Плазменная наплавка и напыление

Некоторые детали и узлы современных машин и аппаратов работают в таких условиях, при которых они должны быть одновременно механически прочными и стойкими при воздействии на них высоких температур, химически агрессивных сред и др. Выполнять такие изделия из одного материала почти невозможно и экономически нецелесообразно. Гораздо выгоднее и проще изготовить деталь, например, из конструкционной стали, удовлетворяющей требованиям механической прочности, и покрыть ее поверхность более дорогим жаропрочным, износостойким или кислотоупорным сплавом. Используя в качестве защитных покрытий различные по составу металлические и неметаллические материалы, можно прида вать деталям в целом требуемые механические, тепловые, диэлектрические и другие свойства. Наиболее универсальными и совершенными методами нанесения защитных покрытий являются наплавка и напыление плазменной дугой [1, 2]. Материал покрытия, специально приготовленный в виде мелкогранулированного порошка или проволоки; подается в поток плазменной струей и, нагреваясь или расплавляясь в этом потоке, переносится с ним на обраба тываемое изделие. Одновременно струя плазмы подогревает изделие.

Преимущества методов плазменного нанесения покрытий перед другими (гальваническим, вакуумным, кислородно-ацетиленовым и др.) заключаются в следующем:

1. высокая температура плазменного потока позволяет расплавлять и наносить самые тугоплавкие материалы;
2. поток плазмы дает возможность получать сплавы различных по свойствам материалов или наносить многослойные покрытия из различных сплавов. Это открывает широкую возможность получения покрытий, сочетающих разнообразные защитные свойства;
3. возможности этого способа не ограничены формой и размерами обрабатываемого изделия;
4. плазменная дуга — наиболее гибкий источник нагрева, позволяющий в широких пределах регулировать его энергетические характеристики.

Для плазменной наплавки наиболее широко применяется плазмотрон комбинированного действия (см. рис.). При горении независимой дуги такого плазмотрона между вольфрамовым электродом и соплом происходит расплавление присадочного металлического порошка, а при горении дуги между электродом и изделием поверхность последнего нагревается, и обеспечивается сплавление присадочного и основного металла. Использование комбинированной плазменной дуги позволяет получить минимальную глубину проплавления и долю основного металла в составе наплавленного, что является важнейшим технологическим преимуществом плазменной наплавки по сравнению с другими способами наплавки (открытой дугой, дугой под флюсом, индукционной и др.).

Защита наплавляемого слоя от воздействия окружающей среды обеспечивается потоком инертного газа, окружающим дугу и подаваемым в наружное сопло плазмотрона. Присадочный порошок подается также инертным транспортирующим газом из специального порошкового питателя.

С помощью плазменной наплавки металлическим порошком можно получить жаростойкие и наиболее износостойкие покрытия из сплавов на основе никеля и кобальта. Этот способ позволяет получить тонкий равномерный слой покрытия с гладкой беспористой поверхностью, часто не требующей дополнительной механической обработки. При плазменной наплавке токоведущей присадочной проволокой дуга горит между катодом плазмотрона и проволокой, являющейся анодом, равномерно подаваемой в пространство между соплом и изделием. При таком способе обеспечивается более высокая производительность процесса наплавки при малой глубине проплавления основного металла, однако возможности получения тонкого и равномерного слоя при таком способе наплавки ограничены. Кроме того, применение присадочного материала в виде порошка позволяет использовать для наплавки практически любые сплавы, что трудно осуществить при использовании проволоки в качестве присадочного материала. При плазменной наплавке в качестве плазмообразующего, защитного и транспортирующего газов обычно используется аргон. Расход газа и диапазон рабочих токов и напряжений при наплавке примерно тот же, что и при плазменной сварке. В отличие от наплавки процесс напыления характеризуется большей концентрацией теплового потока и высокой скоростью течения плазменной струи. Появление этого отличия связано с тем, что при плазменном напылении в качестве материалов покрытия применяются тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, тантал и др.) или окислы металлов (Аl2О3, MgO, ZrO2), силициды (MoSi2), карбиды (В4С, SiC), бориды (ZnB2, HfB2), т. е. неметаллические материалы, обладающие весьма высокой температурой плавления. Эти материалы, приготовленные в виде мелкогранулированного порошка (размеры частиц 40-70 мкм), проходя через плазменную струю, успевают нагреться в основном лишь до пластического состояния. Однако благодаря высокой скорости плазменной струи частицы порошка приобретают значительную кинетическую энергию и при соударении с напыляемой поверхностью расплющиваются внедряясь в нее и заполняя неровности. Пр1 этом кинетическая энергия частиц выделяется в виде тепла, температура их повышается, что обеспечивает прочное сцепление частиц между собой и с поверхностью изделия. Для напыления используется плазменная дуга косвенного действия, горящая между охлаждаемыми водой вольфрамовым катодом и медным соплом (анодом) и выдуваемая через сопло в виде плазменного факела. Схема плазмотрона для напыления показана на рис. 10. На досопловом и внутрисопловом участках плазмотрона происходит плазмообразование. Порошок вместе с транспортирующим его газом подается в небольшое отверстие вблизи выхода из сопла, т. е. вдувается в наиболее высокотемпературную область плазменной струи. Нагрев порошка происходит на участке, который начинается от анодного пятна и заканчивается факелом плазмы. Эффективность нагрева частиц порошка определяется временем их пребывания в плазме, т. е. расстоянием от среза сопла до изделия и мощностью плазменной струи. Повыше ние мощности может быть достигнуто при использовании двухатомных газов с высоким теплосодержанием, например N2 и Н2. Благодаря высокой теплопроводности водорода увеличивается длина высокотемпературной части факела, что дает возможность повысить температуру порошка за счет некоторого удаления плазмотрона от обрабатываемого изделия. Однако скорость плазменной струи с удалением от среза сопла понижается. Поэтому следует выдерживать оптимальное расстояние от среза сопла до поверхности изделия, величина которого зависит от параметров режима напыления, от материала покрытия и изделия и изменяется от 4 до 20 мм. Мощность плазмотрона, используемого для напыления, можно повысить также при увеличении длины досоплового и внутрисоплового участков столба дуги, однако при чрезмерном увеличении внутрисоплового участка столба дуги затрудняется возбуждение дуги, обычно производимое с помощью высокочастотного пробоя. Увеличение длины канала сопла свыше определенного предела приводит к явлению шунтирования столба дуги и снижению к. п. д. плазмотрона. Обычно в плазмотронах для напыления диаметр сопла составляет 5- 6 мм, длина досоплового участка — 4-8 мм, а длина канала сопла — 10-18 мм. Повышение мощности плазмотрона за счет увеличения тока дуги ограничивается стойкостью сопла (анода). При эрозии сопла появляется не только опасность его разрушения, но и возможность загрязнения напыляемого материала, что может резко ухудшить качество покрытия. В плазмотронах для напыления вращение анодного пятна по внутренней стенке сопла создается либо с помощью вихревой системы ввода рабочего газа, либо с помощью магнитного поля, образуемого катушкой постоянного тока, надетой на сопло. При использовании водорода в качестве рабочего газа с целью уменьшения величины теплового потока, направленного от дуги к соплу, водород применяют в смеси с аргоном, обеспечивающим тепловую изоляцию сопла от столба дуги. Обычно в плазмотронах для напыления ток не превышает 400 а, напряжение при использовании азота и смеси водорода с аргоном в зависимости от их расхода изменяется в пределах 60-100 в. Таким образом, мощность не превышает 40 квт. При этом производительность процесса напыления в зависимости от материала покрытия составляет 2-3 кг/ч. Качество обработки поверхности при плазменном напылении определяется максимальной прочностью сцепления материала покрытия с изделием и минимальной пористостью покрытия. Высокое качество покрытия обеспечивается при соответствии физических свойств материалов, например в случае близости значений их коэффициентов теплового расширения. Повышение качества достигается при тщательной подготовке поверхности изделия перед процессом (обезжиривание, пескоструйная обработка, сушка и др.) и правильном выборе параметров режима напыления. Эти вопросы подробно рассмотрены в соответствующей литературе [2].

Литература

1. Вайнерман А.Е. и др. Плазменная наплавка Л., "Машиностроение" 1969
2. Усов Л.Н., Борисенко А.И. Применение плазмы для получения высокотемпературных покрытий М., "Наука", 1965