2. Принципы действия оборудования для плазменного напыления.

Плазменное напыление покрытий является одним из видов газотермического напыления покрытия, применяемого в технологии упрочнения и восстановления рабочих поверхностей деталей машин, механизмов, аппаратов, приборов и др. Плазменное напыление «относят к области сварки и резки. Для плазменного напыления применяют преимущественно порошковые материалы, а также проволоку, стержни, прутки» [4, с. 26].

Способ плазменного напыления покрытий на детали изделий в промышленном масштабе начали применять с 50-х годов XX века. Первые отечественные разработки плазменных установок были выполнены в институте металлургии им. А. А. Байкова под руководством акад. Н. И. Рыкалина и доктора техн. наук И Д. Кулагина. Во ВНИИавтогенмаше совместно с ИМЕТ к 1961 г. было разработано отечественное оборудование для плазменного напыления покрытий.

В комплект оборудования для плазменного напыления входят следующие узлы: плазмотрон, механизм транспортирования порошковых или проволочных материалов; пульт управления, в котором сосредоточены измерительные, регулировочные и блокировочные устройства; источник питания дуги; источник и приемник охлаждающей воды; комплекс коммуникаций, соединяющий отдельные узлы установки и обеспечивающий подвод к плазмотрону газов, электроэнергии, охлаждающей воды.

Подводимые к установке ток, плазмообразующий газ, охлаждающая вода взаимосвязаны. Взаимосвязь заключается в том, что электрическая схема включения напряжения, подводимого от источника тока к плазменной горелке, заблокирована контактами реле давления, установленными в системе охлаждения водой, а также контактами реле давления, установленными в системе питания плазмообразующим газом.

В случае недостаточного расхода и давления газа или охлаждающей воды срабатывает соответствующее реле и автоматически отключается источник тока, предохраняя плазмотрон от расплавления.

Для плазменного напыления серийно выпускаются установки двух типов: УПУ и УМП. Плазменные установки типа УПУ (УПУ-3М, УПУ-3Д) предназначены для напыления покрытий из порошковых и проволочных материалов. Они укомплектованы источником питания ИПН-160/600 или ИПН-160-III.

Последний поставляется в комплекте с установкой УПУ-3Д. В нем селеновый выпрямитель заменен кремниевым. Установка УПУ-3Д снабжена двумя плазмотронами: ПП-25; для напыления порошком и ПМ-25 ― для напыления проволокой. Установки типа УМП (УМП-5-68, УМП-6) предназначены для напыления только порошковых материалов. Установка УМП-5-68 поставляется без источника питания. Установка УМП-6 укомплектована тремя сварочными преобразователями ПД-502У2, которые позволяют в широких пределах изменять напряжение, подводимое к плазмотрону, и обеспечивать требуемый режим его работы. Установки можно применять для напыления наружных и внутренних поверхностей цилиндрических деталей, а также поверхностей плоских деталей.

За рубежом плазменное напыление получило широкое применение с использованием универсальных установок, обеспечивающих режим напыления с заданными параметрами.

При напылении цилиндрических деталей «в качестве механизма вращения и продольного перемещения плазмотрона обычно применяют бывшие в употреблении токарные станки».

Абразивно-струйную обработку поверхностей деталей производят в специальных камерах, выполненных в виде боксов с системой подвода сжатого воздуха и вытяжной вентиляции. Камера оборудована устройством для установки деталей, бункером для крошки и струйным пистолетом.

Второй деталью, определяющей работоспособность плазмотрона, является катод, который играет важную роль в процессе плазмообразования.

Основные технологические показатели, характеризующие работу катодов при плазменных процессах: максимально допустимая сила тока; эрозионная стойкость; способность к возбуждению дугового разряда и поддержанию его стабильного горения.

В прилегающей к катоду области происходят важнейшие физические процессы, которые оказывают большое влияние на общую характеристику сжатой дуги. Вследствие высокой температуры сжатой дуги и большой плотности тока катоды работают в очень тяжелых термических условиях. Температура поверхности катода в местах локального контакта с плазмой может достигать порядка 2000-4000 К и выше [1, с. 231]. Поэтому материалы катодов должны обладать высокой эрозионной стойкостью, электропроводимостью, теплопроводностью и достаточной прочностью. Однако главное требование, которому должен соответствовать материал катода; это обеспечение низкой работы выхода электронов в электродный плазменный промежуток.

Работой выхода называется количество энергии, необходимое для выбивания электрона с поверхности катода и удаления его из сферы действия силового поля иона. Отсюда следует вывод, что применение катодов с низким значением работы выхода способствует уменьшению плотности тока, снижению температуры катода и, как следствие, повышению их эрозионной стойкости.