Lektsia_4_Plazmennye_pokrytia (Архив лекций по функциональным покрытиям)

Лекция №4. Плазменные покрытия.

Определения

Плазменное напыление — процесс нанесения покрытия на поверхность изделия с помощью плазменной струи.

Сущность плазменного напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подаётся распыляемый материал, который нагревается, плавится и в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с поверхностью основы или напыляемым материалом и формирование покрытия. Плазменное напыление является одним из вариантов газотермического напыления.

Дуга свободна, если её развитие в пространстве не ограничено. Сжатая дуга помещается в узких каналах и обдувается струями газов или паров. Особенно мощные плазменные потоки у сжатой дуги. Сжатые дуги являются основой дугового плазмотрона - устройства для получения «низкотемпературной» плазмы. Физические исследования по созданию плазмотронов начались в начале ХХ века, а наиболее широкое исследование в конце 50-х, начале 60-х годов. В 1922 году Жердьен и Лотц получили сжатую дугу, стабилизированную водяным вихрем. В 1951 году в дуговом разряде, стабилизированном водяным вихрем, Бурхорну, Меккеру и Петерсу удалось получить температуру 50000°С, а в 1954 году на установке для получения сжатой дуги при высоком давлении паров воды Петерс получил сверхзвуковую скорость истечения плазменной струи - 6500м/с при температуре 8000К (1,6 М).

В середине пятидесятых фирма Джианини публикует работы по устройству газового плазмотрона с кольцевым анодом.

В конце 50-х были созданы первые дуговые плазмотроны, а в начале 60-х годов – плазменные распылители. Из-за своей универсальности (температура плазменной струи обеспечивала плавление любых материалов) плазменные распылители заняли значительное место в ГТН, потеснив газопламенные методы.

Плазменная обработка позволила упрочнять поверхность конструкционных материалов. Плазменное напыление - создавать новые композиционные материалы и покрытия, которые не могут быть получены другими методами. Особенно широко плазменное напыление используется для нанесения порошков оксидов различных металлов.

Технoлoгический прoцесс плазменного напыления и соответствующая пoдгoтoвка пoверхнoсти деталей позволяет наносить пoкрытия нa изнoшенные цилиндрические пoверхнoсти детaлей  (валы,  фигурные и плoские пoверхнoсти).  Подготовка поверхности  предусмaтривaет следующие oперaции: oчистку детaлей oт грязи, мaсляных и смoлистых oтлoжений, a при нерaвнoмернoм их изнoсе — мехaническую oбрaбoтку для устрaнения нерoвнoстей и придaния пoверхнoсти прaвильнoй геoметрическoй фoрмы; сушку детaлей пoсле прoмывки в сушильнoм шкaфу при темперaтуре 80... 150°С или oбдувку сжaтым вoздухoм.

Принцип плазменного напыления. Между катодом и медным водоохлаждаемым соплом, служащим анодом, возникает дуга, нагревающая поступающий в сопло горелки рабочий газ, который истекает из сопла в виде плазменной струи. В качестве рабочего газа используют аргон или азот, к которым иногда добавляют водород. Порошковый наплавочный материал подается в сопло струёй транспортирующего инертного газа, нагревается плазмой и с ускорением переносится на поверхность основного материала для образования покрытия. Средняя температура плазмы на выходе из сопла плазмотрона находится в пределах от нескольких тысяч градусов до десятков тысяч градусов Кельвина. 

Схема плазменного напыления

Рис.1. Простейшая схема установки для плазменного напыления. П – покрытие; С – струя напыляемого материала и продуктов сгорания газов.

КПД плазменной горелки составляет 50—70%. Высокая температура плазмы позволяет проводить напыление тугоплавких материалов. Возможность регулирования температуры и скорости плазменной струи путем выбора формы и диаметра сопла и режима напыления расширяет диапазон напыляемых материалов (металлы, керамика и органические материалы). Покрытия, полученные методом плазменного напыления, обладают высокой плотностью и хорошим сцеплением с основой. Процесс плазменного напыления хорошо поддаётся автоматизации. 


Рис. 2. Схема плазменной наплавки.

1 – деталь, 2 – бункер, 3 - плазменная головка, 4 - источник питания, 5 – сварочная проволок

Методы и история их создания

• Атмосферное плазменное напыление англ. Atmospheric plasma spraying (APS) запатентован Giannini and Ducati в 1960 г., Gage в 1962 г. Базируется на применении Плазменного генератора Гердиена, изобретенного в 1922 г.

