Плазменное напыление

Плазменное напыление – процесс нанесения покрытия на поверхность детали (изделия) с помощью плазменной струи. Плазменная струя – это частично или полностью ионизированный газ, обладающий свойством электропроводности и имеющий высокую температуру.

Различают высоко- и низкотемпературную плазму. Первая практически ионизирована, и ее электронная температура оценивается в сотни тысяч и более градусов. Низкотемпературная плазма, с температурой в несколько тысяч или десятков тысяч градусов, ионизирована частично и содержит значительную часть нейтральных частиц.

Низкотемпературная плазма – многокомпонентная система, состоящая из атомов или молекул в основном состоянии; молекул, атомов, радикалов в различных возбужденных квантовых состояниях; ионов, электронов. Для нанесения плазменных покрытий применяется низкотемпературная плазма.

Сущность плазменного напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подается распыляемый материал, который нагревается, плавится и в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с поверхностью основы или напыляемым материалом и формирование покрытия.
Плазменный процесс состоит из трех основных стадий:

1) генерация плазменной струи;

2) ввод распыляемого материала в плазменную струю, его нагрев и ускорение;

3) взаимодействие плазменной струи и расплавленных частиц с основанием.
Плазменным напылением наносятся износостойкие, антифрикционные, жаро-, коррозионностойкие и др. покрытия.

Напыление с помощью низкотемпературной плазмы позволяет:

- наносить покрытия на листовые материалы, на конструкции больших размеров, изделий сложной формы;

- покрывать изделия из самых разнообразных материалов, включая материалы, не терпящие термообработки в печи (стекло, фарфор, дерево, ткань);

- обеспечивать равномерное покрытие, как на большой площади, так и на ограниченных участках больших изделий;

- значительно увеличивать размеры детали (восстановление и ремонт изношенных деталей). Этим методом можно наносить слои толщиной в несколько миллиметров;

- легко механизировать и автоматизировать процесс напыления;

- использовать различные материалы: металлы, сплавы, окислы, карбиды, нитриды, бориды, пластмассы и их различные комбинации;

- наносить их в несколько слоев, получая покрытия со специальными характеристиками;

- практически избежать деформации основы, на которую производится напыление;

- обеспечивать высокую производительность нанесения покрытия при относительно небольшой трудоемкости;

- улучшать качество покрытий. Они получаются более равномерными, стабильными, высокой плотности и с хорошим сцеплением с поверхностью детали.

К основным недостаткам метода нанесения покрытий напылением можно отнести высокий шум, ультрафиолетовое излучение, образование вредных для здоровья работающих соединений напыляемого материала с воздухом, которое сопровождает процесс напыления.

Принцип плазменного напыления (рис. 4.18). Между катодом и медным водоохлаждаемым соплом, служащим анодом, возникает дуга, нагревающая поступающий в сопло горелки рабочий газ, который истекает из сопла в виде плазменной струи. В качестве рабочего газа используют аргон или азот, к которым иногда добавляют водород. Порошковый наплавочный материал подается в сопло струёй транспортирующего инертного газа, нагревается плазмой и с ускорением переносится на поверхность основного материала для образования покрытия. Средняя температура плазмы на выходе из сопла плазмотрона находится в пределах от нескольких тысяч градусов до десятков тысяч градусов Кельвина.

Рис. 4.18. Схема процесса пламенного напыления:

П – покрытие; С – струя напыляемого материала и продуктов сгорания газов

Коэффициент полезного действия (КПД) плазменной горелки составляет от 50 до 70%. Высокая температура плазмы позволяет проводить напыление тугоплавких материалов. Возможность регулирования температуры и скорости плазменной струи путем выбора формы и диаметра сопла и режима напыления расширяет диапазон напыляемых материалов (металлы, керамика и органические материалы). Покрытия, полученные методом плазменного напыления, обладают высокой плотностью и хорошим сцеплением с основой. Процесс плазменного напыления хорошо поддается автоматизации.

Краткие характеристики покрытия:

- пористость покрытия, % – 4–8;

- прочность сцепления покрытия с основой, кг/ мм² – 5,0–8,0;

- толщина напыленного слоя:

- при напылении металлов и сплавов, мм – 0,05–5,0;

- при напылении керамики, мм – 0,05–0,5.

Оборудования для плазменного напыления состоит, как правило, из одного или двух серийных сварочных источников питания, плазмотрона и порошкового дозатора. В качестве источника питания могут использоваться установки плазменной сварки и наплавки УПНС-304, плазменной обработки УПО-302, УПВ-301, плазменной резки УПРП-201 и сварочные выпрямители ВД-201, ВД-306, ВДУ-506 и др. Плазмотрон (мощностью до 25 кВт) и порошковый дозатор изготавливаются по оригинальным конструкторским разработкам.

Технологический процесс плазменного напыления в общем случае состоит из предварительной очистки (любым известным методом), активационной обработки (например, абразивно-струйной) и непосредственно нанесения покрытия путем перемещения изделия относительно плазмотрона или наоборот. Скорость перемещения 2...30 мм/сек, расстояние между плазмотроном и изделием 100...150 мм, диаметр пятна напыления 10...25 мм, толщина покрытия 0,05...1,0 мм. Температура нагрева деталей при ПН не превышает 100...150ºС. Плазмообразующим газом являются, как правило, аргон или воздух. Расход аргона 15...20 л/мин. В качестве порошкового материала, формирующего покрытие, используются различные материалы и сплавы, тугоплавкие соединения, оксиды, полимеры и их композиции размером частиц до 100 мкм.

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

Рис. 4.19. Схема работы плазменного распылителя:

1 – катодный узел; 2 – анодный узел; 3 – катод; 4 – анод

Плазменный распылитель (рис. 4.19) состоит из катодного 1 и анодного 2 узлов. Между катодом 3 и анодом 4 возбуждается электрическая дуга 5. Дуга в сопле анода отжимается газовым потоком от стенок охлаждаемого сопла, что увеличивает плотность ее энергии и повышает температуру столба дуги (рис. 4.20).

Рис. 4.20. Типы плазмотронов:

а – с самоустанавливающейся дугой; б – с фиксированной дугой

Плазмотроны постоянного тока бывают с самоустанавливающейся (рис. 4.20, а) и фиксированной длиной дуги, когда дуга удлиняется за счет последовательного переключения на аноды, разделенные между собой электрически нейтральными межэлектродными вставками (рис. 4.20, б).

При использовании аргона в качестве плазмообразующего газа на плазмотроне с самоустанавливающейся дугой падение напряжения составляет 30 В, а с фиксированной дугой – 100 В и более. На рис. 4.21 представлены схемы пруткового и проволочного плазменных распылителей. Радиальная подача материала (рис. 4.21, а) используется и для подачи порошковых материалов для нанесения покрытий.

а б

Рис. 4.21. Схемы плазменных распылителей:

а – пруткового; б – проволочного

Схема проволочного распыления «проволока–анод» была разработана В. В. Кудиновым в конце 50-х гг. Тогда удалось получить невиданную производительность – 15 кг/ч вольфрама при мощности 12 кВт. Порошковые распылители (рис. 4.22) в зависимости от свойств и размеров частиц создавались с подачей в плазменную струю 1, под углом навстречу потоку 2, в сопло в заанодную зону дуги 3 или в доанодную зону, как в плазмотроне М8-27 конструкции В. М. Иванова (рис. 4.23).

Рис. 4.22. Схемы подачи порошка в плазмотрон:

1, 2 – в плазменную струю; 3 – в сопло

Спроектированные плазмотроны большой мощности выполнены с подачей порошка в плазменную струю (рис. 4.23). Такая схема не влияет на дугу. Плазмотроны имеют завышенную мощность, чтобы тепла плазменной струи хватило на нагрев порошка.

