Плазменное напыление

Установка РАО-01 для ручной абразивной обработки (рисунок 6) представляет собой герметично закрытую камеру с бункером, рабочим столом, струйным аппаратом, вытяжной системой вентиляции и пультом управления. На передней части камеры имеются дверцы для загрузки и выгрузки деталей и пульт управления измерительными приборами. Наблюдение и контроль за процессом струйно-абразивной обработки осуществляют через застекленное смотровое окно. Внутри камеры расположены поворотный столик и подвеска с абразивным пистолетом.

Рисунок 6 – Общий вид установки РАО-01 для ручной струйно-абразивной обработки

В состав полуавтоматов для струйно-абразивной обработки 487Р  и 2201П входят струйно-абразивная камера, станина с приемными бункерами, система подачи абразива и подготовки воздуха, а также струйный аппарат. Внутри камеры расположены патрон и задняя бабка с направляющими для крепления обрабатываемой детали, а также два пистолета. Манипулятор перемещения пистолетов и привод вращения детали вынесены за пределы камеры, что повышает надежность оборудования, обеспечивает удобство обслуживания и эксплуатации. Полуавтомат 2201П укомплектован системой программного управления.

 

2. Установки (аппараты) для плазменного напыления

 

К данному оборудованию относятся установки (аппараты), непосредственно генерирующие плазму. Конструктивная схема установки «Киев-7» для плазменного напыления показана на рисунке 7. Она включает блок электропитания 1, пульт управления 2, модуль 3 подачи горючего газа, блок 4 подачи порошка, унифицированный плазмотрон 5, комплект 6 кабелей и шлангов, кабель 7 подключения к полуавтомату.

Рисунок 7 – Конструктивная схема установки «Киев -7» для плазменного напыления

Установку плазменного напыления «ТОПАС-40» мощностью 40 кВт комплектуют плазмотронами в ручном исполнении, а также в исполнении для использования в механизированных и автоматизированных комплексах. Плазмотроны выполнены с одиночной МЭВ и рекуперативным охлаждением, могут работать на сверх- и дозвуковом режимах. Установка предназначена для напыления покрытий на наружные и внутренние поверхности. Для напыления можно использовать порошковые и проволочные материалы.

 

3. Полуавтоматы для плазменного напыления

 

Полуавтоматы, разработанные ОАО «УкрИСП», представляют собой оборудование камерного типа, состоящее из защитной камеры, плазменной установки в сборе, аспирационной установки. В камере расположены плазмотрон, передняя и задняя бабки для крепления напыляемой детали. Механизмы перемещения плазмотрона и вращения детали вынесены за пределы камеры, что обеспечивает удобство обслуживания и эксплуатации оборудования.

Полуавтоматами с программным управлением обрабатывают наружные поверхности цилиндрических деталей и деталей сложной конфигурации (конус, цилиндрические ступенчатые валы и др.). Управление осуществляют с помощью систем ЧПУ или компьютера.

Конструкция полуавтоматов обеспечивает:

« возможность ручного регулирования дистанции напыления и упрочнения;

•  ручной поворот и фиксацию плазмотрона относительно продольной оси детали;

•  плавное регулирование скоростей вращения изделия, продольного и поперечного перемещений плазмотронов;

•  возможность автоматического позиционирования плазмотрона по продольной оси;

•  защиту приводов перемещения плазмотрона и вращения детали от попадания напыляемого порошка;

•  защиту обслуживающего персонала и окружающей среды от шума, излучения, аэрозолей и других сопровождающих напыление вредных воздействий;

•  позиционирование и изменение скорости перемещения плазмотрона по двум координатам с интерполяцией по заданной программе;

•  изменение частоты вращения шпинделя по заданной программе;

•  поворот плазмотрона в заранее заданную точку; автоматическое регулирование расстояния от плазмотрона до напыляемой детали.

Полуавтоматы комплектуют установками плазменного напыления.

