книги / Методы нанесения покрытий

К недостаткам данного вида покрытия можно отнести невозможность получения покрытий большой толщины и то, что таким методом возможно осуществление покрытия только электропроводящими материалами.

8.7. Плазменное напыление

Одним из наиболее эффективных и интенсивно развивающихся направлений газотермического напыления является плазменно-дуговое нанесение порошковых покрытий. Именно этот способ является основным во многих случаях нанесения покрытий для восстановления изношенных деталей машин и повышения износостойкости и коррозионной стойкости тяжело нагруженных изделий.

Этот метод основывается на явлении управляемого плазмообразования при горении электрической дуги и поведении в ней вводимых порошкообразных неорганических веществ.

Характеристика плазмы при напылении

Плазмой называют газ в электропроводящем состоянии, который приобретает такую способность в результате ионизации.

Ионизация газа происходит при его нагреве до температур, при которых атомы теряют свои электроны, становясь положительно заряженными частицами (ионами). Плазма в большинстве случаев состоитизтрехкомпонентов: исходногогаза, положительныхионов этого же газа и электронов. При сложном исходном составе газов вплазме может происходить их взаимодействие с образованием новыхвидовмолекул(NО, СН, ОНидр.) иихионов.

Одной из важнейших характеристик плазмы является электронная температура, которая выражается через кинетическую энергию электронов. Различают высокотемпературную и низкотемператкрную плазму. Высокотемпературной плазме соответствует температура выше 100 000−200 000 К, низкотемпературной − температура ниже 100 000 К.

71

Степень ионизации низкотемпературной плазмы 2–20 %, а температура обычно от 5 000 до 55 000 К в зависимости от состава плазмообразующего газа и количества энергии, затраченной на образование плазмы. Низкотемпературную плазму можно получить при пропускании рабочего плазмообразующего газа через электрическую дугу в специальных генераторах плазмы – дуговых плазмотронах. В качестве плазмообразующих газов чаще всего применяют аргон, азот, водород, гелий и их смеси.

Основными характеристиками плазменной струи являются энтальпия, вязкость и теплопроводность, а также коэффициент теплопередачи. От этих характеристик зависит термический КПД плазмотрона (Т), определяющий долю энергии, передаваемой в плазменную струю. Этот коэффициент может быть определен с точностью до 10 % через размерные комплексы:

где ηТ – коэффициент полезного действия плазмотрона (в до-

лях); А – константа, зависящая от характеристик плазмы; I – сила тока плазмотрона: G – массовый расход газа; d – диаметр сопла плазмотрона; lд – длина дуги; р – давление газа в канале плазмотрона; α,β, γ,δ – эмпирические коэффициенты.

Эффективный КПД имеет максимум при определенной длине дуги. Для повышения КПД следует увеличивать массовый расход газа и уменьшать размеры дуговой камеры плазмотрона. КПД возрастает с ростом теплопроводности плазмообразующего газа. Максимальный КПД (80 %) может быть достигнут при использовании в качестве рабочего газа водорода. Однако водород в чистом виде не применяется, так как при высоких значениях теплопроводности и теплосодержания он оказывает интенсивное разрушающее воздействие на электроды.

Гелий в чистом виде также не применяется из-за высокой его стоимости и быстрого износа электродов.

72

С целью увеличения срока службы обычно применяют во- дородно-азотную или водородно-аргонную смесь газов (10– 20 % водорода). КПД плазмотрона в этом случае достигает 60 %. Использование аргона обусловлено его достоинствами – легкой ионизацией и тем, что он дает стабильную плазменную струю при невысоком рабочем напряжении. Однако энтальпия аргона и гелия существенно ниже, чем у двухатомных газов. Поэтому смеси газов используются, кроме того, с целью повышения теплосодержания плазмы и скорости плазменного потока. Так, для увеличения кинетической энергии потока газа и частиц порошка в плазменной струе в качестве плазмообразующего газа используют смесь азота с 3–10 % водорода.

Применение тех или иных газов ограничивается также их взаимодействием с материалом электродов. Например, цирконий и титан очень легко воспринимают азот и водород, образуя нитриды и гидриды. При этом продукты взаимодействия переходят в газообразное состояние и уносятся в плазменном потоке. Если целью плазменного воздействия является образование таких соединений, то специально выбирают это сочетание. В иных случаях это вызывает повышенный износ электродов.

Кроме перечисленных газов, в последнее время в качестве плазмообразующих стали использовать дешевые недефицитные газы, такие как продукты сгорания углеводородов, воздух, углекислота, а также пары воды. Использование этих газов также требует отработки оптимальных режимов их использования применительно к конкретным технологиям.

Основное оборудование для нанесения плазменных покрытий

Основным видом оборудования, используемого для плазменного нанесения покрытий, являются плазмотроны. Обычно они состоят из двух корпусных узлов (рис. 8.13), разделенных электроизоляционной прослойкой и вмонтированных в ручку из изоляционного материала (пластмассы).

73

Рис. 8.13. Схема плазмотрона для напыления порошков:

1 – катод из вольфрама; 2 – анод (медное сопло); 3 – корпус плазмотрона; 4–6 – трубки подачи: 4 – воды, 5 – плазмообразующего газа, 6 – порошка

К узлу, соединенному с положительной клеммой источника тока, крепится сопло-анод 2, изготовленное из электротехнической меди и оснащенное системой водяного охлаждения 4. В корпусе плазмотрона, соединенном с отрицательной клеммой источника тока, крепится вольфрамовый катод 1, который также охлаждается водой. Токоподводы к аноду и катоду размещаются в шлангах с охлаждающей водой.

Напряжение, используемое для формирования плазмы, обычно составляет от 40–65 до 95–100 В. Электрическая мощность плазмотронов, выпускаемых отечественной промышленностью, равна 25–40 кВт, производительность их по массе распыляемых порошков составляет 2,5–7,0 кг/ч металлических частиц и 1,2–4,5 кг/ч оксидов.

В последнее время наметились тенденции к созданию плазмотронов большой мощности (до 160–200 кВт) и производительностью по массе распыляемых порошков до (30–50 кг/ч). Особенностью таких установок является возможность создания сверхзвуковых плазменных струй, что существенным образом улучшает взаимодействие перемещающихся в такой струе частиц напыляемогоматериаласосновой, повышаякачествопокрытий.

74

Дуговые плазмотроны по характеру создаваемой плазмы разделяются на плазмотроны с косвенной (независимой) и прямой (зависимой) дугой. В плазмотронах первого типа дуга зажигается по традиционной схеме между катодом и анодом в составе плазмотрона, а вводимый материал в виде порошка или проволоки подается в сформированную независимо плазменную струю. При этом доля энергии, передаваемой напыляемому материалу, составляет 2–3 %. В случае распыления материала в виде проволоки оказывается возможным организовать прямую дугу, когда распыляемая проволока включается в электрическую цепь анода. В этом случае долю передаваемой энергии распыляемому материалу удается повысить до 10 %.

Физико-химические основы технологии плазменного напыления

Процесс плазменного напыления включает в себя три последовательные стадии, разделенные пространственно и различные по своей физической сущности.

Первая стадия – это транспортирование порошка от питателя до плазмотрона и ввода его в газопламенную (плазменную) струю. Вторая – включает процессы, развивающиеся при движении частиц порошка в объеме плазменной струи, в том числе процессы нагрева, ускорения и замедления, взаимодействия частиц со средой. Третья группа процессов связана непосредственно с формированием покрытия на подложке, происходящим при встрече плазменной струи совместно с потоком напыляемых частиц и других продуктов, содержащихся в рассматриваемом потоке, с напыляемой поверхностью.

Подача порошка в плазменную струю. Для формирования качественного плазменного покрытия имеют большое значение следующие стороны рассматриваемой проблемы: равномерность подачи порошков к плазмотрону, точность дозировки, место ввода порошков в канал плазмотрона и качество подаваемых порошков, а также особенности режимов подачи в зависимости от этого фактора.

75

Решение проблемы равномерности подачи порошков обусловлено конструктивными решениями плазмотронов, использующих различные принципы организации перемещения порошков в питателе и питающих каналах. Проблема равномерности подачи обусловлена явлениями пульсации, вызываемыми различными причинами.

Обычно для подачи порошков используются шнековые, вибрационные, аэрационные питатели. Все они характеризуются пульсацией подачи. Большие неравномерные неоднородности в подаче вредно сказываются на протекании процесса напыления и стабильности свойств покрытий, поскольку пульсация подачи приводит к аналогичной пульсации всех процессов в плазменной струе при формировании наносимого покрытия. Такие циклические изменения хода процесса вызывают обычно непредсказуемые последствия и, как правило, ухудшают качество покрытия.

Точность дозировки и равномерная подача связаны с такими свойствами покрытия, как его текучесть, угол естественного откоса, рассеиваемость. Комплекс этих свойств определяет требования к системе подачи.

Особые сложности возникают при использовании для нанесения покрытий смесей разнородных порошков (как по размерным факторам, так и по материалу частиц). Это может приводить к эффектам естественной сепарации компонентов приготовленной смеси в питателе плазмотрона и трубопроводах.

Проблемы места ввода порошков в плазменную струю. Су-

ществует четыре основные схемы подачи порошков в плазменный канал плазмотрона (рис. 8.14).

Первая схема предусматривает ввод порошков в столб сжатого дугового разряда (в дуговой промежуток – на схеме цифры 1, 1' и 1"). При этом возможны также три варианта этой схемы, мало отличающиеся по эффективности и определяющиеся конструктивным исполнением плазмотрона. Порошки могут подаваться по центральному осевому каналу 1 либо через боковые каналы 1' и 1". Вторая схема предусматривает ввод порошков до анодного пятна с использованием части столба сжатого дугово-

76

го разряда 2. По третьей схеме в порошки вводятся за анодным пятном внутри канала сопла – анода. И наконец, порошки можно вводить за срезом сопла – анода во внешнюю свободно расширяющуюся часть струи плазмы 4.

Рис. 8.14. Схема возможных вариантов ввода порошков в плазменный канал плазмотрона (четыре основные схемы подачи).

Цифрами обозначены возможные пути (каналы) подвода порошков

Взависимости от места ввода порошков в плазменный канал в большей или меньшей мере реализуется непосредственное воздействие плазмы на напыляемое вещество. Наибольшее воздействие плазмы на вещество порошков оказывается в случае их ввода по схеме 1, минимальное – по схеме 4. При остальных схемах – промежуточное влияние.

Вбольшинстве отечественных плазмотронов используется третий вид подачи, т.е. за анодным пятном. Для большинства наносимых порошков такая схема обеспечивает получение оптимальных свойств покрытий. Однако при такой схеме на внутренней поверхности каналов плазмотрона часто образуются настыли, что является недостатком такой подачи. Внешняя подача порошков 4 обеспечивает наиболее устойчивую работу плазмотрона, однако характеризуется недостаточно полным использованием тепла плазменной струи на нагрев порошка.

77

Поперечная подача порошков в плазменный канал, особенно для частиц разной степени дисперсности, сопряжена сеще одной проблемой плазменного напыления. Поток порошков вустье подающих каналов характеризуется различной кинетической энергией частиц, попадающих в плазменную струю. Такие частицы в зависимости от их размеров (массы, степени дисперсности) можно подразделить на три типа: частицы с высокой кинетической энергией, которые при попадании в плазменную струю проходят сквозь нее; частицы со средней энергией, проникающие в струю и движущиеся вместе со струей вблизи ее оси; частицы с малой кинетической энергией, которые не проникают в плазменную струю идвижутсяпопериферииее.

Удовлетворительное покрытие формируют частицы первого и второго типа, однако первые оказываются в зонах с повышенным содержанием кислорода и подвержены значительному окислению. Слабопрогретые частицы, движущиеся по периферийным зонам плазменной струи, попадая в покрытие, приводят к образованию пор и ослаблению прочности связей в нем.

Процессы движения и нагрева частиц в потоке плазмы.

При движении частиц в плазменной струе можно выделить 4 группы процессов, связанных с взаимодействием плазмы

снапыляемыми порошками:

1– динамические процессы, вызывающие ускорение и замедление движения частицы и определяющие время ее пребывания в различных зонах плазменной струи, а также запас кинетической энергии частицы в момент встречи ее с подложкой (напыляемой поверхностью);

2– процессы теплообмена, сопровождающиеся фазовыми переходами (плавление, испарение), в результате которых частица к моменту ее участия в формировании покрытия приобретает определенныйзапастепловойэнергииитоилииноеагрегатноесостояние;

3– процессы изменения химического состава исходного напыляемого материала вследствие термического разложения, взаимодействия поверхности частиц с элементами окружающей среды (кислород, азот, водород и др.), а также взаимодействия в объеме частицвслучаенапылениягетерогенныхпорошковыхсмесей;

78

4 – морфологические изменения в напыляемом порошке вследствие явлений сфероидизации при плавлении, столкновения и разрушения частиц в запыленном газовом потоке.

Газодинамика движущейся среды – это отдельная наука, изучающая поведение двухфазных потоков. Выводами из этой науки для работы плазмотрона являются условия поддержания турбулентного или ламинарного движения струи, главным параметром которой является число Рейнольдса (Re). Расчетная оценка показала, что в различных условиях напыления целесообразно поддержание ламинарных условий течения плазменной струи (число Рейнольдса от 0,5 до 22,0).

Плазменная струя обладает радиальными и осевыми градиентами температуры и скоростей, в связи с чем, опираясь на эти характеристики, можно оценить силы, действующие на нее в заданных условиях: силу аэродинамического сопротивления; силу, обусловленную градиентом давления в потоке; силу ускорения прилегающих к поверхности частицы слоев газа; силу, обусловленную нестационарностью процесса и зависящую от характера движения частицы за предшествующий период (сила Бассе); силу, обусловленную инерцией вытесненного частицей объема газа; силу тяжести частицы; силу термофореза, обусловленную наличием градиента температур в потоке; силу, обусловленную вращением частицы из-за градиента скорости обтекающего потока (сила Магнуса).

Проведенная специалистами оценка некоторых из этих сил показывает, что сила аэродинамического сопротивления составляет 0,05 Н, а силы Бассе и Магнуса на порядок меньше (0,003

и0,002 Н соответственно). Остальные силы еще менее значительны (на 1–2 порядка).

Большое значение имеет влияние теплофизических факторов плазмы и вводимых в нее частиц на характер перемещения их в струе при оценке непосредственных процессов теплообмена при плазменном напылении.

Очень важными характеристиками процесса плазменного напыления являются теплофизические свойства самой плазмы

ивводимых в нее порошков. С точки зрения теплофизики

79

главным параметром является критерий Био (Bi). В данном случае могут быть использованы как теплотехнически тонкие, так и массивные частицы (порошки различной степени дисперсности с Вi от 0,001 до 5,5). Другим теплотехническим критерием, характеризующим условия теплообмена, является критерий Фурье (F0). Он определяет время перехода процесса теплообмена в квазистационарное состояние и выравнивания температуры по сечению частицы. При этом следует иметь в виду, что чем больше параметр Фурье для рассматриваемого случая, тем меньше время выравнивания температуры по сечению частицы.

Нагрев частиц в плазменной струе определяется в основном конвективным теплообменом. В большинстве случаев считают, что для очень малой длительности нагрева частиц в плазме и очень малом их размере теплоотвод с поверхности частицы в ее глубину в процессе теплообмена с плазмой не играет существенной роли. При исследовании нагрева частиц карбида вольфрама и оксида алюминия в аргоне, азоте и их смесях с водородом установлено, что разработанные математические модели нагрева частиц с использованием указанных особенностей тепловых процессов в плазме, с ошибкой до 15 %, дают результаты, совпадающие с экспериментальными данными.

Все математические модели плазменного напыления, как правило, разработаны при условии отсутствия химических реакций между газом и поверхностью частиц и их объёмом. Однако в реальных условиях покрытие по своему составу отличается от исходного материала напыляемых частиц.

Поэтому необходимо всегда учитывать, что в процессе плазменного напыления могут протекать следующие виды превращения материала напыляемых порошков в плазме:

– фазовые переходы при нагреве материала с последующей фиксацией высокотемпературных фаз при закалке. К таким относятся образование гамма-фазы оксида алюминия, тетрагональной формы диоксида циркония и другие аналогичные изменения кристаллического строенияразличныхполиморфныхвеществ.

80