Технология плазменного напыления металла

Обновлено: 21.01.2025

Наиболее перспективным методом нанесения защитных покрытий является плазменное напыление, при котором нагрев, плавление, диспергирование и перенос напыляемого материала осуществляются плазменной струей, полученной нагревом потока газа в электрическом дуговом разряде. Сжатие дуги в плазмотроне обеспечивает повышение температуры плазменной струи до 10000…15000 К. Нагрев и расширение газа позволяют получить скорость плазменной струи, приближающуюся к скорости звука, а в некоторых случаях превышающую ее. Высокие температура и скорость струи позволяют напылять покрытия из любых материалов: металлов и сплавов, керамических материалов, таких как оксиды, карбиды, бориды, нитриды, и композиционных материалов. В качестве плазмообразующих газов используют аргон, азот и их смеси с водородом и гелием. Энергетические параметры плазменной струи можно регулировать в широких пределах подбором газов, параметров дугового разряда, расходом газов, геометрией сопел и катодов (рис. 1).

Рис. 1. Схема (а) и реальный процесс (б) плазменно-порошкового напыления поверхностей деталей: 1 – корпус плазмотрона; 2 – вольфрамовый электрод; 3 – охлаждаемый анод; 4 – канал подачи газа; 5 – канал подачи порошка; 6 – плазменная струя; 7 – напыляемая поверхность

Физическое взаимодействие напыляемой частицы с основой происходит на атомарном, ионном и молекулярном уровнях. При сближении атомов напыляемого материала и основы на расстояние примерно до 10–9 м возникают силы молекулярного взаимодействия Ван дер Ваальса. Если сблизить атомы на расстояние 10–10 м, то образуется химическая связь. В условиях плазменного напыления, когда скорость частицы в полете составляет 100…150 м/с, при соударении в течение 10–8…10–9 секунды возникает импульсное давление до 1500 Па, в результате чего происходит растекание жидкой компоненты частицы и активизация процесса взаимодействия ее с основой. Вследствие этого метод плазменного напыления обеспечивает высокую адгезионную прочность покрытий из тугоплавких керамических материалов.

Высокая температура плазменной струи и возможность менять ее в широком диапазоне подбором диаметра сопла и режимов работы позволяют производить напыление самых различных материалов: от легкоплавких металлов до тугоплавких керамических материалов. При этом поверхность изделия нагревается не выше 100…200 °С, что исключает ее деформацию. Покрытия, полученные плазменным напылением, имеют высокую плотность и хорошее сцепление с поверхностью детали.

По сравнению с аналогами – газопламенным, электродуговым и детонационным напылением, процессами наплавки и осаждения

процесс плазменного напыления имеет следующие преимущества:
эффективное управление энергетическими характеристиками напыляемых частиц и условиями формирования покрытия за счет гибкости регулирования параметров и режимов работы плазмотрона;
высокие коэффициент использования порошка (до 85 %), прочность сцепления покрытия с основой (до 60 МПа), низкая пористость;
высокая производительность процесса;
универсальность за счет получения покрытий из большинства материалов без ограничения их температур плавления;
нанесение покрытия на изделия, изготовленные практически из любого материала;
отсутствие ограничений по размерам напыляемых изделий;
низкое термическое воздействие на напыляемую основу, что позволяет избежать деформаций, изменений размеров изделий, а также исключить нежелательные структурные превращения основного металла;
нанесение покрытия на локальные поверхности;
получение регламентированной однородной пористости покрытия для использования в условиях работы со смазкой поверхностей скольжения;
нанесение покрытия с минимальными припусками для последующей механической обработки;
возможность использования для формообразования деталей (плазменное напыление производят на поверхность формы-оправки, которая после окончания процесса удаляется, остается оболочка из напыленного материала);
надежность и стабильность оборудования, высокий ресурс элементов плазмотрона за счет оптимизации условий охлаждения и обеспечения плавного нарастания и спада тока;
низкий расход аргона;
маневренность и возможность автоматизации процесса.

Плазменное напыление достаточно широко применяется для восстановления и упрочнения поверхностей деталей во многих отраслях промышленности. В автомобилестроении с помощью плазменного напыления обрабатывают коленчатые валы, поворотные цапфы, втулки-шестерни коробки передач, оси коромысел, посадочные отверстия картера КПП, кулачки распределительных валов, ступицы маховиков двигателя, валы водяных насосов и вентиляторов, головки цилиндров, поршневые кольца, диски сцепления, выхлопные клапаны, рычаги управления, вилки переключения коробки передач, тормозные барабаны, шаровые пальцы рулевого управления, глушители, крылья и т. п.

