Плазменное напыление

Титульник

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛИСТ ЗАДАНИЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛИСТ ДЛЯ ЗАМЕЧАНИЙ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

1 ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ. СПОСОБЫ НАПЫЛЕНИЯ…………… Плазменное напыление порошком……………………………. Плазменное напыление проволокой………………………….. Микроплазменное напыление…………………………………. Другие способы плазменного напыления……………………. ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИМЕНЯЕМОЕ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ……………………………………………………………... Установки и полуавтоматы для струйно-абразивной обработки деталей…………………………………………………………….. Установки (аппараты) для плазменного напыления…………… Полуавтоматы для плазменного напыления…………………….. МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ПЛАЗМЕННОМ НАПЫЛЕНИИ…………………………………………………………………. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПОКРЫТИЮ……………... ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ………………………………………………………………… СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………….

5 5 7 9 9   11   11 13 14   16 20   21 23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ. СПОСОБЫ  НАПЫЛЕНИЯ

 

Плазменное напыление является одним из способов газотермического нанесения покрытий. В основе этого процесса лежит нагрев напыляемого материала до жидкого или пластического состояния, перенос его высокотемпературной плазменной струей к подложке с последующим образованием слоя покрытия .

 

1.1Плазменное напыление порошком

 

При плазменном напылении в качестве напыляющих материалов применяют порошки, проволоки, прутки. Наиболее широко распространено напыление порошками. Схема плазменного напыления с использованием порошковых материалов показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема плазменного напыления порошком: 1 — подвод плазмообразуюшего газа; 2 — катод плазмотрона; 3 — корпус катода; 4 — изолятор; 5 — корпус анода; 6 — порошковый питатель; 7 — подвод газа, транспортирующего порошок; 8 — плазменная дуга; 9 — источник питания

В плазмотроне, состоящем из водоохлаждаемого катодного узла (катод 2 и корпус 3) и анодного узла, с помощью источника 9 постоянного сварочного тока возбуждается плазменная дуга 8, которая стабилизируется стенками канала сопла и плазмообразующим газом, поступающим через подвод 1. Порошок подают из порошкового питателя 6 с помощью газа, который поступает по подводу 7.

Температура плазменной струи достигает 5000-5500°С, а скорость истечения — 1000-3000 м/с. В плазменной струе частицы порошка расплавляются и приобретают скорость 50-500 м/с. Скорость полета частиц порошка зависит от их размера, плотности материала, силы сварочного тока дуги, природы и расхода плазмообразующего газа, конструкции плазмотрона. Порошок вводят в плазменную струю ниже среза сопла, на срез сопла или непосредственно в сопло. Нагрев напыляемых деталей не превышает 100-200 °С.

Плазменным напылением наносят покрытия как на плоские поверхности, так и на тела вращения и криволинейные поверхности. Для покрытия характерна слоистая структура с высокой неоднородностью физических и механических свойств (рисунок 2). Тип связей между покрытием и деталью (подложной), а также между частицами покрытия обычно смешанный — механическое сцепление, сила физического и химического взаимодействий. Прочность сцепления покрытия с подложкой обычно составляет 10-50 МПа при испытаниях на нормальный отрыв.

Рисунок 2 - Схема структуры плазменного покрытия: 1 — граница между частицами напыленного материала; 2 — граница между слоями; 3 — граница между покрытием и деталью; 4 — частица напыленного материала; 5 — поверхность детали

Физические особенности формирования покрытий обуславливают появление открытой и закрытой пористостей. По мере увеличения толщины наносимого слоя открытые поры перекрываются, и пористость покрытия снижается. Поэтому плотность плазменных покрытий отличается от плотности материала и колеблется в пределах 80-97%. Обычно пористость плазменных покрытий составляет 10-15%.

Толщина покрытия практически не ограничена возможностями самого способа. Однако в силу физических особенностей процесса образования покрытий с увеличением толщины наносимого слоя в нем возрастают внутренние напряжения, которые стремятся оторвать покрытие от подложки. Поэтому обычно толщина покрытия не превышает 1 мм. Конструктивную нагрузку несет материал детали, а материал покрытия придает поверхности детали такие свойства, как твердость, износостойкость и т. п.

В качестве плазмообразующих газов применяют аргон, азот высокой чистоты, водород, гелий, а также смеси этих и других газов, В последние десятилетия успешно развиваются процессы плазменного напыления с использованием в качестве плазмообразующего газа смеси воздуха с горючим углеводородным газом (метаном, пропан-бутаном). Плазма продуктов сгорания воздуха с горючим углеводородным газом отличается высокими значениями теплоемкости и теплопроводности, легкостью регулирования окислительно-восстановительного потенциала и относительно малой стоимостью. Это особенно важно при увеличении мощности плазмотрона и переходе к сверхзвуковым скоростям истечения плазмы, когда оптимальные режимы смешают в область больших расходов плазмообразующего газа и снижается время контакта частиц с окружающей атмосферой.

 

1.2Плазменное напыление проволокой

 

В качестве напыляемого материала при плазменном напылении используют также проволоки.

Плазменное напыление с распылением проволоки (рисунок 3) осуществляют двумя способами: нейтральной проволокой и проволокой- анодом. В первом случае нагрев, плавление и распыление нейтральной проволоки осуществляют плазменной струей, а во втором — на проволоку-анод подают положительный потенциал источника питания дуги, а нагрев и плавление проволоки происходят преимущественно за счет выделения теплоты в анодном пятне. Плазменная струя, в основном, выполняет функции распыления.

Рисунок 3 - Схема плазменного напыления проволокой: 1 — подвод плазмообразующего газа; 2 — катод плазмотрона; 3 — корпус катода; 4 — изолятор; 5 — корпус анода; 6 — механизм подачи проволоки; 7 — сплошная или порошковая проволока; 8 — плазменная дуга; 9 — источник питания

На рисунке 4 показана схема плазменно-дугового напыления покрытий токоведущей проволокой с одновременной зачисткой слоев металлической щеткой. Напыление осуществляют слоями толщиной 0,05-0,10 мм с одновременной обработкой каждого последующего слоя специальной вращающейся металлической щеткой. Непрерывная механическая обработка поверхностного слоя основы, совмещенная во времени с процессом напыления, обеспечивает благоприятые условия для напыления покрытий большой толщины (15-20 мм).

Рисунок 4 - Схема плазменно-дугового напыления покрытий проволокой: 1 — изделие; 2 — поток частиц напыляемого материала; 3 — плазмообразующее сопло; 4 — сжатый воздух; 5 — катод; 6 — плазмотрон; 7 — плазмообразующий газ; 8 — источник питания; 9  — балластное сопротивление; 10 — распыляемая проволока; 11 — подающий механизм; 12 — кассета с проволокой; 13 — покрытие; 14 — вращающаяся металлическая щетка

Технология плазменно-дугового напыления токоведущей проволокой позволяет наносить покрытия на металлические изделия любой проволокой, в том числе порошковой и проволокой из цветных металлов и сплавов; на многослойные покрытия из различных материалов, в том числе антикоррозионные покрытия; на металлические покрытия и неметаллические изделия (пластмассы, бетон, кирпич, графит и т. д.); на композитные покрытия одновременным распылением нескольких проволок различного состава; на покрытия внутренних поверхностей тел вращения диаметром более 200 мм.

 

1.3Микроплазменное напыление

 

Применение плазменных установок мощностью 30-60 кВт для напыления мелких деталей, узких кромок или дорожек ведет к большим потерям напыляемого материала и необходимости введения дополнительных операций. Для устранения этих недостатков предложен способ микроплазменного напыления. Его осуществляют квазиламинарной плазменной струей, образованной плазмотроном мощностью до 2 кВт при си¬ле сварочного тока 20-50 А. Способ позволяет напылять узкие дорожки шириной 1-3 мм при толщине 0,2-0,5 мм из различных материалов. При микроплазменном напылении на коротких дистанциях никелевого самофлюсующегося сплава с температурой плавления около 1000 °С одновременно происходит процесс оплавления с образованием плотной, литой структуры покрытия. Низкая тепловая мощность микроплазменной струи позволяет уменьшить нагрев основы, что обеспечивает нанесение покрытий на изделия малых размеров и с тонкими стенками без существенного локального перегрева и коробления.

 

1.4Другие способы плазменного напыления

 

Лучшие результаты получают при плазменном напылении покрытий в динамическом вакууме. При этом истечение струи происходит в вакуумную камеру, из которой непрерывно откачивают рабочие газы, причем скорость струи превышает скорость звука в 2-3 раза, скорость напыляемых частиц материала увеличивают до 800 м/с. Получают  более плотные, чем обычно покрытия, характеризующиеся прочным сцеплением с основным материалом детали.

Необходимо подчеркнуть, что использование сверхзвуковых струй при газотермическом напылении является одним из главных направлений современного развития этой технологии. Повышение скорости и кинетической энергии частиц напыляемого материала позволяет, с одной стороны, улучшить условия формирования покрытий, а с другой — ограничить вредное воздействие окружающей среды и снизить интенсивность процессов термического разложения материалов.

В мировой практике сверхзвуковое плазменное напыление реализуют с помощью установок «Plazjet-ll-200». В качестве рабочего газа используют азот или смесь азота с водородом и аргоном. При мощности установки 200 кВт температура струи достигает 6600 °С, скорость частиц в 6-8 раз выше, чем при обычном напылении. Расход порошка составляет до 12 кг/ч оксида алюминия и 40 кг/ч карбида вольфрама.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИМЕНЯЕМОЕ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ

 

Следует выделить три группы основного оборудования для плазменного упрочнении и напыления: установки и полуавтоматы для струйно-абразивной обработки деталей; установки (аппараты) для плазменного упрочнения и напыления; полуавтоматы для плазменного напыления.

 

1. Установки и полуавтоматы для струйно-абразивной обработки деталей

 

Эта группа оборудования предназначена для образования шероховатой поверхности деталей под плазменное напыление в условиях мелкосерийного и ремонтного производств.

При струйно-абразивной обработке энергия сжатого воздуха преобразуется в кинетическую энергию потока абразивных частиц. Для этого используют аппараты двух систем: нагнетательной и всасывающей. В аппаратах нагнетательного типа абразив из питательного бункера через клапан периодически подается в камеру, находящуюся под давлением сжатого воздуха. Из камеры абразив поступает в смеситель, где подхватывается потоком воздуха, поступающего из магистрали по трубопроводу. Смесь воздуха с абразивом поступает к соплу и затем в виде струи направляется на обрабатываемую поверхность.

В аппаратах всасывающего типа (рисунок 5) струя воздуха, выходящая из сопла 1, создает в камере-смесителе 2 и патрубке 4 разрежение, в результате чего в патрубок через отверстие в насадке 6 засасывается атмосферный воздух, перемещающий абразив из бункера 5 в смеситель. Абразив подхватывается потоком воздуха из сопла 1, направляется в сопло 3 и из него в виде воздушно-абразивной струи подается на обрабатываемую поверхность.

 

Рисунок 5 – Схема струйно-абразивного аппарата всасывающего действия

Аппараты всасывающего типа имеют более простую конструкцию, надежны в работе, но несколько менее производительны, чем аппараты нагнетательного типа. Производительность аппаратов всасывающего типа зависит от давления воздуха и величины диаметра проходного отверстия сопла.