Рисунок 8 – Общий вид полуавтомата 15-ВБ для плазменного напыления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ПЛАЗМЕННОМ НАПЫЛЕНИИ

 

Исходными технологическими материалами плазменного напыления являются порошки тугоплавких металлов, оксидов, твердых сплавов, композиционных материалов дисперсностью 40-315 мкм, что обусловлено относительно низкой стоимостью и простой технологией процесса получения порошков. К порошковым металлическим материалам, используемым для напыления основного защитного покрытия, относятся порошки кобальтовых и никелевых сплавов, включающих хром, вольфрам и железо, обладающих высокой твердостью, которая практически не снижается даже при высоких температурах, износостойкостью и антикоррозионными свойствами. Такие сплавы используют для напыления с добавками бора и кремния, образуя самофлюсующиеся сплавы, покрытия из которых получаются без пор, обладают износостойкостью, эрозионной стойкостью, коррозионной стойкостью, стойкостью к окислению при высоких температурах.

Таблица 1 - Химический состав и твердость некоторых самофлюсующихся сплавов системы Ni - Cr - B – Si

Ni	Cr	B	Si	Fe	C	Другие элементы	Твердость HRC
18,25	5,00	1,00	3,00	3,50	15-20
81,0	11,0	2,00	2,00	2,00	0,30	1,5%	38
62,45	11,50	2,50	3,25	3,75	0,55	16%	50-55

 

Для напыления освоен промышленный выпуск порошков некоторых интерметаллидных материалов (интерметаллиды - химическое соединение металлов друг с другом). Многие интерметаллические соединения могут использоваться в качестве материала для покрытий, предохраняющих различные металлы от газовой коррозии, так как обладают тугоплавкостью, высоким сопротивлением окислению и прочностью сцепления с подложкой. Наибольшее распространение получил алюминид никеля NiAl ( Тпл = 1913 К), который выпускается как в виде готового интерметаллида, так и в виде порошка алюминия, плакированного никелем. В последнем случае никель и алюминий под действием нагрева в плазменной струе вступают в экзотермическую реакцию, тепло которой, выделяясь на подложке, способствует образованию высокопрочных связей покрытия с подложкой. Это достоинство послужило одной из причин широкого использования никель-алюминиевого плакированного порошка для напыления подслоя на детали, изготовленные из различных конструкционных материалов.

К керамике обычно относят такие соединения, как окислы металлов, бориды, нитриды, силициды, карбиды и др. Керамика является тугоплавким материалом. Наиболее широко используют для напыления окись алюминия, двуокись циркония, карбиды вольфрама, хрома и титана.

Таблица 2 - Физико-механические свойства и область применения некоторых тугоплавких керамических материалов

Материал	Плотность 103кг/м3	Температура плавления,К	Теплопро-водность, Вт/мК	Коэффици-ент терми-ческого рас-ширения	Назначение покрытий
Окись алюминия       Двуокись циркония   Карбид вольфрама Карбид хрома   Карбид титана	3,96         5,56     15,57   6,7     4,25	2303         3123     3140   2163     3140	2,39         2,05     45,3   21,0     39,7	8,0         5,5     6,2   8,6     10,5	Теплоизоляционное, теплоустойчивое при высоких температурах износостойкое, электроизоляционное Теплоизоляционное, устойчивое при тепловых ударах Износостойкое, эрозионностойкое Износостойкое, жаростойкое при высоких температурах Износостойкое, жаростойкое при температурах до 1023K

 

По сравнению с другими высокотемпературными материалами окислы имеют наиболее низкую электротеплопроводность и значительную прочность при высоких температурах, но не все окислы при высоких температурах являются химически устойчивыми.

Покрытия из чистой окиси алюминия обладают хорошими теплоизоляционными свойствами и являются устойчивыми при высоких температурах. Высокая твердость, низкий коэффициент трения и химическая устойчивость покрытий из окиси алюминия позволяют применять их в качестве износостойких материалов. Основной недостаток - хрупкость и низкая механическая прочность, особенно при ударных нагрузках. Такие покрытия, содержащие в твердом растворе небольшое количество окиси титана, отличаются большей пластичностью и стойкостью к удару, хорошей износостойкостью. Покрытия из стабилизированной двуокиси циркония обладают большой стойкостью к тепловым ударам, высокой жаростойкостью и очень низкой теплопроводностью.

