РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Плазменное напыление и плазменная наплавка порошковых покрытий
Контактное лицо: Кузьмин Виктор Иванович, e–mail: [email protected]
R
SB
SB
R
AS
AS
IT
IT
AM
AM
SB
SB
R
R
AS
AS
В лаборатории разработаны и прошли промышленные испытания самые современные, на
сегодняшний день, генераторы термической плазмы (плазмотроны) для напыления порошковых
материалов, что позволяет производить нанесение различных покрытий с уникальными
свойствами. Например, пористость керамических покрытий из оксида алюминия составляет
менее 1%.
IT
AM
AM
Рис.1. Микроструктура покрытия Al 2 O 3 (исходная фракция порошка – 40 мкм).
IT
AM
SB
R
IT
AS
AM
SB
R
AS
IT
Стандартные покрытия из оксида алюминия, получаемые плазменным напылением, имеют, по
данным разных источников, пористость 8–15%.
Предварительные исследования характеристик металлических покрытий показали
существенное повышение твёрдости покрытия по сравнению с паспортными данными исходного
порошкового материала. Экспериментальные данные по двум типам порошков представлены в
таблице. Для объяснения данного эффекта в настоящее время проводятся более глубокие
исследования полученных материалов.
Наш плазмотрон для напыления покрытий выполнен по линейной схеме с секционированной
межэлектродной вставкой (МЭВ), которая обеспечивает, по сравнению с плазмотронами с
IT
IT
AM
AM
SB
SB
R
R
AS
AS
самоустанавливающейся длиной дуги, существенно большее рабочее напряжение, хорошую
осевую симметрию плазменной струи и минимальный уровень пульсаций его параметров.
Номинальная мощность разработанного плазмотрона составляет 50 кВт. Фотография
плазмотронов представлена на рисунке 2.
R
AS
AS
Рис.2. Плазмотроны.
R
SB
R
AS
IT
IT
AM
AM
SB
Плазмотрон рассчитан на работу в турбулентном, переходном и ламинарном режимах
истечения плазменных струй, что позволяет с высокой эффективностью напылять покрытия из
любых материалов (металлических, керамических, композиционных и т. д.). На рисунке 3
представлены фотографии плазменных струй.
IT
Рис.3. Режимы истечения плазменных струй.
AS
100 мм
Турбулентная струя
AM
SB
100 мм
Ламинарная струя
IT
AM
SB
R
Существенной модернизацией плазмотрона явилась разработка узла кольцевого ввода с
газодинамической фокусировкой порошковых материалов. Серийные западные и отечественные
установки плазменного напыления укомплектованы плазмотронами с точечным вводом
обрабатываемого материала.
Узел кольцевого ввода с газодинамической фокусировкой обеспечивает получение
осесимметричного высокотемпературного гетерогенного потока. Визуализация гетерогенного
потока, выполненная при помощи лазерного ножа, иллюстрирует чёткую фокусировку и
AM
SB
SB
R
R
AS
AS
формирование плотного осесимметричного течения при холодной продувке с подачей порошка,
транспортирующего и фокусирующего газов (рис.4).
IT
IT
AM
Рис.4. Фотография гетерогенного потока при холодной продувке плазмотрона, полученная с
использованием метода лазерного ножа.
R
SB
IT
AM
SB
R
IT
AS
AM
SB
R
AS
IT
IT
AM
AM
SB
R
AS
AS
Осесимметричный радиально-сходящийся поток частиц непосредственно за зоной анодной
привязки дугового разряда позволяет существенно увеличить эффективность взаимодействия
потока плазмы с порошковым материалом, что значительно повышает качество и
производительность обработки материала.
Лабораторные и производственные испытания нашего плазмотрона, укомплектованного узлом
кольцевого ввода, показали существенное увеличение эффективности нагрева и ускорения частиц
порошковых материалов. Увеличение скорости истечения струи плазмы при напылении
металлических порошков составило до 2,7 раз (перешли в сверхзвуковой режим), при
напылении керамических порошков — до 3 раз.
На базе нашего плазмотрона разработана и изготовлена полнокомплектная промышленная
установка плазменного напыления «Термоплазма 50–01», которая включает в себя источник
питания, пульт управления, промежуточный модуль с блоком запуска, два порошковых дозатора и
блок автономного охлаждения плазмотронов. Установка комплектуется двумя плазмотронами,
которые могут использоваться как в ручном, так и в механизированном вариантах. Канал одного из
плазмотронов собран для напыления металлических порошков, второго плазмотрона — для
напыления керамических порошков. Переключение электропитания, охлаждения, газоснабжения,
блока запуска и подачи порошка с одного плазмотрона на другой производится дистанционно с
пульта управления. Фотография пульта управления и напылительных плазмотронов представлена
на рис. 5.
В отличие от плазменного напыления при плазменной наплавке дуговой разряд плазмотрона
замыкается на наплавляемую поверхность, что исключает использование этого процесса при
нанесении покрытий на тонкостенные изделия (из-за термических поводок). Но при наплавке на
массивные детали этот процесс позволяет получать покрытия с уникальными свойствами
(практически нулевая пористость и прочность соединения с поверхностью на уровне прочности
самой основы). Наплавленные покрытия хорошо работают при любых нагрузках, в т.ч. ударных и
при интенсивном гидро- и газоабразивном воздействии. В отличие от напыления наплавкой можно
наносить покрытия большой толщины (до 5 мм за один проход). Особых ограничений по толщине
покрытий нет.
R
AS
AS
R
SB
SB
Рис.5. Пульт управления и электродуговые плазмотроны.
R
SB
R
AS
IT
IT
AM
AM
SB
R
AS
AS
IT
IT
AM
AM
Для плазменной наплавки используются те же порошковые материалы, кроме керамики, что и
для плазменного напыления (порошки используются большей фракции).
В лаборатории разработан и прошёл промышленные испытания плазмотрон для плазменной
наплавки порошковых материалов номинальной мощностью 8 кВт.
Фотография плазмотрона для плазменной наплавки представлена на рис. 6.
SB
Рис. 6. Плазмотрон для плазменной наплавки порошковых материалов.
IT
AM
SB
R
IT
AS
AM
Так же как и напылительный, плазмотрон для плазменной наплавки оснащён оригинальным
узлом кольцевого ввода порошковых материалов. Конструкция плазмотрона позволяет выполнять
наплавку покрытий, как в ручном, так и в механизированном вариантах.
IT
AM
SB
AS
R
AM
IT
SB
AS
R
AS
R
R
AS
SB
SB
AM
IT
IT
AM
AM
IT
R
AS
R
AS
SB
SB
AM
IT
IT
AM
SB
AS
R
AM
IT
SB
AS
R
AS
R
R
AS
SB
SB
AM
IT
IT
AM
AM
IT
R
AS
R
AS
SB
SB
AM
IT
R
SB
IT
AM
SB
R
IT
AS
AM
SB
R
AS
IT
IT
AM
AM
SB
R
AS
AS
IT
IT
AM
AM
SB
SB
R
R
AS
AS
ЯКОРЬ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ С
КЕРАМИЧЕСКИМ ПОКРЫТИЕМ AL2O3
IT
AM
SB
AS
R
AM
IT
SB
AS
R
AS
R
R
AS
SB
SB
AM
IT
IT
AM
AM
IT
R
AS
R
AS
SB
SB
AM
IT
SB
R
покрытие Ni-Cr-B-Si
IT
AM
SB
R
IT
AS
AM
SB
R
AS
IT
IT
AM
AM
SB
R
AS
покрытие Fe-C-Cr-Mn-Ni
AS
IT
IT
AM
AM
SB
SB
R
R
AS
AS
РОЛИКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОКАТНОГО
СТАНА С ИЗНОСОСТОЙКИМИ ПОКРЫТИЯМИ,
ПОЛУЧЕННЫМИ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКОЙ