Сверхзвуковое напыление

          Толщина единичного слоя составляет 5-20 мкм. Дистанция напыления определяется из условия минимального воздействия на поток частиц отражённой от поверхности подложки волны. Практически для стволов различного диаметра эта величина составляет 150 - 200 мм.

2.2.3 Газопламенное напыление

Технология  газопламенного напыления порошковых и проволочных материалов позволяет  восстановить геометрию деталей, производить  шейки валов, крышки защищенных электродвигателей, баббитовые подшипники, посадочные места, выполнять антикоррозионную обработку  металлоконструкций.

Первая  установка газопламенного проволочного напыления была разработана М.У. Шоопом в 1913 г. Скорость продуктов сгорания ацетилена в кислороде составляла 10:12 м/с. Плотность металлического напыления - 85-90% от компактного материала. В качестве источника тепла использовалось кислородно-ацетиленовое пламя. В последнее время для металлического напыления широко стали применяться заменители ацетилена: пропан, этилен, метан, водород.

 
Рисунок 2.3 - Схема проволочного распылителя: 
1 - воздушное сопло;  
2 - газовое сопло;  
3 - пруток;  
4 - направляющая трубка.

Проволочный распылитель (2.3) имеет головку, по оси которой подается пруток или шнур. Горелка с дополнительным воздушным соплом (2.4), обеспечивала интенсивный нагрев поверхности подаваемого материала. Воздух дополнительно ускорял и дробил частицы материала.

 
Рисунок 2.4 - Распылитель с двойным воздушным соплом: 
1 - дополнительное воздушное сопло;  
2 - воздушное сопло;  
3 - газовое сопло.

  
Рисунок 2.5 - Схема установки газопламенного напыления:

1. - порошковый распылитель;
2. - проволочный распылитель;
3. - порошковый питатель;
4. - бухта проволоки на вращающемся столе;
5. - ротаметры газовые;
6. - газовые баллоны;
7. - фильтр;
8. - ресивер;
9. - воздушный ротаметр;
10. - компрессор.

На рисунке 2.5 представлена схема установки для металлического напыления. Фирма Norton Packо Industrial Ceramics с 50-х годов специализировалась на выпуске стержневых материалов для обработки керамикой. В настоящее время она выпускает стержни из оксидов диаметром до 8 мм. Их достоинством является гарантия проплавления материала, а недостатком - прерывистость процесса, который влияет на качество поверхности. Лучшим газопламенным стержневым напылителем, считается УР-2А, разработанный в конце 50-х годов. (2.6).

  
Рисунок 2.6 - Прутковый распылитель УР-2А:  
а - в трубе диаметром 100 мм;  
б - при работе без "загибающего" воздуха.

В нем  имелось дополнительное воздушное  сопло, которое направляло воздух в  радиальном направлении в зону плавления  керамического стержня, там, где  осевая скорость частиц была мала. "Загибающий" воздух измельчал относительно крупные  частицы на более мелкие и направлял  их под углом к поверхности  изделия. Дистанция составляла 50 мм. Плотность металлического напыления, образованного из стержней достигала 95%. Осевое положение распылителя  и малая дистанция позволяли  обрабатывать даже внутреннюю поверхность  труб диаметром 100 мм. В отличие от отечественных и иностранных  распылителей пистолетного типа, оператор мог работать сидя, держа устройство на коленях.

  
Рисунок 2.7 - Проволочный распылитель MDP-115 в работе

Современный проволочный аппарат газопламенного напыления типа MDP-115, производимый в  России (2.7) работает на проволоке диаметром 3:3,17 мм из различных материалов. В том числе из коррозионно-стойкой и углеродистой стали, бронзы, латуни, баббиты, Al, Cu, Mo, Zn, Sn, Pb, из сплавов на кобальтовой и никелевых основах. Производительность по цветным металлам достигает до 15 кг/ч, по стали и сплавам - до 9 кг/ч, кислорода расходуется порядка 50 л/мин, пропана или ацетилена - до 20 л/мин. Давление воздуха - 0,5 МПа. Сам распылитель весит 4,1 кг. В комплекте с устройством может быть автоматическая установка, оснащенная боксом, роботизированной системой, и пультом дистанционного управления.

  
Рисунок 2.8 - Схема порошкового распылителя:  
1 - газовое сопло;  
2 - кольцевое пламя;  
3 - покрытие;  
4 - подложка;  
5 - горючий газ;  
6 - кислород;  
7 - порошок.

Порошковый  распылитель схематично представлен на рисунке 2.8. При перемешивании струй пламени и газопорошковой взвеси происходит теплообмен. Частицы плавятся и переносятся на подложку, создавая металлическое напыление. Такие установки предназначены для легкоплавких материалов. Температура их плавления должна быть ниже 800С – цинка. А также для нанесения тугоплавких материалов, и самофлюсующихся материалов.

2.2.4 Плазменное напыление

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

Данный  метод защиты эффективен также в  техническом и экономическом  планах, благодаря тому, что простои  оборудования на ремонт и техническое  обслуживание значительно сокращаются. Как следствие, уменьшаются издержки, и увеличивается прибыль предприятия.

Плазменный распылитель (Плазмотрон) был разработан в 1956 г. фирмами Gianini Corp. и UC на основе работ Смита (пат. 2157498, 1939 г.), предложившегоустройство для нанесения покрытий, содержащее катод в форме стержня и анод в форме сопла.

