1.4.2.1 Оборудование для плазменного напыления

Для получения плазмы используются различные генераторы низкотемпературной плазмы, которые должны отвечать следующим требованиям:

– температура плазмы на выходе должна быть достаточно высокой (от 2500 до 20000 К);

– плазма должна быть достаточно чистой, т. е. свободна от загрязнения такими частицами, которые не входят в состав рабочего тела;

– высокая эффективность преобразования электрической энергии в тепловую и возможность получения максимального КПД технологического процесса;

– параметры низкотемпературной плазмы должны быть стабильными, управляемыми и обеспечивать оптимальные условия процесса;

– генерация плазмы должна обеспечиваться в течение длительного промежутка времени;

– возможность использования различных плазмообразующих сред;

– простота эксплуатации, легкость возбуждения электрического разряда, причем желательно без ввода дополнительных устройств (поджигающих электродов, проволочек) в область разрядного канала;

– легкость ввода исходного материала в плазменный поток.

Для организации промышленных технологических плазменных процессов наиболее перспективными в настоящее время считаются электродуговые и высокочастотные генераторы низкотемпературной плазмы, поскольку именно они удовлетворяют перечисленным выше требованиям. Наиболее простой вариант нагревателя газа представляет собой дуговой электрический разряд, горящий между двумя торцовыми электродами, обдуваемый газом в осевом или перпендикулярном направлении. В этом случае за разрядом образуется плазменная струя с высокой температурой.

Электродуговые установки позволяют получить следующие параметры плазменных струй:

– скорость нагретого газа на выходе из дуговых плазмотронов – от 10 до 1000 м/с (в зависимости от расхода плазмообразующего газа, диаметра сопла плазмотрона, мощности в дуге);

– максимальная температура на оси струи – от 10000 до 50000 К;

– среднемассовая температура нагретого газа 10000 К при работе на одноатомных газах и 4000–5000 К при работе на двухатомных газах (азот, водород).

Особенность работы электродуговых плазменных установок состоит в высокой эффективности преобразования электрической энергии в тепловую; в невысокой стабильности горения электрической дуги; высокой эрозии электродов, что приводит к загрязненности плазменной струи.

Плазменные покрытия наносят обычно на воздухе в специальном шкафу с вытяжной вентиляцией или в герметичной камере с контролируемой атмосферой, чаще всего с нейтральной. Для нанесения плазменных покрытий применяем установку УМП-6 . Установки предназначены для получения плазменным напылением теплозащитных, жаростойких, электроизоляционных, износостойких и антикоррозионных покрытий из металлических порошков и керамики на внутренние и наружные поверхности тел вращения, а также на поверхности плоских изделий.

 

1.5 Механическая обработка поверхностей

Предварительной механической обработке подвергаются бывшие в эксплуатации детали, подлежащие восстановлению. Для этого применяют грубую обдирку на наждачном камне, удаляя раковины, трещины, поры. Для придания правильной геометрической формы изношенным участкам, применяют точение. Глубина проточки регламентируется условиями эксплуатации. Если допустимый износ составляет 0,5 мм на радиус, глубина проточки должна составлять соответственно 0,65 мм. Проточка должна заканчиваться фаской с наклоном 40 45 к оси детали и выполняться концентрично. В противном случае толщина покрытия будет различной.

Перед напылением детали в обязательном порядке подлежат обезжириванию. Масло, жир, краска должны быть удалены с покрываемого участка поверхности и со смежных участков. Иначе при высокой температуре жирная пленка растекается по всей поверхности, препятствуя адгезии. Для обезжиривания используют органические растворители, например, тетрахлорэтилен, бензол, пиробензол и другие хлорированные углеводы. Пригодны также моющие составы, щелочные растворы и эмульсии (ГОСТ 9.402-80). Применение последних требует последующей промывки и сушки деталей. В некоторых случаях (для пористых подложек) необходимо дополнительно провести отжиг при температуре не более 500 С для выгорания масла. Хорошие результаты дает промывка растворителем с нагревом до 270 330 С, позволяющая вытеснить масло из пор.

Для повышения адгезии покрытий поверхности детали необходимо придать шероховатость. С этой целью применяют струйнообразивную обработку, травление, электроискровые методы. Все чаще в последние годы используют нанесение подслоя из материалов, обладающих высокой адгезией к основному металлу.

Струйно-абразивная обработка наиболее гибкий метод. Ее преимущества связаны с возможностью равномерной обработки больших площадей, удаление с поверхности изделия оксидной пленки. Параметр шероховатости после обработки должен составлять Rz = 80...160 мкм. Шероховатость зависит от типа образца, давления воздуха, применяемого оборудования и твердости поверхности.

В качестве абразивов используют электрокорунд 12Л, 15А и др. зернистостью 53Н, 63Н, 80Н (ГОСТ 3647-80) или металлическую дробь ДКЧ, ДКК номеров 0,1; 0,2; 0,3; 0,5 (ГОСТ 11964-81). При прочих равных условиях чем крупнее абразив, тем больше шероховатость. Абразивный материал не должен содержать загрязнений, следов ржавчины, его оборот может составлять 50 100 раз.

Для обработки используется полное давление воздушной магистрали (около 0,6 МПа). При обработке тонкостенных деталей необходимо исключить их коробление. В качестве первых мер предосторожности выгоднее уменьшить размер абразива, а не давление воздуха, так как использование мелкого абразива производительнее. Расстояние от сопла струйно-абразивного пистолета должно составлять 100 150 мм, угол наклона 0 15 от нормали к поверхности. Последующее нанесение покрытия следует производить под таким же углом, в противоположном случае прочность сцепления может снизиться до нуля.

Обрабатывать каждый участок по времени рекомендуется до тех пор, пока дальнейший обдув не перестанет вызывать видимых изменений. Необходимо отметить, что активация поверхности таким образом вызывает ее наклеп. Наклеп поверхности основы существенно влияет на ее активность при напылении. При этом прочность сцепления частицы с основой может как увеличиться, так и уменьшиться. Поэтому злоупотреблять струйно-абразивной обработкой не следует.

При увеличении твердости поверхности глубина обработки уменьшается. Это резко изменяет микрогеометрию шероховатости, стенки впадин не могут получить наклона внутрь, металл просто срезается без деформаций или смещений в сторону. В случае, если твердость поверхности больше 40 HRC_э, струйно-образивной обработки может быть недостаточно для действительно прочного сцепления.

Для обработки необходим чистый и сухой воздух. Наличие в нем труднообнаружиаемых следов масла значительно ухудшает сцепление. Для индикации масел удобно пользоваться быстросохнущими растворителями. Если капля растворителя после высыхания на поверхности оставляет отчетливое темное пятно, это обычно указывает на присутствие масла.

Травление (ГОСТ 9.402-80) производят для нанесения тонких (до 0,2 мм) покрытий при подготовке тонкостенных деталей. Травление протекает с различной скоростью у кристаллов и межкристаллитных включений обрабатываемого материала, что обусловливает появление шероховатости поверхности. После травления поверхность должна быть тщательно нейтрализована. Перерыв между травлением и нанесением покрытий не должен превышать трех часов.

Шероховатость в виде мелкой винтовой нарезки, канавок и накатки можно обепечить методами механической обработки. Максимальной адгезии можно достичь при Rz_max = 150...170 мкм.

Электроискровую подготовку поверхности проводят в том случае, когда основа имеет высокую твердость (более 50 HRC_э) и не может быть обработана дробеструйным или механическим способами.

Детали, подготовленные к нанесению покрытий, не должны долго храниться, так как это также снижает прочность сцепления. Желательно, чтобы разрыв во времени не превышал 1 4 часов в условиях комнатной температуры (около 20 С) и низкой влажности (меньше 75 %).

Как часть процесса подготовки поверхности следует рассматривать предварительный нагрев, который проводят непосредственно перед нанесением покрытий. При соприкосновении плазменной струи с холодной поверхностью на ней конденсируются поры воды, поверхность моментально увлажняется. При ударе об увлажненную поверхность разогретых металлических частиц влага бурно испаряется под ними, препятствуя прочному сцеплению. Предварительный нагрев снижает также остаточные внутренние напряжения в покрытиях, так как приводит к расширению материала подложки.

Сцепление напыленного металла с горячими поверхностями прочнее, чем с холодными. В принципе, чем выше температура, тем прочнее адгезия. Однако излишний нагрев перед напылением приводит к окислению поверхности. Деталь никогда не следует нагревать так, чтобы она заметно изменила свой цвет.

Удобнее всего предварительный нагрев осуществить плазменным факелом. Плазмотрон должен располагаться достаточно далеко от поверхности напыления. На слишком близкое расположение указывает потемнение поверхности.