I  Краткие теоретические сведения

Процесс плазменного напыления применяется для нанесения на поверхность деталей специальных покрытий, обеспечивающих в процессе эксплуатации защиту металла и повышение таких характеристик, как теплостойкость, износостойкость, коррозионная стойкость и др.

Плазменное напыление имеет ряд преимуществ перед другими методами напыления (газопламенным, электродуговым).

Высокая температура плазмы и нейтральная среда позволяют получить покрытия более однородными, с меньшей окисляемостью и большей износостойкостью. Кроме того, создается возможность напыления тугоплавких материалов (вольфрам, молибден, твердые сплавы, окислы алюминия, хрома, керамические материалы и др.). 

При плазменном напылении в качестве источника тепла используется энергия плазменной струи. Плазменная струя или плазма представляет собой направленный поток ионизированных частиц газа, имеющего температуру 10000… 20000 ° К.

Плазму получают, пропуская поток газа через столб электрической дуги. Степень ионизации значительно повышается при использовании так называемой сжатой дуги. При этом часть столба дуги помещают в узкий канал с охлаждающими стенками, а в полость канала подают струю газа. В узком канале столб дуги сжимается, что приводит к повышению в нем плотности энергии.

Повышение концентрации энергии ведет к резкому росту температуры газа и степени его ионизации. Это обеспечивает получение плазменной струи с еще более высокой температурой.

Применение дуговой плазмы для напыления обуславливает возможность регулирования степени нагрева основного и напыляемого материала, обеспечивает стабильность протекания процесса напыления.

В качестве плазмообразующего газа могут использоваться аргон, смесь аргона с азотом (25%), воздух.

В качестве присадочного материала при плазменном напылении может использоваться металлическая проволока или порошок.

Напыление проволокой осуществляется двумя способами: нейтральной проволокой и проволокой, включенной в электрическую цепь к аноду источника питания.

Pacмотрим указанные способы плазменного напыления присадочной проволокой.

Напыление по схеме «нейтральная проволока»

Дуга косвенного действия горит (рис. 10) между вольфрамовым электродом 1 и медным водоохлаждающим соплом 2, к которому подключен положительный полюс источника тока 5.

Рис. 10. Схема напыления «нейтральная проволока»

 

Отрицательный полюс источника тока подключен к вольфрамовому электроду. Столб дуги располагается в узком канале, по которому через столб дуги пропускается плазмообразующий газ 6.

Плазменная струя 10, выходя из сопла 2 расплавляет проволоку 7, которая является нейтральной, т. е. не включенной в электрическую цепь.

Под действием тепла плазменной струи проволока расплавляется, и ее расплавленные частицы 9 потоком плазмы наносятся на поверхность напыляемой детали 8.

Устройство, в котором происходит образование плазменной струи, называется плазменной горелкой или плазмотроном.

Напыление по схеме «проволока - анод»

Рис.11. Напыление по схеме «проволока-анод»

Устройство плазмотрона, применяемого в данном способе напыления, принципиально не отличается от вышеописанного.

В данном способе напыляемая проволока включается в общую электрическую цепь установки и является анодом (рис. 11).

В этом случае одна дуга горит между вольфрамовым электродом 1 и соплом-каналом 2, вторая - между вольфрамовым электродом и токоведущей проволокой 7. Питание обеих дуг осуществляется от одного источника 5.

Этот способ обеспечивает регулирование количества теплa, вводимого в основной металл, путем изменения тока в проволоке (регулированием сопротивления).

Процессы напыления по приведенным схемам отличаются производительностью, величиной распыляемых частиц и интенсивностью нагрева напыляемых деталей.

По первой схеме производят напыление малогабаритных деталей проволокой диаметром 0.5… 1.0 мм. Кроме этого, она находит применение в тех случаях, когда отсутствует возможность охлаждения изделия в процессе напыления.

По второй схеме наплавляют проволокой диаметром 0.8… 2.0 мм крупногабаритные детали при наличии принудительного охлаждения их.

Широкое применение находит плазменное напыление порошковыми материалами.

Рис.12. Схема напыления с вдуванием порошка

Существуют различные технологические варианты плазменного напыления материалами. Одним из наиболее совершенных является способ плазменного напыления с вдуванием порошка в дугу (рис. 12).

Порошок 15 находится в порошковом питателе 14. Посредством транспортирующего газа из баллона 12, по шлангам 11 порошок вдувается в плазменную струю 10, где он нагревается и переносится на подогретую плазмой прямого действия поверхность напыляемой детали 8.

В данном случае транспортирующий газ является одновременно и плазмообразующим.

Газ из баллона поступает через редуктор 13.

Для обеспечения равномерности подачи порошка на питателе предусмотрен вибратор 16.

Разновидностью данного способа напыления является способ с применением двух газов: транспортирующего и плазмообразующего.

Основными параметрами процесса плазменного напыления являются:

· тип плазмообразующего газа;

· расход газа;

· сила тока;

· скорость перемещения плазмотрона;

· расстояние от сопла до напыляемой поверхности (дистанция напыления);

· скорость подачи присадочной проволоки.

Вид и расход плазмообразующего газа влияет на температуру плазменной струи.

Для плазменной дуги, горящей в аргоне или гелии

Т _пл = (1.5… 2.5) 10⁴ ° K.                                       (12)

Для плазменной дуги, горящей в смеси с азотом

Т _пл = (0.5…  0.7) 10⁴° K.                                        (13)

Сила тока также повышает температуру струи. Увеличение силы тока от 50 до 350 А повышает среднюю температуру струи примерно oт 1^.10⁴ до 1.5^.10⁴ ° K.

Скорость перемещения плазмотрона значительно влияет на толщину напыленного слоя.

С увеличением скорости перемещения плазмотрона толщина напыленного слоя уменьшается.

Дистанция напыления (h) обуславливает, с одной стороны, величину тепловложения в поверхностный слой детали, с другой - определяет равномерность распределения покрытия по поверхности.

При значительном уменьшении h происходит перегрев основного металла и возрастает неравномерность распределения покрытия по поверхности детали.