Технологический процесс плазменного напыления (рис. 2) представляет собой последовательность операций, начиная от подготовки напыляемого материала и заканчивая контролем качества напыленного покрытия по толщине слоя, степени адгезии с основой и плотности покрытия.

В качестве плазмообразующих газов при напылении материалов используют аргон, гелий, азот, водород и их смеси. Плазмообразующие газы не содержат кислорода, поэтому не окисляют материал и напыляемую поверхность. Водород в чистом виде практически не применяется по экономическим соображениям, а также вследствие разрушающего действия на электрод.

Азот и аргон используются чаще, однако наилучшими показателями обладают газовые смеси, например Ar + N и Аr + Н2. Вид плазмообразующего газа выбирают исходя из требуемой температуры,

теплосодержания и скорости потока, его степени инертности к распыляемому материалу и восстанавливаемой поверхности. Следует учитывать, что плазма двухи многоатомарных газов по сравнению с одноатомарными содержит больше тепла при одинаковой температуре, потому что ее энтальпия определяется тепловым движением атомов, ионизацией и энергией диссоциации.

Рис. 2. Технологическая схема нанесения покрытия

При напылении порошковых или шнуровых материалов электрическое напряжение прилагают к электродам плазменной горелки. При напылении проволочных материалов напряжение подводят к электродам горелки, дополнительно оно может быть приложено к напыляемому материалу, т. е. проволока может быть токоведущей или нет. Напыляемую деталь в цепь нагрузки не включают.

Оборудование для плазменного напыления состоит обычно из одного или двух серийных сварочных источников питания, плазмотрона и порошкового дозатора. В качестве источника питания используются установки плазменной сварки и наплавки типа УПНС-304, плазменной обработки УПУ-3Д, УПО-302, УПВ-301 и сварочные выпрямители ВД-201, ВД-306, ВДУ-506 и др. Плазмотрон (мощностью до 25 кВт) и порошковый дозатор обычно изготавливаются по оригинальным конструкторским разработкам.

Комплекс плазменного напыления УПУ-3Д

Комплекс предназначен для нанесения износостойких, фрикционных, изоляционных и других специальных покрытий на поверхности деталей методом плазменного напыления порошковых материалов. В качестве плазмообразующих газов используются аргон и смесь аргона с водородом.

В комплекс для напыления входят следующие агрегаты:

установка плазменного напыления УПУ-3Д, включающая шкаф управления и источник питания ИПН 160/600 (рис. 3);

Рис. 3. Установка для плазменного напыления УПУ-3Д

— плазмотрон ПП-25 (ПП-6-01; ПП-21) (рис. 4);

дозатор порошковых материалов;
баллоны с газом «Аргон» и «Водород»;
автономная система охлаждения плазмотрона и источника питания;
прибор для измерения температуры охлаждающей жидкости;
стойка для баллонов;
редукторы, шланги соединительные;
платформа для размещения и транспортировки агрегатов комплекса.

Рис. 4. Плазмотроны для плазменно-порошкового напыления: а – высокопроизводительный плазмотрон ПП-6-01; б – для напыления в труднодоступных местах ПП-21

Плазменное напыление. Принцип, оборудование плазменного напыления

Итак, в чем же состоит принцип плазменного напыления? Во всех устройствах плазменного напыления порошок приобретает температуру и скорость в струе горячего газа, создаваемого плазматроном. В свою очередь, плазматрон или плазменный генератор — это устройство, изобретенное в 1920-х годах, в котором электрическая дуга, горящая между катодом и анодом в ограниченном объеме (сопле), раздувается инертным газом и создает факел высокотемпературного восстановительного пламени.

Чем же так привлекателен этот принцип для решения задач термического напыления? Именно тем, что пламя плазматрона очень горячее и всегда строго восстановительное; присутствие кислорода в плазматроне категорически не допускается из-за быстрого, в противном случае, разрушения материалов электродов (парциальное давление кислорода в плазмообразующих газах определяется их чистотой и должно быть не выше 0,004%). Факел пламени плазматрона, при грамотном его применении, может не только восстановить активную металлическую поверхность из оксидных пленок на напыляемых частицах, но даже и очистить от оксидов саму поверхность субстрата. Подобную возможность предоставляет исключительно метод плазменного напыления.

В отношении плазменного напыления существует, в среде теоретиков и практиков термического напыления, ряд предрассудков, которые, в большинстве случаев, связаны не с процессом как таковым, а с недопониманием сути процесса напыления, недостатками конструкций конкретных устройств и с неправильным их применением. Обсудим эти предрассудки:

1. «Пламя плазмы слишком горячее и пригодно поэтому, только для напыления тугоплавких металлических и оксидных керамических материалов. Слишком высокая температура приводит к испарению части порошка и разрушению карбидов хрома и вольфрама».

Действительно, температура плазмы может достигать 20.000°C и более, что много выше, чем, например, температура ацетиленокислородного пламени (около 3000°C). Однако, температура пламени имеет очень мало общего с температурой напыляемых частиц. Не углубляясь в физику взаимодействия горячего газа с твердыми частицами, скажем только, что это взаимодействие очень сложное и зависит от большого количества параметров, в числе которых не только температура газа, его скорость, длина факела и размер частиц, но и химические составы газа и частиц. К тому же, решающее значение для передачи тепла от факела к частицам имеет не абсолютная температура пламени, а его светимость. Так, например, более горячее, но почти невидимое водородно-кислородное пламя нагревает частицы гораздо хуже, чем более холодное, но яркое (из-за светящихся нано частиц углерода) ацетилено-кислородное пламя. Светимость факела плазмы зависит от состава плазмообразующего газа, от размера и состава частиц, проходящих сквозь него. Интересно, что во многих случаях эта светимость меньше, чем у ацетиленокислородного пламени и ее приходится увеличивать разными способами, только чтобы придать частицам хотя бы минимальную необходимую температуру. Так как длина пламени газопламенных устройств также часто превышает длину факела плазмы, получается «парадокс»: грубозернистые металлические порошки нагреваются в устройствах порошкового газопламенного напыления сильнее, чем в более мощных и «горячих» устройствах плазменного напыления.

2. «Скорость частиц при плазменном напылении недостаточна для получения плотных покрытий».

Скорость потока газа и частиц в нем определяется не принципом образования пламени, а исключительно конструкцией устройства. В настоящее время существуют промышленные устройства плазменного напыления с соплом Лаваля, обеспечивающие частицам сверхзвуковую скорость.

3. «Для напыления металлов годятся только дорогостоящие установки вакуумного плазменного напыления, а установки атмосферного плазменного напыления непригодны из-за окисления металлических частиц».

Подобное утверждение приходится, как ни странно, слышать довольно часто, даже от людей, практически занимающихся плазменным напылением, особенно применительно к покрытиям из MCrAlY для лопаток газовых турбин. На самом же деле, в этом утверждении происходит типичная подмена понятий: чисто металлические покрытия из легкоплавких никелевых сплавов, полученные вакуумным плазменным напылением (VPS), действительно лучше атмосферно напыленных (APS), но не из-за окисления частиц в плазме, а совсем по другой причине, о которой будет рассказано в разделе, посвященном вакуумному плазменному напылению. Окисление же металлических частиц в обоих этих способах происходит одинаково.

Устройства атмосферного плазменного напыления ничем не отличаются от устройств вакуумного плазменного напыления. Разница не в самих устройствах, а в способе организации процесса напыления: атмосферное напыление проводится на воздухе, а при вакуумном напылении и плазматрон, и напыляемая деталь находятся в вакуумной камере под разряжением. Понятно, что атмосферное напыление гораздо доступнее и дешевле вакуумного, к тому же для больших деталей вакуумное напыление становится просто невозможным из-за нереального размера вакуумной камеры. Сами же плазматроны могут использоваться как для атмосферного, так и для вакуумного напыления.

Чтобы понятнее объяснить особенности плазменного напыления, перейдем к рассмотрению разных конструкций, существующих на сегодняшний день.

Установки плазменного напыления

Устройства плазменного напыления отличаются большим разнообразием конструкций. Будем рассматривать их от самых «традиционных» до самых «продвинутых».

Наиболее распространенные устройства, — это устройства с одним катодом и одним анодом, и с вводом порошка снаружи короткого сопла, перпендикулярно к оси пламени.

Принцип действия таких устройств показан на схеме (рисунок 28):

Рис. 28. Принцип плазменного напыления.

Как видно из схемы, короткое сопло плазматрона одновременно является анодом. Порошок вводится снаружи сопла перпендикулярно оси пламени, в непосредственной близости от дуги.

Самое популярное устройство этого типа, — плазматрон 3MB фирмы Sulzer Metco, который, с небольшими модификациями, существует уже больше 40 лет. На рисунке 29 представлены актуальные модели этой серии с максимальной мощностью 40 кВт.

Рис. 29. Плазматрон 3MB.

Несколько более новое и мощное (55 кВт) однокатодное устройство, — плазматрон F4, показанный на рисунке 30.

