При выборе порошковых материалов для получения различных плазменных покрытий необходимо учитывать следующие положения.

Гранулометрический состав применяемых порошковых материа­лов имеет первостепенное значение, так как от него зависят произво­дительность и коэффициент использования, а также свойства покрытий. Размер частиц порошка выбирают в зависимости от характеристик ис­точника тепловой энергии, теплофизических свойств напыляемого ма­териала и его плотности.

Обычно при напылении мелкодисперсного порошка получают бо­лее плотное покрытие, хотя в нем содержится большое количество окси­дов, возникающих в результате нагрева частиц и их взаимодействия с высокотемпературным потоком плазмы. Чрезмерно крупные частицы не успевают прогреться, поэтому не образуют достаточно прочной связи с поверхностью и между собой или просто отскакивают при ударе. При напылении порошка, состоящего из смеси частиц разных диаметров, бо­лее мелкие частицы расплавляются в непосредственной близости от ме­ста их подачи в сопло, заплавляют отверстие и образуют наплывы, кото­рые время от времени отрываются и в виде больших капель попадают на напыляемое покрытие, ухудшая его качество. Поэтому напыление предпочтительно следует производить порошками одной фракции, а все порошки перед напылением подвергать рассеиванию (классификации).

Для проведения классификации порошков применяют металличе­ские тканые сетки с квадратными ячейками нормальной точности по ГОСТ 6613-73. Классификация порошков по группам и грануломет­рическому составу приведена в табл. 10.

Таблица 10. Классификация порошков по группам и гранулометрическому составу Класс Размер частиц, мкм Остаток на сетке №005, % 04 Прохождение через сито, %, не менее, при номерах сеток 0135 02 016 0125 005 К (крупный) 50-135 Не менее 95 100 95 — — — — С (средний) 50-160 Не менее 95 — — 100 95 — — М (мелкий) 50-125 Не менее 95 — — — 100 95 — П (пыль) Менее 50 Не более 4 — — — — — 96

Для керамических материалов оптимальный размер частиц порошка 50-70 мкм, а для металлов — около 100 мкм. Порошки, предназначен­ные для напыления, должны иметь сферическую форму. Они обладают хорошей сыпучестью, что облегчает их транспортировку к плазмотрону.

Почти все порошки гигроскопичны и могут окисляться, поэтому их хранят в закрытой таре. Порошки, находившиеся некоторое время в открытой таре, перед напылением прокаливают в сушильном шкафу из нержавеющей стали слоем 5-10 мм при температуре 120-130 °С в течение 1,5-2 ч.

Порошок для напыления выбирают с учетом условий эксплуатации на­пыляемых деталей [24]. Области практического применения порошков для плазменного напыления, выпускаемых НПО «Тулачермет» и Торезским заводом наплавочных твердых сплавов (ТЗНТС), приведены в табл. 11.

Марка, тип Пример использования

Таблица 11. Примеры практического применения порошковых газотермических покрытий НПО «Тулачермет» Никель-алюминий ПН70Ю30 Защита экранных труб котельных агрегатов ГРЭС и ТЭЦ, деталей термического и металлур­гического оборудования, работающего в воз­душной среде (до 1400 °С). Износостойкие покрытия в некоторых парах трения. В компо­зициях с оксидами обеспечивает получение теплозащитных покрытий Никель-алюминий ПН35Ю15 Упрочнение подъемных шиберов холодильни­ков прокатных станов, восстановление и упроч­нение деталей и узлов автомобилей. Жаростой­кие покрытия, работающие на воздухе до 1100 °С. Хорошо шлифуются, можно обрабаты­вать точением. Стойкие в щелочах. Хорошая износостойкость в некоторых парах трения, отлично работает в парах трения с чугуном Никель-титан ПН5&Т45 Восстановление и упрочнение защитных втулок и валов гидронасосов, поверхностей типа плунже­ров, штоков, упрочнение уплотнительных поверх­ностей валов щелочных насосов. Подслой для по­следующего напыления сталей и керамических материалов. Износостойкие покрытия, работаю­щие в условиях изнашивания без ударных нагру­зок, в условиях трения при наличии смазки. Кор­розионно-стойкие в щелочных средах (как пра­вило в сочетании с полимерными материалами) Никель-титан ПТ88Н12 Износостойкие покрытия. Коррозионно-стойкие покрытия в сочетании с лакокрасочными, поли­мерными материалами. Упрочнение втулок на­сосных штанг, поршневых штоков грязевых на­сосов, вкладышей, полированных стержней Титан-алюминий ПТ65Ю30 Жаростойкие покрытия на воздухе. Упрочнение выхлопных глушителей, поддоны для отжига, наружные поверхности вращающихся обжиго­вых печей Самофлюсующиеся сплавы ПР-Н80Х1ЗС2Р, ПР-Н77Х15СЗР2, ПР-Н73Х16СЗРЗ, ПР-Н70Х17С4Р4, Восстановление и упрочнение клапанов и распределительных валов двигателей внутреннего сгорания, лопаток, роторов, вентиляторов, валов и втулок гидронасосов, деталей металлургического, горного оборудования, сельскохозяйственных

