Плазменное напыление.

Это наиболее распространённый способ в газотермическом напылении. Сущность его заключается в том, что в плазменную струю при помощи плазмотрона впрыскивается порошок напыляемого материала, частицы этого порошка подхватываются потоком плазмы, ускоряются и разогреваются до высоких температур. На пути движения этих разогретых частиц порошка устанавливают подложку, и в момент столкновения с ней за счёт большой ударной силы, происходит формирование покрытия.

Сама плазма была открыта в 1929г. Лэнгмюром и Тонкстоном для газа, в котором более 1% атома и молекул находятся в ионизированном состоянии, но при этом газ остаётся квазинейтральным.

Плазма подчиняется большинству газовых законов, но отличается высокой электропроводимостью и взаимодействием с магнитными полями.

Плазма бывает: высокотемпературная, холодная, низкотемпературная.

Высокотемпературная плазма – данный вид плазмы протекает при термоядерных реакциях и имеет температуру в несколько миллионов градусов Цельсия.

Холодная плазма – этот вид плазмы получается при разрядке газа при низком давлении (тлеющий разряд) и применяется как источник ускорителя потока энергии ионов.

Низкотемпературная плазма – создаётся при атмосферном давлении, является более плотной, её температура находится в пределах 10 – 100 тысяч градусов Цельсия. Концентрация энергии такой плазмы достигает до 100 кВа/см², её энтальпия (теплосодержание системы) очень высока, при нахождении системы в равновесии будет наблюдаться максимальная энтальпия. Изменении энтальпии соответствует подведённому и отведённому количеству тепла, которое является тепловой функцией энтальпии.

Низкотемпературная плазма обладает хорошими переносными свойствами тепла и скоростью попадающими в неё частиц.

Приведённые свойства низкотемпературной плазмы обеспечивают её широкое применение в технологических процессах термического напыления материалов.

Эти процессы имеют следующие достоинства:

- высокая производительность (до 80 гк/час);

- широкая номенклатура напыляемых материалов, включая тугоплавкие материалы;

- большое количество регулируемых параметров режима напыления, что позволяет получать покрытии с заранее заданными свойствами;

- высокое значение коэффициента использования материала (до 0,8);

- относительно небольшая себестоимость технологий или оборудования;

- простота механизации и автоматизации.

К недостаткам низкотемпературной плазмы можно отнести следующее:

- пониженное значение коэффициента использования энергии;

- микронеоднородность структуры создаваемого покрытия;

- невысокая когезионная (сцепление частиц полученного покрытия между собой) и адгезионная (прочность сцепления покрытия с подложкой) прочность покрытия;

- повышенный уровень шума от технологического процесса.

Дуговые плазмотроны более простые по конструкции и более надёжные, а ВЧ плазматроны с повышенной температурой используются в плазмохимических процессах. Электрическая дуга плазмотрона может быть зависимой (прямой) или независимой (косвенной).

Независимая дуга образуется между электродом и соплом плазматрона так, что изделие получает тепло только от плазменной струи, но при этом снижается тепловой КПД процесса. С другой стороны упрощается система возбуждения дуги и создаётся возможность плазменного воздействия и на неэлектропроводящие материалы. Применяется такая дуга для напыления, химического синтеза, нагрева.

Зависимая дуга. В этом случае изделие получает дополнительную долю тепла, что в свою очередь увеличивает тепловой КПД плазматрона и позволяет использовать его для плазменной обработки электропроводящих металлов: резки, сварки, плавки, напыления и др.

Схема плазматрона

1. подложка с нанесённым покрытием;

2. струя плазмы с наносимым порошком;

3. сопло плазматрона;

4. анод;

5. низкотемпературная плазма;

6. катод.

Под давлением газа электрическая дуга смещается в сторону сопла, обдувается потоком газа, охлаждается и сжимается вдоль оси плазматрона, благодаря термическому пич-эффекту и за счёт собственного магнитного поля. В результате такого сжатия возрастает напряжённость электрического поля, удельная электрическая мощность, плотность тока увеличивается до100 А/мм², что на порядок выше плотности тока свободной дуги, за счёт этого повышается температура на оси дуги и она превращается в ядро низкотемпературной плазмы, а газ проходит через ядро, ионизируется и становится плазменной струёй. Перед выходом из сопла в плазменную струю вводится порошок, и когда на выходе струя расширяется, то возникает осевой градиент её собственного магнитного поля, за счёт этого скорость струи достигает до 2000 м/с, а скорость напыляемых частиц – до 200-300 м/с.