• Вакуумное плазменное напыление англ. Vacuum plasma spraying (VPS), или Low-Pressure Plasma Spraying(LPPS) Приоритет изобретение отдают сотруднику фирмы Plasmadyne Мюльбергеру, в 1973 г.

• Плазменное напыление в контролируемой атмосфере англ. Controlled-atmosphere plasma spraying (CAPS) Mash, Stetson и Hauck в 1961 г. первыми сообщили о напылении плазмой в камере, заполненной инертным газом. Эту технику назвали Inert Plasma Spraying (IPS). Другой способ, позволяющий изолировать плазменную струю от окружающей атмосферы, был изобретен Okada и Maruo в 1968 г. и назывался Shrouded Plasma Spraying (SPS). В этом способе защитный газ подавался из сопла, присоединенного к аноду плазмотрона, близко к подложке, что позволяло удалять плазмообразующий газ.

Атмосферное плазменное напыление

Общепризнано, что процесс атмосферного плазменного напыления (АПН) позволяет  использовать самый широкий диапазон материалов покрытия из всех процессов термического напыления для неограниченного числа применений на металлических образцах, работая там, где не могут другие процессы.

Свойства поверхности, достигаемые с помощью процесса атмосферного плазменного напыления

• Уплотнение между движущимися деталями

• Абразивные поверхности

• Ремонт и восстановление изношенных поверхностей

• Устойчивость к абразивному, адгезионному износу, износу при трении и фреттинге

• Устойчивость к образованию полостей

• Коррозионная устойчивость в кислой, щелочной и солевой средах; устойчивость к химическим воздействиям

• Устойчивость к горячей коррозии

• Электропроводящие поверхности

• Электроизолирующие поверхности

• Устойчивость к химическим воздействиям

• Коррозионная устойчивость

• Фрикционные и нескользящие поверхности

• Ударная стойкость

• Антифрикционные и смазывающие поверхности

• Устойчивость к окислению

• Теплопроводящие поверхности

• Теплоизолирующие поверхности

• Декоративная обработка

Вакуумное плазменное напыление

Плазменное напыление в контролируемой атмосфере

http://www.mtomd.info/archives/2235

http://oftersedo.clan.su/news/ustanovka_plazmennogo_napylenija/2013-03-28-112

Установка плазменного напыления

Установка плазменного напыления - комплект, в который входят пульт управления, плазмотрон, порошковый дозатор, источник тока, система газоснабжения с баллонами газа или сетевого снабжения, система водоохлаждения замкнутого цикла с резервуаром для воды, водяным насосом и другими сопутствующими устройствами.

Большинство промышленных отечественных плазменных установок предназначено для ведения процесса напыления в атмосфере воздуха. Процесс напыления производят в специальных камерах, имеющих локальную автономную вытяжную вентиляцию.

В табл. 1 приведены технические характеристики отечественных плазменных установок.

Пульт управления.

Пульт управления является оперативным блоком плазменной установки и предназначен для ее включения/отключения в режимах "настройка" и "работа", а также управления рабочими параметрами процесса напыления покрытия, в том числе регулирования тока, напряжения, расходов газа. Он содержит блокировочные схемы, отключающие работу плазменной установки при аварийных режимах (снижение давлений воды, газа и др.).

Широко применяют в технологии плазменного напыления покрытий на детали универсальную плазменную установку УПУ, что обусловлено высокой надежностью и простотой конструкции ее пульта управления. УПУ выпускаются с 1963 г.

Плазмотрон.

Плазмотрон является рабочим инструментом любой плазменной установки. Для напыления покрытий при упрочнении и восстановлении рабочей поверхности деталей применяют электродуговые плазмотроны (рис. 1).

Конструкция электродугового плазмотрона содержит следующие основные элементы:

• анодный блок (сопло-анод), изготовленный из бескислородной меди;

• катодный блок (катод изготовлен из термостойкого материала, например лантанированного вольфрама);

• электрический изолятор между анодным и катодным блоками.

Через изолятор в рабочую разрядную камеру подается рабочий плазмообразующий газ (аргон, азот, их смесь или др.).

Анодный и катодный блоки интенсивно охлаждаются проточной водой.

