Плазмово-дуговий метод напилення покриттів полягає в форму - нні на поверхні деталі покриття з нагрітих та прискорених високотем - ратурним плазмовим струменем часток матеріалу, при зіткненні яких поверхнею основи або напиленим матеріалом відбувається їх з’єд - 1ННЯ.

Плазмово-дуговий метод рекомендується для напилення захисних, ііцнювальних та інших видів покриття з порошків металів, оксидів, кар­елів, нітридів, боридів та інших тугоплавких зеднань, із композиційних >рошків та механічних сумішей різних порошків, а також з дротяних атеріалів.

Плазмовий струмінь утворюється в плазмотроні за рахунок нагріван - плазмоутворювального газу при проходженні його через дугу (рис. 4.5) ю завдяки високочастотному індукційному нагріванню (рис. 4.6).

Рис. 4.5. Узагальнена схема плазмового напилення: 1 - вихід води для охолодження та підведення від'ємного потенціалу; 2 - ізолюючий кожух; 3 - транспортуючий газ з порошком; 4 - водоохолоджуваний анод; 5 - вхід аоди для охолодження та підведення позитивного потенціалу; 6 - подача плазмоутворюючого газу; 7 - катод

У звичайних умовах, при напиленні у відкритому середовищі і при атмосферному тиску температура плазмового струменя може складати від 5х103 до 55х103 °С, а швидкість витікання досягти 1000...1500 м/с. Потрапляючи у плазмовий струмінь, частки порошку нагріваються до плавлення і прискорюються у середньому до 50...200 м/с.

При використанні спеціальних плазмотронів з профільованими ка­налами сопел або при плазмовому напиленні у динамічному вакуумі (способи VPS - Vacuum Plasma Spray та LPPS - Low Pressure Plasma Spray) можна отримати надзвукові швидкості плазмового струменю.

При контакті прискорених часток матеріалу, що напилюється, з по­верхнею, вони зчеплюються з нею за рахунок металургійної, механічної та інших видів взаємодії.

Рис. 4.6. Схема плазмового напилення з високочастотним індукційним нагріванням газу: 1 - сопло плазмотрона; 2 - плазмовий струмінь; 3 - індуктор; І - подача матеріалу, що напилюється; II - подача плазмоутворюючого газу

Звичайний плазмово-дуговий спосіб напилення покриттів характе­ризується такими показниками:

- можливість отримання покриття товщиною у межах від 50 мшдо 10 мм з матеріалів, які плавляться без розкладу при температурах плаз­мового струменя;

- відносно мала теплова дія на поверхню основи (звичайне нагрі­вання її в межах 50... 150 °С), що дозволяє наносити покриття на широке коло матеріалів, включаючи пластмаси, деревину, картон тощо;

- досить висока продуктивність процесу напилення, яка залежно від потужності плазмотронів може становити від 3 до 11 кг/год;

- можливість гнучкого регулювання електричного та газового ре­жиму роботи плазмотрону, в тому числі в процесі напилення, дозволяє керувати енергетичними характеристиками напилюваних часток;

- можливість використання для утворення струменя плазми газів різного роду: інертних (аргон, гелій), відновлювальних (водню), окислю­ючих (повітря), що при використанні камер із захисним середовищем або вакуумом, а також при використанні захисних насадок, дозволяє регулювати властивості середовища, в якому нагріваються та перемі­щуються частки напилюваного матеріалу.

Найбільш характерні показники якості покриття для плазмового на­пилення наведені у табл. 4.4.

> До технологічних параметрів процесу плазмового напилення по­криття відноситься:

- напруга на дузі ид, В та сила струму Ід, А, які визначають по­тужність дуги Ыд;

- вид та витрати плазмоутворюючого газу, м3/год;

- діаметр сопла плазмотрону, мм; О

- масові витрати порошку, кг/год або діаметр дроту, мм та швид­кість його подачі, м/с;

- витрати транспортуючого газу, м3/год;

- дистанція напилення, мм;

- швидкість переміщення плазмотрону відносно виробу, м/хв або мм/об;

- число обертів циліндричної деталі, об/хв;

- грануляція порошку, С, мкм.

До параметрів технологічного процесу плазмового напилення, які характеризують режим роботи плазмотрону і визначають процес нагрі­вання розпилюваного матеріалу, є ентальпія, температура та швидкість плазмового струменя.

Таблиця 4.4 Характерні показники якості покриття, отриманого при плазмовому напиленні (за даними фірми Sulzer Metco) Властивості та характеристики Матеріал покриття Дозвукове плазмове напилення Напилення у динамічному вакуумі (спосо­би VPS/LPPS) Температура плаз­мового струменю, °С 12000...16000 10000...80000 Міцність зчеплен­ня, МПа Чорні метали 21... 34 100...400 Кольорові метали 14...48 400...750 Керамічні матеріали 21...41 25...55 Карбіди 55...69 60...100 Пористість, % Чорні метали 5...10 1...3 Кольорові метали 5...10 1.3 Керамічні матеріали 5...10 2...5 Карбіди 5...10 2...5 Рекомендовані товщини шару по­криття, мм Чорні метали 0,4...2,5 0,05...10 Кольорові метали 0,4...5,0 0,05...10 Керамічні матеріали 0,4..5,0 0,05...5 Карбіди 0,4...5,0 0,05...10 •

Вагомість параметрів режиму роботи плазмового розпилювача можна оцінити з рівняння:

AH = /V^np _

Кр ' Gfm

де Кр - коефіцієнт, який характеризує рівномірність нагрівання газу по перерізу сопла;

Gnn - витрати плазмоутворювального газу; т]тр =WmIWp - тепловий ККД розпилювача;

Wm - потужність джерела теплоти;

Wp - потужність, яка вводиться в розпилювач;

Ng - потужність дуги.

Із збільшенням потужності дуги Na інтенсивно збільшується темпе­ратура й ентальпія (ДН) плазмового струменя. Вплив витрат плазмоут­ворювального газу (G„,) протилежний. Потужність дуги визначається, у свою чергу, двома параметрами - силою струму та напругою.

Напруга дуги залежить від довжини дуги, яка в основному визнача­ється ллазмоутворювальним газом та його витратами, а також конструк­цією плазмотрону.

При визначеній напрузі потужність дуги регулюється гнучким пара­метром - силою струму дуги. Вплив потужності дуги на характеристики процесу напилення показана на рис. 4.7.

п Рис. 4.7. Вплив потужності дуги у плазмотроні на пористість (П), продуктивність GH, коефіцієнт використання порошку КВМ

При незмінній потужності дуги збільшення витрат плазмоутворюваль - ного газу знижує температуру нагрівання порошкових часток, хоча під­вищення швидкості часток при цьому позитивно впливає на ефектив­ність процесу.

Особливо важливий вплив на теплофізичні характеристики плаз­мового струменя подає вид газу. Так, висока ступінь нагрівання напи­люваних часток досягається при використанні в якості плазмоутво - рювального газу азоту або добавки до аргону водню чи гелію, використання аміаку дозволяє підвищити теплову ефективність нагрі­вання порошку.

Для плазмового напилення використовують порошки грануляцією від 5 до 100 мкм. Із збільшенням розміру часток виникають труднощі їх нагрівання до температури плавлення. Збільшення витрати порошку призводить до захолоджування плазмового струменя. Звичайні витрати порошку 0,25...2 г/сек. Витрата транспортуючого газу частіш за все ста­новить 10% від витрати плазмоутворювального. При використанні дроту для плазмового напилення частіш за все використовують дріт діамет­ром 0,8...2,5 мм.

Для плазмового напилення дистанція напилення становить від 50 до 300 мм. Малі відстані не завжди забезпечують розігрівання часток до температури плавлення та надання їм необхідної швидкості. Із збіль­шенням дистанції на основній ділянці струменя різко знижується її тем­пература та швидкість. Відповідно спостерігається зменшення темпе­ратури і швидкості часток.

S Значний вплив на ефективність процесу спричиняє зниження тиску в камері та використання ламінарного потоку плазми.

Наведені у технічній літературі параметри технологічних режимів потребують уточнення для конкретних умов їх використання. Викорис­тання цих даних для різних плазматронів потребує обережності, тому що, як правило, вони отримані для однієї визначеної конструкції плаз­мотрона та установки і досить часто враховують тільки один грануля­ційний склад матеріалу, витрати порошку та інше.

Для пошуку оптимального режиму напилення доцільно використан­ня методів планування експерименту.

Різновидом плазмового напилення є мікроплазмове покриття. Конструкція та параметри плазмотрону забезпечують формування ла­мінарного плазмового струменю (критерій Рейнольдса стновить 0,1- 0,55). Цей фактор надає такі особливості процесу мікроплазмового на­пилення.

По-перше, завдяки тому, що кут розкриття ламінарного плазмового струменю становить 2...6°, замість 10. 18° для турбулентних плазмових струменів, та отвір сопла дуже малий, 1-2 мм та менше, виникає мож­ливість зменшити розмір п’ятна напилення до 1...5 мм, що дозволяє зменшити витрати порошку, який напилюється, при напиленні на вироби малих розмірів.

По-друге, низька теплова потужність мікроплазмового напилення дозволяє зменшити нагрівання основи, що забезпечує можливість на­несення покриття на вироби малих розмірів з тонкими стінками без ло­кального нагрівання та суттєвих деформацій.

Крім того, ламінарний плазмовий струмінь має низький рівень шу­му, всього до 30-50 дБ, що дозволяє виконувати напилення без викорис­тання спеціальної шумоізолюючої камери.

Одним з засобів, що дозволяє підвищити якість покриття, особливо з матеріалів, які можуть розкладатися, окислюватися, азотуватися, є плазмове нанесення покриття у камері з контрольованою за складом і тиском атмосферою.

З цією метою використовують також захисні соплові насадки, що утворюють закритий простір між розпилювачем та виробом, заповнений плазмоутворювальним або захисним газом. Найдосконалішим є плаз­мове нанесення покриття у динамічному вакуумі - методи VPS та LPPS. Виток плазмового струменя відбувається у вакуумну камеру, з якої безперервно відкачуються робочі гази. Швидкість витоку плазмово­го струменю перевищує швидкість звуку у 2-3 рази, збільшується швид­кість часток, що напилюються, до 800 м/с. Отримане покриття має міцне зчеплення з основним матеріалом деталі.

Подальшим розвитком плазмового способу нанесення покриття є плазмово-детонаційна обробка поверхні (ПДО). Особливістю плаз­мово-детонаційної обробки є те, що блок ініціювання плазми виконано у вигляді детонаційної камери. Це спрощує процес тим, що немає потре­би використувувати осцилятори, блок підпалу та використовувати в яко­сті плазмоутворювальних газів продукти згоряння вибухової суміші.

Формувати імпульсні високоенергетичні плазмові струмені можна при реалізації нестаціонарних режимів детонаційного згоряння горючих газових сумішей у електромагнітному полі. Розповсюдження детонацій­ної хвилі здійснюється між двома коаксіальними тілами обертання, які є електродами імпульсного плазмотрона. Внаслідок високої температури проходить часткова іонізація продуктів згоряння і при наявності зовніш­нього електромагнітного поля по газовому шару за детонаційною хви­лею проходить електричний струм, виникає додаткова пондеромоторна сила та додатковий внесок енергії до газу за рахунок джоулевої дисипа­ції, що суттєво збільшує енергію ударної хвилі та продуктів згоряння.

Плазмово-детонаційний генератор (рис. 4.8) складається з детона­ційної камери (де відбувається формування вибухової суміші та ініцію­вання її згоряння у детонаційному режимі), коаксіальних електродів та джерела живлення. Після детонації частково іонізовані продукти зго­ряння з детонаційної камери потрапляють у міжелектродний проміжок, замикають R-L-C контур джерела живлення; відбувається розряд кон­денсаційної батареї. Між коаксіальними електродами струм тече по іоні­зованому газу, виникає плазма, що виділяє джоулеве тепло. При цьому об’єм газу збільшується і тим самим збільшує газодинамічну силу стру­меню газу.

Рис. 4.8. Схема імпульсного плазмово-детонаційного генератора: 1 - високовольтне джерело живлення; 2 - реакційна камера; З - ізолятор; 4 - витратний електрод; 5 - детонаційний пристрій; 6- свічка підпалювання; 7 - виріб