Плазменное напыление

При плазменном напылении по­крытий для расплавления и переноса порошка на восстанавливаемую (уп­рочняемую) поверхность детали ис­пользуют тепловые и динамические свойства плазменной струи.

Плазменное напыление основано на способности газов при определен­ных условиях переходить в состояние плазмы, которая представляет собой ионизированный поток газа при вы­соких температурах. Наиболее высо­кую температуру (15 000—30 000 °С) имеет аргоновая плазма. При воз­буждении электрической дуги газ, подведенный в зону горения дуги, ионизируется под влиянием высокой температуры, повышенного давле­ния газов и термоэмиссии электронов с поверхности катода. Наряду с поло­жительно и отрицательно заряжен ними ионами в газе содержатся элек­троны и нейтральные атомы, при столкновении которых процесс пони­мании активизируется. Плазма обла­дает высокой электрической прово­димостью, поэтому напряжение в струе плазмы низкое, а сила тока большая. Высокая электропроводи­мость плазмы способствует образо­ванию вокруг нее значительного магнитного поля. Магнитные силовые линии заставляют плазму сжимать­ся, в результате чего она вытягивает­ся и принимает форму шнура. Скоро­сть потока плазмы достигает на выхо­де из сопла 9000 м/с, а у газовой го­релки, т-г 90 м/с. Плазмообразующий газ, не содержащий кислорода, по­зволяет получать покрытия без окис­лов.

Устройство плазмотрона для на­пыления порошкообразного матери­ала схематически представлено на рис. 9.10, Для зажигания электриче­ской дуги используют высокочастот­ную искру от включенного в цепь ос­циллятора или проводят кратковре­менное замыкание электродов горел­ки при помощи графитового стержня. Одновременно подают плазмообразующий газ, а после образования плазмы — напыляемый порошок.

В зависимости от схемы включения электрической цепи возможны три вида плазменной дуги (рис. 9.11): от­крытая, когда анодом служит деталь; закрытая, когда анодом служит со­пло, и комбинированная, когда ано­дом служит и сопло, и деталь. Первый вариант используют для резки и реже для сварки и наплавки, вторую схему используют в плазмотронах для напыления, а третью — в установках для оплавления покрытий и плазмен­ной наплавки.

Для плазменного напыления наи­более широкое распространение полу­чили установки типа УПУ и УМП. Как правило, в комплект установки входят: вращатель, защитная каме­ра, плазмотрон, порошковый дозатор. Источник питания и пульт управ­ления. Наиболее ответственным узлом установки является плазмотрон,

в котором формируются энергетиче­ские и геометрические параметры плазменной струи. Срок эксплуата­ции и стабильность работы любого плазмотрона во многом определяют­ся стойкостью сопла, которое несет наиболее значительные нагрузки. Период работы современных плазмотронов невысок (изменяется десят­ками часов), поэтому его быстроизна­шивающиеся элементы делают смен­ными.

Отечественной промышленностью серийно выпускаются установки для плазменного напыления, наиболее широкое распространение из кото­рых получили УПУ-3, УМП-5 и УМП-6(табл. 9.3). Данные установки явля­ются универсальными. Источником тока служат два последовательно со единенных сварочных генератора ти­па ПСО-500 или выпрямитель ИПН-160/600.

В качестве плазмообразующего га­за наиболее широко используют ар­гон, азот или их смеси. Использова­ние аргона (помимо его значительной стоимости и дефицитности) не обес­печивает достаточной эффективно­сти и производительности процесса из-за низкого коэффициента теплоот­дачи от плазмы к частицам, малой длины плазменной струи и значи­тельного перепада температуры по сечению струи. Это ухудшает плавле­ние частиц напыляемого материала, и, как следствие, снижается качество нанесенных покрытий.

Перспективным направлением в области плазменных покрытий явля­ется использование в качестве плаз­мообразующего газа воздуха или его смеси с другими газами. Применение воздуха позволяет повысить стабиль­ность и длительность непрерывной работы плазмотрона. Одновременно с этим наблюдается стабилизация то­ка и процесса в целом, что в конечном итоге позволяет получать покрытия более высокого качества.

Плазмотроны типа ПНВ-23, где в качестве плазмообразующего газа используется воздух, разработаны в Ленинградском политехническом ин­ституте и внедрены в производствен­ном объединении "Ленавторемонт". Воздушно-плазменным напылением освоено восстановление посадочных отверстий картеров коробки передач автомобилей МАЗ и КрАЗ, поворот­ных цапф автомобиля ЗИЛ-130, оси

коромысла двигателя ЗМЗ-24 и дру­гих деталей.

Свойства покрытий зависят от тем­пературы нагрева и скорости полета частиц в момент контакта с подлож­кой. Более высокие скорости полета частиц порошка и температура его нагрева в струе плазмы обеспечива­ют более высокие, чем при ранее рас­смотренных способах напыления, фи­зико-механические свойства покры­тия и более высокую степень его сцеп­ления с поверхностью детали. Кроме того, процесс плазменного напыле­ния обладает высокой производи­тельностью, возможностью использо­вания для покрытий широкой гаммы материалов, большим коэффициен­том напыления (до 95 %) и возможно­стью полной автоматизации процес­са.

При плазменном напылении в ка­честве материалов для покрытий ис­пользуют порошкообразные сплавы и проволоку. Наиболее часто для на­пыления используют износостойкие порошковые сплавы на основе никеля или на основе железа с высоким со­держанием углерода (табл. 9.4). Та­кие сплавы обладают высокими тех­нологическими и служебными свой­ствами. Порошкообразные сплавы на основе никеля марки ПГ-ХН80СР2, ПГ-ХН80СРЗ и др. облада­ют такими ценными свойствами, как низкая температура плавления (950— 1050 °С), хорошая жидкотекучесть, возможность управления твер­достью в широком, диапазоне НКС 35,_:— 60,.наличие свойств самофлюсования. Однако такие сплавы имеют высокую стоимость. К недостаткам сплавов на основе железа следует от­нести их более высокую температуру плавления (1250— 1300 °С) и отсут­ствие свойств к самофлюсованию.

Плазменным напылением можно наносить защитные тепловые покры­тия из керамических материалов (ок­сид алюминия ГА85 или ГА8, двуоксид циркония ПЦП-90 и пр.) на днище поршня и головку блока цилиндров.

Подготовка поверхности перед на­пылением не отличается от описан­ной ранее подготовки в разделе газо­пламенное напыление.