Технология плазменного напыления

Плазменное напыление основано на использовании энергии плазменной струи как для нагрева, так и для переноса частиц металла. Плазменную струю получают путем продувания плазмообразующего газа сквозь электрическую дугу и обжатия стенками медного водоохлаждаемого сопла. Плазменные покрытия обладают такими свойствами: жаростойкостью, жаро- и эрозионной прочностью, тепло- и электроизоляцией, противосхватываемостью, коррозионной стойкостью, защитой от кавитации, полупроводниковыми, магнитными и др [1].

Области применения плазменных покрытий: ракетная, авиационная и космическая техника, машиностроение, энергетика (в том числе атомная), металлургия, химия, нефтяная и угольная промышленность, транспорт, медицина, электроника, радио- и приборостроение, материаловедение, строительство, ремонт машин и восстановление деталей.

Напыляемый материал (порошок, проволока, шнур или их комбинация) вводят в сопло плазменной горелки ниже анодного пятна, в столб плазменной дуги или плазменную струю. Высокие температура и скорость струи делают возможным напыление покрытий из любых материалов, не диссоциирующих при нагреве, без ограничений на температуру плавления.

Необходимые физико-механические свойства покрытий объясняются высокими температурой плазмы и скоростью ее истечения, применением инертных плазмообразующих газов, возможностью регулирования аэродинамических условий формирования металлоплазменной струи. В материале детали не происходит структурных преобразований, возможно нанесение тугоплавких материалов и многослойных покрытий из различных материалов в сочетании плотных и твердых нижних слоев с пористыми и мягкими верхними (для улучшения прирабатываемости покрытий), износостойкость покрытий высокая, достижима полная автоматизация процесса [2].

При легировании через проволоку наплавку ведут высокоуглеродистой или легированной проволокой под плавленым флюсом. При этом обеспечиваются высокая точность легирования и стабильность химического состава наплавленного металла по глубине покрытия.
Легирование наплавленного металла через флюс выполняют наплавкой малоуглеродистой проволокой под слоем керамического флюса. Высокая твердость покрытий исключает их последующую термическую обработку. Однако этот способ легирования не нашел широкого применения из-за большой неравномерности наплавленного металла по химическому составу и необходимости строго выдерживать режим наплавки.

Комбинированный способ легирования одновременно через проволоку и флюс получил наибольшее распространение.

В качестве источников питания применяют выпрямители ВС-300, ВДУ-504, ВС-600, ВДГ-301 и преобразователи ПСГ-500 с пологопадаю-щей или жесткой внешней характеристикой. В роли вращателей деталей используют специальные установки (УД-133, УД-140, УД-143, УД-144, УД-209, УД-233, УД-299, УД-302, УД-651, ОКС-11200, ОКС-11236, ОКС-11238, ОКС-14408, ОКС-27432, 011-1-00 РД) либо списанные токарные или фрезерные станки. Для подачи проволоки применяют головки А-580М, ОКС-1252М, А-765, А-1197.

Наплавка под слоем флюса имеет следующие разновидности.

Наплавка лежачим электродом (прутковым или пластинчатым) из низкоуглеродистой или легированной стали применяется для восстановления плоскостей. Часть флюса насыпают на восстанавливаемую поверхность (толщиной 3…5 мм), а часть - на электрод (толщина слоя флюса достигает 10… 15 мм). Применяют флюсы-смеси. В одном месте электрод замыкают с деталью для возбуждения дуги, которая при горении блуждает в поперечном направлении. Плотность тока составляет 6…9 А/мм напряжение 35…45 В. Для выполнения процесса применяется установка ОКС-11240 ГосНИТИ.

Плазменным напылением получают покрытия из никелевых и железных сплавов, карбидов, нитридов, боридов. Чрезвычайно высокая температура плазмы позволяет напылять данным способом огнеупорные керамики, содержащие оксиды алюминия и циркония, и другие тугоплавкие материалы, не поддающиеся распылению другими способами [3].

К достоинствам плазменного распыления относятся также гибкость, возможность регулирования физико-механических свойств получаемого покрытия и универсальность, позволяющая напылять практически любые материалы и их сочетания, в том числе и получать многослойные композиционные покрытия.

В настоящее время интенсивно исследуются и разрабатываются новые методы плазменного напыления. В особо ответственных случаях для достижения высокой адгезии и плотности покрытий, плазменный процесс проводят в вакуумной камере при пониженном давлении или в атмосфере инертного газа. Уменьшение давления приводит к увеличению скорости частиц, что позволяет получать более плотные покрытия. Проведение процесса в атмосфере инертного газа исключает взаимодействие распыляемого материала с кислородом, что дает возможность напылять химически активные материалы, например, дисилицид молибдена, интерметаллиды. Такие покрытия могут обладать высокой твердостью и химической стойкостью при повышенных температурах.

Еще одной перспективной модификацией плазменного метода является процесс, при котором струя напыляемого материала окружается струей инертного газа с целью исключения взаимодействия напыляемых частиц с кислородом. Преимущества данного метода те же, что и при проведении процесса в инертной атмосфере.

Повышение производительности и более высокое содержание легирующих элементов в покрытии обеспечиваются многоэлектродной наплавкой под флюсом на детали со значительным износом на большой площади. Блуждающая дуга горит между деталью и ближайшим к ней электродом.

Наплавка по слою порошка (толщиной 6…9 мм) под флюсом повышает производительность процесса и обеспечивает получение толстых покрытий нужного состава. Область применения механизированной наплавки пол слоем флюса распространяется на восстановление деталей (диаметром более 50 мм) из углеродистых и низколегированных сталей, требующих нанесения слоя толщиной > 2 мм с высокими требованиями к его физико-механическим свойствам. Наплавляют шейки валов, поверхности катков и роликов, направляющие станин и другие элементы.

Механизированная наплавка под слоем флюса обладает такими преимуществами:

повышением производительности труда в 6…8 раз по сравнению с ручной электродуговой наплавкой с одновременным снижением расхода электроэнергии в 2 раза за счет более высокого термического КПД;

высоким качеством наплавленного металла благодаря насыщению необходимыми легирующими элементами и рациональной организации тепловых процессов;

возможностью получения покрытий толщиной > 2 мм/p.

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. Гелий и водород в чистом виде практически не применяются 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 Аг + Н2. Вид плазмообразующего газа выбирают исходя из необходимой температуры, теплосодержания и скорости потока, его степени инертности к распыляемому материалу и восстанавливаемой поверхности. Следует учитывать, что плазма двух- и многоатомарных газов по сравнению с одноатомарными содержит больше тепла при одинаковой температуре, потому что ее энтальпия определяется тепловым движением атомов, ионизацией и энергией диссоциации [4].

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 токоведушей или нет. Напыляемую деталь в цепь нагрузки не включают.

Порошки для плазменного напыления не должны создавать заторы в транспортных трубопроводах, а должны равномерно подаваться в плазменную струю и свободно перемещаться с газовым потоком. Этим требованиям удовлетворяют частицы порошка сферической формы диаметром 20… 100 мкм.

В Институте электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины разработаны порошковые проволоки сер. АМОТЕК. состоящие из стальной оболочки и порошкового наполнителя. Эти материалы предназначены для нанесения износо- и коррозионностойких покрытий способами газопламенного, электродугового и плазменного напыления. Особенностью материалов является возможность аморфизации структуры напыляемых покрытий. Наличие аморфной составляющей в структуре покрытий обеспечивает комплекс повышенных служебных свойств (износо- и коррозие-стойкости, прочности соединения с основой).

Для защиты частиц напыляемого материала от окисления, обезуглероживания и азотирования применяют газовые линзы (кольцевой потокинертного газа), являющиеся как бы оболочкой плазменной струи, и специальные камеры с инертной средой, в которых происходит процесс напыления.

Технологические режимы плазменного напыления определяются: видом и дисперсностью материала, током плазменной струи и его напряжением, видом и расходом плазмообразующего газа, диаметром сопла плазменной горелки и расстоянием от сопла до напыляемой поверхности.

Дисперсность частиц материала, ток плазменной струи и расход плазмообразующего газа определяют температуру нагрева частиц и их скорость перемещения, а значит, - плотность и структуру покрытия.

Большая равномерность свойств покрытия обеспечивается при более высокой скорости перемещения плазмотрона относительно детали и меньшей толщине слоя. Эта скорость мало влияет на коэффициент использования материала и значительно сказывается на производительности процесса [2].

Расстояние от сопла до восстанавливаемой поверхности зависит от вида плазмообразующего газа, свойств напыляемого материала и изменяется в пределах 120…250 мм (чаще 120…150 мм). Угол между осью потока частиц и восстанавливаемой поверхностью должен приближаться к 90°.

Оптимальное сочетание теплосодержания потока плазмы, времени пребывания частиц в этом потоке и их скорости обеспечивает получение покрытий с высокими физико-механическими свойствами.

Свойства плазменных покрытий существенно улучшаются при их оплавлении. При этом плавится наиболее легкоплавкая часть материала, однако температура нагрева должна быть достаточной для плавления боросиликатов, которые восстанавливают металлы из оксидов и образуют шлаки.

Оплавляемые материалы должны удовлетворять таким требованиям: температура плавления легкоплавкой составляющей сплава не должна превышать 1000… 1100°С. сплав в разогретом состоянии должен хорошо смачивать поверхность заготовки и обладать свойством самофлюсования. Такими свойствами обладают порошковые материалы на основе никеля, имеющие температуру плавления 980… 1050°С и содержащие флюсующие элементы: бор и кремний. Недостаточная температура нагрева покрытия приводит к образованию на поверхности капель металла. Жидкое состояние части покрытия способствует интенсивному протеканию диффузионных процессов, при этом материал детали остается в твердом состоянии.

В результате оплавления значительно повышается прочность соединения покрытия с основой, увеличивается когезионная прочность, исчезает пористость и улучшается износостойкость.

Оплавленные покрытия имеют обрабатываемость, близкую к обрабатываемости монолитных жаропрочных сталей и сплавов аналогичного химического состава. Покрытия оплавляют: газовой горелкой (ацетиленокислородным пламенем), в термической печи, индуктором (токами высокой частоты), электронным или лазерным лучом, плазменной горелкой (плазменной струей), пропусканием тока большой величины.
Оплавление газовой горелкой - наиболее простой способ, позволяющий визуально контролировать качество оплавления. Недостатки способа - односторонний нагрев детали, который может привести к ее короблению, и большая трудоемкость при обработке массивных деталей.

Печное оплавление обеспечивает прогрев всего объема детали, поэтому вероятность появления трещин уменьшается. Однако сопряженные с покрытием участки детали покрываются окалиной, их физико-механические свойства ухудшаются. Негативное влияние окислительной атмосферы на свойства покрытий при их нагреве исключается при наличии защитной среды.

Хорошие результаты дает индукционное оплавление, которое обеспечивает большую производительность без нарушения термообработки всей заготовки. Нагреву подвергают только покрытие и примыкающий к нему тонкий слой основного металла. Толщина прогреваемого металла зависит от частоты тока: с увеличением последней толщина уменьшается. Высокие скорости нагрева и охлаждения могут привести к трещинам в покрытии.
Оплавление покрытий электронным или лазерным лучом практически не изменяет свойств сопряженных с покрытием участков и сердцевину детали. Вследствие высокой стоимости эти способы следует применять при восстановлении ответственных дорогостоящих деталей, покрытия на которых трудно оплавить другими способами [1].

Оплавленные покрытия из сплавов на основе никеля ПГ-СР2. ПГ-СРЗ и ПГ-СР4 имеют такие свойства:

твердость 35…60 HRC в зависимости от содержания в них бора;

повышенную в 2…3 раза износостойкость по сравнению с закаленной сталью 45, что объясняется присутствием в структуре покрытия твердых кристаллов (боридов и карбидов);

увеличенную в 8… 10 раз прочность соединения покрытия с основой по сравнению с прочностью соединения неоплавленных покрытий;

повышенную на 20…25% усталостную прочность.

Область применения плазменных покрытий с последующим оплавлением - это восстановление поверхностей деталей, работающих в условиях знакопеременных и контактных нагрузок.

Оплавленные покрытия имеют многофазную структуру, составляющие которой - бориды, избыточные карбиды и эвтектика. Вид микроструктуры (дисперсность, вид и количество составляющих) зависит от химического состава самофлюсующегося сплава, времени и температуры нагрева.

Наилучшую износостойкость деталям в нагруженных сопряжениях обеспечивают покрытия из самофлюсующихся сплавов. Структура покрытия - высоколегированный твердый раствор с включениями дисперсных металлоподобных фаз (прежде всего боридных или карбидных) с размером частиц 1…10 мкм, равномерно распределенных в основе.

Для плазменного напыления металлических и неметаллических покрытий (тугоплавких, износостойких, коррозионностойких) применяют установки: УН-115, УН-120, УПМ-6, УПУ-ЗД, УПС-301, АПР-403, УПРП-201.

Технологический процесс нанесения покрытий (рисунок 4) включает следующие операции: предварительную подготовку поверхности изделия для обеспечения прочного сцепления напыляемого материала; подготовку материала; нанесение покрытия; механическую обработку покрытия после напыления.

Оптимальная толщина напыленных покрытий. Правильный выбор толщины покрытия требует определенных знаний и аккуратности. Существуют по крайней мере три фактора, которые безусловно сказываются впоследствии на результате. К ним относятся: стоимость материалов, качество покрытия, затраты на механическую обработку.

Наплавочные порошковые материалы дороги и должны использоваться экономно. Снижение потерь порошка на 10% позволяет снизить стоимость 1 м² покрытия в 2 и более раза. Уже поэтому нанесение покрытия толщиной большей, чем требуется очевидное расточительство.

Стоимость механической обработки покрытий тоже высока. Для тонких покрытий легче выдерживать необходимые допуски, что дает экономию на материале и на шлифовке.

Сцепление с основой одно из основных требований к покрытию. Оно должно быть достаточно прочным, чтобы фиксировать покрытие на подложке. Применяемые материалы имеют отличный от материала основы коэффициент линейного расширения, достигающий больших значений (8-16) 10-6К-1, что является причиной появления в покрытиях остаточных напряжений. Наибольшую опасность представляют растягивающие напряжения, так как предел прочности материалов на сжатие почти на порядок выше предела прочности на растяжение.

Покрытия имеют свойства сжиматься в процессе их нанесения в связи с усадкой. Возникают касательные напряжения в месте контакта, появляется тенденция к отрыву от буртиков на краях проточки. На плоских поверхностях растягивающие напряжения приложены по касательным непосредственно к границе раздела. На криволинейных поверхностях имеются и раcтягивающие и сжимающие напряжения. Прочность сцепления должна быть достаточной, чтобы противостоять этим напряжениям [3].

Для порошков нержавеющих сталей и самофлюсующихся сплавов остаточные напряжения сжатия при толщине покрытия 0,35-0,40 мм переходят в растягивающие и возрастают с увеличением толщины покрытия до 20-40 МПа. Растягивающие напряжения снижают сопротивление усталости при изгибе, вызывают трещины в покрытиях.

Таким образом, с увеличением толщины покрытия величина остаточных растягивающих напряжений возрастает, возникает опасность разрушения слоя. Всегда следует стремиться к получению покрытия минимальной толщины. Минимальная толщина покрытия включает допуск на возможный износ и припуск на обработку после напыления. Не нужно излишне углубляться в металл при проточке изношенных поверхностей. Оптимальная толщина припуска составляет 0,15 мм, а для карбидных покрытий менее 0,1 мм. Минимальная толщина покрытий после оплавления может составлять 0,25 мм. Для покрытий равномерной толщины припуск на шлифование составляет от 0,1 до 0,4 мм в расчете на радиус. Усадка при оплавлении составляет 20%. Для валов на участках запрессовки следует напылять покрытия толщиной 0,13 мм независимо от диаметра.

Покрытие должно быть сплошным, однородного цвета, без частиц нерасплавленного металла, без трещин, отслоений (вздутий). Шероховатость покрытия не более 80 100 мкм. Покрытие должно быть прочно сцеплено с основным металлом и не отслаиваться при испытании методом нанесения сетки царапин. Пористость покрытия не более 20%. Контроль пористости покрытий, прочности сцепления проводят по ГОСТ 9.304-87.