 
Рисунок 2.9 - Схема плазменного распылителя: 
1 - катодный узел; 
2 - анодный узел; 
3 - катод; 
4 - анод; 
5 - анодное пятно.

Плазменный  распылитель (рис. 2.9) состоит из катодного 1 и анодного 2 узлов. Между катодом 3 и анодом 4 возбуждается электрическая дуга 5. Дуга в сопле анода отжимается газовым потоком от стенок охлаждаемого сопла, что увеличивает плотность ее энергии и повышает температуру столба дуги (рис. 2.10).

 
Рисунок 2.10 - Зависимость энтальпии газов от температуры

 
Рисунок 2.11 - Плазменные распылители: 
а - с самоустанавливающейся дугой; 
б - с фиксированной дугой.

Плазмотроны постоянного тока бывают с самоустанавливающейся (рис. 2.11: а) и фиксированной длиной дуги, когда дуга удлиняется за счет последовательного переключения на аноды, разделенные между собой электрически нейтральными межэлектродными вставками (рис. 2.11: б).

При использовании  аргона в качестве плазмообразующего  газа на плазмотроне с самоустанавливающейся  дугой падение напряжения составляет 30 В, а с фиксированной дугой - 100 В и более. На рис. 2.12 представлены схемы пруткового и проволочного плазменных распылителей. Радиальная подача материала (см. рис. 2.12: а) используется и для подачи порошковых материалов для нанесения покрытий.

 
Рисунок 2.12 - Схемы плазменных распылителей: 
а - пруткового; 
б - проволочного ("проволока - анод")

Схема проволочного распыления "проволока - анод" была разработана В.В. Кудиновым в конце 50-х годов. Тогда удалось получить невиданную производительность - 15 кг/ч  вольфрама при мощности 12 кВт. Порошковые распылители (рис. 2.13) в зависимости от свойств и размеров частиц создавались с подачей в плазменную струю 1, под углом навстречу потоку 2, в сопло в заанодную зону дуги 3 или в доанодную зону, как в плазмотроне М8-27 конструкции В.М. Иванова (рис. 2.14).

 
Рисунок 2.13 - Схемы подачи порошка в плазмотрон: 
1, 2 - в плазменную струю; 
3 - в сопло.

 
Рисунок 2.14 - Распылитель М8-27: 
1 - подача охлаждающей воды; 
2 - подача плазмообразующего газа; 
3 - подача порошка; 
4 - слив воды; 
5 - анодный узел; 
6 - анод; 
7 - изолятор; 
8 - катодный узел; 
9 - катод.

В настоящее  время плазмотроны большой мощности спроектированы с подачей порошка в плазменную струю 1 (рис. 2.14). Такая схема не влияет на дугу. Плазмотроны имеют завышенную мощность, чтобы тепла плазменной струи хватило на нагрев порошка.

Следует отметить, что подача порошка в  доанодную зону была выгоднейшей с точки зрения теплообмена, но сопряжена с перегревом частиц в сопле и забиванием сопла расплавленными частицами из-за высоких требований к равномерности подачи порошка. Рассредоточенность подачи порошка в плазмотроне М8-27 обеспечивала устойчивую работу плазмотрона, который эксплуатируется уже 40 лет.

Тенденции развития плазменных распылителей - увеличение эффективности процесса. 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. 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.

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. Наиболее удачной была конструкция плазмотрона типа F-4, разработанного фирмой Plasma-Technik AG (рис. 2.15), работающего длительное время на токе до 800 А при мощности 55 кВт.

 
Рисунок 2.15 - Распылитель F-4

Современная автоматическая установка плазменного напыления ТСЗП-MF-P-1000работает на смеси газов аргона, азота, водорода при расходе аргона до 100 л/мин, азота - до 50 л/мин, водорода - до 20 л/мин, транспортирующего газа - до 30 л/мин.

Производительность  напыления по металлическим сплавам - до 5 кг/ч.

Плотность порошковых покрытий - 92 - 99%, прочность  сцепления - 30:80 МПа.

 

3.Тенденции  совершенствования

 

          В настоящее время идёт широкое развитие методов сверхзвукового напыления Существенный толчок к которому дало принятие директивы RoHS (директива ограничивающая содержание вредных веществ принятая ЕС), существенно ограничившей применение гальванического хромирования из-за выделения при их применении канцерогенного шестивалентного хрома (вредный канцероген образующий прочные ковалентные связи с ДНК). Совершенствуются сами методы, оборудование для напыления, типы топлива и т. д.

 

Список используемой литературы\

1. В. А. Фролов, д-р техн. наук («МАТИ» - РГТУ им. К. Э. Циалковского), В. А. Поклад, канд. техн. наук, Б. В. Рябенко, инж., Д. В. Викторенко, инж. (ФГУП   ММПП  «Салют»), журнал  «Сварочное производство» 2006.  №11  38с.
2. «Теоретические основы технологии плазменного напыления» учеб. пособие, 2003 Пузряков А. Ф.
3. Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т.2. Технология и оборудование. Справ. изд./Под ред.В.М.Ямпольского.- М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996. 574 с.
4. Фролов Н.Н., Власов В.М. Газотермические износостойкие покрытия в машиностроении.-М.: Машиностроение, 1992.-255с.: Ил.
5. «Warm spraying—a novel coating process based on high-velocity impact of solid particles» Sci. Technol. Adv. Mater. 9 (2008) 033002