ПР-Н67Х18С5Р5, ПР-Н65Х25СЗРЗ, ПР-Н68Х21С5Р	машин и т. д. Беспористые уплотнительные слои на поверхностях арматуры высокого давления энергетических установок. Высокую стойкость к изнашиванию сочетают с коррозионной стойко­стью, позволяют эксплуатировать детали в ус­ловиях ударных нагрузок и в агрессивных сре­дах с абразивным изнашиванием при темпера­турах до 600 °С. Повышение износостойкости в композиции с высокотвердыми наполнителями: карбидами, боридами, оксидами и т. п.
Чугун ПР-НД42СР	Исправление дефектов чугунного литья, восста­новление изношенных пресс-форм, исправле­ние дефектов, возникших при обработке
Кобальтовый сплав ПР-К60Х30ВС (ВЗК)	Упрочнение ножей в целлюлозно-бумажной промышленности, гнезд выхлопных клапанов ДВС, клапанов высокотемпературных систем высокого давления, матриц для экструзионных прессов и других деталей машин, работающих в условиях высокотемпературного нагрева. Вы­сокая стойкость против стирания, повышенная коррозионная стойкость и износостойкость при высоких температурах, высокая твердость
Высоколегированные стали: ПР-Х18Н9, ПР-06ХН28МДТ ПР-10Р6М5, ПР-М6ФЗ	Пористые изделия для фильтрации агрессивных жидкостей и газов. Коррозионно-стойкие покрытия Плазменная наплавка штампового инструмен­та, работающего в условиях интенсивного изна-
ПР-Х18ФНМ	шивания при ударных нагрузках, упрочнение рабочих поверхностей режущего инструмента, валков холодной прокатки и др. Упрочнение рабочих поверхностей пресс-инст­румента при изготовлении деталей из пластмасс и др.
Высоколегированные чугуны: ПГ-С27, ПГ-С1, ПГ-УС25, ПР-ЧН15Д7	Детали металлургического, сельскохозяйственного, энергетического, горного и другого оборудования, работающего в условиях абразивного изнаши­вания при температурах до 500 °С. Высокая из­носостойкость при повышенных температурах и в коррозионных средах
Композиционные термореагирующие сплавы: Ni-AI — ПТ-Ю5Н, ПТ-Ю10И	Подслои при напылении металлических, кера­мических и других покрытий, восстановление посадочных мест при ремонте. Высокая корро - зионно - и жаростойкость, умеренное сопротив­ление изнашиванию и хорошее сопротивление ударным нагрузкам. Упрочнение валов серво­моторов, качающихся балансирных рычагов,

гильз цилиндров, статоров компрессоров в РД, седел выхлопных клапанов Восстановительный ремонт, поверхностное упроч­нение деталей машин. Упрочнение подшипников для рулей, валов роторов, роторов топливных насосов, коленвалов амортизаторов для штам- повых прессов, поршневых колец ДВС. Наносят через подслой (ПТЮ5Н). Коррозионно-стойкие, хорошо сопротивляются изнашиванию и ударам Бронзы Пр-Бр. АЖНМц, Упрочнение вилок коробок передач автомобиля,

Пр-Бр. АЖНМц 8,5-1,5 — 5-1,5 баббитовых подшипников, патрубков гидравли­ческих прессов, колодок упорных подшипников, направляющих поршней, напыление на детали из конструкционных сталей, работающие в мор­ской воде. Антифрикционные, износостойкие в условиях смазки маслом

тзнтс___________________

Упрочнение и восстановление поршней, валов, муфт насосов, направляющих лопаток, пресс- форм и пуансонов в стекольном производстве деталей ДВС. Напыление на детали из простых и нержавеющих сталей и чугунов. Достаточно низкий коэффициент трения. Хорошо обрабаты­вается резанием.

Упрочнение и восстановление валов и пуансо­нов в стекольном производстве, поршней насо­сов, прокатных валов, направляющих роликов, остриев поддерживающих конусов, уплотни­тельных колец аппаратуры высокого давления, деталей запорной аппаратуры в гидро - и газо­проводах. Напыление на детали из простых и нержавеющих сталей и чугунов. Хорошо проти­востоит трению металла о металл, отличное со­противление коррозии и термическим ударам. Пары трения металл с металлом, лопасти смесителей для перемешивания абразивных (65%) с карбидом вольфрама сред, пуансоны прессов для керамики, транс - (35%) ПС-12НВК-01 портировочные и прессовые шнеки для кирпич­

ного производства, отрезные ножи в стеколь­ном производстве. Простые и легированные стали и чугуны. Износостойкие при стирании и эрозии в коррозионных средах. Допустимая рабочая температура не выше 700 °С. Обраба - ____ тывается шлифованием.___

Подслои. Упрочнение воздушной заслонки компрессора РД, пластин и ребер жесткости клапана вентилятора в РД, крепления середины пролета (лопасти вентилятора), центра и задней бабки токарных и шлифовальных станков. Восстановление поршней гидравлических дом­кратов, шпинделей станков, опорных поверхно­стей, коленвалов и распредвалов. Коррозион­но-стойкие, хорошо сопротивляются стиранию, устойчивы к фрикционному изнашиванию при трении металла о металл. После шлифования отличное состояние поверхности. Восстановление поршней компрессоров, цапф различных машин и агрегатов, посадочных мест валов и осей, шпинделей станков. Низкий коэф-

фициент трения_____________________________

Детали машин и механизмов, работающие в условиях фреттинг-корозии и абразивного изнашивания при обычных и повышенных (до 600 °С) температурах. Направляющая закрылка самолета, статор компрессора

В мировой практике для газотермического напыления производят и применяют множество других марок и типов порошков [24].

В последние годы для получения аморфизированных газотермиче­ских покрытий разработаны специализированные порошки на никеле­вой и железной основах [35]. Аморфные газотермические покрытия по­лучают способами плазменного, детонационного и газопламенного на­пыления. Эти покрытия отличаются повышенными значениями прочно­сти сцепления с подложкой, износо - и коррозионной стойкостью. Уста­новлено, что прочность сцепления у покрытий из сплавов Fe67Ti7B24C2, Ni45Mo20Cr25B10 и Fe40Ni40B20, нанесенных плазменным способом на подложку из низколегированной стали, достигает 40-60 МПа. При этом долговечность деталей гидросистемы экскаваторов (валы масляных насосов, золотники) с аморфными плазменными покрытиями из спла­вов на основе железа, а также деталей станков и металлообрабаты­вающего оборудования (направляющие, кулачки цанг, шпиндели, стержни хонинговальной головки) с аморфными детонационными и плазменными покрытиями повышается в 1,5-2,5 раза.

Высокая стойкость аморфных покрытий против изнашивания и кор­розии обеспечивает повышение долговечности плунжеров бурового оборудования в 1,6-2,1 раза, насосных штанг нефтеперерабатываю­щего оборудования — в 2,5 раза [35].

В 1,9 раза возрос срок службы деталей центробежного насоса для перекачки технологических растворов, содержащих хлор-ионы (валы, рабочие колеса, корпуса), после их восстановления плазменным напы­лением порошка ПГ-Ж1 [35].

С целью снижения себестоимости покрытий и экономии никелевых и кобальтовых сплавов в последние годы для газотермического на­пыления используют порошки, полученные из стружки серого чугуна [36, 37]. Установлено, что в процессе воздушно-газового плазменного напыления покрытий из порошка серого чугуна СЧ20, полученного из­мельчением стружки, происходит образование в структуре покрытия метастабильного е-карбида, мартенсита, остаточного аустенита, спо­собствующих повышению микротвердости в 2,2-2,4 раза по сравнению с чугуном в литом состоянии.

Добавки сплава ПГ-Ж5 и бронзы к порошку серого чугуна умень­шают на 20-40% уровень растягивающих остаточных напряжений. При этом покрытия характеризуются высокой прочностью сцепления (40-60 МПа), по газоабразивной износостойкости в 1,2-2,2 раза пре­вышают плазменные покрытия из никелевого сплава ПГ-10Н-01, а по абразивной — в 1,4-3,4 раза термообработанную сталь 45.

Плазменное напыление порошков на основе серого чугуна позво­лило повысить износостойкость коленчатых валов двигателей ВАЗ-2101 и М-412 в 1,1-1,4 раза, валов масляных насосов двигателей СМ Д-14 — в 1,5-1,75, распределительных валов двигателей ЗИЛ-508.10 — в

1,2-1,6, клапанов распределитель­ного механизма двигателя 3M3-53 и барабанов тормозов трактора Т-150К — в 1,5-1,7 раз.

Технологический процесс плаз­менного напыления требует выпол­нения ряда подготовительных опера­ций. Механическую обработку дета­лей под напыление осуществляют с учетом обеспечения требуемой фор­мы сопряжения напыленного покры­тия со смежными поверхностями (рис. 15). Поверхности деталей, не подлежащие напылению, защищают от попадания на них напыляемого материала с помощью асбестовых или металлических экранов, масок, а также специальных обмазок.

Перед нанесением покрытия деталь обдувают сжатым воздухом в течение 5-10 с. Для удаления адсорбированной влаги и уменьшения внутренних напряжений деталь перед напылением подогревают плазмотроном до 150-180 °С.

Дистанцию напыления определяют опытным путем. Она зависит от порошка, режима напыления, конструктивных особенностей обрабаты­ваемого изделия и обычно составляет 100-150 мм. Скорость переме­щения струи относительно изделия составляет 3-15 м/мин, а окружная скорость вращения изделия — 10-15 м/мин. Ось сопла плазмотрона должна быть направлена по отношению к напыляемой поверхности под углом 60-90°, в стесненных условиях — не менее 45°.

В процессе напыления плазменная струя должна быть устойчивой, без пульсаций. С помощью регулятора расхода газа, порошка и других устройств обеспечивают равномерную подачу порошка без наращива­ния порошка на наружной поверхности анода и закупорки отверстия для ввода порошка. После этого включают систему перемещения дета­ли, а затем плазмотрона, и наносят покрытие. Необходимую толщину покрытия получают многократным повторением циклов напыления пе­ремещением плазмотрона относительно напыляемой поверхности де­тали или их взаимного перемещения с перекрытием полос напыления на одну треть диаметра пятна напыления.

После окончания процесса нанесения покрытия изделие снимают с приспособления, не допуская повреждения покрытия. Экраны-маски и другие защитные приспособления снимают после охлаждения изделия до комнатной температуры так, чтобы не повредить покрытие.

В табл. 12 приведены ориентировочные режимы напыления раз­личных порошковых материалов при использовании в качестве плазмо­образующих газов аргона и азота. Кроме традиционных двухкомпо­нентных смесей, содержащих рабочий и защитный компоненты водо­род-аргон, водород-азот, применяют многокомпонентную смесь возду­ха с углеводородными газами, т. е. смесь системы C-N-O-H (воздух - пропан-бутан, воздух-метан) [16, 38].

В этих смесях кислород воздуха, который нежелателен при напы­лении многих материалов, при нагреве смеси теплом плазменной дуги связывается с углеродом углеводородного газа в термически стойкий оксид углерода. В то же время водород, добавляемый к инертным га­зам в количестве 10-20% по объему для повышения энтальпии и тепло­проводности плазмы, обычно освобождается в процессе химической реакции в плазмотроне. Количество водорода, как и восстановительно­го потенциала среды в целом, регулируют изменением исходного соот­ношения газ-воздух. Такие смеси являются относительно дешевыми

агодаря высокой кинетической энергии частиц происходит их интенсивное рас­плющивание, что обеспечивает плотный контакт с основой [32]. Это приводит к повышенной степени аморфизации напыленного материала.

При сверхзвуковом плазменном на­пылении покрытия из различных порош­ковых материалов характеризуются низкой пористостью (0-3%), высокой прочностью сцепления с основой (до 150 МПа) и повышенной микротвердо­стью [16].

Возможными дефектами плазменно­дугового способа нанесения покрытий является отслоение напыленного слоя, растрескивание покрытия, появление на поверхности крупных капель материала покрытия, капель меди, а также разно - толщинность покрытия (выше допусти­мой) [24]. Причины образования этих дефектов и способы их устранения приведены в табл. 14.

С целью повышения адгезионной и когезионной прочностей и других качест­венных характеристик плазменные по­крытия подвергают дополнительной об­работке различными способами: обкатка роликами под тоном, очистка напыляе­мых поверхностей от окалины и удаление слабо сцепленных с основой или с пре­дыдущим слоем частиц металлическими щетками в процессе самого напыления, струйно-абразивная и ультразвуковая обработка и др. [39, 40].

Одним из наиболее распространен­ных способов улучшения качества по­крытий из самофлюсующихся сплавов является их оплавление [41]. Для оплав­ления используют индукционный или печ­ной нагрев, нагрев в расплавах солей

Таблица 14. Возможные дефекты плазменно-дугового нанесения покрытий

и способы их устранения

Дефект__________ Причины_________________ Способы устранения___________________

Отслоение Неправильно подготовлена Удалить дефектное покрытие, подготовить

напыленного слоя конфигурация напыляемого конфигурацию напыляемого участка

участка (острые углы, малые в соответствии с требованиями радиусы закругления и т. п.) Неудовлетворительное Удалить дефектное покрытие, проверить качество подготовки поверхности (наличие жировых пятен, малая шероховатость, наличие влаги или масла в сжатом воздухе и т. п.) наличие масла и влаги в сжатом воздухе, заменить обезжиривающие средства на свежие, заменить абразив на свежий, повысить давление воздуха при струйно­абразивной обработке, не допускать каса­ния подготовленной поверхности грязным инструментом и руками без перчаток Окисление подложки вследствие перегрева и высокие внутренние напряжения Удалить дефектное покрытие, усилить охлаждение подложки при напылении, по возможности увеличить дистанцию напыления, снизить электрическую мощ­ность, увеличить скорость перемещения горелки (или изделия), уменьшить толщину Большая разность коэффи­циентов термического рас­ширения основы и покрытия покрытия Удалить дефектное покрытие, ввести операцию напыления подслоя Растрескивание Высокие внутренние покрытия напряжения в покрытии Брак неустраним. Усилить охлаждение подложки при напылении, по возможности увеличить дистанцию напыления, снизить электрическую мощность, увеличить ско­рость перемещения горелки (или изделия), уменьшить толщину покрытия, наносимого за один проход Появление Наращивание материала на поверхности покрытия на внутренней крупных капель стенке сопла-анода материала покрытия Брак неустраним. Отрегулировать расход транспортирующего газа и порошка таким образом, чтобы обеспечить устойчивость струи напыляемого материала Появление Повышенная эрозия сопла - капель меди анода в результате его Брак неустраним. Проверить центровку электродов и расход охлаждающей воды,

на покрытии изнашивания или ухудшения в случае его падения устранить причину водяного охлаждения Разнотолщинность Неравномерная подача покрытия (выше напыляемого материала допустимой) Неравномерное перемещение плазменной струи относительно поверхности напыления Брак неустраним. Отрегулировать работу порошкового питателя и расход транспортирующего газа Брак неустраним. Отрегулировать работу системы перемещения плазмотрона и изделия

или металлов, плазменный, газопламенный, лазерный и др. В боль­шинстве случаев предпочтение отдают нагреву в индукторах токами высокой частоты (ТВЧ). Напыленные покрытия системы Ni-Cr-B-Si-C подвергают оплавлению при 920-1200 °С с целью уменьшения исходной пористости, повышения твердости и прочности сцепления с металлом — основой.