Рис. 4.23. Схема распылителя М8-27:

1 – подача охлаждающей воды; 2 – подача плазмообразующего газа; 3 – подача порошка;

4 – слив воды; 5 – анодный узел; 6 – анод; 7 – изолятор; 8 – катодный узел; 9 – катод

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

Тенденции развития плазменных распылителей – увеличение эффективности процесса. Разработаны установки мощностью до 160…200 кВт, работающие на воздухе, аммиаке, пропане, водороде, в динамическом вакууме, в воде. Применение специальных сопл позволило получить сверхзвуковое истечение струи двухфазного потока, которое, в свою очередь, обеспечило получение плотного покрытия. С другой стороны, для нанесения покрытий на малые детали (поверхности), например, коронки в стоматологии, бандажные полки лопаток ГТД в авиастроении были разработаны микроплазменные горелки, работающие на токах 15…20 А при мощности до 2 кВт.

Увеличение ресурса соплового аппарата (катод – анод) плазменного распылителя повышенной мощности (50…80 кВт) тормозилось из-за низкой эрозионной стойкости медного сопла в зоне анодного пятна. С целью увеличения стойкости сопла были разработаны вольфрамовые вставки, запрессованные в медное сопло таким образом, чтобы теплота эффективно отводилась медной оболочкой и удалялась охлаждающей водой. Наиболее удачной была конструкция плазмотрона типа F -4, разработанного фирмой Plasma - Technik AG (рис. 4.24), работающего длительное время на токе до 800 А при мощности 55 кВт.

Рис. 4.24. Внешний вид распылителя F-4

Автоматическая установка плазменного напыления ТСЗП- MF - P -1000 (рис. 4.25) работает на смеси газов аргона, азота, водорода при расходе аргона до 100 л/мин, азота – до 50 л/мин, водорода – до 20 л/мин, транспортирующего газа – до 30 л/мин. Производительность напыления по металлическим сплавам – до 5 кг/ч. Плотность порошковых покрытий от 92 до 99%, прочность сцепления от 30 до 80 МПа. Установка комплектуется плазмотронами F-4 мощностью 55 кВт или F-1, для нанесения покрытий на внутренние поверхности диаметром от 90 мм при мощности 25 кВт, плазмотроном SG -100 мощностью 80 кВт и комплектуется роботом KUKA KR -16 грузоподъемностью на руке 16 кг, роботом KUKA KR -6 грузоподъемностью на руке 6 кг. Установка разработана предприятием «Технологические системы защитных покрытий».

Рис. 4.25. Установка плазменного напыления ТСЗП-MF-P-1000

Установка широко используется в авиационном и энергетическом машиностроении для создания керамических функциональных покрытий. На установке осуществляется нанесение износостойких, коррозионно-стойких, теплозащитных, уплотнительных покрытий методом плазменного напыления.

Технические характеристики установки ТСЗП MF-P-1000:

Работает на смеси газов: основной – аргон, дополнительный – азот, водород или гелий.

Расход плазмообразующих газов, л/мин

- аргон – до 100;

- азот – до 50;

- водород – до 20;

- гелий – до 20.

Расход транспортирующего газа (аргон, азот), л/мин – до 30;

Производительность, кг/ч:

- при напылении оксидов и карбидов – 3…10;

- при напылении металлов и сплавов – 2…5;

Пористость покрытия – 12%.

Адгезия – более 50 МПа.

Толщина напыляемого слоя, мм:

- при напылении металлов и сплавов 0,05…20;

- при напылении керамики 0,05…5.

Установка ТСЗП MF-P-1000 включает:

– систему управления (шкаф и пульт управления);

– блок газоподготовки;

– блок коммутации;

– источник тока РРС 2002;

– порошковый дозатор PF 2/2;

– блок-соединитель;

– холодильник VWK -270/1-S;

– плазмотрон F 4.

Система управления установкой (рис. 4.26) разработана на базе контроллера Simatic S 7-300, смонтирована в пылезащищенном шкафу.

Рис. 4.26. Внешний вид системы управления установкой

Модульная структура контроллера позволяет использовать большой спектр дополнительных функциональных и коммуникационных модулей, расширяющих возможности ЦПУ.