Конструкция сопла-анода плазмотрона определяет длину электрической дуги, ее стабильность горения и скорость истечения плазменной струи и в значительной мере тепловой кпд и эффективный кпд процессa нагрева распыляемого порошкового материала.

В табл. 2 приведены характеристики плазмотронов к отечественным плазменным установкам.

В электродуговых плазмотронах с самоустанавливающейся длиной электрической дуги канал сопла гладкий и имеет длину в диапазоне 10—30 мм. Для некоторой фиксации длины электрической дуги разрядный канал сопла выполняют с уступом. Для жесткой фиксации положения электрической дуги в специальных плазмотронах применяют секционные сопла с межэлектродными вставками (МЭВ). Наличие секций (5—10 шт.) позволяет сначала растянуть дугу, а затем фиксировать ее активное пятно на выходе из канала — это увеличивает эффективность работы электродугового плазмотрона.

Подача распыляемого порошкового материала осуществляется либо на срез сопла, либо в различные участки плазменной струи. Эффективность нагрева порошкового материала в плазмотроне и равномерность его распределения по пятну напыления зависят от схемы ввода порошка в плазменную струю (рис. 3, 4). К узкоспециализированным плазмотронам относят конструкции, позволяющие применять в качестве рабочих газов воздух, углеводороды, их смеси и другие среды.

К основным параметрам электродуговых плазмотронов относятся его конструктивные параметры:

• диаметр сопла dc = 38 мм;

• длина канала сопла lс = (23)dc — для плазмотронов с самоустанавливающейся длиной дуги;

• длина канала сопла lс = (510)dc — для плазмотронов с фиксированной растянутой длиной дуги;

• заглубление электрода (катода) в сопло lз;

• профилирование канала сопла для получения ламинарных и сверхзвуковых плазменных струй (см. рис. 2, 3);

• диаметр катода dк;

• угол заточки катода к;

• диаметр притупления катода dпр.

Рис. 2. Схемы конструкций электродных узлов в плазмотронах: а — гладкое цилиндрическое сопло; б — сопло с уступом; в — сопло с МЭВ; г — сопло профилированное; д — вольфрамовый катод; е — катод с циркониевой вставкой; 1 — вольфрамовая вставка; 2 — держатель катода; 3 — циркониевая вставка.

Pис. 3. Схемы ввода порошка в плазменную струю.

Источник тока плазменной установки.

Для возбуждения электрической дуги в электродуговом плазмотроне служит источник электроэнергии постоянного, переменного или импульсного режима действия. Применяемые в плазменных установках источники постоянного тока различных электрических схем и конструктивных оформлений могут иметь жесткую или крутопадающую внешнюю ВАХ, которая должна быть согласована с ВАХ плазмотрона.

Экономически целесообразно применять для питания электродугового плазмотрона источник тока с крутопадающей ВАХ.

В комплексе технологического оборудования для плазменных покрытий широко используется источник тока ИПН 160/600 с магнитоуправляемы ми трансформаторами, позволяющий плавно регулировать рабочий ток в широком диапазоне.

К основным достоинствам ИПН 160/600 относятся простота конструкции, надежность в работе, долговечность (высокий ресурс), невысокая стоимость, легкость в настройке и несложный ремонт.

К недостаткам следует отнести отсутствие системы автоматического регулирования.

ИПН 160/600 относится к первому поколению специализированных источников тока для плазменного напыления покрытий. Он преимущественно используется в комплекте плазменной установки типа УПУ.

Для питания током плазменной установки УМП-6 применяют три сварочных преобразователя ПД-502, соединенных последовательно.

Независимо от особенностей конструкции все источники тока, применяемые для плазменного напыления покрытий, должны удовлетворять следующим основным требованиям]:

• устойчивость работы при токовых перегрузках;

• высокая надежность и безопасность работы;

• регулируемость напряжения холостого хода в пределах 90—380 В;

• низкий уровень генерируемых радио- и электропомех;

• простота и удобство в обслуживании и ремонте;

• невысокая стоимость.

С 1988 г. отечественная промышленность начала серийный выпуск установок нового поколения типа УПУ-8М и др. В них в качестве источника тока используется ВПН-630 с тиристорным выпрямителем. Принципиальная схема ВПН-630, а также сравнительные ВАХ приведены на рисунке 4.