Плазменное напыление металла. Технология и процесс плазменного напыления. Нанесение полимерных покрытий. классификация методов

Плазменное напыление по сравнению с газопламенным напылением и электродуговой металлизацией имеет ряд преимуществ:

• позволяет наносить покрытия из материалов широкого состава (металлы, сплавы, оксиды, карбиды, нитриды, бориды, пластмассы и их различные композиции) на разнообразный материал основы (металлы, керамика, графит, пластмассы и др.);
• плазмотроны позволяют в широких пределах регулировать энергетические характеристики плазмы, что облегчает получение покрытий со свойствами, обусловленными требованиями технологии;
• использование в плазменных горелках инертных газов и смесей, не содержащих кислорода, способствует уменьшению окисления напыляемого материала и поверхности детали;
• покрытия, полученные плазменным напылением, по физикомеханическим свойствам превосходят покрытия, полученные газопламенным и дуговым способами напыления.

Плазменно-дуговое напыление по виду используемого присадочного материала подразделяется на: напыление порошком и напыление проволокой (рис. 3.12 ).

Технологический процесс

Порошковые распылители в зависимости от свойств и размеров частиц могут осуществлять подачу присадочного материала (рис. 3.13 ):

• непосредственно в плазменную струю на выходе из плазмотрона;
• под углом к соплу плазмотрона, навстречу потоку ионизированного газа;
• внутрь сопла плазмотрона в заанодную зону или в доанодную зону плазменной дуги.

Подача порошка в плазменную струю используется в плазмотронах большой мощности. Такая схема подачи не влияет на формирование потока плазмы, а плазмотроны характеризуются завышенной мощностью, чтобы тепла плазменной струи хватило на нагрев порошка.

Подача порошка в доанодную зону наиболее выгодна с точки зрения теплообмена, но сопряжена с перегревом частиц в сопле и забиванием сопла расплавленными частицами, что приводит к необходимости выдвижения повышенных требований к равномерности подачи порошка.

Эффективность нагрева частиц порошка можно повысить при одних и тех же параметрах режимов путем более равномерного его распределения по сечению горячей зоны плазменной струи. Этому способствуют конструкции плазмотронов, позволяющие вводить порошок в плазменную струю не через одно отверстие, а, например, через три, расположенных под углом 120°. При этом КПД нагрева порошка изменяется от 2 до 30 %.

Рис. 3.12 . Схема плазменного напыления:
а — порошком; б — проволокой. 1 — подвод плазмообразующего газа; 2 — катод плазмотрона; 3 — корпус катода; 4 — изолятор; 5 -корпус анода; 6 — порошковый питатель (рис. а) или механизм подачи проволоки (рис. б); 7 — подвод газа, транспортирующего порошок; 8 — плазменная струя; 9 — источник питания.

Рис. 3.13 . Схемы подачи порошка в плазмотрон:
1 — в плазменную струю; 2 — под углом к плазменной струе; 3 — в сопло.

Применение

Для напыления износостойких покрытий применяют порошки с грануляцией, не превышающей 200 мкм. При этом дисперсность частиц порошка должна находиться в узких пределах с разницей размеров не более 50 мкм. При значительной разнице размеров частиц невозможно обеспечить их равномерный нагрев. Это объясняется тем, что, несмотря на высокую температуру плазменной струи, крупный порошок не успевает расплавиться за короткое время его нахождения в плазменной струе (10 -4 -10 -2 с), мелкий частично испаряется, а основная его масса из-за низкой кинетической энергии оттесняется плазменной струей в сторону, не достигнув ее центральной зоны. При восстановлении деталей напылением порошковыми износостойкими сплавами на никелевой и железной основе наиболее рациональнои является грануляция порошка с размерами частиц 40-100 мкм.

При напылении, как правило, применяют частицы порошка сферической формы, поскольку они обладают наиболее высокой сыпучестью. Оптимальным режимом работы плазмотрона следует считать такой, при котором наибольшее число частиц достигает подложки (основы) детали в расплавленном состоянии. Поэтому для высокоэффективного нагрева и транспортирования частиц порошка необходимо, чтобы конструкция плазмотрона обеспечивала получение плазменной струи достаточной мощности. В настоящее время 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. Плазменная струя вытекает из плазмотрона со скоростью 1000-2000 м/с и сообщает частицам порошка скорость 50-200 м/с.

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. Выпускаемые в настоящее время промышленностью установки для плазменного напыления комплектуют плазмотронами с потребляемой мощностью 25-30 кВт при силе тока 350-400 А.

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.

Эффективность нагрева частиц и скорость их полета зависят от применяемого вида газа: двухатомные газы (азот, водород), а также воздух и их смеси с аргоном повышают указанные параметры.

Технологический процесс восстановления деталей плазменным напылением включает следующие операции: подготовка порошка, поверхности детали, напыление и механическая обработка напыленных покрытий. Подготовке поверхности детали к напылению придается первостепенное значение, поскольку от ее качества в значительной мере зависит прочность сцепления частиц порошка с поверхностью детали. Восстанавливаемую поверхность перед обработкой следует обезжирить. Участки, прилегающие к поверхности, подлежащей напылению, защищают специальным экраном. Напылять покрытия следует сразу после дробеструйной обработки, так как уже через 2 ч ее активность уменьшается из-за увеличения на обработанной поверхности оксидной пленки.

Для повышения прочности сцепления покрытия с основой процесс плазменного напыления проводят с последующим оплавлением. Операция оплавления завершает процесс нанесения покрытия. Оплавление осуществляют тем же плазмотроном, что и напыление, при той же мощности сжатой дуги, с приближением сопла плазмотрона к детали на расстояние 50-70 мм. Сопротивление усталости после оплавления повышается на 20-25 %. Прочность сцепления после оплавления достигает 400 МПа. Зона перемешивания оплавленного и основного металлов составляет 0,01-0,05 мм.

Рис. 3.14 . Схемы плазменных распылителей:
а — пруткового; б — проволочного («проволока-анод»).

Недостатки

Существенным недостатком плазменного нагрева при оплавлении является то, что плазменная струя, обладая высокой температурой и значительной концентрацией энергии, весьма быстро нагревает поверхность покрытия при недостаточном прогреве поверхности детали и тем самым часто приводит к свертыванию оплавляемого покрытия. Кроме того, в результате высокой скорости истечения плазменной струи и значительного давления на напыляемую поверхность также может произойти нарушение слоя покрытия. Плазменное напыление с последующим оплавлением рекомендуется применять для малогабаритных деталей диаметром, не превышающим 50 мм.

При использовании в качестве присадочного материала проволоки возможно применение двух схем подключения плазмотрона: при токоведущем сопле (рис. 3.14, а ) или при токоведущей проволоке (рис. 3.14, б ).

Схема проволочного распыления с токоведущей проволокой — анодом была разработана В. В. Кудиновым в конце 50-х годов прошлого столетия. Тогда удалось получить невиданную производительность — 15 кг/ч вольфрама при мощности 12 кВт. При плазменном напылении наряду с проволокой используют и прутки. Таким образом, чтобы теплота эффективно отводилась медной оболочкой и удалялась охлаждающей водой. Выпускаемые в настоящее время промышленностью установки для плазменного напыления комплектуют плазмотронами с потребляемой мощностью 25-30 кВт при силе тока 350-400 А. 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.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

Плазменное напыление основано на использовании энергии плазменной струи как для нагрева, так и для переноса частиц металла. Плазменную струю получают путем продувания плазмообразующего газа сквозь электрическую дугу и обжатия стенками медного водоохлаждаемого сопла.
Плазменные покрытия обладают такими свойствами: жаростойкостью, жаро- и эрозионной прочностью, тепло- и электроизоляцией, противосхватываемостью, коррозионной стойкостью, защитой от кавитации, полупроводниковыми, магнитными и др.

Области применения плазменных покрытий: ракетная, авиационная и космическая техника, машиностроение, энергетика (в том числе атомная), металлургия, химия, нефтяная и угольная промышленность, транспорт, электроника, радио- и приборостроение, материаловедение, строительство, ремонт машин и восстановление деталей.

Если себестоимость газопламенного напыления проволочными материалами принять за единицу, то себестоимость плазменного и газопламенного напыления порошков будут соответственно 1,9 и 1,6, а электродугового - 0,85.

Плазменную струю получают в плазменной горелке, основные части которой (рис. 3.34) - электрод-катод /, водоохлаждаемое медное сопло-анод 4, стальной корпус 2, устройства для подвода воды 3, порошка 5 и газа 6. Части корпуса, взаимодействующие с катодом или анодом, изолированы друг от друга.
Порошкообразный материал подают питателем с помощью транспортирующего газа. Возможен ввод порошка с плазмообразующим газом.
Напыляемый материал (порошок, проволока, шнур или их комбинация) вводят в сопло плазменной горелки ниже анодного пятна, в столб плазменной дуги или плазменную струю.

Высокие температура и скорость струи делают возможным напыление покрытий из любых материалов, не диссоциирующих при нагреве, без ограничений на температуру плавления. Плазменным напылением получают покрытия из металлов и сплавов, оксидов, карбидов, боридов, нитридов и композиционных материалов.

Необходимые физико-механические свойства покрытий объясняются высокими температурой плазмы и скоростью ее истечения, применением инертных плазмообразующих газов, возможностью регулирования аэродинамических условий формирования металлоплазменной струи.
В материале детали не происходит структурных преобразований, возможно нанесение тугоплавких материалов и многослойных покрытий из различных материалов в сочетании плотных и твердых нижних слоев с пористыми и мягкими верхними (для улучшения прирабатываемости покрытий), износостойкость покрытий высокая, достижима полная автоматизация процесса.

При легировании через проволоку наплавку ведут высокоуглеродистой или легированной проволокой под плавленым флюсом. При этом обеспечиваются высокая точность легирования и стабильность химического состава наплавленного металла по глубине покрытия.

Легирование наплавленного металла через флюс выполняют наплавкой малоуглеродистой проволокой под слоем керамического флюса. Высокая твердость покрытий исключает их последующую термическую обработку. Однако этот способ легирования не нашел широкого применения из-за большой неравномерности наплавленного металла по химическому составу и необходимости строго выдерживать режим наплавки.

Комбинированный способ легирования одновременно через проволоку и флюс получил наибольшее распространение.

В качестве источников питания применяют выпрямители ВС-300, ВДУ-504, ВС-600, ВДГ-301 и преобразователи ПСГ-500 с пологопадаю-щей или жесткой внешней характеристикой. В роли вращателей деталей используют специальные установки (УД-133, УД-140, УД-143, УД-144, УД-209, УД-233, УД-299, УД-302, УД-651, ОКС-11200, ОКС-11236, ОКС-11238, ОКС-14408, ОКС-27432, 011-1-00 РД) либо списанные токарные или фрезерные станки. Для подачи проволоки применяют головки А-580М, ОКС-1252М, А-765, А-1197.

Основные технологические параметры наплавки: состав электродного материала и флюса, напряжение дуги U, сила / и полярность тока, скорость наплавки vH и подачи vn электродного материала, шаг наплавки S, смещение электрода с зенита е, диаметр d3 и вылет электрода. Примерные режимы наплавки под слоем флюса цилиндрических деталей приведены в табл. 3.52.

Наплавка под слоем флюса имеет следующие разновидности.

Наплавка лежачий электродом (прутковым или пластинчатым) из низкоуглеродистой или легированной стали применяется для восстановления плоскостей. Часть флюса насыпают на восстанавливаемую поверхность (толщиной 3…5 мм), а часть - на электрод (толщина слоя флюса достигает 10… 15 мм). Применяют флюсы-смеси. В одном месте электрод замыкают с деталью для возбуждения дуги, которая при горении блуждает в поперечном направлении. Плотность тока составляет 6…9 А/мм напряжение 35…45 В. Для выполнения процесса имеется установка ОКС-11240 ГосНИТИ.

Повышение производительности и более высокое содержание легирующих элементов в покрытии обеспечиваются многоэлектродной наплавкой под флюсом на детали со значительным износом на большой площади (рис. 3.23). Блуждающая дуга горит между деталью и ближайшим к ней электродом.

Натавка по слою порошка (толщиной 6…9 мм) под флюсом повышает производительность процесса и обеспечивает получение толстых покрытий нужного состава.
Область применения механизированной наплавки пол слоем флюса распространяется на восстановление деталей (диаметром более 50 мм) из углеродистых и низколегированных сталей, требующих нанесения слоя толщиной > 2 мм с высокими требованиями к его физико-механическим свойствам. Наплавляют шейки валов, поверхности катков и роликов, направляющие станин и другие элементы.

Механизированная наплавка под слоем флюса обладает такими преимуществами:

Повышением производительности труда в 6…8 раз по сравнению с ручной электродуговой наплавкой с одновременным снижением расхода электроэнергии в 2 раза за счет более высокого термического КПД;

Высоким качеством наплавленного металла благодаря насыщению необходимыми легирующими элементами и рациональной организации тепловых процессов;

Возможностью получения покрытий толщиной > 2 мм/p.

В качестве плазмообразующих газов при напылении материалов используют аргон, гелий, азот, водород и их смеси (табл. 3.68). Плазмообразующие газы не содержат кислорода, поэтому не окисляют материал и напыляемую поверхность.

Гелий и водород в чистом виде практически не применяются по экономическим соображениям, а также вследствие разрушающего действия на электрод.

Азот и аргон используются чаще, однако наилучшими показателями обладают газовые смеси, например Ar + N, и Аг + Н2. Вид плазмообразующего газа выбирают исходя из требуемых температуры, теплосодержания и скорости потока, его степени инертности к распыляемому материалу и восстанавливаемой поверхности. Следует учитывать, что плазма двух- и многоатомарных газов по сравнению с одноатомарными содержит больше тепла при одинаковой температуре, потому что ее энтальпия определяется тепловым движением атомов, ионизацией и энергией диссоциации.

При напылении порошковых или шнуровых материалов электрическое напряжение прилагают к электродам плазменной горелки. При напылении проволочных материалов напряжение подводят к электродам горелки, дополнительно оно может быть приложено к напыляемому материалу, т.е. проволока может быть токоведушей или нет. Напыляемую деталь в цепь нагрузки не включают.

Порошки для плазменного напыления не должны создавать заторы в транспортных трубопроводах, а должны равномерно подаваться в плазменную струю и свободно перемещаться с газовым потоком. Этим требованиям удовлетворяют частицы порошка сферической формы диаметром 20… 100 мкм.

В Институте электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины разработаны порошковые проволоки сер. АМОТЕК. состоящие из стальной оболочки и порошкового наполнителя. Эти материалы предназначены для нанесения износо- и коррозионностойких покрытий способами газопламенного, электродугового и плазменного напыления. Особенностью материалов является возможность аморфизации структуры напыляемых покрытий. Наличие аморфной составляющей в структуре покрытий обеспечивает комплекс повышенных служебных свойств (износо- и коррозие-стойкости, прочности соединения с основой).

Для защиты частиц напыляемого материала от окисления, обезуглероживания и азотирования применяют газовые линзы (кольцевой потокинертного газа), являющиеся как бы оболочкой плазменной струи, и специальные камеры с инертной средой, в которых происходит процесс напыления.

Приведем примеры применения плазменного напыления в процессах восстановления деталей.

Освоено несколько разновидностей процесса восстановления коренных опор блоков цилиндров. Первые исследователи способа рекомендовали в качестве наносимого материала малоуглеродистую стальную проволоку Св-08 для обеспечения однородной мелкодисперсной структуры покрытия и повышения прочности соединения его с основой. Позднее были рекомендованы порошкообразные материалы. Распространение получили композиционные порошки и порошки из бронзы. Порошки из бронзы наносят на поверхности как чугунных деталей, так и деталей из алюминиевого сплава. Предварительно должен быть нанесен термореагирующий подслой Al-Ni.

При восстановлении коренных опор в чугунных блоках цилиндров применяют более дешевый порошок грануляцией 160…200 мкм состава: Fe (основа). 5 % Си и 1 % AI. Режим нанесения покрытия: ток плазменной дуги 330 А, напряжение 70 В, расход плазмообразующего газа (азота) 25 л/мин, диаметр сопла плазмотрона 5,5 мм, частота качаний плазмотрона 83 мин’, подача детали 320 мм/мин, расход порошка 7 кг/ч.

Процесс нанесения плазменного покрытия на поверхности отверстий в деталях из алюминиевого сплава включает:

1) сушку порошков при температуре 150..20 °С в течение 3 ч;

2) предварительное растачивание отверстий до размера, превышающего на 1 мм номинальный размер отверстия;

3) установку защитных экранов;

4) обезжиривание напыляемых поверхностей ацетоном;

5) нанесение покрытия в две операции;

6) снятие защитных экранов;

7) предварительное и окончательное растачивание;

8) удаление облоя.

В первой операции наносят подслой ПН-85Ю15, во второй - основной слой из медного порошка ПМС-Н. Режимы нанесения покрытий: сила тока 220…280 А, расход азота 20…25 л/мин при давлении 0,35 МПа. расстояние от сопла до детали 100… 120 мм, время нанесения покрытия 15 мин. Покрытие наносят на стенде. Плазмообразующее оборудование состоит из источника питания ИПН 160/600 н установки УПУ-ЗД или УПУ-8.

Применяют плазменное напыление при нанесении покрытий на плоскости головок цилиндров из силумина. Технология включает предварительное фрезерование изношенной поверхности, нанесение покрытия и последующую обработку. В качестве материала покрытия используют порошок из алюминия и 40…48 % Fe. Режим нанесения покрытия: сила тока 280 А, расстояние от сопла до детали 90 мм. расход плазмообразующего газа (азота) 72 л/мин.

С целью удешевления процесса и повышения его производительности внедрен процесс электродугового напыления плоскостей из проволоки Св-АК5 диаметром 2 мм. Применяют источник тока ВГД-301 и металлизатор ЭМ-12. Режимы напыления: сила тока 300 А, напряжение 28… 32 В, давление распыливающего воздуха 0.4…0.6 МПа, расстояние от сопла до детали 80… 100 мм. Покрытие толщиной 5 мм наносят за 8… 10 мин.

При восстановлении поршней из алюминиевого сплава наносят плазменное покрытие из порошка бронзы ПР-Бр. АЖНМц 8,5-4-5-1,5 (8,5 % AI, 4 % Fe, 4.8 % Ni. 1,4 % Мп, остальное Си). Игпользуют установку УПУ-8. Режим нанесения: ток 380 А, расстояние от сопла до детали 120 мм. плазмообразуюший газ - смесь аргона с азотом.

При восстановлении коленчатых валов из высокопрочного чугуна наносят плазменное покрытие из композиции порошков на термореагирующий подстой из материала ПН-85Ю15. Состав композиции: 50 % ПГСР, 30 % ПЖ4 и 20 % ПН85Ю15.

Режимы процесса: I = 400 А, расстояние от сопла до детали 150 мм. расход азота 25 л/мин. Согласно авторскому свидетельству на изобретение СССР № 1737017. цель которого - повышение адгезионной и когезионной прочности покрытий, наносимый материал содержит (в мае. %): самофлюсующийся сплав системы Ni-Сг-В-Si 25…50, порошок железа 30…50 и никель-алюминиевый порошок 20…25.

Микроплазменное напыление применяют при восстановлении участков деталей с размерами 5… 10 мм с целью уменьшения потерь напыляемого материала. Используют плазмотроны малой мощности (до 2… 2,5 кВт), генерирующие квазиламинарную плазменную струю при силе тока 10…60 А. В качестве плазмообразующего и защитного газа применяют аргон. При микроплазменном напылении удается уменьшить диаметр металлоплазменной струи до 1…5 мм. Процесс характерен низким уровнем шума (30…50 дБ) и небольшим количеством отработавших газов, что позволяет вести напыление в помещении без применения рабочей камеры. Создана установка микроплазменного напыления МПН-001.

Технологические режимы плазменного напыления определяются: видом и дисперсностью материала, током плазменной струи и его напряжением, видом и расходом плазмообразующего газа, диаметром сопла плазменной горелки и расстоянием от сопла до напыляемой поверхности.

Дисперсность частиц материала, ток плазменной струи и расход плазмообразующего газа определяют температуру нагрева частиц и их скорость перемещения, а значит, - плотность и структуру покрытия.

Большая равномерность свойств покрытия обеспечивается при более высокой скорости перемещения плазмотрона относительно детали и меньшей толщине слоя. Эта скорость мало влияет на коэффициент использования материала и значительно сказывается на производительности процесса.

Расстояние от сопла до восстанавливаемой поверхности зависит от вида плазмообразующего газа, свойств напыляемого материала и изменяется в пределах 120…250 мм (чаще 120…150 мм). Угол между осью потока частиц и восстанавливаемой поверхностью должен приближаться к 90°.

Оптимальное сочетание теплосодержания потока плазмы, времени пребывания частиц в этом потоке и их скорости обеспечивает получение покрытий с высокими физико-механическими свойствами.

Свойства плазменных покрытий существенно улучшаются при их оплавлении. При этом плавится наиболее легкоплавкая часть материала, однако температура нагрева должна быть достаточной для плавления боросиликатов, которые восстанавливают металлы из оксидов и образуют шлаки.

Оплавляемые материалы должны удовлетворять таким требованиям: температура плавления легкоплавкой составляющей сплава не должна превышать 1000… 1100 °С. сплав в разогретом состоянии должен хорошо смачивать поверхность заготовки и обладать свойством самофлюсования. Такими свойствами обладают порошковые материалы на основе никеля, имеющие температуру плавления 980… 1050 °С и содержащие флюсующие элементы: бор и кремний. Недостаточная температура нагрева покрытия приводит к образованию на поверхности капель металла. Жидкое состояние части покрытия способствует интенсивному протеканию диффузионных процессов, при этом материал детали остается в твердом состоянии.

В результате оплавления значительно повышается прочность соединения покрытия с основой, увеличивается когезионная прочность, исчезает пористость и улучшается износостойкость.

Оплавленные покрытия имеют обрабатываемость, близкую к обрабатываемости монолитных жаропрочных сталей и сплавов аналогичного химического состава.
Покрытия оплавляют: газовой горелкой (ацетиленокислородным пламенем), в термической печи, индуктором (токами высокой частоты), электронным или лазерным лучом, плазменной горелкой (плазменной струей), пропусканием тока большой величины.

Оплавление газовой горелкой - наиболее простой способ, позволяющий визуально контролировать качество оплавления. Недостатки способа - односторонний нагрев детали, который может привести к ее короблению, и большая трудоемкость при обработке массивных деталей.

Печное оплавление обеспечивает прогрев всего объема детали, поэтому вероятность появления трещин уменьшается. Однако сопряженные с покрытием участки детали покрываются окалиной, их физико-механические свойства ухудшаются. Негативное влияние окислительной атмосферы на свойства покрытий при их нагреве исключается при наличии защитной среды.

Хорошие результаты дает индукционное оплавление, которое обеспечивает большую производительность без нарушения термообработки всей заготовки. Нагреву подвергают только покрытие и примыкающий к нему тонкий слой основного металла. Толщина прогреваемого металла зависит от частоты тока: с увеличением последней толщина уменьшается. Высокие скорости нагрева и охлаждения могут привести к трещинам в покрытии.

Оплавление покрытий электронным или лазерным лучом практически не изменяет свойств сопряженных с покрытием участков и сердцевину детали. Вследствие высокой стоимости эти способы следует применять при восстановлении ответственных дорогостоящих деталей, покрытия на которых трудно оплавить другими способами.

Оплавленные покрытия из сплавов на основе никеля ПГ-СР2. ПГ-СРЗ и ПГ-СР4 имеют такие свойства:

Твердость 35…60 HRC в зависимости от содержания в них бора;

Повышенную в 2…3 раза износостойкость по сравнению с закаленной сталью 45, что объясняется присутствием в структуре покрытия твердых кристаллов (боридов и карбидов);

Увеличенную в 8… 10 раз прочность соединения покрытия с основой по сравнению с прочностью соединения неоплавленных покрытий;

Повышенную на 20…25 % усталостную прочность.

Область применения плазменных покрытий с последующим оплавлением - это восстановление поверхностей деталей, работающих в условиях знакопеременных и контактных нагрузок.

Оплавленные покрытия имеют многофазную структуру, составляющие которой - бориды, избыточные карбиды и эвтектика. Вид микроструктуры (дисперсность, вид и количество составляющих) зависит от химического состава самофлюсующегося сплава, времени и температуры нагрева.

Наилучшую износостойкость деталям в нагруженных сопряжениях обеспечивают покрытия из самофлюсующихся сплавов. Структура покрытия - высоколегированный твердый раствор с включениями дисперсных металлоподобных фаз (прежде всего боридных или карбидных) с размером частиц 1…10 мкм, равномерно распределенных в основе.

Для плазменного напыления металлических и неметаллических покрытий (тугоплавких, износостойких, коррозионностойких) применяют установки: УН-115, УН-120, УПМ-6. УПУ-ЗД. УПС-301. АПР-403. УПРП-201.

Для генерирования плазмы используют различные плазмотроны. Реализуемые в конкретной конструкции диапазон и уровень удельных мощностей характеризуют эффективность преобразования электрической энергии дуги в тепловую плазменной струи, а также технологические возможности плазмотрона.

Задача разработки технологического плазмотрона всегда сводится к созданию относительно простой, ремонтопригодной конструкции, обеспечивающей стабильную длительную работу в широком диапазоне изменения сварочного тока дуги, расхода и состава плазмообразующего газа, а также генерирование плазменной струи с воспроизводимыми параметрами, что позволяет эффективно обрабатывать материалы с различными свойствами.

В практике напыления применяют как однородные порошки различных материалов (металлов, сплавов, оксидов, бескислородных тугоплавких соединений), так и композиционные, а также механические смеси указанных материалов.

Наиболее распространены следующие порошковые материалы:

металлы - Ni, Al, Mo, Ti, Cr, Cu;

сплавы - легированные стали, чугун, никелевые, медные, кобальтовые, титановые, в том числе самофлюсующиеся сплавы (Ni-Cr-B-Si, Ni-B-Si, Co-Ni-Cr-B-Si, Ni-Cu-B-Si);

оксиды Al , Ti , Cr , Zr и других металлов и их композиции;

бескислородные тугоплавкие соединения и твердые сплавы - карбиды Cr , Ti , W и др. и их композиции с Со и Ni ;

композиционные плакированные порошки - Ni -графит, Ni -А l и др.;

композиционные конгломерированные порошки- Ni — Al , NiCrBSi — Al
и др.;

механические смеси - Cr 3 C 2 + NiCr , NiCrBSi + Cr 3 C 2 и др.

В случае применения композиционных порошков в технологии газотермического напыления преследуют следующие цели:

использование экзотермического эффекта взаимодействия компонентов (Ni — Al , Ni — Ti и т. п.);

равномерное распределение компонентов в объеме покрытия, например, типа керметов (Ni — Al 2 0 3 и т. п.);

защита материала ядра частицы от окисления или разложения при напылении (Co — WC , Ni — TiC и т. п.):

формирование покрытия с участием материала, самостоятельно не образующего покрытия при газотермическом напылении (Ni -графит и т. п.);

улучшение условий формирования покрытий за счет увеличения средней плотности частиц, введение компонентов с высокой энтальпией.

Применяемые для напыления порошки не должны разлагаться или возгоняться в процессе напыления, а должны иметь достаточную разницу между температурами плавления и кипения (не менее 200 °С).

При выборе порошковых материалов для получения различных плазменных покрытий необходимо учитывать следующие положения.

Гранулометрический состав применяемых порошковых материалов имеет первостепенное значение, так как от него зависят производительность и коэффициент использования, а также свойства покрытий. Размер частиц порошка выбирают в зависимости от характеристик источника тепловой энергии, теплофизических свойств напыляемого материала и его плотности.

Обычно при напылении мелкодисперсного порошка получают более плотное покрытие, хотя в нем содержится большое количество оксидов, возникающих в результате нагрева частиц и их взаимодействия с высокотемпературным потоком плазмы. Чрезмерно крупные частицы не успевают прогреться, поэтому не образуют достаточно прочной связи с поверхностью и между собой или просто отскакивают при ударе. При напылении порошка, состоящего из смеси частиц разных диаметров, более мелкие частицы расплавляются в непосредственной близости от места их подачи в сопло, заплавляют отверстие и образуют наплывы, которые время от времени отрываются и в виде больших капель попадают на напыляемое покрытие, ухудшая его качество. Поэтому напыление предпочтительно следует производить порошками одной фракции, а все порошки перед напылением подвергать рассеиванию (классификации).

Для керамических материалов оптимальный размер частиц порошка 50-70 мкм, а для металлов - около 100 мкм. Порошки, предназначенные для напыления, должны иметь сферическую форму. Они обладают хорошей сыпучестью, что облегчает их транспортировку к плазмотрону.

Почти все порошки гигроскопичны и могут окисляться, поэтому их хранят в закрытой таре. Порошки, находившиеся некоторое время в открытой таре, перед напылением прокаливают в сушильном шкафу из нержавеющей стали слоем 5-10 мм при температуре 120-130 °С в течение 1,5-2 ч.

Порошок для напыления выбирают с учетом условий эксплуатации напыляемых деталей.

Возможными дефектами плазменно-дугового способа нанесения покрытий является отслоение напыленного слоя, растрескивание покрытия, появление на поверхности крупных капель материала покрытия, капель меди, а также разнотолщинность покрытия (выше допустимой).

С целью повышения адгезионной и когезионной прочностей и других качественных характеристик плазменные покрытия подвергают дополнительной обработке различными способами: обкатка роликами под током, очистка напыляемых поверхностей от окалины и удаление слабо сцепленных с основой или с предыдущим слоем частиц металлическими щетками в процессе самого напыления, струйно-абразивная и ультразвуковая обработка и др.

Одним из наиболее распространенных способов улучшения качества покрытий из самофлюсующихся сплавов является их оплавление. Для оплавления используют индукционный или печной нагрев, нагрев в расплавах солей или металлов, плазменный, газопламенный, лазерный и др. В большинстве случаев предпочтение отдают нагреву в индукторах токами высокой частоты (ТВЧ). Напыленные покрытия системы Ni — Cr — B — Si — C подвергают оплавлению при 920-1200 0 С с целью уменьшения исходной пористости, повышения твердости и прочности сцепления с металлом - основой.

Технологический процесс плазменного напыления состоит из предварительной очистки (любым известным методом), активационной обработки (например, абразивно-струйной) и непосредственно нанесения покрытия путем перемещения изделия относительно плазмотрона или наоборот.

Лащенко Г.И. Плазменное упрочнение и напыление. – К.: «Екотехнолог i я», 2003 – 64 с.

Плазменное напыление

Способ нанесения покрытий с помощью потока плазмы по своим возможностям превосходит методы нанесения металла с помощью кислородно-ацетиленового пламени и дуговой сварки. Преимущество этого способа перед другими заключается в возможности плавления и нанесения многослойных покрытий на материалы из тугоплавких металлов независимо от температуры плавления последних, что позволяет восстанавливать детали, вышедшие из всех ремонтных размеров.

Как и другие способы высокотемпературного напыления покрытий, плазменное напыление не вызывает коробления детали и изменения структуры. Износостойкость плазменных покрытий в 1,5…3 раза выше, а коэффициент трения в 1,5…2 раза ниже, чем у закаленной стали 45.

Плазменная струя используется для наплавки и нанесения покрытий на изделия из сталей, алюминия и его сплавов и других материалов путем расплавления присадочной проволоки или порошков металлов. С помощью плазмы производят резку и поверхностную обработку различных материалов, нагрев под пайку и термическую обработку. Применение для плазмообразования и защиты нейтральных газов - аргона, азота и их смесей - обеспечивает минимальное выгорание легирующих элементов и окисление частиц. Плазменное напыление позволяет улучшить свойства металлопокрытий, однако ее широкое применение ограничивается невысокой прочностью сцепления покрытия с поверхностью восстанавливаемой детали и надежностью плазменных горелок, большим шумом и яркостью горения дуги. Плазменная дуга представляет собой высокоинтенсивный источник теплоты, состоящий из молекул атомов, ианов, электронов и световых квантов в сильно ионизированном состоянии, температура которого может достигать 20 000 °С и более.

Плазменная струя имеет ярко светящееся ядро, длина которого может изменяться от 2…3 до 40…50 мм в зависимости от размеров сопла и канала, состава и расхода газа, величины тока и длины дуги.

Цепь питания установки состоит из двух источников: один из них предназначен для питания плазменной дуги, а второй - для поддержания основной дуги. Плазмообразующий газ подается из баллона через газовую аппаратуру, расположенную в пульте управления. Для подачи присадочного порошка используется транспортирующий газ. Газовая аппаратура состоит из баллонов, редукторов, расходомеров, смесителя, предохранителей и электромагнитных вентилей.

Для наплавки целесообразно применять плазменные горелки, в которых одновременно горят две дуги: одна плазмообразующая, а вторая служит для подплавления основного металла и расплавления присадочного. При напылении рекомендуются горелки, в которых присадочный и основной металлы нагреваются частью плазменного потока, прошедшего через отверстие в сопле.

Для напыления антифрикционных покрытий применяются порошки нирезиста и бронзы. Порошки самофлюсующихся сплавов ПГ-СРЗ , СНГН -50, нержавеющей стали применяются в смесях для напыления износостойких покрытий, а также для восстановления валов и посадочных мест под подшипники.

Порошки интерметаллидов (химическое соединение металла с металлом) ПН55Т, ПН85Ю15 используют в качестве подслоя (0,05…0,1 мм) для повышения прочности сцепления покрытий и как составляющую порошковой смеси для повышения когезионной прочности покрытия. Достаточно высокие значения прочности сцепления плазменные покрытия имеют при толщине слоя до 0,6…0,8 мм.

Для напыления коренных и шатунных шеек коленчатого вала двигателя ЗИЛ -130 можно использовать смесь порошков-15…25 % (по массе) ПН85Ю15 + 35…40% ПГ-СРЗ + 35…50 % П2Х13. По экономическим соображениям целесообразно напылять смесями, основными компонентами которых являются дешевые порошки (нирезист, нержавеющая сталь, бронза). В их состав вводят 10…15% порошка ПН85Ю15.

Порошки ПР-Н70Ю30 и ПР-Н85Ю15, производства НПО «Тулачермет», могут служить подслоем и основным слоем покрытия в комбинации с высокоуглеродистыми порошками.

Качество покрытия при плазменном напылении в значительной мере зависит от мощности горелки, расхода газов, электрического режима, подачи порошка, условия напыления (расстояние горелки от изделия, угол напынапыления устанавливают для каждого конкретного случая экспериментально.

Рис. 1. Схема установки для плазменной наплавки:
1 - основной источник тока; 2 - источник тока для возбуждения; 3 - плазменная горелка; 4 - баллон с газом, транспортирующий наплавочный порошок; 5 - газовый редуктор; 6 - дозатор; 7 - баллон с плазмообразующим газом; 8 - ротаметр; 9 - смеситель.

Рис. 2. Схемы плазменных горелок для наплавки (а) и для напыления (б):
1 - электрод вольфрамовый (катод); 2 - изоляционная прокладка; 3 - сопло (анод); 4 - плазма; 5 - наплавленный слой; 6 - основной металл; 7 - канал для подачи наплавочного порошка; 8 - каналы для охлаждающей воды; 9 - напыленный слой.

Для восстановления деталей типа «вал» (валы шестерни, валы и оси пустотелые и сплошные, крестовины кардана и дифференциалы) с износом не более 3 мм способом плазменной наплавки твердосплавными материалами используется установка ОКС -11231-ГОСНИТИ .

Диаметр и длина наплавляемых деталей соответственно 20…100 и 100…800 мм. Применяемые порошки: сор-майт, подшихтованный порошком алюминия АСДТ ; УС-25 с алюминием; Т-590 с алюминием; ПГ-Л101 с алюминием; газ - аргон, сжатый воздух. Твердость наносимого металла составляет до 66 HRC3. Габаритные размеры станка 2225Х1236Х1815 мм.

По данным ГОСНИТИ , годовой экономический эффект от внедрения установки составит более 9 тыс. руб.

На установке ОКС -11192-ГОСНИТИ с успехом восстанавливают фаски тарелки клапана дизелей всех марок порошковым материалом ПГ-СР2. Ее производительность 80… 100 клапанов в смену.

Высокую надежность в работе показал малогабаритный плазмотрон ВСХИЗО -З, который в сочетании с переоборудованной установкой УМП -5-68 рекомендуется для восстановления коленчатых валов двигателей ЯМЗ -238НБ, СМД -14 и А-41 с использованием следующих композиций: проволоки Св-08Г2С-80…85 % + порошок ПГ-СР4-15…20 % (СМД -14 и А-41) и проволоки 15ГСТЮЦА-75…80 %+порошок ПГ-СР4-20…25 %. Твердость шеек вала в первом случае составляет 46,5… 51,5 HRC3, во втором - 56,5…61 HRC3. Износостойкость шеек н вкладышей, находится на уровне коленчатого вала.

Требует разрешения проблема обеспечения необходимой прочности сцепления металлопокрытия с изделием, изыскания новых дешевых материалов и эффективных способов подготовки изношенных поверхностей деталей перед плазменным напылением.

Первый может быть решен введением дополнительной операции - оплавления напыленного покрытия, которое производится плазменной или кислородно-ацетиленовой горелкой непосредственно после нанесения покрытия, а также при помощи нагрева токами высокой частоты. После оплавления покрытия улучшаются его физико-механические свойства, а прочность сцепления возрастает в 10 раз и более.

Технологический процесс восстановления деталей этим способом включает очистку поверхности изделия от загрязнений и окислов (при необходимости предварительное шлифование для придания правильной геометрической формы детали), ее обезжиривание и абразивно-струйную обработку (создает наклеп, разрушает окисную пленку, увеличивает шероховатость), напыление детали с оплавлением покрытия и затем механическую обработку изделия.

Давление сжатого воздуха при абразивно-струйной обработке - 0,4…0,6 МПа, расстояние обдува 50… 90 мм, угол атаки струи абразива 75…90°. Продолжительность обработки зависит от абразива (порошок белого электрокорунда 23А, 24А или черного карбида кремния 53С, 54С зернистостью 80… 125 мкм ГОСТ 1347-80, стальная или чугунная колотая дробь ДСК и ДЧК № 08К; № 1,5К ГОСТ 11964-69), материала детали и его твердости и площади обрабатываемой поверхности. Время между подготовкой и напылением должно быть минимальным и не превышать 1,5 ч.

Расстояние от среза сопла до поверхности детали при плазменном оплавлении уменьшают в пределах 50…60 мм.

Для цилиндрических деталей оплавление производят при их вращении с частотой 10…20 мин-1.

В качестве вращателя при плазменном напылении могут быть использованы установки 011-1-01, 011-109 или токарно-винторезный станок.

Выбирая окончательную толщину слоя, следует учитывать усадку при оплавлении (10…20 %) и припуск на механическую обработку (0,2…0,3 мм на сторону).

Плазменные покрытия, напыленные металлическими порошками, обрабатывают на токарно-винторезных или шлифовальных станках с помощью стандартного режущего инструмента. Особенно эффективно шлифование кругами из синтетических алмазов.

Проведенные исследования показали, что плазменным напылением с оплавлением покрытия можно восстанавливать ответственные автотракторные детали любой формы (тарелки и стрежни толкателей, фаски тарелок и стержни клапанов, коленчатые валы, валики водяного насоса), что следует учитывать специалистам при разработке технологических процессов на восстановление этих деталей.

Применение плазменного напыления целесообразно при восстановлении быстроизнашивающихся рабочих органов сельскохозяйственных машин (при этом желательно нанесение порошков из карбидов). Оно может быть применено для нанесения жаростойких антикоррозийных покрытий деталей, работающих при высоких температурах.

Вместе с тем проблема напыленных покрытий полностью еще не решена. Например, контроль в процессе напыления толщины покрытий, механическая обработка напыленных покрытий. Необходимы дальнейшее совершенствование существующей технологии высокотемпературного напыления и оборудования для ее выполнения, глубокие и разносторонние исследования возможностей и преимуществ этой технологии, разработка научно обоснованных рекомендаций по применению порошково-проволочных материалов на конкретных деталях.

К атегория: - Прогрессивные методы ремонта

При плазменном способе нанесения покрытий напыляемый материал разогревается до жидкого состояния и переносится на обрабатываемую поверхность при помощи потока плазмы с высокой температурой. Напыляемый материал выпускается в виде прутков, порошков или проволоки. Порошковый способ наиболее распространенный.

Уникальность метода плазменного напыления заключается в высокой температуре (до 50 тыс. градусов по Цельсию) плазменной струи и высокой скорости (до 500 м/с) движения частиц в струе. Нагрев же напыляемой поверхности невелик и составляет не более 200 град.

Производительность плазменного напыления составляет 3-20 кг/ч для плазмотронных установок мощностью 30...40 кВт и 50-80 кг/ч для оборудования мощностью 150...200 кВт.

Прочность сцепления покрытия с поверхностью детали в среднем равна 10-55 МПа на отрыв, а некоторых случаях — до 120 МПа. Пористость покрытия находится в пределах 10...15%. Толщина покрытия обычно не более 1 мм, так как при ее увеличении в напыляемом слое возникают напряжения, стремящиеся отделить его от поверхности детали.

Плазменно-дуговое напыление в сочетании с одновременной обработкой поверхности вращающейся металлической щеткой позволяет уменьшить пористость покрытия до 1-4%, а общую толщину напыления увеличить до 20 мм.

Плазмообразующими газами служат азот, гелий, аргон, водород, их смеси и смесь воздуха с метаном, пропаном или бутаном.

Для плазменного напыления используют проволоку, в том числе порошкового типа, порошки из черных и цветных металлов, никеля, молибдена, хрома, меди, оксиды металлов, карбиды металлов и их композиции с никелем и кобальтом, сплавы металлов, композиционные материалы (никель-графит, никель-алюминий и др.) и механические смеси металлов, сплавов и карбидов. Регулирование режима напыления позволяет наносить как тугоплавкие материалы, так и легкоплавкие.

Основой для плазменного напыления могут служить металлы и неметаллы (пластмасса, кирпич, бетон, графит и др.). Для нанесения покрытий на небольшие поверхности применяется микроплазменный способ напыления, который позволяет сэкономить потери напыляемого материала (ширина напыления 1-3 мм).

Детали плазмотрона

С целью повышения адгезии напыленных покрытий, защиты от окисления, уменьшения пористости используется метод плазменного напыления в защитной среде (вакуум, азот, смесь азота с аргоном и водородом) и с применением специальных сопел, закрывающих область между распылителем и обрабатываемой поверхностью. Перспективным направлением в технологии плазменного напыления является сверхзвуковое напыление.

Процесс плазменного напыления включает 3 основных этапа:

1) Подготовка поверхности.

2) Напыление и дополнительная обработка покрытия для улучшения свойств.

3) Механическая обработка для достижения чистовых размеров.

Предварительные размеры поверхностей под напыление должны быть определены с учетом толщины напыления и припуска на последующую механическую обработку. Переходы поверхностей должны быть плавными, без острых углов, во избежание отслаивания покрытия. Отношение ширины паза или диаметра отверстия к его глубине должно быть не меньше 2.

Детали перед напылением должны быть тщательно очищены и обезжирены. Ремонтные детали, имеющие замасленные пазы или каналы, следует нагреть в печи при температуре 200-340 град. в течение 2-3 часов для выпаривания масла.

Далее производится активация поверхности — придание ей определенной шероховатости для обеспечения адгезии. Активацию производят при помощи обдува детали сжатым воздухом с абразивом или нарезанием рваной резьбы.

Абразив выбирают зернистостью 80...150 по ГОСТ3647, или применяют чугунную/стальную дробь ДЧК, ДСК №01...05 по ГОСТ 11964.

Металлическая дробь не применяется для обработки жаростойких, коррозионно-стойких сталей и цветных металлов и сплавов, т. к. может вызвать их окисление.

Шероховатость поверхности под плазменное напыление должна составлять 10...60 Rz, поверхность должна быть матовой.

Поверхности, не подлежащие абразивной обработке, защищают экранами. Зона обдува на 5+/-2 мм должна быть больше, чем номинальный размер напыленной поверхности.

Тонкие детали закрепляют в приспособлениях с целью предотвращения их коробления во время обработки.

Расстояние от сопла до детали при абразиво-струйной обработке должно находиться в пределах 80...200 мм, меньшие значения принимают для более твердых материалов, большие — для мягких. После этого детали обеспыливают путем обдува сжатым воздухом.

Промежуток времени между очисткой и напылением должен составлять не более 4ч, а при напылении алюминия и других быстро окисляющихся материалов — не более часа.

Нарезание рваной резьбы вместо абразиво-струйной обработки применяют для деталей с формой тел вращения. Резьбу нарезают на токарном станке обычным резьбовым резцом, смещенным ниже оси детали. Резьбу нарезают без охлаждения за один проход. Шаг резьбы выбирают по таблице 1.

Для плазменного напыления следует применять порошки одной фракции, форма частиц — сферическая. Оптимальный размер частиц для металлов составляет около 100 мкм, а для керамики — 50...70 мкм. В случае, если порошки хранились в негерметичной таре, их нужно прокалить при температуре 120...130 градусов в течение 1,5-2 ч в сушильном шкафу.

Те части детали, которые не подвергаются напылению, защищают экранами из асбеста или металла, или обмазками.

Предварительный подогрев детали перед напылением осуществляют плазмотроном до температуры 150...180 градусов.

Режимы обработки определяют опытным путем. Средние значения режимов плазменного напыления следующие:

1) Расстояние от сопла до детали — 100...150 мм.

2) Скорость струи — 3...15 м/мин.

3) Скорость вращения детали — 10...15 м/мин.

4) Угол напыления — 60...90 градусов.

Общую толщину покрытия набирают несколькими циклами с перекрытием полос напыления на 1/3 диаметра пятна напыления.

После напыления деталь снимают с плазмотрона, удаляют защитные экраны и охлаждают до комнатной температуры.

Рисунок 1 - Принципиальная схема плазменного порошкового напыления: 1 - подвод плазмообразующего газа, 2 - катод плазмотрона, 3 - корпус катода, 4 - изолятор, 5 - корпус анода, 6 -порошковый питатель, 7 - подвод газа-носителя порошка, 8 - плазменная дуга, 9 - источник питания.

Рисунок 2 - Принципиальная схема плазменного напыления с применением проволоки: 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.

Рисунок 3 - Структура покрытия, напыленного плазменным способом

Для улучшения качества напыленных покрытий применяют следующие приемы:

1) обкатка роликами под электрическим током;

2) напыление с одновременной обработкой металлическими щетками;

3) оплавление покрытий из самофлюсующихся сплавов. Оплавление производят с помощью печей, ТВЧ, нагретых расплавов солей и металлов, плазменным, лазерным или газопламенным способом. Температура оплавления покрытия никель-хром-бор-кремний-углерод составляет 900..1200 градусов.

Чистовые размеры деталей после плазменного напыления получают точением и шлифованием с охлаждением водными растворами и водно-масляными эмульсиями. Шлифкруги выбирают из электрокорунда марки Э на керамической связке, зернистостью 36...46, твердостью СН. Режимы шлифования следующие: скорость вращения круга 25...30 м/с, подача круга 5...10 мм/об, скорость вращения детали 10...20 м/мин, подача детали 0,015...0,03 мм/дв.х.

Далее производят окончательный контроль, в случае, если на поверхности детали с напылением есть трещины, отслоения, риски, чернота, не выдержаны чистовые размеры, то деталь возвращают на исправление дефекта (не более 1 раза), при этом область напыления должна быть увеличена на 10...15 мм по периметру.

Производство металлических изделий модернизируется по мере развития передовых технологий. Металл в большей степени подвержен воздействию влаги, поэтому для обеспечения высокого срока эксплуатации и придания деталям, рабочим механизмам и поверхностям требуемых свойств, в современной промышленности широко используют напыление металлов. Технология порошковой обработки заключается в нанесении на базовую металлическую основу защитного слоя, обеспечивающего высокие антикоррозийные характеристики напыляемых изделий.

Металлическая поверхность после порошковой обработки приобретает важные защитные свойства. В зависимости от назначения и области применения, металлическим деталям придают огнеупорные, антикоррозийные, износостойкие характеристики.

Основная цель напыления базовой основы из металла – обеспечить продолжительный эксплуатационный ресурс деталей и механизмов в результате воздействия вибрационных процессов, высоких температур, знакопеременных нагрузок, влияния агрессивных сред.

Процессы напыления металлов выполняют несколькими способами:

• Вакуумная обработка – материал при сильном нагревании в вакуумной среде преобразуется в пар, который в процессе конденсации осаживается на обрабатываемой поверхности.
• Плазменное или газоплазменное напыление металла – в основу метода обработки положено использование электродуги, образующейся между парой электродов с нагнетанием инертного газа и ионизацией.
• Газодинамический способ обработки – защитное покрытие образуется при контакте и взаимодействии микрочастиц холодного металла, скорость которых увеличена ультразвуковой струей газа, с подложкой.
• Напыление лазерным лучом – генерация процесса происходит с использованием оптико-квантового оборудования. Локальное лазерное излучение позволяет проводить обработку сложных деталей.
• Магнетронное напыление – выполняется при воздействии катодного распыления в плазменной среде для нанесения на поверхность тонких пленок. В технологии магнетронных способов обработки используются магнетроны.
• Защита металлических поверхностей ионно-плазменным способом – основана на распылении материалов в вакуумной среде с образованием конденсата и осаждением его на обрабатываемой основе. Вакуумный метод не дает металлам нагреваться и деформироваться.

Технологический метод напыления деталей, механизмов, поверхностей из металла подбирают, в зависимости от характеристик, которые нужно придать напыляемой основе. Поскольку метод объемного легирования экономически затратный, в промышленных масштабах широко используют передовые технологии лазерной, плазменной, вакуумной металлизации.

Напыление в магнетронных установках

Металлизация поверхностей по технологии магнетронного напыления основана на расплавлении металла, из которого выполнена мишень магнетрона. Обработка происходит в процессе ударного действия ионами рабочей газовой среды, сформированными в плазме разряда. Особенности использования магнетронных установок:

• Основными элементами рабочей системы являются катод, анод, магнитная среда, которая способствует локализации плазменной струи у поверхности распыляемой мишени.
• Действие магнитной системы активизирует использование магнитов постоянного поля (самарий-кобальт, неодим), установленных на основании из магнитомягких материалов.
• При подаче напряжения от источника электропитания на катод ионной установки происходит распыление мишени, причем силу тока нужно поддерживать на стабильно высоком уровне.
• Магнетронный процесс основан на использовании рабочей среды, которой выступает соединение инертных и реакционных газов высокой чистоты, подающихся в камеру вакуумного оборудования под давлением.

Преимущества магнетронного напыления позволяют применять данную технологию обработки для получения тонких пленок металлов. Например, алюминиевые, медные, золотые, серебряные изделия. Происходит формирование пленок полупроводников – кремний, германий, карбид кремния, арсенид галлия, а также образование покрытий диэлектриков.

Главное достоинство магнетронного метода – высокая скорость распыления мишени, осаждения частиц, точность воспроизведения химического состава, отсутствие перегрева обрабатываемой детали, равномерность нанесенного покрытия.

Использование при напылении магнетронного оборудования дает возможность обрабатывать металлы и полупроводники с высокой скоростью осаждения частиц, создавать на напыляемой поверхности тонкие пленки с плотной кристаллической структурой, высокими адгезивными свойствами. К основному перечню работ по магнетронной металлизации относятся хромирование, никелирование, реактивное напыление оксидов, карбо- и оксинитридов, сверхскоростная наплавка меди.

Технология ионно-плазменной наплавки

Чтобы получать многомикронные покрытия на изделиях из металла, широко используют метод ионно-плазменного напыления. Он основан на использовании вакуумной среды и физико-химических свойств материалов испаряться и распыляться в безвоздушном пространстве.

Технологически сложный процесс позволяет решать важные технические задачи по металлизации изделий благодаря использованию установки ионно-плазменного напыления:

• Увеличение параметров износоустойчивости, исключение спекания при эксплуатации изделий в условиях высоких температур.
• Повышение коррозийной устойчивости металлов при эксплуатации в агрессивных водных, химических средах.
• Придание электромагнитных свойств и характеристик, эксплуатация в границах инфракрасного и оптического диапазона.
• Получение высококачественных гальванических покрытий, придание изделиям декоративно-защитных свойств, обработки деталей и механизмов, используемых в разных отраслях промышленности.

Процесс ионно-плазменного напыления базируется на использовании вакуумной среды. После поджига катода формируются пятна первого и второго уровня, которые перемещаются с высокой скоростью и образуют плазменную струю в ионном слое. Полученная в результате эродирования катодов струя проходит через вакуумную среду и вступает во взаимодействие с конденсируемыми поверхностями, осаживаясь плотнокристаллическим покрытием.

Использование ионно-плазменного напыления позволяет наносить защитные покрытия при температуре поджига катода до 100°C, отличается достаточно простой схемой получения слоев толщиной до 20 мкм.

С помощью ионно-плазменного напыления на металл удается придавать требуемые свойства конструктивно сложным изделиям нестандартной геометрической формы. После обработки металлическую поверхность не требуется покрывать финишным слоем.

Особенности плазменной металлизации

Наряду с ионно-плазменным напылением и магнетронными способами обработки металлов применяют еще один метод – плазменная металлизация. Главная задача технологии – защита изделий от окислительных процессов в агрессивных средах, повышение эксплуатационных качеств, упрочнение обрабатываемой поверхности, усиление сопротивляемости механическим нагрузкам.

Плазменное напыление алюминия и других металлов основано на высокоскоростном разгоне металлического порошка в потоке плазмы с осаждением микрочастиц в виде покрывающего слоя.

Особенности и преимущества технологии плазменного напыления на металл:

• Высокотемпературный метод нанесения защитного слоя на обрабатываемую поверхность (порядка 5000-6000 °C) происходит за доли секунд.
• Используя методы регулирования газового состава, можно получать комбинированное насыщение металлической поверхности атомами порошковых покрытий.
• Благодаря равномерности потока плазменной струи удается получать одинаково пористое, качественное покрытие. Конечная продукция превосходит результаты традиционных способов металлизации.
• Длительность процесса напыления невысока, что помогает достичь стопроцентной экономической эффективности использования плазменного оборудования в разных производственных масштабах.

Основные компоненты рабочей установки – высокочастотный генератор, камера герметизации, резервуар газовой среды, насосная установка для подачи давления, система управления. Использовать технологию плазменного напыления на металл допускается в домашних условиях при наличии необходимого оборудования с вакуумной камерой – воздействие кислорода приводит к окислению горячих металлических поверхностей и мишени.

На видео: восстановление деталей напылением.

Процесс лазерной обработки

Наплавка металлов лазерным методом позволяет восстанавливать детали и механизмы потоками света, генерируемыми от оптико-квантового оборудования. Вакуумное напыление лазером является одним из наиболее перспективных методов получения наноструктурированных пленок. В основу процесса положено распыление мишени световым лучом с последующим осаждением частиц на подложке.

Преимущества технологии: простота реализации металлизации, равномерное испарение химических элементов, получение пленочных покрытий с заданным стехиометрическим составом. Благодаря узкой направленности лазерного потока в месте его сосредоточения удается получить наплавку изделия любыми металлами.

Механизмы формирования жидкокапельных фаз:

• Крупные капли частиц расплавленной мишени образуются путем воздействия гидродинамического механизма. При этом диаметр крупных капель варьируется в диапазоне 1-100 мкм.
• Капли среднего размера формируются вследствие процессов объемного парообразования. Размер капель колеблется в диапазоне 0,01-1 мкм.
• При воздействии на мишень коротких и частых импульсов лазерного луча в эрозийном факеле образуются частицы мишени небольшой величины – 40-60 нм.

Если в лазерной установке при наплавке металлов на мишень одновременно действуют все три механизма рабочего процесса (гидродинамика, парообразование, высокочастотный импульс), приобретение изделием требуемых характеристик зависит от величины влияния конкретного механизма наплавки.

Одно из условий качественной лазерной обработки – воздействие на мишень таким режимом облучения, чтобы на выходе получить лазерные факелы с наименьшим включением жидкокапельных частиц.

Оборудование для холодного напыления

Существует два варианта защиты металлов от негативного воздействия внешних и рабочих факторов – легирование и напыление с вакуумным оборудованием. То есть, в сплав добавляют атомы химических элементов, придающих изделиям требуемые характеристики, или наносят на базовую поверхность защитное покрытие.

Чаще всего в отрасли металлизации используют технологию нанесения гальванических покрытий, применяют методы погружения деталей в расплав, задействуют в процессах обработки вакуумную среду, пользуются магнетронным оборудованием.

Иногда используют детонационно-газовое напыление, которое разгоняет частицы до невероятных скоростей. Широко применяют плазмотроны, электродуговую металлизацию, газопламенную обработку, ионное напыление. Задачи промышленности диктуют свои условия, и перед инженерами возникла необходимость создать недорогое, простое в обращении оборудование, для которого можно использовать свойства нагретого сжатого воздуха.

Появилось понятие порошковой металлизации с добавлением в металлический порошок мелкодисперсионной керамики либо частиц твердого металла. Используется для работы с алюминием, никелем, медью.

Результат экспериментов превзошел ожидания, позволив решить следующие задачи:

• Нагревание сжатого воздуха в камере приводит к повышению давления, что вызывает увеличение скорости вытекания наплава из сопла в установках.
• При наборе металлическими частицами в газовой среде высокой скорости они ударяются о подложку, размягчаются и прикипают к ней. А керамические частицы уплотняют образовавшийся слой.
• Использование порошковой технологии подходит для металлизации пластичных металлов – медь, алюминий, никель, цинк. После напыления изделия можно поддавать механической обработке.

Благодаря успешной работе инженеров удалось создать переносной аппарат, позволяющий выполнять металлизацию покрытий на всех промышленных предприятиях и в домашних условиях. Требования для успешной работы оборудования – наличие компрессорной установки (или воздушной сети) с давлением сжатого воздуха в пять-шесть атмосфер и электропитание.

В таблице ниже приведены данные для хромирования алюминия в домашних условиях. Перед нанесением гальванического покрытия требуется «положить» на деталь промежуточный металлический слой, а потом выполнять напыление алюминия.

Таблица 1. Хромирование алюминия

Использование передового оборудования для металлизации изделий позволяет решить технические вопросы, связанные с повышением антикоррозийных, прочностных, эксплуатационных характеристик, а также приданием машинам, деталям и механизмам требуемых свойств для работы в сложных эксплуатационных условиях.

Лазерная сварка (2 видео)

Процесс напыления и рабочие установки (24 фото)

Основными отличиями плазменной металлизации от других спо­собов расплавления являются более высокая температура и боль­шая мощность, что обеспечивает значительное повышение про­изводительности процесса и возможность наносить и расплавлять любые жаростойкие и износостойкие материалы (рис. 4.8). Для плазменного напыления используют газы аргон и азот, обеспечи­вающие температуру струи. Для плазменной металлизации широ­ко применяют установки УПУ и УМН, в комплект которых вхо­дят вращатель, защитная камера, дозатор порошка, источник пи­тания и пульт управления.

Основной частью установки служит плазмотрон, срок службы которого определяется стойкостью сопла. Период работы плазмотрона невелик, поэтому его быстроизнашивающиеся части де лают сменными. Источниками тока являются сварочные генера­торы ПСО-500 или выпрямители И ПН-160/600.

Рис. 4.8. Схема процесса плазменно­го напыления:

1 - порошковый дозатор; 2 - ка­тод; 3 - изоляционная прокладка; 4 - анод; 5 - транспортирующий газ; 6 - охлаждающая жидкость; 7 - плазмообразующий газ

В качестве плазмообразую­щего газа используют аргон или менее дефицитный и дешевый азот. Однако зажечь дугу в сре­де на азоте сложнее и требуется значительно большее напряже­ние, что представляет опасность для обслуживающего персонала. Применяют способ, при кото­ром зажигают дугу в среде арго­на с напряжением возбуждения и горения дуги меньше, а затем переходят на азот. Плазмообра­зующий газ ионизуется и выхо­дит из сопла плазмотрона в виде струи небольшого сечения. Обжа­тию способствуют стенки канала сопла и электромагнитное поле, возникающее вокруг струи. Тем­пература плазменной струи зависит от силы тока, вида и расхода газа и изменяется от 10000 до 30 000 °С; скорость истечения газов 100-1500 м/с. Аргонная плазма имеет температуру 15 000-30 000 °С, азотная - 10000-15000 °С.

При плазменной металлизации в качестве наносимого материа­ла применяют гранулированный порошок с размером частиц 50- 200 мкм. Порошок подается в зону дуги транспортирующим газом (азотом), расплавляется и переносится на деталь. Скорость полета частиц порошка 150-200 м/с, расстояние от сопла до поверхнос­ти детали 50-80 мм. Благодаря более высокой температуре нано­симого материала и большей скорости полета распыляемых час­тиц прочность соединения покрытия с деталью в этом методе вы­ше, чем при других способах металлизации.

Плазменная металлизация, происходящая при высокой тем­пературе плазменной струи, позволяет наносить любые матери-

алы, в том числе самые износостойкие, но при этом возникает проблема последующей обработки сверхтвердых и износостойких материалов.

Использование импульсного лазерного излучения, длительность которого составляет миллисекунды, позволяет получать минималь­ные зоны термического влияния, которые не превышают несколь­ких десятков микрон. Минимальные объемы расплава и минималь­ные тепловложения в подвариваемую деталь позволяют сократить продольные и поперечные деформации и тем самым сохранить прецизионные размеры детали в поле допуска - несколько мик­рон. Точность наведения и локальность действия луча лазера поз­воляет подваривать строго определенные геометрические участки детали, обеспечивая минимальный припуск на механическую об­работку, который составляет 0,2-0,5 мм. Так как при импульсной лазерной наплавке зоны термического влияния очень малы, под­ложка остается практически холодной, а скорость охлаждения жид­кой фазы расплава металла достигает 102-103 °С/с. В этих усло­виях имеет место процесс автозакалки, который приводит к фор­мированию чрезвычайно мелкодисперсной структуры, обладающей повышенной износостойкостью.

При сравнении практически все принципиальные технические различия технологии электродуговой наплавки и импульсной ла­зерной наплавки являются следствием того, что дуга является кон­центрированным сварочным источником энергии, а луч лазера - высококонцентрированным источником энергии. Импульсная ла­зерная наплавка по сравнению с электродуговой наплавкой характе­ризуется минимальными объемами расплава, зонами термического влияния и соответственно существенно меньшими поперечными и продольными усадками.

После электродуговой наплавки припуски могут достигать не­скольких миллиметров, что вызывает необходимость последую­щей механической обработки. Использование в качестве источни­ка энергии электрической дуги сопровождается ее силовым дейст­вием на жидкую фазу расплава металла, в результате образуются подрезы, которые не возникают при лазерной наплавке. Электродуговая наплавка требует предварительного и сопутствующего» подогрева мест наплавки и последующей термообработки и «и тип от лазерной наплавки.

Технология лазерной наплавки может быть использована для восстановления изношенных пресс-форм, штампов и устранения различных дефектов, образующихся в процессе изготовления пресс- форм и штампов. Виды дефектов, устраняемые с помощью лазер­ной наплавки: места пробы на твердость HRC, трещины, забоины, задиры, раковины и поры, разгарные трещины, места адгезионного схватывания. Технологический процесс лазерной наплавки пред­ставляет собой одновременный подвод к месту дефекта лазерного излучения и присадочной проволоки в среде инертных газов. При­садочный материал, расплавляясь, заполняет место дефекта. После лазерной наплавки требуется минимальная по сравнению с тради­ционными методами наплавки механическая обработка. Высокая точность наведения лазерного луча на место дефекта, локальность действия лазерного излучения позволяет наплавлять строго опре­деленные участки дефектных деталей (рис. 4.9).

Кратковременность протекания процесса, длительность импуль­са лазерного излучения, составляющая несколько миллисекунд, а также точная дозировка энергии обеспечивают минимальные зоны термического влияния и отсутствие поводок детали. Лазерная на­плавка позволяет значительно снизить трудоемкость ремонта ос­настки и, как следствие, себестоимость за счет исключения из про­цесса предварительного подогрева, последующей термообработки, необходимости снятия хромистого покрытия с поверхности и пос­ледующего его нанесения, если де­таль хромированная. Преимущес­тва лазерной наплавки указаны в табл. 4.2.

Для предотвращения окисления расплавленного металла зону на­плавки защищают инертными га­зами, например, смесью аргона с гелием. Для наплавки крупногаба­ритных узлов (длиной до несколь­ких метров) используют твердо­тельные лазерные установки, ос­нащенные оптоволоконными сис­темами. Разработана технология устранения дефектов в виде горячих и холодных несквозных трещин, образующихся при электродуговой сварке штучными электродами, с использованием импульсного лазерного излучения твердотельных лазеров.

Заварка нескольких трещин с использованием импульсного лазерного излучения позволяет реализовать так называемый «холодный» режим сварки, при котором не происходит разогрев сварного шва ремонтируемой зоны, что позволяет сохранить механическую прочность сварного соединения и избежать отпуска металла в шве.

Использование оптоволоконной системы длиной несколько мет­ров позволяет производить ремонт в самых труднодоступных по гео­метрии местах. Данную технологию можно использовать для уст­ранения различных дефектов, образующихся при электродуговой сварке, - трещин, как холодных, так и горячих, раковин, крате­ров, свищей, подрезов.

По характеру и условиям работы боковая поверхность лопа­ток турбин высокого давления подвергается микроповреждени­ям механического, химического и термического влияния. Анализ повреждаемости показывает, что около 70 % от их общего чис­ла составляют детали с поверхностными дефектами глубиной до 0,4-2,0 мм. Использование оптоволоконных систем доставки лу­ча лазера к месту дефекта открывает возможность ремонта лопат­ки турбины без ее демонтажа. Величина зоны термического влия ния не превышает 15 мкм. Структура наплавленного слоя мелко­дисперсная.

Рис. 4.11. Поперечное сечение в месте непропая трубки секции холодильника

Рис. 4.12. Шлиф места дефекта, обработанного в режиме сварки-пайки

В процессе изготовления водяных секций могут возникать де­фекты в виде непропаев. Разработана технология устранения негерметичности секций методом импульсной лазерной пайки-свар­ки (рис. 4.11 и 4.12).

Для устранения негерметичности паяного шва используется им­пульсное лазерное излучение твердотельного лазера. Встроенная в излучатель лазера телевизионная система с использованием целе­указания на основе Не - Ne (гелий - неон) лазера позволяет точ­но наводить луч лазера на место дефекта. Оснащение лазера опто­волоконной системой позволяет производить устранение дефектов в труднодоступных местах и производить быстрый переход с одно­го дефекта на другой.