3.2.2 Электрические методы напыления

При электродуговой металлизации, как и при газопламенном напылении, необходима предварительная обработка поверхности основы.

Проволоки-электроды напыляемого материала подаются по направляющим горелки, к которым подведено напряжение. При замыкании между концами проволок образуется дуга. При низком напряжении, не превышающем 15 В, между концами электродов возникают только вспышки. При напряжении 15…25 В образуется дуга, которая носит неустойчивый, прерывистый характер. При больших значениях напряжения дуга становится непрерывной и устойчивой. Хорошие результаты горения дуги получаются в том случае, когда дуговой промежуток является небольшим и составляет примерно 0,8 мм.

В электрометаллизаторе угол между электродами (напыляемой проволокой) обычно составляет 35…60°. При углах, превышающих 60°, процесс напыления становится чувствительным к изменению условий напыления и нестабильным. При правильно отрегулированном режиме напыления конец анода принимает вытянутую форму, образуя капли расплава. Катод при образовании капель имеет сжатую форму [9].

Режимы работы электрометаллизатора для различных материалов приведены в табл. 3.6 и 3.7 [4].

Таблица 3.6 – Режимы напыления электрометаллизатором

некоторых материалов (переменный ток, давление

сжатого воздуха 0,5 МПа)

Напыляемый материал	Диаметр проволоки, мм	Напряжение, В	Ток, А	Производительность, кг/ч
Углеродистая сталь (0,1%С) Цинк Алюминий Бронза Медь Латунь	1,6 2,0 2,0 2,0 1,6 1,6	28 28 24 28 24 30	160 100 75 130 90 190	3 6 2 5,5 3 5

Таблица 3.7 – Режимы работы электродугового металлизатора

(постоянный ток, давление сжатого воздуха 0,5 МПа)

Напыляемый материал	Диаметр проволоки, мм	Напряжение, В	Ток, А	Производительность, кг/ч
Углеродистая сталь Цинк	1,6 2,0	35 35	185 85	8,5 13

В случае использования переменного тока процесс напыления неустойчив и сопровождается значительным шумом. При работе электрометаллизатора на постоянном токе напыляемая проволока, выполняющая функции анода, расплавляется приблизительно на 50% быстрее, чем катод (теоретически на аноде выделяется 66% тепловой энергии дуги). Значит, анодную проволоку следует подавать быстрее катодной. Однако на практике не возникает необходимости в разных скоростях подачи электродов. Поэтому проволоки подаются с одинаковой скоростью.

Наиболее важным при напылении является правильная регулировка тока, позволяющая уравновесить скорости подачи проволок со скоростью их расплавления и таким образом обеспечить постоянство длины дуги. При напылении расстояние от электрометаллизатора до покрываемой поверхности обычно составляет 100…200 мм.

Техника плазменного напыления имеет сравнительно короткий срок развития, и данных о ней имеется еще недостаточно. Поэтому в большинстве случаев для плазменного напыления используют основы технологии газопламенного напыления (порошкового и проволочного). Однако следует учитывать, что свойства плазменной струи, которая является источником энергии при плазменном напылении, в значительной степени отличаются от свойств газового пламени. Поэтому для плазменного напыления необходимо разработать свои обоснованные режимы.

Одной из проблем технологии плазменного напыления является выбор рабочего газа. Для практических целей в качестве рабочего газа рекомендуют использовать смесь азота с 5…10% водорода. Такой газ практически не взаимодействует с напыляемыми материалами, дешев и хорошо передает теплоту порошку напыляемого материала. Однако есть материалы, которые вступают в нежелательные реакции с азотом. Для напыления таких материалов можно воспользоваться смесью аргона с 5…10% водорода. В большинстве случаев используют также чистый аргон. В настоящее время наиболее полно изучен процесс плазменного напыления с использованием в качестве рабочего газа аргона.

Для напыляемых материалов и материалов основы, приведенных в табл. 3.8, были исследованы режимы напыления.

На рис. 3.15 для различных напыляемых материалов представлены зависимости эффективности напыления (отношение количества напыленного материала к количеству материала, использованного при напылении) от расхода рабочего газа (аргона) для различных значений расхода напыляемого порошка и подводимой мощности.

