Плазменное напыление

Плазменную струю широко используют в качестве источника нагрева и распыления при напылении покрытий. Обладая высокой скоростью истечения и температурой, она обеспечивает возможность напыления практически любых материалов. Плазменную струю получают различными способами. В одних случаях используются дуговой прогрев газа; в других – высокочастотный индуктивный. Известны случаи получения плазменной струи лазерным нагревом.

При плазменном напылении возможна как радиальная, так и осевая подача распыляемого материала в виде порошка, или проволоки (стержней). Используются различные виды плазменной струи: турбулентные, ламинарные, дозвуковые и сверхзвуковые.

Для плазменного напыления могут быть использованы многие газы и их смеси. Наиболее общими требованиями, предъявляемыми к плазмообразующим газам являются высокие значения теплообменных критериев; инертность к элементам плазменного распылителя; невысокая стоимость и не дефицитность. В ряде случаев плазмообразующий газ должен быть инертным по отношению к распыляемому материалу; иметь высокие значения температуры или энтальпии.

Наиболее широко для получения плазмы применяют различные виды электрических разрядов в газах, в том числе и дуговой.

При ионизации и диссоциации водорода, азота, а также при ионизации аргона происходит поглощение энергии. При охлаждении диссоциированного и ионизированного высокотемпературного газа происходит обратный процесс, при котором электроны объединяются с ионами и из атомов образуются молекулы. Эти процессы сопровождаются выделением энергий ионизации и диссоциации.

Плазма служит источником энергии не только для нагрева, плав­ления и распыления наносимою материала она сообщает ему и оп­ределенный запас кинетической энергии в виде скорости движения напыляемых частиц.

В настоящее время в промышленности для получения плазмы используют два типа горелок: плазменно-дуговые и плазменно-струйные.

Рисунок 1

В плазменно-дуговой горелке (рис.1) электрическая дуга горит между анодом, которым является обрабатываемый материал и катодом, изготовленным из вольфрама или вольфрамового сплава, содержащего приблизительно 2 % тория. Дугу стабилизирует закрученный поток рабочего газа, истекающий из сопла горелки.

Рисунок 2

В плазменно-струйной горелке (рис.2) дуга образуется между вольфрамовым катодом и анодом, которым является медное, охлаждаемое водой сопло. Дуга нагревает до высокой температуры рабочий газ, подаваемый с закруткой в камеру горелки, который вытекает из сопла в виде плазменной струи. Подача рабочего газа с интенсивной закруткой в камеру горелки оказывает стабилизирующее действие на процесс горения дуги и повышает её температуру.

Помимо указанных типов плазменных горелок существуют еще плазменные горелки промежуточного типа. В этом случае дуга образуется между катодом, внутренней поверхностью сопла – анода горелки – и обрабатываемой деталью. Такие горелки со сложной дугой используют для наплавки и сварки.

Плазменные горелки позволяют легко получить плазменную струю, средняя температура которой на выходе из сопла составляет несколько тысяч градусов. Такая температура является достаточной для расплавления любых веществ, существующих в твердом виде. При напылении на поверхность детали расплавление и термическая деформация основы нежелательны. Поэтому обычно для напыления применяют плазменно-струйные горелки. Для напыления обычно используют порошок с частицами размером 40-100 мкм.

Для плазменного напыления оптимальные дистанции в зависимо­сти от режима работы плазмотрона составляет 50- 250 мм, производительность процесса от 2-8 кг/ч для плазмотронов мощностью 20-60 кВт до 50-80 кг/ч для плазмотронов мощностью 150-200 кВт.

Мощность плазменных горелок обычно составляет 20-40 кВт, при этом, как правило, 40% мощности теряется на охлаждение горелки. Поэтому мощность горелки, непосредственно расходуемая на напыление, не превышает 24 кВт.

Скорость находиться в широких пределах (100- 300 м/с). Для фо­рмирования покрытий из расплавленных частиц их скорость не до­лжна превышать 200- 300 м/с.

Напыление плазменной струёй имеет следующие особенности: высокая температура плазменной струи позволяет сравнительно просто производить напыление тугоплавких материалов. Температуру струи можно менять в широком диапазоне, подбирая диаметр сопла и режимы работы распылителя. Это позволяет производить напыление различных материалов (металлов, керамики и органических веществ). Так как в качестве рабочего газа используется инертный газ, то в напыляемом покрытии сравнительно не много окислов. В случае необходимости напыление можно производить в емкости, заполненной инертным газом.

Для практических целей в качестве рабочего газа рекомендуют использовать смесь азота с 5-10% водорода. Такой газ практически не взаимодействует с напыляемыми материалами. Однако есть материалы, которые вступают в нежелательные реакции с азотом. В таких случаях можно воспользоваться смесью аргона с водородом.