Плазменное напыление металла оборудование

Плазменное напыление металлов

Напыление плазменное, которое иногда называют диффузионной металлизацией, образуется вследствие термического диссоциации атомов металла под воздействием высокотемпературной плазмы с последующим осаждением и диффундированием внутрь заготовки. Это простой и дешёвый способ формирования покрытий.

Особенности и назначение плазменного напыления

Особенность покрытия — пластинчатая зернистая структура, возникающая в результате термической диффузии мелких частиц.

Стадии плазменного напыления металла:

1. Ионизация частиц.
2. Распыление.
3. Осаждение.
4. Затвердевание.

На каждом из этапов необходимо проводить контроль температуры и скорости движения напыляемых частиц.

Осаждение представляет собой совокупность двух, одновременно протекающих процессов – химической связи, которая активируется вследствие высоких температур в зоне обработки, и механических взаимодействий, обусловленных повышенной кинетической энергией частиц напыляемого металла. Дополнительным интенсифицирующим фактором считается наличие промежуточной среды – газа/жидкости — молекулы которой ускоряют и стабилизируют процесс металлизации. При этом образуются дополнительные соединения, улучшающие качество напылённого слоя. Например, азот формирует высокотвёрдые нитриды металлов, гелий предотвращает окисление поверхности, а медь улучшает условия трения.

Процесс используется для формирования оптимальных характеристик поверхностного слоя, а также как метод восстановления изношенных стальных деталей.

Технология процесса напыления

Исходный материал подается в столб плазмы в форме порошка или проволоки. Ионизированные газы высвобождают активные молекулы газов, некоторые из которых (например, водород) дополнительно поднимают температуру внутри плазменного столба, ускоряя процесс превращения молекул исходной заготовки в парообразное состояние. В результате ускоряется оседание движущихся частиц на подложку. Ионизация возможна не только из газа, но и из жидкости, испаряющейся в столбе дуги.

Напыляющие порошки разнообразят состав и свойства покрытий, поскольку в мелкодисперсное состояние может быть переработан широкий спектр металлов.

Плазменное напыление осуществляется в результате:

• Инициализации плазмы высоковольтным разрядом, который образует электрическую дугу постоянного тока, образующуюся между двумя электродами — медным анодом и металлическим катодом (чаще – вольфрамовым). Электроды должны постоянно охлаждаться;
• Генерирования потока высокотемпературного ионизированного плазменного газа, который обычно состоит из аргона/водорода или аргона/гелия;
• Нагрева газа, с последующим ускорением его движения через сужающееся сопло;
• Переноса мелкодисперсного порошка в плазменной струе на подложку.

Высококачественное покрытие образуется вследствие сочетания высокой температуры (до 15000°C), концентрированной тепловой энергии плазменной струи, инертной среды распыления и скоростей частиц, достигающих 300 м/с.

Последующая обработка покрытия

Процесс распыления в потоке плазмы ограничен материалами, которые имеют более высокую температуру плавления, чем пламя. При более низких температурах и скоростях (до 40 м/с), энергетические характеристики движущихся частиц уменьшаются, что приводит к окислообразованию, пористости и наличием различных включений в готовом покрытии. Снижается прочность сцепления и адгезии между покрытием и подложкой. Такие покрытия подвергают шлифовке или полированию. В обоснованных случаях предусматривается термическая обработка – закалка, отпуск, нормализация.

Оборудование плазменного напыления

Для диффузионной металлизации производят три вида устройств – со сжиганием кислородной смеси, с подачей инертного газа и с термическим разложением жидкости. Толщина покрытия достигает 100…120 мкм.

Установки плазменного напыления, использующие энергию высокоскоростной кислородной плазмы, работают при гиперзвуковых скоростях газа, достигающих 1600…1800 м/с в момент удара струи по подложке. Так производят плазменное напыление износостойкими карбидами металлов, когда не требуется полного расплавления ионизированных частиц.

Оборудование, где поток плазмы формируется в струе инертного газа, используется для производства покрытий, требующих сочетания хорошей износостойкости и ударопрочности. Нагрев приводит к тому, что газ достигает экстремальных температур, диссоциирует и ионизируется.

Установки третьего типа выполняют металлизацию в конечный момент формообразования поверхности или полости электродуговым разрядом, сжатым поперечным потоком рабочей среды. Такие установки наиболее производительны. В качестве примера рассмотрим станок типа «Дуга-8М», состоящий из следующих узлов:

1. Инструментальной головки с электрододержателем.
2. Герметизированной рабочей камеры.
3. Насосной станции.
4. Резервуара с диэлектриком.
5. Генератора плазмы.
6. Узлов контроля и слежения.

Диффузионная металлизация происходит так. Исходное изделие фиксируется в рабочей камере и герметизируется. Электрододержатель с электродом (имеющим сквозное отверстие) устанавливается над заготовкой, после чего через зону обработки производится прокачка среды под высоким давлением. Включается генератор плазмы, и производится перемещение электрода до момента пробоя межэлектродного промежутка. Высокая концентрация тепловой мощности в дуге приводит к размерному испарению материалов электрода и рабочей среды. В результате одновременно происходит съём металла и насыщение поверхности атомами элементов.

Оборудование для плазменного напыления своими руками изготовить крайне сложно, поскольку кроме мощных источников питания, необходимых для создания дугового разряда, необходимы высокоточные узлы подачи рабочей среды к плазменному столбу.

Расходные материалы

Выбор исходных материалов определяется свойствами покрытия и стоимостью его получения.

Металлы. Предпочтение отдают интерметаллидам алюминия, железа, титана, никеля и кобальта, потому что они имеют высокие температуры плавления и сравнительно невысокие плотности, что уменьшает энергоёмкость плазменного напыления.

Самофлюсующиеся порошки. Используются порошки самофлюсующихся сплавов (типа бор-кремний). В процессе обработки расплавы порошков образуют металлургические соединения, устойчивые к коррозии и износу.

Минералокерамика. Для плазменного напыления используют исходные материалы, содержащие алюминий и кремний: они не дают трещин или отслаиваний. Добавка железа, марганца, меди, цинка и магния приводит к улучшению свойств покрытия.

Металлоорганические соединения. Используются преимущественно неполярные жидкости, которые хорошо растворяются в минеральных и синтетических маслах малой вязкости.

Технология и процесс плазменного напыления

Плазменное напыление – технологический процесс диффузионной металлизации, с помощью которого можно эффективно формировать защитное покрытие и проводить восстановление изношенных частей металлических изделий. Рассмотрим сущность процесса.

Несущая поверхность детали иногда требует доработки: изменения структуры или свойств механических и физических параметров. Провести такое преобразование можно, используя плазменное напыление. Процесс является одним из видов диффузии, при которой происходит металлизация внешнего слоя изделия. Для осуществления такой обработки применяют специальное оборудование, способное превращать металлические частички в плазму и с высокой точностью переносить ее на объект.

Свойство покрытий, полученных путем диффузионной металлизации, отличается высоким качеством. Они имеют хорошую адгезию к основанию и практически составляют с последним единое целое. Универсальность метода заключается в том, что нанести можно абсолютно любые металлы, а также другие материалы, например полимеры.

Получить напыление способом плазменного переноса частиц можно только в условиях производственных цехов на заводах и фабриках.

Сущность и назначение плазменного напыления металлов

Суть процесса плазменного напыления заключается в том, что в струю из плазмы, которая имеет сверхвысокие температуры и направлена на обрабатываемый объект, подают дозированное количество частиц металла. Последние расплавляются и, увлекаемые струей, оседают на поверхности детали. К плазменному напылению прибегают в следующих случаях:

1. Создание защитного слоя на изделии. Это может быть механическое усиление, когда на менее прочное основание наносят более прочный металл. С помощью диффузионной металлизации также можно увеличить сопротивляемость детали коррозионному воздействию, если наносить пленку из оксидов или металлов, мало подверженных окислению.
2. Восстановление изношенных деталей. В этом случае за счет нового слоя покрытия можно убрать дефекты разрушения поверхности, чтобы придать изделию первоначальное состояние. В качестве материала напыления здесь используют металл, идентичный материалу основания.

Плазменное напыление отличается от других видов напыления рядом особенностей:

1. Благодаря тому что плазма воздействует на исходное основание при помощи сверхвысоких температур (5000–6000 градусов по Цельсию), процесс протекает в ускоренном режиме. Иногда достаточно долей секунд, чтобы получить заданную толщину напыления.
2. Диффузионная металлизация позволяет наносить как монослой на поверхность, так и делать комбинированное напыление. При помощи плазменной струи можно дополнять диффундируемый металл элементами газа, необходимыми для насыщения слоя элементарными частицами нужных химических элементов.
3. При плазменном напылении практически отсутствует эффект дополнительного окисления основного металла. Это связано с тем, что реакция протекает в среде инертных газов без привлечения кислорода.
4. Финальное покрытие обладает высоким качеством за счет идеальной однородности и равномерности проникновения атомов напыляемого металла в слой основания.

Методом диффузионной металлизации плазменного типа можно получать слои толщиной от нескольких миллиметров до микрон.

Технология и процесс напыления

Одновременно в сопло подается металлический материал в виде порошка. Этот металл под воздействием плазмы превращается в субстанцию с высокой способностью к проникновению в поверхностный слой обрабатываемого изделия. Распыляемый под давлением расплавочный материал оседает на основании.

Современные плазменные горелки имеют КПД в пределах 50–70 %. Они позволяют работать с любыми металлами, в том числе и тугоплавкими сплавами. Плазменное напыление – полностью управляемый процесс, позволяющий регулировать скорость подачи плазмы, мощность и форму струи.

1. Подготовка напыляемого материала. Суть процесса заключается в сушке порошка в специальных шкафах при температуре 150–200 градусов по Цельсию. При необходимости порошок также просеивают через сито для получения однородных по размеру гранул.
2. Подготовка подложки или основания. На этом этапе с поверхности детали удаляют все посторонние включения. Это могут быть окислы либо различные загрязнения масляными веществами. Для лучшего сцепления основание может быть подвергнуто дополнительному процессу образования шероховатости. Если на изделии имеются участки, которые не следует подвергать напылению, их закрывают специальными экранами.
3. Напыление слоя металла и операции по заключительной обработке полученной поверхности.

К подложке напыляемый материал может доходить в твердом состоянии, в пластичной форме либо в жидком виде. Это определяется режимом технологического процесса.

Применяемое оборудование

1. Источник электрического питания. Его назначение – питать схему формирования высоковольтного разряда и всех систем.
2. Блок формирования разряда. В зависимости от устройства схемы может генерировать искровые разряды, импульсные высокочастотные напряжения либо сплошную электрическую дугу.
3. Резервуары хранения газа – это чаще всего обычные газовые баллоны.
4. Камеру, где непосредственно происходит напыление. Внутрь такого герметичного резервуара помещают обрабатываемую заготовку и плазмотрон.
5. Установку вакуумного типа с насосом. В задачи этого агрегата входит создание требуемого разряжения в камере и образование тягового потока для подачи рабочей среды.
6. Плазмотрон – устройство, которое снабжено соплом для подачи рабочей среды и системой приводов для перемещения сопла в пространстве.
7. Систему дозирования напыляемого порошка. Служит для точной подачи необходимого количества напыляемого материала в единицу времени.
8. Охлаждающую систему. В задачу этого элемента входит отвод лишнего тепла от области сопла, через которое проходит раскаленная плазма.
9. Аппаратную часть. Она включает в себя компьютер, который управляет всем процессом плазменного напыления.
10. Систему вентиляции. Она служит для отвода отработанных газов из рабочей камеры.

Современные установки диффузионной металлизации имеют специальное программное обеспечение, позволяющее путем введения заданных параметров проводить полностью автономную операцию обработки изделия. В задачи оператора входит установка детали в камеру и задание точных условий проведения процесса.

Уважаемые посетители сайта: специалисты и технологи по плазменному напылению! Поддержите тему статьи в комментариях. Будем благодарны за конструктивные замечания и дополнения, которые расширят обсуждаемый вопрос.

Плазменное напыление металла

Виды и применение процессов плазменного напыления металлов

Плазменное напыление (или, другими словами – диффузионная металлизация) эффективный способ изменения физико-механических свойств, а также структуры основной поверхности. Поэтому он часто используется с декоративными целями, и для увеличения стойкости конечного продукта.

Принцип плазменного напыления

Как и традиционные методы поверхностных покрытий, при диффузионной металлизации происходит осаждение на поверхности металла слоя другого металла или сплава, который обладает необходимыми для последующего применения детали свойствами – нужным цветом, антикоррозионной стойкостью, твёрдостью. Отличия заключаются в следующем:

1. Высокотемпературная (5000 — 6000 °С) плазма значительно ускоряет процесс нанесения покрытий, который может составлять доли секунд.
2. При диффузионной металлизации в струе плазмы в поверхностные слои металла могут диффундировать также химические элементы из газа, где проводится обработка. Таким образом, регулируя химический состав газа, можно добиваться комбинированного поверхностного насыщения металла атомами нужных элементов.
3. Равномерность температуры и давления внутри плазменной струи обеспечивает высокое качество конечных покрытий, чего весьма трудно достичь при традиционных способах металлизации.
4. Плазменное напыление отличается чрезвычайно малой длительностью процесса. В результате не только повышается производительность, но также исключается перегрев, окисление, прочие нежелательные поверхностные явления.

Рабочие установки для реализации процесса

Поскольку чаще всего для инициации высокотемпературной плазмы используется электрический разряд – дуговой, искровой или импульсный – то применяемое для такого способа напыления оборудование включает:

• Источник создания разряда: высокочастотный генератор, либо сварочный преобразователь;
• Рабочую герметизированную камеру, где размещается подвергаемая металлизации заготовка;
• Резервуар для газа, в атмосфере которого будет производиться формирование высокотемпературной плазмы;
• Насосной или вакуумной установки, обеспечивающей необходимое давление для прокачки рабочей среды или для создания требуемого разрежения;
• Системы управления за ходом протекания процесса.

Работа плазмотрона, выполняющего плазменное напыление, происходит так. В герметизированной камере закрепляется напыляемая деталь, после чего между поверхностями рабочего электрода (в состав которого входят напыляемые элементы) и заготовкой возбуждается электрический разряд. Одновременно через рабочую зону с требуемым давлением прокачивается жидкая или газообразная среда. Её назначение – сжать зону разряда, повысив тем самым объёмную плотность его тепловой мощности. Высококонцентрированная плазма обеспечивает размерное испарение металла электрода и одновременно инициирует пиролиз окружающей заготовку среды. В результате на поверхности образуется слой нужного химического состава. Изменяя характеристики разряда – ток, напряжение, давление – можно управлять толщиной, а также структурой напыляемого покрытия.

Схема плазменного напыления

Аналогично происходит и процесс диффузионной металлизации в вакууме, за исключением того, что сжатие плазмы происходит вследствие разницы давлений внутри и вне её столба.

Технологическая оснастка, расходные материалы

Выбор материала электродов зависит от назначения напыления и вида обрабатываемого металла. Например, для упрочнения штампов наиболее эффективны электроды из железо-никелевых сплавов, которые дополнительно легируются такими элементами, как хром, бор, кремний. Хром повышает износостойкость покрытия, бор – твёрдость, а кремний – плотность финишного покрытия.

При металлизации с декоративными целями, главным критерием выбора металла рабочего электрода является конфигурация напыляемой поверхности, а также её внешний вид. Напыление медью, например, производят электродами из электротехнической меди М1.

Важной структурной составляющей процесса является состав среды. Например, при необходимости получить в напыляемом слое высокостойкие нитриды и карбиды, в газе должны присутствовать органические среды, содержащие углерод или азот.

Последующая обработка готового покрытия

В силу особенностей процесса плотность напылённого слоя и прочность его сцепления с основным металлом не всегда бывают достаточными для обеспечения долговечности покрытия. Поэтому часто после обработки деталь подвергается последующему поверхностному оплавлению с использованием кислородно-ацетиленового пламени, либо в термических печах. Как следствие, плотность покрытия возрастает в несколько раз. После этого продукцию шлифуют и полируют, применяя твердосплавный инструмент.

С учётом последующей доводки изделия, толщину слоя металла после обработки принимают не менее 0,8 — 0,9 мм.

Для придания детали окончательных прочностных свойств её закаливают и отпускают, применяя технологические режимы, рекомендуемые для основного металла.

Плазменное напыление повышает теплостойкость, износостойкость и твёрдость изделий, увеличивает их способность противодействовать коррозионным процессам, а напыление с декоративными целями значительно улучшает внешний вид деталей.

Ограничениями технологии диффузионного плазменного напыления считаются чрезмерная сложность конфигурации заготовки, а также относительная сложность используемых установок.

При невысоких требованиях к равномерности образующегося слоя можно использовать и более простые установки, конструктивно напоминающие сварочные полуавтоматы. В этом случае плазменное напыление производится в воздушном пузыре, который образуется при обдуве зоны обработки компрессором. Электроды, в составе которых имеется напыляемый металл, последовательно перемещаются по контуру изделия. Для улучшения сцепления напыляемого металла с основой внутрь зоны напыления вводится также присадочный материал.

Процесс напыления металлического порошка на токарном станке

Установки для плазменного напыления

Комплектование и классификация установок. Структурная схема и комплектование установки приведены на рис. 10.15, 10.16. Основными элементами установки являются: плазменный распылитель, источники питания дуги, система газопитания, механизм подачи распыляемого материала, система охлаждения, пульт управления.

В состав установки могут входить элементы оснастки: механизм крепления и перемещения плазменного распылителя 3, механизм крепления и перемещения напыляемого изделия 5, технологические камеры, устройства для газопылеулавливания (на схеме не показаны) и другие элементы.

Рис. 10.15. Структурная (а) и функциональная (б) схемы установки для плазменного напыления:

1 — система газопитания (баллоны); 2— механизм подачи распыляемого материала (порошка) – питатель; 3- механизм перемещения плазменного распылителя; 4— плазменный распылитель; 5 – напыляемое изделие и механизм его перемещений; 6 – пульт управления; 7- источник питания дуги

На практике применяют опытные, полупромышленные и промышленные установки. Их классифицируют по нескольким основаниям:

0 по способу получения плазмы различают установки с дуговыми плазменными распылителями и высокочастотными индукционными (последние известны только в виде опытных образцов);

О по способу защиты процесса — с местной и общей защитой. Для напыления с местной защитой используют различные насадки на плазмотрон, местные негерметичные камеры и иные устройства. Для плазменного напыления с общей защитой процесса используют герметичные жесткие камеры. Установки с местной и общей защитой комплектуются установками для напыления на воздухе; их следует отнести к базовым;

• 0 по давлению в камере различают установки для напыления в камерах при давлении плазмообразующего газа, близком к атмосферному (Р_к 0,1 МПа). В настоящее время широко применяют установки первых двух типов. Особенно перспективны установки для напыления покрытий в низком динамическом вакууме;
• 0 по регенерации газа различают установки с полным сбросом плазмообразующего газа в атмосферу и с его регенерацией по замкнутому циклу. В последнем случае установки становятся более сложными. Однако при этом в ряде случаев экономится дорогой дефицитный газ.

Рис. 10.16. Комплектование установки для плазменного напыления: а — манипулятор, плазмотрон, позиционер; б — пульт управления

В последнее время большое внимание уделяется проблемам автоматизации оборудования для плазменного напыления. Наиболее известны работы в этом направлении И.Ю. Ионова, А.Ф. Пузрякова, В.М. Тарана и др.

Современные плазменные установки — довольно сложные комплексы с многочисленными управляемыми и контролируемыми параметрами. Многие установки, спроектированные в 1980-х гг., отличаются крупными размерами и большой массой, часто примитивны по своим функциям. Этих функций недостаточно для получения высокого качества напыленных покрытий. Кроме того, необходимо выполнять более жесткие требования к технике безопасности эксплуатируемых установок.

Для напыления покрытий с заданными свойствами крайне нужно стабилизировать удельную энтальпию, температуру и скорость плазменной струи на срезе сопла плазмотрона. Отклонение хотя бы одного из этих параметров приводит к изменению свойств напыляемых покрытий.

Исходя из сказанного, системы управления нижнего уровня в плазменных установках должны обеспечивать: управление запуском плазмотрона, управление током основного источника, управление и контроль за расходом газа, контроль за температурой и расходом воды, защиту от короткого замыкания и другие ограничения, учет ресурса оборудования и расходуемых компонентов, самодиагностику, возможность сопряжения с другим оборудованием и компьютером, высокую надежность, приемлемую цену для потребителей.

Сейчас складывается благоприятная ситуация для создания систем управления плазменными установками нового уровня с использованием однокристальных микроконтроллеров. Имеется огромный выбор как кристаллов со схемными решениями для самостоятельных разработок, так и контроллеров — полуфабрикатов с системами проектирования и отладки. Однако принципиально улучшить стабилизацию тока в трехфазном управляемом выпрямителе не удается, так как остается фазовое управление тиристорами; в то же время сдвиг фазы несоизмеримо точнее, чем в чисто аналоговых системах, слабо зависит от внешних условий. Кроме того, появляется возможность контролировать больше параметров и даже управлять каждым тиристором в отдельности. Помимо управления током микроконтроллер может управлять плазменной установкой в целом, что позволяет удалить из установки большую часть реле и электрических пускателей. На основании изложенного в МГТУ им. Н.Э. Баумана А.Ф. Пузряковым и др. разработана первая автоматизированная установка плазменного напыления (АУПН), схема которой представлена на рис. 10.17.

Рис. 10.17. Схема управления плазменной установкой

Плазменные распылители. Для плазменного напыления используют в основном дуговые плазменные распылители; ВЧ- и СВЧ-плазмотроны, а также некоторые другие устройства находятся в стадии разработки и совершенствования.

Плазменные распылители должны обеспечивать: мощность дуги 5—120 КВ-А; высокий термический КПД плазмотрона (^>0,5) и эффективный КПД процесса нагрева распыляемого материала (г|_н = 0,02—0,3), универсальность по плазмообразующим газам, стабилизацию параметров режима работы.

В России разработаны многочисленные плазменные распылители, сведения о которых опубликованы в периодических изданиях и монографиях. Наиболее известны работы: В.М. Иванова, М.Ф. Жукова, А.М. Гонопольского, В.С. Клубникина, А.С. Коро- теева, А.В. Николаева, А.В. Петрова, А.И. Шестакова и др.

Конструктивная схема простейшего плазменного распылителя приведена на рис. 10.18. Корпус распылителя 1 состоит из трех частей. Нижняя часть связана с соплом (2) плазмотрона. При питании дуги прямой полярности («минус» на электроде) — это анодный узел распылителя. Верхняя часть является стержневым электродным узлом. При прямой полярности — катодный узел плазмотрона. В его центральной части располагается электрод 4. Сопловой и стержневой электродные узлы горелки связаны между собой электроизоляционной проставкой 3. При интенсивном охлаждении плазмотрона водой предусмотрена герметизация с помощью прокладок 5 и крепежных винтов 6. Токопровод совмещен с каналом подвода воды. Дуга 7возбуждается и горит между стержневым электродом и соплом. Плазмообразующий газ подается в дуговую камеру распылителя через отверстие в проставке. Плазменная струя 8, вытекающая из сопла, и является источником нагрева, распыления и ускорения частиц.

Рис. 10.18. Конструктивная схема плазменного распылителя:

• 1 — корпус распылителя; 2 — сопло; 3 — электроизоляционная проставка; 4 – электрод;
• 5- прокладки; 6– крепежные винты; 7—дуга; 8- плазменная струя

Подача распыляемого материала на схеме не показана. Проволока подается на срез сопла. Порошок вводится в различные участки плазменной струи.

Сопло является наиболее ответственным элементом плазменного распылителя. Именно конструкция сопла определяет длину дуги и ее стабильность, скорость и характер истечения струи, следовательно, в значительной мере тепловой КПД распылителя и эффективный КПД процесса нагрева распыляемого материала. На рис. 10.19, а приведены конструкции сопел различного назначения. В плазмотронах с самоустанавливающейся дугой канал сопла гладкий и имеет наибольшую длину (10—30 мм). Для некоторой фиксации дуги разрядный канал выполняется с уступом. В плазменных горелках с фиксированной дугой применяют секционированные сопла с межэлектродными вставками. Наличие секций (5— 10) позволяет сначала растянуть дугу, а затем фиксировать активное пятно на выходе из канала. Для получения ламинарных и сверхзвуковых плазменных струй сопла профилируют. Продолжительность работы сопла невелика и составляет 10—50 ч. Поэтому конструкция распылителя должна обеспечивать легкую и быструю его смену. В этом отношении перспективны так называемые «сухие» сопла, не требующие при смене разгерметизации плазмотрона.

Рис. 10.19. Конструктивные схемы электродных узлов в плазменных

а — сопловый электрод; б — стержневой электрод; 1 — цилиндрическое гладкое сопло; 2— цилиндрическое сопло с уступом; 3— сопло с межэлектродными вставками; 4— профилированное сопло; 5— вольфрамовая вставка; 6 — держатель электрода; 7— охлажде-

Сопла изготовляются в основном из меди, рассчитываются на максимальное охлаждение водой, лучше дистиллированной, по замкнутому циклу. Для уменьшения эрозии канала сопла применяют вставки из вольфрама. Это особенно необходимо при работе плазмотрона в режиме обратной полярности («минус» на сопле).

Стержневой электрод (рис. 10.19, б) — другой ответственный элемент плазменного распылителя. Чаще всего его изготовляют из вольфрама (торированного, лантанированного, итрированно- го) в виде вставки с интенсивным охлаждением водой. При использовании окислительных газов вольфрам заменяют цирконием или гафнием. Образующаяся на поверхности такого электрода тугоплавкая оксидная пленка препятствует его разрушению. При работе плазмотрона в режиме обратной полярности стержневой электрод (анод) выполняют из меди. Следует отметить, что необходимо добиваться высокой соосности электрода и сопла.

Эффективность нагрева порошка в плазменном распылителе и равномерность распределения его по пятну напыления зависят от схемы ввода порошка в сопловую часть распылителя.

Системы возбуждения дуги в плазменных распылителях применяются двух типов — электрические и механические. Электрическая система относится к бесконтактным. При помощи осциллятора — маломощного высоковольтного высокочастотного генератора осуществляется пробой газового промежутка между стержневым электродом и соплом. При этом создается начальная газовая проводящая область, способная обеспечивать возникновение тока проводимости основного разряда. Для предохранения источника питания дуги от попадания на него пробивного напряжения предусмотрена защита в виде индуктивных и емкостных сопротивлений.

Механическая система возбуждения связана с замыканием дугового промежутка. Известны различные способы замыкания: непосредственным касанием электрода стенки сопла, плавкими металлическими вставками в межэлектродное пространство, подачей в дуговой промежуток дополнительного электрода и др. В выпускаемых плазменных распылителях применяется в основном бесконтактная схема возбуждения.

Расскажем, как и зачем проводится плазменное напыление

Если вы хотите облагородить вашу металлоконструкцию и улучшить ее технические качества, то плазменное напыление – идеальный вариант.

Плазменная отделка является усовершенствованным видом диффузной металлизации, который представляет собой создание слоя из иного вида металла или сплава металлов.

Благодаря этому процессу повышается надежность, внешний вид и устойчивость от воздействия коррозии.

Свойства плазменного напыления

Работая с металлоконструкцией, порой надобно дополнить ее дополнительными свойствами, чтоб можно было использовать в любой сфере.

Таким образом поверхность станет еще больше резистентной к влаге, высокой температуре и химии.

Диффузная металлизация обладает многими особенностями, которые делают ее уникальной среди других видов обработки металла.

1. В силу воздействия высоких температур (пять-шесть тысяч градусов) в разы ускоряется процедура обработки поверхности. Сам процесс происходит за доли секунд, и получается отличный результат.
2. В результате получается комбинированный шар. Наносить можно не только элементы металла, то и газовые частицы из струи плазмы. Таким образом металлическая поверхность покрывается атомами определенных элементов металла.
3. Если проводить классическое металлическое напыление, то нанесение происходит неравномерно, весьма долго и с окислительными процессами. А вот с помощью горячей плазмы получается правильная температура и давление, из-за которых формируется высококачественное покрытие.
4. Плазменная струя переносит частицы металла и газов со скоростью света, что вы даже ничего не поймете. Так, происходит сварка с порошками, стержнями, прутками и проволоками. После образуется слой в несколько микрон-одного миллиметра на основании конструкции.

«Для совершения диффузной металлизации, применяется сложная аппаратура, в отличие от газоплазменного оборудования. Чтоб провести плазменную металлизацию, надобно использовать газовое и электроприспособление.»

Какое оснащение применяется для диффузного напыления

Для совершения напыления ионами металла используется техническая плазма высокой температуры – совокупность множества квантовых частиц света, положительных ионов, нейтральных элементов, электронного газа.

В силу высокой температуры электрические газовые разряды создают сильную термоионизацию элементов, которые соединяются между собой и внешней средой. Потому существует простая плазма, слабо, умеренно и сильно ионизированная (в свою очередь делится на низкотемпературную и высокотемпературную).

Для того, чтоб совершить плазменную ионизацию металлоконструкции, применяется специфическое оснащение – плазменная аппаратура.

Как правило, применяется дуговой, импульсный либо искровой электрический разряд.

Чтоб все это реализовать, вам надобно воспользоваться:

• Высокочастотным генератором (или сварочным модификатором) для создания разряда.
• Герметизированной камерой (в ней вмещаются элементы для обработки основания диффузионным напылением).
• Емкостью для газа. Под влиянием электроразряда происходит ионизация элементов.
• Аппаратом для давления газа (годится вакуумное или насосное оборудование).
• Системой для изменения тока, давления, напряжения и увеличения или уменьшения толщины поверхности металла.

Порядок плазменной ионизации происходит в следующем порядке:

1. Фиксация детали в герметизированной камере, и формирование электрического разряда.
2. Рабочая атмосфера накачивается давлением и частицами порошка (получается плазма высокой температуры, переносящая порошковые элементы на основание обрабатываемого изделия).
3. При вакуумном напылении, в условии инертного газа или низком давлении возможно ускорение движения элементов, вследствие чего получается более плотное и с хорошей сцепляемостью покрытие.

Сферы применения диффузионной металлизации

В силу того, что плазменному напылению может быть подвержен любой металл или металлический сплав, такой вид диффузионной обработки используется в промышленных масштабах, а также для реставрационных работ.

Металл в порошковом виде переносится в плазменное оборудование, в котором в силу воздействия плазмы высокой температуры он расплавляется и абсорбируется в металл тонким шаром.

Далее рассмотрим, где применяется распыление:

• производство самолетов, космических и ракетных установок;
• машиностроительство и энергетика;
• металлургии и производстве химии;
• отрасли нефтедобычи, нефтепереработки и добычи угля;
• в сфере транспорта и производстве аппаратуры;
• в сфере реставрации машин, установок и устаревших элементов.

После прохождения плазменно-порошковой струи по электродуге, и ее оседания на основании, оно обогащается следующими свойствами:

• устойчивости к повышенным температурам;
• резистентности к коррозии;
• электроизоляции;
• теплоизоляции;
• устойчивость к эрозии;
• кавитационной защиты;
• магнитного притяжения;
• полупроводимости.

«Наполнение плазменных порошков производится с помощью плазмообразующего либо транспортируемого газа. В силу металлизации получаются различные покрытия, независимо от температуры плавления (металл, комбинированный сплав, карбид, оксид, борид, нитрид, композит). После обработки материал внешне ни капли не пострадает, а наоборот обогатится дополнительными свойствами. Напылению подвергаются твердые и мягкие шары, тугоплавкие материалы, и средства любой плотности.»

Методы напыления плазмой

Для металлизации изделия можно не ограничиваться только порошковыми средствами.

Смотря какие свойства вы хотите добиться после процедуры плазменной металлизации, в ход могут применяться такие методы:

1. Высокоулеродистая/легированная проволока под воздействием флюса. В ход идет наплавка в аппарате со стержневым или пластинчатым электродом.
2. Чтоб отремонтировать деформированную деталь по окружности толщиной больше двух миллиметров, используется метод обработки порошкового слоя под действием флюса.
3. Применение при металлизации аргона, азота, водорода, гелия или смешанной массы в роли газов, образующих плазму. Чтоб не происходило в дальнейшем окисления покрытия, следует изолировать конструкцию от кислорода.

Как правило, плазменное напыление применяется при реставрации автомобильных делателей и двигателя. Таким методом дарится «вторая жизнь» отверстию коренной опоры в блоке цилиндра, убирается устаревшая головка цилиндра, восстанавливается алюминиевый поршень, чугунный коленчатый вал, ролики, катки и прочее.

Ионно-плазменное напыление в разы повышает устойчивость к износу промышленного оснащения, различных механизмов и аппаратов.

Этим методом реально обновить изношенную или уже устаревшую металлоконструкцию, а также облагородить основание надежностью и долгосрочностью эксплуатации.