Рис. 30. Плазматрон F4.

Устройство 9MB, — один из самых мощных однокатодных плазматронов традиционного типа (80 кВт при токе 1000 А и напряжении 80 В) производится также фирмой Sulzer Metco (рисунок 31):

Рис. 31. Плазматрон 9MB

Традиционные однокатодные плазматроны других фирм мало отличаются от плазматронов Sulzer Metco: все они работают при относительно малом расходе газов, низком (< 100 В) напряжении и большом (до 1000 А) токе дуги. Ни один из традиционных плазматронов не позволяет достичь частицам скорости звука.

Достоинством плазматронов с небольшим расходом газов является возможность придания частицам очень высокой температуры (> 4000°C) из-за относительно долгого времени их пребывания в горячей зоне пламени рядом с дугой. Столь высокие температуры частиц позволяют расплавить практически любые керамические и металлические материалы.

Развитие техники плазменного напыления в последние двадцать лет идет по пути увеличения скорости частиц. Для придания частицам большей скорости необходимо увеличить давление плазмообразующих газов перед соплом, что автоматически приводит к повышению расхода газов и росту напряжения дуги.

Современное, мощное (до 85 кВт, ток до 379 А, напряжение до 223 В) устройство с одним катодом и анодом — это плазматрон 100HE американской фирмы Progressive Technologies Inc., который, благодаря большому давлению и расходу плазмообразующих газов, позволяет достичь скоростей частиц — близких к скорости звука (рисунок 32):

Рис. 32. Плазматрон 100HE.

Из-за высокой скорости плазмообразующего газа уменьшается время пребывания частиц в горячей зоне пламени и, соответственно, их температура. Для противодействия этому необходимо увеличивать мощность дуги и использовать в плазмообразующем газе большое количество водорода, который, благодаря процессу диссоциации-ассоциации молекул, удлиняет горячую зону пламени. Таким образом, плазматрон 100HE реализует температуру частиц, с размером 20-30 мкм, выше 2300°C при скорости около 250 м/сек, что делает возможным напылять покрытия из Cr₃C₂ — NiCr, Cr₂O₃ и Al₂O₃ с малой пористостью.

Вторым направлением развития, в комбинации с увеличением расхода газов, является деление одной дуги на три части, которое позволяет улучшить стабильность и равномерность факела пламени, уменьшить износ электродов и увеличить суммарную мощность пламени. Типичным примером такого устройства является новейший плазматрон TriplexPro TM -210 фирмы Sulzer Metco с одним анодом и тремя катодами, максимальной мощностью 100 кВт (рисунок 33):

Рис. 33. Плазматрон TriplexPro TM .

1 – задняя часть корпуса; 2 – анодный стек; 3 – передняя часть корпуса; 4 – изолятор; 5 – накидная гайка; 6 – три катода в керамическом блоке; 7 – элемент анодного стека; 8 – канал плазмы; 9 – насадка с тремя порошковыми дюзами.

Технология Triplex от Sulzer Metco вошла в практику термического напыления в 90-х годах. Эти устройство обладают, по сравнению с плазматронами с одной дугой, существенно большим ресурсом и стабильностью результатов напыления. Для многих коммерческих порошков плазматроны Triplex позволяют также улучшить производительность и КПД напыления при сохранении качества покрытия.

Фирмой GTV GmbH выпущено, в обход патента Sulzer Metco на трехкатодные плазматроны, устройство GTV Delta с одним катодом и тремя анодами, которое, в принципе, является ухудшенной компиляцией TriplexPro (рисунок 34):

Рис. 34. Плазматрон GTV Delta.

Последнее, третье направление развития — это отказ от радиального ввода порошка в пользу гораздо более рационального — осевого. Ключевой элемент конструкции плазматрона с осевым вводом порошка — Convergens был изобретен в 1994 году американцем Люсьеном Богданом Дэльча (Delcea, Lucian Bogdan).

В настоящее время существует только одно подобное устройство, — плазматрон Axial III, максимальной мощностью 150 кВт, производства канадской фирмы Mettech, которое объединяет собой все три направления развития (большой расход газов, три дуги и осевой ввод порошка). Установки плазменного напыления с плазматроном Axial III производятся и распространяются также немецкой фирмой Thermico GmbH.

На рисунках 35, 36 и 37 изображено само устройство Axial III и его конструктивная схема:

Рис. 35. Плазматрон Axial III.

Рис. 36. Вид на устройство Axial III со стороны сопла.

Рис. 37. Принципиальная схема Axial III.

Все современные установки плазменного напыления являются автоматическими, то есть, управление источниками тока, системой водяного охлаждения и расходом газов регулируется системой ЧПУ с визуализацией и сохранением рецептов на компьютере. Так, например, плазматрон Axial III поставляется фирмой Thermico GmbH в комплекте с компьютеризированной системой управления, самостоятельно проводящей зажигание дуг и выход на рабочий режим, выбор рецептов напыления, и осуществляющей контроль всех основных параметров: расхода трех плазмообразующих газов (аргона, азота и водорода), токов дуг, параметров системы водяного охлаждения. Эта же автоматическая система управляет и порошковым питателем.

О порошковом питателе Thermico нужно сказать особо. Это, наиболее «продвинутое» на сегодняшний день в мире устройство позволяет не только постоянно регулировать массовый расход порошка и расход несущего газа (азота или аргона), но и допускает использование тонкозернистых порошков с плохой сыпучестью, непригодных, например, для питателей фирмы Sulzer Metco.

Автор лично, в течение долгого времени работал с плазматроном Axial III и может из своего опыта сказать, что несмотря на некоторые конструктивные недоработки, этот плазматрон представляет собой самое прогрессивное устройство термического напыления, объединяющее достоинства высокоскоростного напыления с высокой температурой строго восстановительного пламени. Главное же достоинство Axial III состоит в осевом вводе порошка.

Достоинства осевого ввода порошка

Осевой ввод порошка — это качественный скачок в технике плазменного напыления. Дело тут не только в том, что при осевом вводе значительно уменьшаются потери порошка, но и в том, что открываются возможности напыления совсем других порошковых материалов, непригодных для радиального ввода. Так как этот аспект является принципиально важным для понимания следующих разделов, остановимся на нем подробнее.

Итак, что же происходит при радиальном вводе порошка в струю пламени на выходе из сопла? Перечислим недостатки такого ввода:

Для радиального ввода пригодны только очень узкофракционные порошки, для которых необходимо точно подбирать давление несущего газа. Что это значит?: При недостаточном давлении несущего газа частицы порошка будут «отскакивать» от струи пламени, при слишком высоком давлении несущего газа они будут «простреливать» это пламя насквозь; если же порошок состоит из частиц разного размера, то подобрать «правильное» давление несущего газа в принципе невозможно: самые мелкие частицы будут всегда «отскакивать», а самые крупные — всегда «простреливать», то есть, ни тех ни других частиц в напыляемом покрытии не будет, а будут только какие-то «средние» частицы. Особенно трудно вводятся мелкозернистые порошки из-за их повышенного рассеяния несущим газом (типичное облако пыли вокруг факела).
При радиальном вводе порошка нельзя использовать в порошковой смеси не только частицы разных размеров, но и разных плотностей (разных масс) по той же причине: более тяжелые частицы пролетают сквозь пламя легче более легких. Таким образом, попытка использования сложных порошковых смесей приведет к искажению состава покрытия по сравнению с составом порошковой смеси.
Увеличение скорости плазмообразующих газов усложняет радиальный ввод порошка, так как дополнительно сужаются интервалы необходимых давлений несущего газа и распределения частиц по размерам. На практике это означает следующее: чем выше скорость пламени, тем меньше КПД напыления при радиальном вводе порошка. Ввести же весь порошок в пламя без потерь невозможно ни при каких обстоятельствах.
Расположение порошковых дюз рядом с горячей зоной пламени вызывает их разогрев, компенсирующийся только охлаждением газом, несущим порошок. Если же скорости охлаждающего газа недостаточно для охлаждения, то частицы порошка могут налипать на края отверстия дюз, образуя натеки. Налипшие куски периодически отрываются от дюзы, попадают в пламя и вызывают характерный дефект — «плевание», приводящий к образованию грубых пористых включений в покрытии. Так как скорость истечения несущего газа строго связана с параметрами пламени (см. пункт 1), то возникает проблема: для некоторых порошков просто не существует параметров, убирающих эффект «плевания», особенно если эти порошки легкоплавкие и/или мелкозернистые.

Переход на осевое введение порошка позволяет полностью избавиться от вышеперечисленных проблем:

Давление и скорость несущего газа больше не привязаны к параметрам пламени и порошка. Единственное условие, — давление несущего газа должно быть несколько выше давления плазмообразующего газа в сопле в месте ввода порошка. За счет осевого ввода, любой порошок полностью захватывается пламенем.
Всегда можно подобрать такое давление несущего газа, при котором «плевания», связанного с налипанием порошка на край отверстия порошковой дюзы происходить не будет.
Возможно использование порошковых смесей любой сложности и фракционного состава. Частицы разных размеров будут приобретать различные скорости и температуры, но все, в итоге, примут участие в образовании покрытия. То, что мелкие частицы при осевом вводе в пламя плазмы становятся значительно горячее крупных, открывает новые возможности для дизайна порошковых смесей. Созданию таких полифракционных композиций посвящена основная часть этой книги.

