Плазматрон

Покрытия из диоксида циркония (ZrO2) имеют бледно-желтую окраску. Наиболее важными характеристиками покрытий из диоксида циркония являются их высокая  жаростойкость, очень низкая теплопроводность. Эти покрытия химически неактивны.

Коррозионностойкие покрытия должны обладать высокой плотностью, не иметь сквозных пор. Порошок диоксида титана (TiO2) в напыляемой смеси служит легкоплавкой составляющей и благоприятствует достижению поставленной цели. Плотность  покрытия может быть также повышена введением до 25% фторидов, щелочно-земельных  металлов или 2-5% Cr2O3.

Для предотвращения отслаивания  покрытия от основы, что вызвано  большой разницей в коэффициентах  термического расширения, к оксидам  добавляют порошки металлов, например меди. В практике часто используют смеси порошков окислов с металлами: Al2O3-Ni; Al2O3-Mo; Al2O3-Cr и другие. Возможность  применения плазменных оксидных покрытий для защиты деталей машин от абразивного  изнашивания, кавитации и коррозионного  воздействия агрессивных сред представляет большой интерес. Однако для залечивания  пористости необходимы дополнительные операции по пропитке таких покрытий различными лаками, полимерами.

Метод плазменного нанесения  покрытий используют в различных  отраслях машиностроения для защиты поверхностей деталей и узлов  машин от абразивного, эрозионного, коррозионного и других видов  воздействия рабочей среды для  восстановления деталей, изношенных во время эксплуатации, а также упрочнения деталей машин. Подбирая различные  материалы покрытий, можно модернизировать  свойства поверхностного слоя в широких  пределах (таблица 3).

Таблица 3. Функциональное назначение покрытий

Для получения плазмы используются различные генераторы низкотемпературной плазмы, которые должны отвечать определенным требованиям. Среди них:

• температура плазмы на выходе должна быть достаточно высокой (от 2500 до 20000 К);
• плазма должна быть достаточно чистой, т. е. свободна от загрязнения такими частицами, которые не входят в состав рабочего тела;
• высокая эффективность преобразования электрической энергии в тепловую и возможность получения максимального КПД технологического процесса;
• параметры низкотемпературной плазмы должны быть стабильными, управляемыми и обеспечивать оптимальные условия процесса;
• генерация плазмы должна обеспечиваться в течение длительного промежутка времени;
• возможность использования различных плазмообразующих сред;
• простота эксплуатации, легкость возбуждения электрического разряда, причем желательно без ввода дополнительных устройств (поджигающих электродов, проволочек) в область разрядного канала;
• легкость ввода исходного материала в плазменный поток.

Для организации промышленных технологических плазменных процессов  наиболее перспективными в настоящее  время считаются электродуговые и высокочастотные генераторы низкотемпературной плазмы, поскольку именно они удовлетворяют  перечисленным выше требованиям. Наиболее простой вариант нагревателя  газа представляет собой дуговой  электрический разряд, горящий между  двумя торцовыми электродами, обдуваемый газом в осевом или перпендикулярном направлении. В этом случае за разрядом образуется плазменная струя с высокой  температурой.

Электродуговые установки  позволяют получить следующие параметры  плазменных струй:

• скорость нагретого газа на выходе из дуговых плазмотронов — от 10 до 1000 м/с (в зависимости от расхода плазмообразующего газа, диаметра сопла плазмотрона, мощности в дуге);
• максимальная температура на оси струи — от 10000 до 50000 К;
• среднемассовая температура нагретого газа 10000 К при работе на одноатомных газах и 4000-5000 К при работе на двухатомных газах (азот, водород).

Особенность работы электродуговых плазменных установок состоит в  высокой эффективности преобразования электрической энергии в тепловую; в невысокой стабильности горения  электрической дуги; высокой эрозии электродов, что приводит к загрязненности плазменной струи. Плазменные покрытия наносят обычно на воздухе в специальном  шкафу с вытяжной вентиляцией  или в герметичной камере с  контролируемой атмосферой, чаще всего  с нейтральной. Для нанесения  плазменных покрытий применяются различные  виды установок. Установки предназначены  для получения плазменным напылением теплозащитных, жаростойких, электроизоляционных, износостойких и антикоррозионных покрытий из металлических порошков и керамики на внутренние и наружные поверхности тел вращения, а также  на поверхности плоских изделий.

Установка для плазменного  напыления включает: распылитель (плазмотрон), источник питания, газораспределительную  систему, механизм подачи материала, система  охлаждения, пульт управления и различные  элементы оснастки.

Плазмотрон — газоразрядное  устройство, служащее для нанесения  плазменных покрытий. Наиболее важным элементом плазмотрона является сопло, от конструкции которого зависит  длина дуги, стабильность ее горения, а также скорость и характер истечения  струи. Сопловой (анодный) узел через  электроизоляционный блок стыкуется  с катодным узлом, представляющим собой  стержневой электрод, изготовленный  из вольфрама с добавкой тория, иттрия или лантана. Отрицательный вывод  источника постоянного тока присоединяется к вольфрамовому стержню-катоду, а положительный к соплу-аноду. Плазмообразующий газ подается во внутреннюю межэлектродную камеру, образованную медным соплом-анодом и вольфрамовым электродом.

Для возбуждения дуговой  плазмы напряжения, прикладываемого  к электродам, недостаточно. Поэтому  для возбуждения дуги прибегают  к дополнительным мероприятиям, обеспечивающим возникновение ионизированных частиц в межэлектродном пространстве. Для  возбуждения плазменной струи обычно используют высокочастотную искру, которую получают от осциллятора, встроенного  в источник питания. Генератор высокой  частоты дает первоначальный импульс, от которого газ возбуждается. Между полюсами загорается дуга, поддерживающая уровень ионизации.

Плазменная струя оформляется  медным соплом. Благодаря охлаждающему действию стенок сопла, наружные слои столба деионизируются и сечение  ионизированной части столба уменьшается. Это приводит к повышению напряжения дуги и значительному увеличению плотности тока в столбе дуги. Плазменная струя обжимается еще магнитным  полем, создаваемым самим потоком  заряженных частиц в плазме. Обжатие  плазменной струи ведет к росту  ее температуры. Нагретый ионизированный поток газа выносится с высокой  скоростью из сопла в виде светлой, светящейся плазменной струи.

Мощность плазмотрона  зависит от размеров межэлектродного  пространства. Коэффициент полезного  действия плазмотрона — 60-80 %, т. е. 0,6-0,8 всей мощности плазмотрона расходуется  на нагрев плазмообразующего газа. Наибольшему разрушению подвергается сопло плазмотрона, поэтому оно  делается сменным. Срок службы сопла  зависит от режима работы плазмотрона, вида плазмообразующего газа, системы  охлаждения и составляет от 15 до 1000 ч.

Важной конструктивной особенностью плазмотрона является место ввода  напыляемого порошка. Напыляемый материал может вводиться в стол дуги, в  анодный сопловой узел и за срез плазмотрона. Выбор места ввода  зависит от теплофизических свойств  материала, его сыпучести, склонности к комкованию.