§3. Создание

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ МЕТОДОМ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ

На примере реализации конкретной технологии плазменного нанесения порошковых материалов можно проследить технологические особенности и многообразие взаимосвязанных факторов, влияющих на качество напыляемых покрытий.

Низкотемпературные электронагреватели - электротехнологические ус¬тановки, широко применяемые для отопления помещений, нагрева воды, по¬догрева химических аппаратов, прессования пластмасс и т.д. Необходимость массового производства таких устройств определяет жесткие требования к их себестоимости, материалоемкости, сроку службы, электробезопасности, эколо-гичности. Разработанный и созданный плоский электрический нагреватель* на основе плазменного напыления тонких электроизоляционных и электропрово­дящих слоев, нанесенных на теплопроводящую основу-подложку (рис. 10.5), оказался весьма перспективным для индивидуального обогрева помещений, подогрева бетона в зимнее время, использования в теплицах и для других нужд. Технические данные нагревательного элемента (рис. 10.5): мощность Р » 300 Вт, напряжение питания U = 36 В, ток/» 8,5 А, габариты 900x150 мм .

* В работе принимали участие А.И. Алиферов, Э.К. Урбах, М.В. Чередниченко.

В общем случае изготовленный плазменным способом нагревательный элемент, устройство которого схематично показано на рис. 10.6, представляет собой многослойное покрытие с токонесущим резистивным слоем определен­ной длины

Рис. 10.6. Схема электронагревателя:

1 - корпус; 2 - подслой; 3 - электроизоляционный слой керамики; 4 - резистивная дорожка; 5 - защитное покрытие

В качестве электроизоляционного (3) и защитного (5) слоев использовал­ся оксид алюминия - недорогой материал, удачно сочетающий технологиче­ские и электрофизические свойства. Оксид алюминия отличается высокой жа­ростойкостью и большим электрическим сопротивлением. Покрытия из AI2O3 имеют высокое пробивное напряжение (рис. 10.7).

Для напыления резистивного слоя 4 (см. рис. 10.6) в электрических нагре­вательных элементах можно использовать широкий круг материалов. При ма-лых размерах нагревателя и его удельной поверхностной мощности q > 1 Вт/см для резистивной дорожки применяют материалы с высоким удельным элек­тросопротивлением, например, карбид хрома или его механическую смесь

Рис. 10.7. Зависимость напряжения пробоя пленок окиси алюминия от их толщины:

1 - однокамерный плазмотрон с трубча­тым выходным электродом; 2 - сек­ционированный плазмотрон ЭДП-167

Рис, 10.8. Зависимость удельного сопротивления нихромовой пленки от ее толщины

с нихромом (85% мае. - карбид хрома 4- 15% мае. - нихром). Для на­гревательных элементов с 0,1 <q< 1 Вт/ем² целесообразно использовать ни­хром с составом Ni - 80 %, Сг- 20%. При q < <0,1 Вт/см² можно применять широко распространенный алюминид никеля марки ПН85Ю15.

На рис. 10.8 показана зависимость удельного сопротивления нихромовой пленки (80 % Ni + 20 % Сг) от ее толщины при размерах частиц порошка 30...50 мкм.

Резистивный слой нихрома наносился на керамический подслой (см. рис. 10.6) толщиной 150 мкм, напыленный порошком А1₂0з с размером частиц 30..50 мкм.

Экспериментальная установка. Схема установки для плазменного на­пыления дана на рис. 10.9. Электропитание плазмотрона осуществляется от источника питания постоянного тока (АПР-404, БЭП-80, ИПН-160/600 и др.). Плазмообразующий и транспортирующий газы не должны содержать воды и кислорода. Температура воды для охлаждения электродов плазмотрона нахо­дится в пределах 8... 15 °С. Пульт управления 5 обеспечивает визуальный кон­троль и регулировку параметров работы плазмотрона 7, порошкового питате­ля-дозатора 6, величину расхода газа. Только при стабильной работе всех элементов установки может быть достигнуто качественное напыление мате­риалов.

Рис. 10.9. Принципиальная схема установки для плазменного

напыления:

1 - газ, транспортирующий порошок; 2 - рабочий газ; 3 - охлаж­дающая вода; 4 - источник электропитания; 5 - пульт управления; 6 - порошковый питатель; 7 - плазмотрон; 8 - плазменная струя; 9 - напыляемое покрытие; 10- подложка; 11 - подвод напыляемого порошка, электроэнергии, рабочего газа, воды

Рис. 10.10. Вольт-амперная характе­ристика дуги для различных газов:

1 - аргон, G - 1 г/с; 2 - О_х = 0,8 г/с Аг, G₂ - 0,2 г/с N₂; 3 - G, - 0,8 г/с N₂, G₂=0,2r/c Аг

При проведении экспериментов ис­пользовался секционированный плазмо­трон ЭДП-167 (см. схему на рис. 6.52, а). Он может работать на аргоне, смеси ар­гона с водородом, азотом и на чистом азо­те. При работе на аргоне вольт-амперная характеристика дуги имеет возрастающий вид (рис. 10.10), дуга горит стабильно и при повторных включениях отклонение величины напряжения дуги не превышает ±1 В. При использовании аргон-азотных смесей это отклонение несколько выше, но не более ±2 В.

Плазмотрон надежно работает на ар­гоне при токах дуги до 450 А, а на аргон-азотных смесях - до 300 А. При напылении тугоплавких материалов и для экономии аргона целесообразно использовать смесь с подачей 0,75...0,8 г/с азота в катод­ную область и 0_Э2...0,25 г/с аргона в область перед анодом (рис. 10.10, кривая 3). В этом случае одновременно обеспечивается максимальное напряжение дуги и высокий ресурс анода (до 100 ч) при мощности плазмотрона 30...45 кВт.

Рис. 10.11. Схема экспериментальной установки для нанесения

покрытий:

1 - стальной водоохлаждаемый стол; 2 - металлическая пластина-основа нагревателя (подложка); 3 - маска; 4 - крепежная скоба;

5 - плазмотрон

Для напыления ленточных плоских нагревателей используется металли­ческий водоохлаждаемый стол, на котором крепятся закрытые масками метал­лические пластины (рис. 10.11). Маски имеют ступени для предотвращения их сваривания напыляемым материалом с подложкой.

Для получения качественных покрытий помимо уже упомянутых эле­ментов плазменной установки и технологического стола необходимо и другое оборудование: камера для обезжиривания деталей; установка для дробеструй­ной обработки поверхности с целью ее активации для получения хорошей адгезии покрытия с деталью; механизмы для перемещения обрабатываемого изделия и др.

Технология изготовления нагревателей. В зависимости от формы и на­значения нагревателей технологии их изготовления могут незначительно раз­личаться. В качестве примера рассмотрим технологию изготовления электри­ческого нагревательного элемента для обогрева теплиц (см. рис. 10.5) мощностью 0,3 кВт на рабочее напряжение 36 В.

Основа нагревателя - стальная пластина 1 толщиной 1 мм размером 900x150 мм². Ширина и толщина токопроводящих дорожек рассчитывались с использованием данных, представленных на рис. 10.7 и 10.8.

Порядок изготовления нагревательного элемента следующий: отжиг за­готовок; разметка и сверление технологических отверстий; дробеструйная об­работка металла; плазменное нанесение подслоя; напыление изолятора; напы­ление токопроводящих дорожек; напыление защитного слоя керамики.

На обработанные поверхности пластин наносится слой порошка ПН85Ю15 с размером частиц 40...70 мкм шириной 22 мм и толщиной 0,5...0,1 мм. При напылении подслоя расстояние от плазмотрона до детали равно примерно 250 мм, скорость перемещения плазмотрона - около 200 мм/с.

Изоляционный слой формируется из порошка AI2O3 с размером частиц 30...50 мкм. Оксид алюминия напыляется при расстоянии 150... 180 мм от среза плазмотрона до детали. Ширина дорожки - примерно 20 мм, скорость пере­мещения плазмотрона - 80 мм/с, толщина полученного слоя керамики состав­ляет 0,15... 0,20 мм.

Токопроводящая дорожка наносится на изолирующий слой AI2O3. Поро­шок для резистивного покрытия выглядит так: Ni 80 %, Сг 20 %, размер частиц 30...50 мкм. Толщина токопроводящего слоя - 0,13 мм, ширина каждой из двух дорожек (см. рис. 10.5) - 10 мм. Токопроводящий слой в местах токоподвода примерно в 1,5 раза толще, чем в остальных частях дорожки. Более толстое покрытие (на 10...20 %), чем на прямолинейных участках, наносится и на кри­волинейных участках резистивной дорожки.

После нанесения токопроводящих дорожек они покрываются защитным слоем из AI2O3. Толщина покрытия составляет 0,15 мм.

Средняя температура пластины нагревательного элемента, изготовленно­го по описанной технологии, равна примерно 170 °С. На основе отдельных элементов, объединяя их конструктивно в группы, можно собирать нагревате­ли различной мощности. При необходимости можно уменьшать температуру пластин, включая их последовательно либо питая от источника с регулируе­мым током.

Выбраковка элементов проводилась 10-кратным их погружением в воду в рабочем состоянии и испытанием на пробой (резистивная дорожка - метал­лическая основа) напряжением 1 кВ.

Результаты экспериментов. Одним из основных факторов, определяю­щих работоспособность любого покрытия, является прочность его сцепления с подложкой (адгезия). Для увеличения адгезии подложку обрабатывают дробе­струйным аппаратом, очищая поверхность от окислов и активируя ее, а также напыляют подслой из материала, имеющего промежуточные (относительно подложки и покрытия) коэффициенты термического расширения и высокие пластические свойства. В качестве материала подслоя чаще всего используют порошки на основе никеля, например, ПН85Ю15. Они обладают высокой кор-розионно- и жаростойкостью и обеспечивают качественное сцепление как со стальной подложкой, так и с напыляемыми на них материалами.

На рис. 10.12 представлена фотография поперечного микрошлифа нагре­вателя, полученная с помощью металлографического оптического микроскопа NEOPHOT. Керамические слои 3 и 5 на этой фотографии не видны из-за высо­кого поглощения света. По фотографии можно оценить толщину подслоя 2, изоляционного слоя 3 и резистивного слоя 4.

На шлифе также видно (слой 5), что при напылении AI2O3 при умерен­ном токе дуги (около 260 А) продукты эрозии электродов в керамическом слое отсутствуют (в противном случае были бы видны включения в виде светлых частиц различной формы). Наиболее ответственная операция при изготовле­нии нагревателей - напыление резистивных слоев. Это связано с низкой теп­лопроводностью изолирующего слоя из AI2O3, на который наносятся токопро-водящие дорожки. Для исключения перегрева дорожек, ухудшающего их качество, они наносятся в несколько тонких слоев за несколько проходов с большой скоростью перемещения (не менее 200 мм/с) при расстоянии от среза сопла плазмотрона до изделия около 250 мм. Подача порошка дозато­ром не должна превышать 1,5 кг/ч.

Рис. 10.12. Фотография микрошлифа четырехслойного покрытия (^х25):

1 - металлическая подложка; 2 - промежуточный слой; 3 - изоляционный слой керамики; 4 - рези-стивный слой; 5 - защитный слой керамики

В плоских нагревательных элементах могут быть как прямые, так и закругленные токопроводящие дорожки. На рис. 10.13, а изображен фрагмент резистивной дорожки нагревателя с криволинейным участком, имеющим внутренний радиус кривизны R\ = 10 мм и внешний R₂ = 20 мм. Здесь же представлено распределение температуры (рис. 10.13, б) поверхности дорожки по ее ширине L (здесь L = 10 мм).

Видно, что тепловыделение внутренних участков изгиба резистивного слоя выше, чем внешнего, хотя толщина слоя одинакова. Это означает, что

Г0 I 1 1 —I . 1 1

0 2 4 6 8 10 х,мм

Рис. 10.13. Изменение температуры вдоль оси х

токовая нагрузка на внутренней части дорожки выше, чем на наружной, что и вызывает ее нагрев до более высокой температуры. При сильном увеличении тока резистивный слой, как правило, разрушается в месте закругления дорож­ки. Разрушение всегда начинается с внутреннего участка изгиба и быстро рас­пространяется по координате х. Из этого следует, что для повышения надеж­ности нагревателя целесообразно либо избегать криволинейных участков с малыми радиусами кривизны при его конструировании, либо при напылении в этих местах наносить более толстое покрытие, чем на прямолинейных участках.

Энергетические характеристики ленточного нагревателя можно опреде­лить по результатам измерения тока, проходящего через нагреватель, падения напряжения на нем и его температуры. На рис. 10.14 приведена БАХ плоского нагревателя размером 150x900мм² с двумя параллельными резистивными до­рожками шириной 10 мм и длиной 750 мм каждая. Видно, что эксперимен­тальные точки, соответствующие постоянному и переменному (50 Гц) токам, хорошо ложатся на одну линию. Вольт-амперная характеристика ленточного нагревателя возрастающая, как и должно быть омическому сопротивлению, которое увеличивается при нагревании.

На рис. 10.15 показана экспериментальная зависимость температуры на­гревателя от тока, проходящего через резистивные дорожки. Измерения про­водились на воздухе при температуре окружающей среды 18 °С.

Рис. 10.15. Зависимость температуры Рис. 10.16. Влияние температуры нагревателя от тока подложки нагревателя на его ресурс

При изготовлении нагревательных элементов по описанной выше мето­дике следует учитывать, что, чем выше рабочая температура подложки на­гревателя, тем ниже его ресурс (рис. 10.16). Установлено, что при нагреве до 200 °С ресурс таких нагревателей составляет > 10 000 ч, причем их можно при этом многократно погружать в воду. С повышением температуры нагре­вателя его ресурс быстро падает. Уже при температуре около 250 °С при двух- и трехкратном погружении в воду включенного в сеть нагревателя многослойное покрытие отслаивается и он выходит из строя. Поэтому плаз­менное напыление целесообразно применять для изготовления низкотемпе­ратурных нагревателей с рабочей температурой до 200 °С. Например, пло­ские нагревательные элементы с рабочей температурой 60 °С (именно такая температура рекомендуется для бытовых источников тепла) будут служить десятки лет (рис. 10.16).

Таким образом, обоснована и реализована технология плазменного на­пыления плоских электронагревателей с температурой 60...180 °С, предназна­ченных для обогрева жилых и производственных помещений. Плазменный ме­тод нанесения покрытий позволяет создавать широкий круг надежных и высокоресурсных низкотемпературных электронагревателей различного на­значения.

Г л а в а XI. ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

ТОНКОСТЕННЫХ ЛИСТОВ МЕТАЛЛА⁴