Расскажем, как и зачем проводится плазменное напыление

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.»

Рис. 3. Микрофотография плазменного покрытия.

Плазменное напыление является одним из способов газотермического нанесения покрытий. В основе этого процесса лежит нагрев напыляемого материала до жидкого или пластического состояния, перенос его высокотемпературной плазменной струей к подложке с последующим образованием слоя покрытия.

При плазменном напылении в качестве напыляющих материалов применяют порошки, проволоки, прутки. Наиболее широко распространено напыление порошками. Схема плазменного напыления с использованием порошковых материалов показана на рис. 1. В плазмотроне, состоящем из водоохлаждаемого катодного узла (катод 2 и корпус 3) и анодного узла, с помощью источника 9 постоянного сварочного тока возбуждается плазменная дуга 8, которая стабилизируется стенками канала сопла и плазмообразуюшим газом, поступающим через подвод 1. Порошок подают из порошкового питателя 6 с помощью газа, который поступает по подводу 7.

Температура плазменной струи достигает 5000-55000 °С, а скорость истечения — 1000-3000 м/с. В плазменной струе частицы порошка расплавляются и приобретают скорость 50-500 м/с. Скорость полета частиц порошка зависит от их размера, плотности материала, силы сварочного тока дуги, природы и расхода плазмообразующего газа, конструкции плазмотрона. Порошок вводят в плазменную струю ниже среза сопла, на срез сопла или непосредственно в сопло. Нагрев напыляемых деталей не превышает 100-200 °С.

Рис. 1. Схема плазменного напыления порошком:

1 — подвод плазмообразующего газа; 2 — катод плазмотрона; 3 — корпус катода; 4 — изолятор; 5 — корпус анода; 6 — порошковый питатель; 7 — подвод газа, транспортирующего порошок; 8 — плазменная дуга; 9 — источник питания.

К преимуществам способа плазменного напыления относят возможность получения покрытий из большинства материалов, плавящихся без разложения и ограничения по температуре плавления. Производительность плазменного напыления достаточно высока: 3-20 кг/ч для плазмотронов с мощностью 30-40 кВт и 50-80 кг/ч для плазмотронов мощностью 150-200 кВт.

Плазменным напылением наносят покрытия как на плоские поверхности, так и на тела вращения и криволинейные поверхности. Для покрытия характерна слоистая структура с высокой неоднородностью физических и механических свойств (рис. 2). Тип связей между покрытием и деталью (подложкой), а также между частицами покрытия обычно смешанный — механическое сцепление, сила физического и химического взаимодействий. Прочность сцепления покрытия с подложкой обычно составляет 10-50 МПа при испытаниях на нормальный отрыв.

Физические особенности формирования покрытий обуславливают появление открытой и закрытой пористостей. По мере увеличения толщины наносимого слоя открытые поры перекрываются, и пористость покрытия снижается. Поэтому плотность плазменных покрытий отличается от плотности материала и колеблется в пределах 80-97%. Обычно пористость плазменных покрытий составляет 10-15%.

Толщина покрытия практически не ограничена возможностями самого способа. Однако в силу физических особенностей процесса образования покрытий с увеличением толщины наносимого слоя в нем возрастают внутренние напряжения, которые стремятся оторвать покрытие от подложки. Поэтому обычно толщина покрытия не превышает 1 мм. Конструктивную нагрузку несет материал детали, а материал покрытия придает поверхности детали такие свойства, как твердость, износостойкость и т. п.

В качестве плазмообразующих газов применяют аргон, азот высокой чистоты, водород, гелий, а также смеси этих и других газов. В последние десятилетия успешно развиваются процессы плазменного напыления с использованием в качестве плазмообразующего газа смеси воздуха с горючим углеводородным газом (метаном, пропан-бутаном).

Рис. 2. Схема структуры плазменного покрытия:

1 — граница между частицами напыленного материала;

2 — граница между слоями;

3 — граница между покрытием и деталью;

4 — частица напыленного материала;

5 — поверхность детали.

Для генерирования плазмы используют различные плазмотроны. Реализуемые в конкретной конструкции диапазон и уровень удельных мощностей характеризуют эффективность преобразования электрической энергии дуги в тепловую плазменной струи, а также технологические возможности плазмотрона.

Задача разработки технологического плазмотрона всегда сводится к созданию относительно простой, ремонтопригодной конструкции, обеспечивающей стабильную длительную работу в широком диапазоне изменения сварочного тока дуги, расхода и состава плазмообразующего газа, а также генерирование плазменной струи с воспроизводимыми параметрами, что позволяет эффективно обрабатывать материалы с различными свойствами.

В практике напыления применяют как однородные порошки различных материалов (металлов, сплавов, оксидов, бескислородных тугоплавких соединений), так и композиционные, а также механические смеси указанных материалов.

Наиболее распространены следующие порошковые материалы:

металлы — Ni, Al, Mo, Ti, Cr, Cu;

сплавы — легированныестали, чугун, никелевые, медные, кобальтовые, титановые, в том числе самофлюсующиеся сплавы (Ni-Cr-B-Si, Ni-B-Si, Co-Ni-Cr-B-Si, Ni-Cu-B-Si);

оксиды Al, Ti, Cr, Zr и других металлов и их композиции;

бескислородные тугоплавкие соединения и твердые сплавы — карбиды Cr, Ti, W и др. и их композиции с Со и Ni;

композиционные плакированные порошки — Ni-графит, Ni-Аl и др.;

композиционные конгломерированные порошки— Ni-Al, NiCrBSi-Al и др.;

механические смеси — Cr3C2+NiCr, NiCrBSi+Cr3C2 и др.

В случае применения композиционных порошков в технологии газотермического напыления преследуют следующие цели:

использование экзотермического эффекта взаимодействия компонентов (Ni-Al, Ni-Ti и т. п.);

равномерное распределение компонентов в объеме покрытия, например, типа керметов (Ni-Al203 и т. п.);

защита материала ядра частицы от окисления или разложения при напылении (Co-WC, Ni-TiC и т. п.):

формирование покрытия с участием материала, самостоятельно не образующего покрытия при газотермическом напылении (Ni-графит и т. п.);

улучшение условий формирования покрытий за счет увеличения средней плотности частиц, введение компонентов с высокой энтальпией.

Применяемые для напыления порошки не должны разлагаться или возгоняться в процессе напыления, а должны иметь достаточную разницу между температурами плавления и кипения (не менее 200 °С).

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

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

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

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

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

Порошок для напыления выбирают с учетом условий эксплуатации напыляемых деталей.

Возможными дефектами плазменно-дугового способа нанесения покрытий является отслоение напыленного слоя, растрескивание покрытия, появление на поверхности крупных капель материала покрытия, капель меди, а также разнотолщинность покрытия (выше допустимой).

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

Одним из наиболее распространенных способов улучшения качества покрытий из самофлюсующихся сплавов является их оплавление. Для оплавления используют индукционный или печной нагрев, нагрев в расплавах солей или металлов, плазменный, газопламенный, лазерный и др. В большинстве случаев предпочтение отдают нагреву в индукторах токами высокой частоты (ТВЧ). Напыленные покрытия системы Ni-Cr-B-Si-C подвергают оплавлению при 920-1200 0С с целью уменьшения исходной пористости, повышения твердости и прочности сцепления с металлом — основой.

Технологический процесс плазменного напыления состоит из предварительной очистки (любым известным методом), активационной обработки (например, абразивно-струйной) и непосредственно нанесения покрытия путем перемещения изделия относительно плазмотрона или наоборот.

Литература:

Лащенко Г.И. Плазменное упрочнение и напыление. – К.: «Екотехнологiя», 2003 – 64 с.

Вас также может заинтересовать:

• Гальваническое покрытие
• Плазменное упрочнение
• Сверхзвуковое напыление
• Холодное газодинамическое напыление
• Анодирование металлов

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.

Ультразвуковая обработка давлением и ультразвуковое упрочнение

Основными технологическими параметрами ультразвукового упрочнения (УЗУ) являются длительность воздействия (t), диаметр шарика (dш) или радиус скругления рабочей части инструмента (r), амплитуда колебаний (Ак), эффективная масса инструмента (Gин), продольная подача (s), число проходов (i), скорость движения упрочняемой детали (v), исходная шероховатость поверхности (Ra) и качество поверхностного слоя.
Для улучшения физико-механических свойств деталей применяют отделочно-упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием (сферическим или цилиндрическим наконечником). При этом металл выступов неровностей перемещается в обоих направлениях от места контакта с деформирующим элементом. Высота неровностей уменьшается, образуя новый микрорельеф. Для получения требуемой шероховатости поверхности необходимо к деформирующему элементу приложить минимально необходимую силу, достаточную для протекания пластической деформации.

При обкатывании и раскатывании роликовыми и шариковыми головками, дорновании, протягивании выглаживающими протяжками возможно искажение формы нежестких деталей и деталей переменной жесткости. Сообщение деформирующему инструменту ультразвуковых колебаний (УЗК) снижает величину статической нагрузки при пластическом деформировании металлов.

Схема установки УЗУ (рис. 1) включает ультразвуковой генератор, магнитострикционный преобразователь 5, волновод 3 и деформирующий наконечник 2. Акустическая система укреплена в подвижном корпусе 4, который может перемещаться вдоль оси неподвижного корпуса. Установка и регулирование необходимой радиальной силы осуществляется при помощи тарированной пружины 7 и винта 8. Наконечник 2 совершает УЗК и с небольшой силой Р прижимается к обрабатываемой детали 1.

Рис. 1. Схема ультразвукового упрочнения подпружиненным шариком или алмазным наконечником

На практике в качестве инструмента могут применяться стальные или твердосплавные шарики, свободно или жестко связанные с волноводом преобразователя, а при алмазном выглаживании используются отполированные кристаллы алмаза, запаянные в стальные державки. Радиус закругления рабочей части алмазного наконечника 1. . . 4 мм и зависит от условий обработки, материала обрабатываемой поверхности и жесткости технологической системы. Установлено, что при воздействии УЗК с амплитудой Ак = 10 мкм скорость деформации поверхностных слоев возрастает в 100 раз и сопровождается упрочнением. В качестве оборудования для выполнения ультразвукового упрочнения используется серийное оборудование. Ультразвуковой излучатель закрепляется в резцедержателе (рис. 2) .

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.»

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:

1. 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).
2. 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.
3. 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.
4. 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:

1. 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.
2. Всегда можно подобрать такое давление несущего газа, при котором «плевания», связанного с налипанием порошка на край отверстия порошковой дюзы происходить не будет.
3. 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.

Проволоки и шнуровые материалы

Непрерывные электроды в виде проволок разной конструкции применяют преимущественно для металлизации поверхностей. Распыление металла непрерывного электрода требует его обязательного расплавления и перехода в жидкое состояние. При металлизации применяют проволочные материалы диаметром 0,5-5,0 мм, которые подразделяют на следующие группы: 1) проволоки сплошного сечения; 2) порошковые проволоки с металлической оболочкой; 3) порошковые проволоки с органической оболочкой.

Проволоки сплошного сечения, обычно из чистых металлов или сплавов на их основе производят методами волочения. Этот вид проволочных материалов получил наибольшее применение при металлизации. Подготовка проволоки перед напылением чаще всего заключается в обезжиривании и травлении. Обезжириванием удаляют органические загрязнения; травлением — оксидные пленки. Составы ванн и режимы обработки определяются маркой проволоки. Во многих случаях эффективна абразивноструйная очистка проволоки, электрополировка и другие способы обработки.

Из проволок на основе железа наибольшее распространение для металлизации получили углеродистые и низко- и среднелегированные проволоки. Углеродистые и низколегированные стали наиболее целесообразно применять при восстановительном ремонте газопламенным напылением или электродуговой металлизацией. Напыленные покрытия имеют достаточно высокую твердость. Восстановленные изделия по износу не уступают исходным. Для напыления, в основном, применяют проволоку из сталей Ст3; У 7; 40Х; 50ХФА и др. При напылении покрытий из стали У 7 микротвердость металла колеблется в пределах 2100-7750 МПа. Высокоуглеродистые стали и чугуны при их напылении образуют хрупкие покрытия, практически непригодные для эксплуатации.

Порошковые проволоки с металлической оболочкой перспективны для напыления композиционных покрытий. Порошковые проволоки производят вальцовкой ленты в трубку с одновременной засыпкой в образовавшуюся полость дисперсной шихты. При последующем волочении заполненной трубки получают проволоку различных диаметров. При этом легко регулируется отношение между массой порошка и оболочки. Возможны разнообразные сочетания в расположении оболочки и порошка (рис. 3.30).

Шнуровые материалы — это порошковые проволоки с органической оболочкой, которые применяют в основном для газопламенного напыления и реже для плазменного.

Рис. 3.30. Порошковые проволоки (I—III) и шнуровые материалы с органической оболочкой (IV).

Подготовку порошковых проволок перед напылением осуществляют посредством их обезжиривания протиркой сильными растворителями (бензином, ацетоном и др.) или абразивноструйной очисткой.

Прутки и трубчатые электроды

Стержни сплошного сечения изготавливают отливкой. Порошковые стержни формуют из измельченных материалов, например, оксидов, а затем подвергают спеканию. Обычно их диаметр составляет 3-6 мм, а длина 500-600 мм.

Обкатывание и раскатывание поверхностей

Аналогично ультразвуковой упрочняющей обработке, на том же оборудовании выполняется отделочная и упрочняющая обработка наружных поверхностей деталей обкатыванием, а внутренних — раскатыванием.

Рис. 2. Ультразвуковое упрочнение поверхности вала на токарно-винторезном станке 16К20

Давление на ролик в зависимости от материала детали принимают 5. . . 20 МН/м2 при числе проходов до 4. Обкатывание обеспечивает шероховатость обработанной поверхности Ra = 0,4. . . 0,05 мкм. Инструмент для обкатывания, представленный на рис. 3, устанавливают в резцедержатель хвостовиком 7.

Рис. 3. Упрочняющая обработка наружных поверхностей деталей обкатыванием

Обкатывание обрабатываемой поверхности производится шариком 2, который упирается в наружную обойму подшипника 10, насаженного на ось 9, и удерживается от выпадения колпачком 8. Под действием усилия обкатывания шарик 2 отжимается и перемещает пиноль 3 в расточке корпуса 4, которая сжимает пружину 5. С помощью винта 6 регулируется сила сжатия пружины. Для обработки обкатыванием резцедержатель токарного станка с обкатным инструментом подводят до соприкосновения шарика с поверхностью предварительно обработанной детали. Затем винтом поперечной подачи суппорта по лимбу создают натяг 0,5. . . 0,8 мм. Устанавливают частоту вращения шпинделя 1200…1500 мин-1 и продольную подачу 5 = 0,3. . .1,5 мм/об. , включают станок и делают 2-3 продольных прохода вправо и влев°. В качестве СОЖ используют веретенное масло.

Шарики и ролики для обкатывания (раскатывания) изготовляют из закаленной стали или твердого сплава

Список использованной литературы

1. Борисов Ю.С. Газотермические покрытия из порошковых материалов / Ю.С. Борисов, Ю.А. Харламов. – Киев: Наукова Думка, 1987. – 210 с. 2. Витязь П.А. Теория и практика газопламенного напыления / П.А. Витязь, В.С. Ивашко, Е.Д. Мануйло. – Минск: Навука і техніка, 1993. – 295 с. 3. Кудинов В.В. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий / В.В Кудинов, В.М. Иванов. – М.: Машиностроение, 1981. – 192 с. 4. Рыкалин Н.Н. Физические и химические проблемы соединения разнородных материалов / Н.Н. Рыкалин, М.X. Шоршоров, Ю.Л. Красулин. // Неорг. материалы. – 1965. – Т.1. – С. 29 – 36. 5. Терехов Д.Ю. Способ подготовки поверхности перед газотермическим напылением / Д.Ю. Терехов, Б.М. Соловьев // Авторское свидетельство СССР №1638198 AI С23С 4/02 30.08.91 Бюл. №32. – Всесоюзное научно-производственное объединение восстановления деталей «Ремдеталь». 6. Надольский В.О. Способ подготовки поверхности деталей / В.О. Надольский, А.Н. Навознов // Авторское свидетельство СССР № 1758082 AI С23С 4/02 30.08.92. Бюл. №32. 7. Медведев Ю.А. О влиянии шероховатости и степени наклепа на прочность сцепления плазменных покритий / Ю.А. Медведев, И.А. Морозов // Физика и химия обработки материалов. – 1975. – №4. – С. 27-30. 8. Поповкин Б.А. Прогрессивная технология и оборудование для дробеструйной очистки метала / Б.А. Поповкин // Технология, организация производства и управления. – 1978. – №10. – С. 31-35. 9. Ивашко В.С. Прочность сцепления покрытий из самофлюсующихся твердых сплавов / В.С Ивашко // Машиностроение. – 1979. – Вып. 2. – С. 103-105. 10. Кудинов В.В. Получение покрытий высокотемпературным распылением / В.В Кудинов., Л.К. Дружинин. – М.: МИР, 1973. – 85 с. 11. Куприянов И. Л. Газотермические покрытия с повышенной прочностью сцепления / И. Л. Куприянов, М. А. Геллер. – Минск: Навука і тэхніка, 1990. – 176 с. 12. Масино М.А. Организация восстановления автомобильных деталей / М.А. Масино. – М.: Транспорт, 1981. – 176 с.

Основные факторы, влияющие на процесс образования покрытия из частиц при термическом напылении

Для начала просто перечислим все основные факторы, которые, по результатам практического опыта, оказывают влияние на образование покрытий. Эти факторы разобьем на пять больших независимых групп (внутри отдельных групп параметры могут зависеть друг от друга):

1. Параметры напыления
2. Параметры порошка
3. Параметры субстрата
4. Параметры движения устройства напыления относительно напыляемой детали
5. Параметры охлаждения

Параметры напыления:

• Атмосфера напыления: воздух, вакуум или вода (в особом случае плазменного напыления под водой)
• Размер и форма пламени
• Распределение температур в пламени
• Светимость пламени
• Термическая мощность пламени
• Состав газов пламени
• Скорость газов пламени
• Расход газов пламени
• Способ введения порошка (осевой или радиальный)
• Скорость и давление порошкового газа
• Состав порошкового газа
• Расход порошкового газа
• Массовый расход порошка

Параметры порошка:

• Распределение частиц порошка по размерам
• Химический состав простых частиц (параметр включает все физические свойства материала простых частиц, такие как КЛТР, теплопроводность, теплоемкость, температура плавления, прочность, хрупкость, твердость и другие)
• Фазовый состав, геометрическое распределение и размер фаз в частицах агломератов
• Химический состав отдельных фаз в частицах агломератов
• Форма простых частиц или агломератов
• Пористость простых частиц или агломератов
• Удельный вес простых частиц или агломератов

Параметры субстрата:

• Форма напыляемой поверхности
• Вид шероховатости поверхности
• Глубина шероховатости поверхности
• Наличие дефектов поверхности
• Наличие и вид загрязнения поверхности
• Степень загрязнения поверхности посторонними веществами (например, маслом)
• Твердость поверхности
• Химический и фазовый состав субстрата (параметр включает все физические свойства материала, такие как КЛТР, теплопроводность и теплоемкость)
• Химический состав оксидов на поверхности
• Толщина оксидов на поверхности
• Размер, масса и форма детали
• Температура детали до напыления

Параметры движения устройства напыления относительно напыляемой детали:

• Относительная скорость движения устройства напыления относительно напыляемой поверхности детали
• Расстояние напыления
• Угол напыления
• Размер пятна напыления
• Толщина слоя за один проход

Параметры охлаждения:

• Вид вещества хладагента: сжатый воздух, вода, твердая углекислота или жидкий азот
• Способ охлаждения: общее охлаждение всей детали; локальное охлаждение, совмещенное с устройством напыления; комбинированное охлаждение (локальное плюс общее)
• Скорость и давление газообразного хладагента относительно охлаждаемой поверхности (включает коэффициент теплопередачи)
• Наличие или отсутствие перекрещивания потоков напыления и охлаждения
• Мощность общего охлаждения
• Мощность локального охлаждения
• Расстояние «пятна охлаждения» от «пятна напыления» при локальном охлаждении
• Относительное расположение пятен напыления и охлаждения при их движении: пятно охлаждения «догоняет» или «бежит впереди» пятна напыления

Металлические защитные покрытия

В качестве анодных металлических покрытий выступают металлы, электрохимический потенциал которых меньше, чем у обрабатываемых материалов. У катодных он, наоборот, выше.

Катодные покрытия препятствуют проникновению агрессивных сред к основному металлу благодаря образованию механического барьера. Они лучше защищают поверхности от негативных воздействий, но только в случае неповрежденности.

В зависимости от способа нанесения металлические покрытия подразделяются на следующие виды.

Гальванические покрытия

Гальванизация – это электрохимический метод нанесения металлического защитного покрытия для защиты поверхностей от коррозии и окисления, улучшения их прочности и износостойкости, придания эстетичного внешнего вида.

Гальванические покрытия применяются в авиа- и машиностроении, радиотехнике, электронике, строительстве.

В зависимости от назначения конкретных деталей на них наносятся защитные, защитно-декоративные и специальные гальванические покрытия.

Защитные служат для изоляции металлических деталей от воздействия агрессивных сред и предотвращения механических повреждений. Защитно-декоративные предназначены для придания деталям эстетичного внешнего вида и их защиты от разрушительных внешних воздействий.

Специальные гальванические покрытия улучшают характеристики обрабатываемых поверхностей, повышают их прочность, износостойкость, электроизоляционные свойства и т.д.

Газотермическое напыление

Представляет собой перенос расплавленных частиц материала на обрабатываемую поверхность газового или плазменным потоком. Покрытия, образованные таким методом, отличаются термо- и износостойкостью, хорошими антикоррозионными, антифрикционными и противозадирными свойствами, электроизоляционной или электропроводной способностью. В качестве напыляемого материала выступают проволоки, шнуры, порошки из металлов, керамики и металлокерамики.

Выделяют следующие методы газотермическогого напыления:

• Газопламенное напыление: самый простой и недорогой метод, применяемый для защиты крупных площадей поверхности от коррозии и восстановления геометрии деталей
• Высокоскоростное газопламенное напыление: используется для образования плотных металлокерамических и металлических покрытий
• Детонационное напыление: применяется для нанесения защитных покрытий, восстановления небольших поврежденных участков поверхности
• Плазменное напыление: используется для создания тугоплавких керамических покрытий
• Электродуговая металлизация: для нанесения антикоррозионных металлических покрытий на большие площади поверхности
• Напыление с оплавлением: применяется тогда, когда риск деформации деталей отсутствует или он оправдан

Погружение в расплав

При использовании этого метода обрабатываемые детали окунаются в расплавленный металл (олово, цинк, алюминий, свинец). Перед погружением поверхности обрабатываются смесью хлорида аммония (52-56 %), глицерина (5-6 %) и хлорида покрываемого металла. Это позволяет защитить расплав от окисления, а также удалить оксидные и солевые пленки.

Данный метод нельзя назвать экономичным, так как наносимый металл расходуется в больших количествах. При этом толщина покрытия неравномерна, а наносить расплав в узкие зазоры и отверстия, например, на резьбу, не представляется возможным.

Термодиффузионное покрытие

Данное покрытие, материалом для которого выступает цинк, обеспечивает высокую электрохимическую защиту стали и черных металлов. Оно обладает высокой адгезией, стойкостью к коррозии, механическим нагрузкам и деформации.
Слой термодиффузионного покрытия имеет одинаковую толщину даже на деталях сложных форм и не отслаивается в процессе эксплуатации.

Плакирование

Метод представляет собой нанесение металла термомеханическим способом: путем пластичной деформации и сильного сжатия. Чаще всего таким образом создаются защитные, контактные или декоративные покрытия на деталях из стали, алюминия, меди и их сплавов.

Плакирование осуществляется в процессе горячей прокатки, прессования, экструзии, штамповки или сваривания взрывом.

Метод химического хромирования

В качестве активного компонента для реализации такого напыления используют химические реагенты. Классический состав включает хлористый хром, натрий, уксусную кислоту, а также воду с раствором едкого натра. Процесс напыления выполняется при температуре порядка 80 °С. Начинается работа с подготовки материала. Обычно хромирование используют для обработки металлических поверхностей, в частности стали. Перед самой операцией материал подвергается первичному покрытию медным слоем. Далее производится химическое хромирование посредством пескоструйного аппарата, подключенного к компрессорной установке. После завершения процедуры изделие моется в чистой воде и просушивается.