Бориды тугоплавких металлов имеют высокую температуру плавления и обладают значительной твердостью, однако в окислительной среде при 1573-1773 К нестойки. В нейтральной и восстановительной атмосферах, а также в вакууме бориды используют как жаропрочные материалы.

Температура плавления карбидов металлов значительно выше температуры плавления самих металлов. Большинство из карбидов обладают высокой жаростойкостью. Даже при высоких температурах их механические характеристики изменяются незначительно. Почти все карбиды обладают хорошей тепло- и электропроводностью. Карбиды бора, кремния, титана, хрома и вольфрама характеризуются высокой твердостью. Их широко используют в качестве износостойких материалов. Карбид вольфрама обладает очень высокой твердостью. Из чистого WC трудно получить покрытие, так как при напылении он легко разлагается. Поэтому используют смесь WC с металлами типа кобальта или порошок WC, плакированный Со (Ni). Карбид вольфрама вводят в самофлюсующиеся сплавы (от 30 до 80%).

Кроме возможности получения покрытия из различных материалов - металлов, сплавов, окислов, карбидов и т.д., плазменное напыление позволяет формировать покрытие из сочетаний материалов, которых трудно добиться другими способами, например: графит-металл, керамика-металл. Если смешиваются металлы и сплавы, то покрытия называются псевдосплавами, если смешиваются окислы (керамика) с металлами, то покрытия имеют название керметов.

Применение таких смесей существенно повышает работоспособность покрытий - термостойкость, ударную вязкость, коррозионную стойкость, износостойкость и т.д. Созданы различные технологические варианты напыления композиционных покрытий: метод напыления механической смеси компонентов, использование для напыления порошка механической смеси компонентов, гранулированной на каком-либо связующем веществе; способ напыления частиц, состоящих из ядра основы, окруженного плакирующим слоем второго компонента (плакирующий слой наносится либо химическим осаждением, либо вакуумным испарением).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПОКРЫТИЮ

 

 

Изделия с напыленным покрытием подвергают контролю по внешнему виду, толщине, геометрическим размерам.

Определение прочности сцепления, пористости, твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, термостойкости, жаростойкости и других свойств в зависимости от назначения покрытия проводится на 3—10 образцах-свидетелях.

Основной целью данных технологий является обеспечение высокой износо- и коррозионностойкости поверхностей деталей при их изготовлении, а также восстановление размеров изношенных поверхностей деталей за счет нанесения на них покрытий. При этом к покрытиям, в первую очередь, предъявляются требования их высокой прочности, а также прочности их соединения с деталями. Во-вторых, покрытия должны обеспечивать высокую надежность деталей в условиях эксплуатационных нагрузок (динамических, знакопеременных, подверженных абразивному, коррозионному, высокотемпературному или иному воздействию).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ

 

Плазменное напыление широко применяется для упрочнения и восстановления рабочих поверхностей деталей изделий. К существенным технико-экономическим достоинствам технологии относятся:

 

высокая производительность процесса;

получение высококачественного покрытия, особенно в условиях общей защиты;

наличие большого количества технологических факторов, варьирование которых обеспечивает гибкое регулирование процесса напыления;

высокий коэффициент использования порошкового материала;

широкая доступность метода как в основном, так и ремонтном производстве;

экономичность;

невысокая стоимость простейшего оборудования;

возможность комплексной механизации и автоматизации процесса;

продление ресурса дорогостоящих деталей (коленчатых валов, подшипников скольжения, поршневых колей и др.);

уникальная возможность получения рабочих поверхностей деталей с заданными эксплуатационными свойствами;

универсальность применения порошковых материалов, в том числе с высокой температурой плавления.

 

Метод плазменного напыления покрытий имеет также ряд недостатков, которые по существу являются резервом в совершенствовании технологии, а именно: