также и к ней. В этом случае кроме плазменной струи образуется плазменная дуга, которая также участвует в расплавлении прутка, благодаря чему мощность плазмотрона существенно возрастает

Современные плазменные наплавочные установки имеют электронные системы регулирования параметров процесса, оснащаются манипуляторами и роботами. Это повышает производительность и качество процесса напыления, улучшает условия работы обслуживающего персонала.