Установка управляется с панели оператора, которая позволяет отображать параметры протекающих процессов и управлять ими. Машинные данные преобразуются для удобства обслуживания в виде кривых, гистограмм и графических объектов, меняющих свой вид в зависимости от состояния процесса и выбранной программы. Кроме того, выводимые на панель оператора рабочие сообщения и сообщения о неисправностях, снабжают оператора важной информацией о текущем состоянии управляемой установки. С панели оператора могут контролироваться все технологические параметры процесса и запоминаться более 100 вариантов технологических программ.

Пульт управления установкой плазменного напыления (рис. 4.27). Габаритные размеры: длина – 620 мм, ширина – 620 мм, высота – 1700 мм.

Рис. 4.27. Внешний вид пульта управления установкой плазменного напыления

Блок газоподготовки для подачи газа в плазмотрон включает:

- металлические газовые линии;

- датчик давления для каждого газа;

- отдельные микрофильтры и электромагнитные клапаны для каждого газа;

- детекторы утечки газа;

- электронные расходомеры Bronkhorst El-Flow;

- блок управления сжатым воздухом для охлаждения детали;

- управление сжатым воздухом для охлаждения детали;

- контроль расхода охлаждающей жидкости.

Все данные с блока газоподготовки выводятся на панель оператора. Плазмообразующие газы: аргон, водород, азот, гелий. Система позволяет работать с одним или двумя плазмообразующими газами. Транспортирующий газ: аргон.

Блок коммутации (рис. 4.28).В блоке коммутации установлены датчики температуры воды, протока воды и осциллятор. Крепится вертикально на стену. Габаритные размеры: длина – 760 мм, ширина – 360 мм, высота – 720 мм.

Рис. 4.28. Внешний вид блока коммутации

Источник питания плазмотрона (рис. 4.29). Источник постоянного тока PPC 2002 выполнен по принципу высококачественного инвертирования постоянного тока, что обеспечивает плавное нарастание тока дуги.

Рис. 4.29. Внешний видисточника постоянного тока PPC 2002

Техническая характеристика:

- ток дуги – 10...1000 А;

- напряжение – 40...80 В;

- режим ПВ – 100%;

- сетевое питание – 3×380 В;

- потребляемая мощность – 105 кВт;

- сечение питающего привода – 4×95 мм²;

- класс защиты – 1P21;

- расход потока воздуха от встроенного вентилятора – 1 м³/с;

- класс изоляции – F;

- габаритные размеры: длина –1300мм, ширина – 850 мм, высота – 1150 мм;

- масса – 850 кг.

Холодильник VWK-270/1-S (рис. 4.30)

Техническая характеристика:

- теплосъем 36,4 кВт;

- температура воды на выходе, °С:

- минимальная …15;

- максимальная…25;

- максимальная температура окружения воздуха 37°С;

- питающее напряжение 3×380V, 50 Hz;

- потребляемая мощность 12,9 кВт;

- потребляемый ток 34 А;

- объем дистиллированной воды 250 м³;

- масса полностью заправленного водой холодильника 450 кг;

- габаритные размеры: 1000×1000×2000 мм.

Рис. 4.30. Внешний видхолодильника VWK-270/1-S

Порошковый дозатор PF 2/2

Порошковый дозатор состоит из двух бункеров, двух миксеров, двух дисковых приводов регулирования подачи порошка. Газовая система питателя состоит из двух ротаметров, предохранительных клапанов, электромагнитных вентилей, дросселей и шлангов. Управление работой питателя выполнено на базе контроллера Simatic S 7-300. Питатель порошка может работать как в автономном режиме, так и управляться с центральной панели оператора. Бункеры (колбы) могут иметь емкость 1,5 или 5 литров.

Рис. 4.31. Внешний вид порошкового дозатора PF 2/2

Техническая характеристика:

- вместимость бункеров (колб) 1,5 или 5 л;

- питающее напряжение 220 В;

- мощность 1,5 кВт;

- расход транспортирующего газа – до 30 л/мин;

- производительность одной колбы – до 6 кг/час в зависимости от типа порошка.

Поиск по сайту: