Плазменная технология получения покрытий

Формирование плазменных покрытий

Процесс формирования плазменных покрытий складывается из ряда этапов, которые определяют их свойства:

  • транспортировка распыляемого материала в плазменную струю. В случае порошкового варианта определенная порция порошка с помощью дозатора подается в плазменную струю. В случае проволочного варианта материал с определенной скоростью специальным механизмом подается в плазменную струю;
  • взаимодействие распыляемого материала с плазменной струей и окружающей атмосферой. В случае порошкового варианта частицы разгоняются струей плазмы до высокой скорости и одновременно нагреваются до температуры их плавления или размягчения. В случае проволочного варианта на этой стадии конец прутка, введенный в струю плазмы, разогревается и плавится, после чего распыляется струей плазмообразующего газа. Результатами взаимодействия распыляемого материала с окружающей атмосферой являются изменение его химического состава и газонасыщение;
  • соударение разогретых частиц с основой, в результате чего частицы расплющиваются, сцепляются с поверхностью основы, далее друг с другом, образуя покрытие.

Свойства плазменных покрытий и области их применения

Плотность плазменных покрытий меньше теоретической плотности напыляемого материала. Появление пористости в напылённом слое возникает из-за неоднородности потока частиц и недостаточной пластичности частиц в момент удара. Если при напылении металлических плазменных покрытий происходит насыщение их активными газами, то при напылении карбидов, боридов, нитридов изменяется содержание в них углерода, бора, азота.

Прочность и теплопроводность плазменных покрытий

Одним из определяющих факторов является толщина покрытия. С ростом толщины покрытия падает его прочность и снижается его теплопроводность.

Перенос тепла в плазменных покрытиях осуществляется следующим образом:

  • электронами по телу самих металлических частиц, составляющих покрытие, а также на участках сцепления, где образовались прочные металлические связи между частицами при напылении;
  • фононной теплопроводностью в частицах, что имеет существенное значение для неметаллических покрытий и по химическим связям между частицами;
  • фотонами излучения, в порах покрытия, если оно нагрето до высокой температуры;
  • теплопроводностью газа, заключенного в порах покрытия.

Напряжения в плазменных покрытиях

Процесс формирования плазменных покрытий сводится к постепенному наслаиванию отдельных частиц, нагретых до температуры плавления, на практически холодную или предварительно незначительно нагретую основу. В результате этого в напылённом покрытии возникают остаточные напряжения сжатия и растяжения. Они могут привести к растрескиванию покрытия, отслоению его от материала основы или в случае нанесения покрытия на тонкостенную основу привести к деформации последней.

Возникновение сложного поля остаточных напряжений зависит от неравномерного распределения наносимого материала в струе и неравномерного нагрева детали вследствие местного характера действия источника напыления. Остаточные напряжения рассчитывают на основании распределения температурных полей в детали в момент времени, соответствующий нулевым напряжениям в покрытии.

Плазменные покрытия получили распространение в самых различных отраслях техники: ракетной техники и машиностроения, в атомной энергетике, металлургии, в микро- и радиоэлектронике, авиастроении, технологии производства композиционных материалов.

Преимущества плазменной технологии получения покрытий

К первой группе преимуществ можно отнести следующие:

  • универсальность плазменного метода;
  • легкость управления процессом получения покрытия;
  • возможность нанесения покрытий на большие и малые поверхности, на изделия сложной формы;
  • в процессе напыления покрываемая поверхность нагревается до сравнительно небольших температур, что позволяет сохранять особенности структуры и свойства материала основы.

Ко второй группе преимуществ относятся следующие:

  • в плазменных горелках используются газы, не содержащие кислорода, что уменьшает окисление напыляемого материала и материала основы;
  • плазменная струя имеет значительно более высокую температуру, чем пламя, образующееся в результате сгорания ацетилена;
  • плазменные покрытия имеют более высокую плотность и лучшую адгезию.

Получение плазменной струи. Плазмообразующие газы

Для получения плазменной струи используют электрическую дугу постоянного тока. Строение дугового разряда довольно сложное, однако в первом приближении его можно представить состоящим из трех областей: катодной, анодной и области плазмы.

Устройство для получения плазменной струи называют плазмотроном, которое состоит из трех основных частей: водоохлаждаемых медного анода, вольфрамового катода и расположенного между ними изолятора.

Характеристики плазменной струи в значительной мере определяются выбором плазмообразующего газа. В технологии нанесения покрытий распространенными плазмообразующими газами являются: аргон, азот, водород и гелий.

Основными характеристиками плазменной струи являются среднемассовые мощность, температура и скорость плазменного потока.

Нагрев газа плазменной струи происходит главным образом за счет энергии, выделяющейся в столбе дуги.

При увеличении тока дуги температура и мощность газа возрастают, а КПД не меняется. Расход газа приводит к увеличению среднемассовой температуры и возрастанию мощности струи и КПД нагрева. С увеличением длины дуги температура и мощность газа возрастают, стремясь к некоторому пределу, а КПД нагрева имеет максимум.

Технологическое оборудование для нанесения плазменных покрытий

Плазменные покрытия наносят обычно на воздухе в специальном шкафу с вытяжной вентиляцией или в герметичной камере с контролируемой атмосферой, чаще всего с нейтральной.

Для напыления плазменных покрытий необходим комплекс оборудования, которое удобно расположить в трех отделениях - подготовительном, технологическом, контроля и исследования покрытий.

В подготовительном располагают пескоструйный аппарат, предназначенный для предварительной подготовки поверхности основы, сушильный шкаф для удаления влаги в исходных порошковых материалах, установку для фракционного рассева порошковых материалов с набором сит, устройство для смешивания исходных порошковых материалов, вспомогательное оборудование.

В технологическом отделении размещают источник питания постоянного тока или сварочный преобразователь, пульт управления и контроля процессом напыления, плазменные горелки, шкаф с вытяжной вентиляцией, где находится покрываемое изделие и происходит процесс нанесения покрытия, герметичная камера с вакуумной станцией для предварительной откачки и подготовки нужной для напыления атмосферы.

В отделении контроля и исследования покрытий находится оборудование, позволяющее определять характеристики покрытий.

Редкие случаи применения плазменного напыления

Плазменная технология позволяет создавать принципиально новые материалы, композиционные свойства которых могут превосходить свойства известных материалов. К основным преимуществам плазменного получения волокнистых композиционных материалов следует отнести ограниченную длительность термического и механического воздействия матрицы на армирующие волокна, возможность равномерного распределения волокон и их четкую ориентацию. Короткое воздействие позволяет ограничивать развитие процессов рекристаллизации, диффузионного массопереноса и образования зародышей новых фаз, что ведет к дроблению волокна при нагружении.

Напыление твердых неплавящихся в плазменной струе материалов

При перегреве материалов, подобно алмазу, необратимо теряются его свойства. Традиционная плазменная технология предполагает, что распыляемые частицы находятся в жидком или высокопластичном состоянии, для рассматриваемого случая они должны быть в твердом состоянии. Поэтому при нанесении таких материалов имеется ряд особенностей, к которым прежде всего относятся энергетические условия образования сцепления между твердыми частицами и более пластичной подложки.

Деформация подложки и частицы в момент удара вызывает генерацию и выход новых дислокаций на поверхность контакта. В условиях плазменного напыления в результате высокоскоростной ударной деформации приконтактных поверхностей происходит активация атомов, достаточная для образования связи частицы с подложкой.

Оболочка, расплавляясь в плазменной струе, при ударе частицы о подложку будет способствовать сведению коэффициента восстановления к минимуму. В качестве такой оболочки можно использовать никель, кобальт, хром и материалы на их основе.

Формование изделий напылением

Сравнительно высокий уровень свойств у материалов, напыляемых плазменной струей, позволил использовать ее для формования напылением сложных деталей и заготовок для дальнейшей обработки.

Только плазменное напыление дало возможность наносить тугоплавкие материалы в виде толстых слоев. Тугоплавкие металлы, карбиды и окислы с трудом поддаются формованию в изделия сложной конфигурации. Создание таких изделий методом напыления позволяет воспроизводить сложные конструктивные элементы, при этом используют два типа оправок (шаблонов) для напыления - разовые и многократного пользования.

В качестве разовых оправок используют шаблоны из материалов, которые после напыления либо растворяются химически, либо выплавляются в вакууме, либо удаляются механически. Для многократного использования на оправки наносят слой, предотвращающий взаимодействие между напылённым слоем и шаблоном.

Непосредственно после напыления материал изделия хрупок и имеет характерную для напыления слоистую структуру. Только после соответствующей термообработки материал приобретает тонкозернистую структуру и механические свойства, позволяющие подвергать его дальнейшей обработке и использовать в конструкциях. Выбор режима термообработки зависит от материала будущего изделия.

Понравилась статья? Всё ли вам понятно? Хотел вам порекомендовать заглянуть на наш YouTube канал. Так же посмотреть уже готовые проекты на скачивание, среди которых чертежи, схемы и 3D-модели.