Таблица 3.8 – Материалы, применявшиеся для исследования

переменных факторов процесса плазменного напыления

Напыляемый материал	Химический состав	Размер частиц порошка, мкм	Материал подложки
ZrO2	Основа ZrO2, 5% CaO	43…104	Коррозионно-стойкая сталь 304, низкоуглеродистая сталь, алюминий.
UO2	88,2% U, остальное О	38…74	То же
TiC	Основа Ti, 19,53% С, 0,04% Ссвоб. Примеси 0,45%	5…147	Бериллий
ZrC	84…87% Zr, 10…12%C, 0,5…0,7% N	12…74	»
TaC	Основа Та, 6,25% С, 0,01% Ссвоб. Примеси 0,32%	12…74	»
TiN	75…77% Ti, 18…19%N, 1…2%C	12…74	»
Сплав 4340	Основа Fe, 0,42% С, 0,66% Mn, 0,99% Cr, 1,83% Ni, 0,27% Mo	43…74	Алюминий

^{Рисунок 3.15 – Влияние расхода рабочего газа (аргона) на эффективность напыления}

На рис. 3.16 показана зависимость эффективности напыления от энтальпии плазменной струи.

Рисунок 3.16 – Влияние энтальпии плазменной струи

на эффективность напыления

Изменение пористости покрытия от расхода рабочего газа видно на рис. 3.17.

Рисунок 3.17 – Влияние расхода рабочего газа на поверхность

напыленного материала

Из проведенных исследований следует, что с увеличением расстояния напыления (его диапазон 63…200 мм) и расхода напыляемого материала (в диапазоне 7…40 г/мин) для всех исследованных напыляемых материалов эффективность напыления уменьшается [10].

Зависимость эффективности напыления от расстояния напыления представлена на рис. 3.18.

Рисунок 3.18 – Влияние расстояния до подложки на эффективность

напыления при пламенном напылении окиси алюминия

Эти данные получены для различных значений тока дуги при напряжении 26…28 В. Расход рабочего газа (аргона) поддерживался постоянным и равным 30 л/мин, скорость перемещения основы 50…80 см/с, расход порошка 7…10 г/мин. Напыляемый материал — окись алюминия [11].

Приведенные выше результаты экспериментальных исследований дают возможность составить качественное представление о влиянии различных параметров на эффективность напыления (рис. 3.19) [10].

1 – расстояние напыления; 2 – расход порошка; 3 – скорость перемещения основы (горелки); 4 – расход газа, транспортирующего порошок;

5 – расход рабочего газа; 6 – подводимая мощность

Рисунок 3.19 – Зависимость эффективности напыления от условий

напыления

В табл. 3.9 приведены режимы напыления некоторых материалов при использовании плазменной горелки (рабочий газ — аргон), представленной на рис. 2.21 [12].

Таблица 3.9 – Режимы напыления некоторых материалов плазменным распылителем PLASMADYNE SG-1. Рабочий газ – аргон

Напыляемый материал	Ток, А		Напряжение В		Расход рабочего газа, л/мин	Расход транспортирующего газа, л/мин.	Размер частиц порошка, мкм
1	2		3		4	5	6
Al2O3	450		30		37,5	14	44
Al	175		25		25	7	74
Продолжение таблицы 3.9
1		2		3	4	5	6
Al2O3 SiO2		400		35	55	14	44
B		750		29	30	13	44
B4C		725		29	30	18	63
Латунь		150		28	37,5	9	63
Бронза		300		28	32,5	9	63
Cr-Ni-B		300		30	37,5	8	44
Cr		500		30	37,5	9	63
CrB2		400		28	30	12	63
Cr3C2		250		29	37,5	11	63
CO		400		29	30	10	63
Колмоной №6		550		28	30	12	63
Сu		500		32	50	10	44
Gd2O3		500		28	30	10	63
Au		250		28	30	12	63
Fe		300		28	30	8	44
MgO		750		30	30	9	44
Mo		450		29	30	10	63
MoSi2		400		26	22,5	9	63
MoS2		400		30	30	8	44
Монель		450		29	30	10	44
Ni		650		29	30	14	63
Ni-Cr (нихром)		300		29	30	13	63
Коррозионно-
стойкая сталь 302		400		30	30	10	44
Коррозионно-
стойкая сталь 347		400		28	30	11	63
Коррозионно-
стойкая сталь 410		400		28	30	11	63
Та		550		29	30	10	63
ТаС		750		26	25	8	44
Титановый сплав		500		26	30	8	44
TiC		725		27	25	8	63
Окончание таблицы 3.9
1		2		3	4	5	6
TiB2		550		27	30	10	44
TiO2		750		27	17,5	10	44
TiSi2		400		30	37,5	9	63
TiN		500		29	37,5	11	44
W		550		27	30	9	44
WC		525		25	30	7	63
WC+CO		500		25	30	10	63
WCY2O3		500		25	30	10	63
Zn		550		28	30	10	63
ZrO2		200		32	55	9	63
ZrB2		600		32	50	12	44
ZrC		650		27	27,5	11	63

С целью получения высокой производительности напыление желательно производить на небольшом расстоянии от горелки до напыляемой поверхности. Однако следует учитывать, что при этом может произойти перегрев основы. Поэтому рекомендуется при напылении металлов устанавливать расстояние напыления 75…250 мм, а при напылении керамики — 75…100 мм.

Однородные толстые покрытия необходимо напылять в несколько проходов. При этом за один проход толщина покрытия не должна превышать 0,25 мм.

Мощность плазменных горелок, используемых для напыления, 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.

Обычно для напыления материал основы предварительно не подогревают. Однако в некоторых случаях осуществляют предварительный подогрев с тем, чтобы удалить влагу с поверхности основы или увеличить прочность сцепления покрытия с основой. Предварительный подогрев можно произвести, например плазменной струей, не подавая в струю напыляемый порошок [11]. Обычно при напылении температура основы не должна превышать 200 °С.

При плазменном напылении особое внимание необходимо обращать на то, чтобы подача порошка в горелку была равномерной и непрерывной. При неравномерной подаче порошка покрытие будет меняться. Обычно для подачи порошка используют питатель, представленный на рис. 3.20.

1 – регулировочные гайки; 2 – бункер; 3 – порошок

Рисунок 3.20 – Схема устройства питателя

Засасывание порошка из бункера питателя транспортирующим газом (в большинстве случаев в качестве транспортирующего газа используют аргон) производится между нагнетательной и всасывающей трубами, и по питающей трубе порошок подается в горелку. Количество порошка, подаваемого в горелку, можно регулировать путем изменения расхода транспортирующего газа или расстояния между нагнетательной и всасывающей трубами. Однако подача порошка таким питателем в горелку производится неравномерно. Для напыления покрытий, имеющих одинаковые свойства, разработаны питатели, позволяющие поддерживать постоянным количество порошка, подаваемого в горелку. Равномерности расхода напыляемого порошка достигают более точным регулированием расхода транспортирующего газа или путем приложения механических колебаний к бункеру с порошком, а также с помощью шестеренчатых механизмов, дозирующих подачу порошка.

Для высокочастотного индукционного напыления используют такую же предварительную обработку поверхности, как и при других методах. Высокочастотное индукционное напыление производится при следующих рабочих параметрах: частота 250…500 кГц, потребляемая мощность 18…20 кВт; давление сжатого воздуха, разгоняющего частицы расплавленной проволоки, 2…5 кгс/см².

Расход алюминиевой проволоки диаметром 3,2 мм при работе горелки на частоте 400 кГц составляет 3,6 кг/ч. В случае напыления стальной проволоки ее расплавление происходит быстрее, и расход составляет 5…7 кг/ч [14].

В нейтральной среде можно производить напыление кальция, урана, ниобия, титана и других интенсивно окисляющихся или токсичных материалов. В качестве нейтрального газа обычно применяют аргон. Газ, заполняющий камеру, в которой производится напыление, во время работы горелки непрерывно откачивается, пропускается через фильтры, очищается и снова подается в камеру.