Автору очень повезло, что в его распоряжении в течение многих лет находился плазматрон Axial III с осевым вводом порошка. Если бы не это, то создание новых многокомпонентных покрытий было бы просто невозможно.

Сводная таблица устройств термического напыления

Для обобщения, прямого сравнения и систематизации всех способов термического напыления сопоставим свойства типичных устройств, а также их примерные цены в одной таблице (таблица 2):

Назначение и способы напыления металла

Рассказываем о напылении металла: особенности и назначение технологии. Современные способы. Применяемое оборудование и приборы. Особенности ионно-плазменного и плазменного напыления. Лазерное, вакуумное и порошковое напыление.

Напыление металла – это технология изменения структуры поверхности изделия с целью приобретения определенных качеств, повышающих эксплуатационные характеристики. Обработку выполняют путем нанесения однородного металлического слоя на деталь или механизм. В качестве расходного материала используют специальные порошковые составы, которые подвергают термической обработке и придают им значительное ускорение. При ударном соприкосновении с поверхностью частицы осаждаются на плоскости.

Технология появилась в начале XX века в качестве альтернативы традиционным способам поверхностной модификации металлов. По мере изучения и развития методов напыления металлических изделий была образована отдельная отрасль – порошковая металлургия. Это технология получения порошков для изготовления из них различных изделий.

В современной промышленности напыление металлов считается одним из самых экономичных способов обработки. По сравнению с объемным легированием технология дает возможность получить необходимые эксплуатационные свойства поверхности при меньших затратах.

Сущность и назначение напыления металлов

Нанесение защитных покрытий на металл необходимо для многих отраслей промышленности. Цель напыления изделий – повышение базового эксплуатационного ресурса заготовки. Защитный слой обеспечивает надежную защиту от следующих вредных факторов:

воздействия агрессивных сред;
вибрационных и знакопеременных нагрузок;
термического воздействия.

Состав многокомпонентного порошка подбирают исходя из требуемых эксплуатационных качеств.

Использование нескольких составляющих повышает риск получения неоднородного покрытия ввиду расслаивания защитного слоя. Для решения этой проблемы используют специальные материалы канатного типа, где порошок фиксируется пластичной связкой.

В процессе напыления поток частиц направляют на поверхность металла. При взаимодействии с поверхностью распыляемые элементы деформируются, что обеспечивает надежный контакт с изделием. Качество адгезии с заготовкой зависит от характера взаимодействия частиц с подложкой, а также процедуры кристаллизации защитного слоя.

Способы напыления, применяемое оборудование

На заре развития технологии обработка изделий осуществлялась с помощью сопла горелки и обычного компрессора, которые обеспечивали нагрев расходного материала и скоростной перенос на осаждаемую поверхность. По мере развития технологии были разработаны новые методы получения защитного покрытия. Следующим этапом развития стало использование электродугового оборудования. Конструкция такого металлизатора проволочного типа была разработана в 1918 году.

Существует два вида процесса напыления:

Газодинамическое. Обработка осуществляется мельчайшими частицами, размер которых не превышает 150 мкм.
Вакуумное. Процедура протекает в условиях пониженного давления. Образование защитного слоя происходит в процессе конденсации напыляемого материала на базовой поверхности.

Рассмотрим основные способы обработки, а также особенности используемого оборудования для напыления.

Напыление в магнетронных установках

Технология магнетронной вакуумной металлизации основана на действии диодного газового разряда в скрещенных полях. В процессе работы установки в плазме тлеющего заряда образуются ионы газа, которые воздействуют на распыляемое вещество. Основными элементами магнетронной системы являются:

Функция последнего элемента заключается в локализации плазмы у основания распыляемого вещества – катода. Любая магнитная система состоит из центральных и периферийных магнитов постоянного действия. На катод подают постоянное напряжение от источника питания. Под действием тока происходит распыление мишени при условии, что заряд будет стабильно высоким на протяжении всей процедуры.

Преимущества магнетронного метода:

высокая производительность;
точность химического состава осажденного вещества;
равномерность покрытия;
отсутствие термического воздействия на обрабатываемую заготовку;
возможность использования любых металлов и полупроводниковых материалов.

С помощью установок получают тонкие защитные пленки в среде специального газа. Напыляемым материалом могут выступать металлы, полупроводники или диэлектрики. Скорость образования слоя зависит от силы тока и давления рабочего газа.

Ионно-плазменное напыление

Одна из разновидностей вакуумного напыления металла на поверхность. Метод является следующим этапом развития технологии термического осаждения, которая основана на нагреве исходных материалов до точки кипения с их дальнейшей конденсацией на заготовках.

В состав принципиальной схемы оборудования для ионно-плазменного насаждения входят следующие элементы:

анод;
катод-мишень;
термокатод;
камера;
заготовка.

Алгоритм действия установки:

В камере создается пониженное давление.
На термокатод, который является вспомогательным источником электронов, подается ток.
Вследствие нагрева возникает термоэлектронная эмиссия.
В камеру подают инертный газ. Наибольшей популярностью пользуется аргон.
Между анодом и термокатодом возникает напряжение, которое инициирует образование плазменного тлеющего заряда.
На катод подают мощный заряд.
Положительные ионы воздействуют на распыляемый материал-мишень.
Распыленные атомы осаждаются на заготовке в виде тонкого покрытия.

Ионно-плазменное осаждение используют в качестве декоративных или защитных покрытий, которые характеризуются высокой плотностью и прочностью, а также отсутствием изменений в стереохимическом составе.

Для изменения цвета изделия в технологический цикл добавляют реактивные газы: кислород, ацетилен, азот или углекислоту.

Плазменное напыление

Рабочая температура плазмы может достигать 6000 ºC. Это способствует высокой скорости осаждения состава на поверхности. Длительность процесса – десятые доли секунды.
Существует возможность изменения структурного состава поверхности заготовки. Вместе с горячей плазмой в верхние слои изделия могут диффундировать отдельные химические элементы.
Плазменная струя отличается неизменными показателями давления и температуры. Это положительно влияет на качество напыления.
Благодаря малому времени обработки заготовка не подвергается вредным поверхностным факторам, таким как перегрев или окисление.

В качестве источника энергии для образования плазмы используют искровой, импульсный или дуговой разряд.

Лазерное напыление

повышения прочности поверхностного слоя;
восстановления геометрии изделия;
снижения коэффициента трения;
защиты от коррозионных процессов.

В отличие от прочих методов металлизации источником тепла является энергия излучения лазера. Высокая точность фокусировки позволяет добиться концентрации энергии точно в зоне работы. Это снижает термическое воздействие на заготовку, что позволяет избежать изменения геометрии изделия и дает возможность осуществить напыление практически любого материала.

Благодаря высокой скорости охлаждения в поверхностном слое металла образуются структуры с высокой твердостью, что повышает эксплуатационные характеристики детали.

Вакуумное напыление

Вакуумное напыление металла – эффективный и универсальный способ металлизации поверхности. С помощью данного метода можно обрабатывать практически любое изделие. За время технологического цикла с материалом происходит ряд превращений:

испарение;
конденсация;
адсорбция;
кристаллизация.

Производительность процесса зависит от многих факторов: структуры заготовки, типа наносимого материала, скорости потока заряженных частиц и многих других.

Вакуумные установки отличаются принципом действия. Существует непрерывное, полунепрерывное, а также периодическое оборудование.

Порошковое напыление

Порошковое напыление металлов полимерными материалами является наиболее эффективным способом получения высококачественного покрытия с декоративными или защитными свойствами.

Порошок для распыления представляет собой смесь каучука и цветного пигмента. Его наносят на поверхность с помощью специального электростатического пистолета. При этом порошок приобретает заряд, который способствует эффективному сопряжению с заготовкой.

Для получения качественного покрытия необходимо тщательно подготовить поверхность. Суть процедуры заключается в очистке заготовки от загрязнений и следов коррозии с последующим обезжириванием.

Для использования технологии в промышленных масштабах используют специальные покрасочные линии автоматического или ручного действия.

Напыление металла – одна из самых эффективных технологий модификации поверхности. Обработка позволяет получить покрытие с декоративными или защитными качествами, которые повышают эксплуатационные свойства изделия. А что вы думаете о данной технологии? Какой метод считаете наиболее перспективным? Напишите ваше мнение в блоке комментариев.

Сущность и задачи газодинамического напыления

Газодинамическое напыление металла: цель, назначение, разновидности технологии. Преимущества и недостатки метода. Область применения. Оборудование и особенности применения холодного напыления.

Газодинамическое напыление металла выполняется с целью придания поверхностям металлических и неметаллических изделий необходимых свойств. Это может быть повышение электро- и теплопроводности, прочности, защита от воздействия коррозионных процессов, восстановление геометрических размеров и т. д. При этом в зависимости от конкретной задачи, зависящей от металла изделия, подбирается необходимое оборудование, расходные материалы и технология выполнения напыления. Чаще всего поверхности подлежат металлизации, при этом наносимое покрытие имеет высокую адгезию с материалом, на которую оно наносится, а изделие получается механически прочным. Напыляться могут чисто металлические порошки или смеси, в состав которых, помимо металлической составляющей, вводится керамический порошок в определенных количествах. Это значительно удешевляет технологию получения порошкового покрытия и не сказывается на его свойствах.

Суть и назначение технологии газодинамического напыления

Сущность метода холодного газодинамического напыления заключается в нанесении и закреплении на поверхности изделия или детали твердых частиц металла или смеси материалов размером от 0,01 до 50 мкм, разогнанных до необходимой скорости в воздухе, азоте или гелии. Такой материал называют порошковым. Это частицы алюминия, олова, никеля, баббиты разных марок, смесь алюминиевого порошка с цинком. Среда, с помощью которой осуществляют перемещение материала, может быть холодной или подогреваться до температуры не выше 700 °C.

При контакте с поверхностью изделия происходит трансформация пластического типа, а энергия кинематического вида переходит в адгезионную и тепловую, что способствует получению прочного поверхностного слоя металла. Порошок может наноситься не только на металлические поверхности, но и на выполненные из бетона, стекла, керамики, камня, что значительно расширяет область применения способа создания поверхностей с особыми свойствами.

В первом случае в качестве рабочей среды, перемещающей порошковый материал размером от 5 до 50 мк, используют гелий и азот. Частицы металла, если они движутся, имеют давление больше 15 атм. Во втором случае используется сжатый воздух, который подается под давлением, не превышающим 10 атм. Различаются эти виды еще и такими показателями, как мощность подогрева и расход рабочей среды.

Этапы напыления следующие:

подготовка поверхности изделия к напылению механическим или абразивным способом;
нагревание рабочей среды (воздух, азот, гелий) до установленной в технологическом процессе температуры;
подача нагретого газа в сопло оборудования вместе с порошком под необходимым давлением.

В результате порошок разгоняется в потоке до сверхзвуковых скоростей и соударяется с поверхностью детали или изделия. Происходит напыление слоя металла толщиной, величина которой зависит от температуры нагрева подаваемого газа и давления.

Подготовку поверхности изделия абразивным способом выполняют, применяя само оборудование для нанесения газодинамического напыления простой сменой параметров режима.

Область применения этого вида напыления довольно обширная. С помощью метода осуществляют герметизацию течей в емкостях и трубопроводах, ремонт деталей и отливок из легких сплавов, наносят электропроводящие, антикоррозионные и антифрикционные покрытия, устраняют механические повреждения, восстанавливают посадочные места в подшипниках.

Главные плюсы метода

выполнение работ при любых климатических условиях (давлении, температуре, влажности);
возможность применения оборудования стационарного и переносного типа, что в последнем случае позволяет осуществлять работы по месту их проведения;
возможность нанесения покрытия на локальные участки (дефектные места);
возможность создания слоев с разными свойствами;
возможность создания слоя необходимой толщины или разных по толщине в многослойных покрытиях;
процесс не оказывает влияния на структуру изделия, на которое наносится напыление, что является важным преимуществом;
безопасность;
экологичность.

К недостатку этого вида напыления относят только один факт. Слои можно наносить на пластичные металлы, такие как медь, цинк, алюминий, никель и сплавы на их основе.

Производители разных стран выпускают оборудование стационарного и переносного типа для ручного и автоматизированного нанесения покрытий разной производительности на разные металлы.

Применяемое оборудование

емкости для порошка;
системы подачи рабочей среды, включая баллон для сжатого газа и все необходимые комплектующие к нему;
сопла (как правило, их несколько, они разной конфигурации и применяются для разных режимов напыления);
пульта управления.

В РФ качественное оборудование для напыления газодинамическим способом выпускает центр порошкового напыления в Обнинске под товарным знаком «ДИМЕТ». Оно соответствует требованиям отечественных ГОСТов, сертифицировано и защищено патентами во многих странах, включая Россию.

Процесс ремонта детали газодинамическим напылением показан на видео:

Просим тех, кто работал с разными типами оборудования по газодинамическому напылению и разными металлами и типами порошков поделиться опытом в комментариях к тексту и рассказать, каким способом выполнялись подготовка поверхности и сам процесс напыления.

Читайте также: