Способи і технологічні особливості плазмового напилення покриттів

Плазмовий струмінь як джерело нагріву і розпилення матеріалу

Узагальнена схема плазмового напилення наведена на рисунку 2.2.

 

 

Риcунок 2.2 – Узагальнена схема плазмового напилен-ня покриттів: 1 –плазмоут-ворююче сопло; 2 - ядро плазмового струменя (по-чаткова ділянка); 3 - основ-на ділянка плазмового стру-меня; I - подача матеріалу, що розпилюється; II –пода-ча плазмоутворюючого газу

 

Плазмовому струменю (ПС) притаманні висока швидкість і температура:

- середньомасова температура плазмового струменя на зрізі сопла сягає (6-25)·10³К і легко регулюється;

- середньомасова швидкість плазмового струменя легко регулюється від дозвукових значень до надзвукових і досягає 1000-1500 м/с;

- часто для характеристики плазмових струменів, особливо їх теплофізичних параметрів, використовують середньомасове значення тепловмісту (ентальпії) на зрізі сопла. Воно знаходиться в межах

25-60 кДж/г і більш. Цей чинник надає вирішальний вплив на нагрів напилених частинок.

Наведені параметри плазмового струменя свідчать, що він є високошвидкісним, високотемпературним і високоентальпійним джерелом нагріву частинок. В ньому до температури плавлення можуть бути нагріті всі речовини, що є в природі, плавкі конгруентно.

На рисунку 2.3 (б, в) наведено зміну параметрів плазмового струменя по його довжині і радіусу. Основну роль в нагріві і прискоренні напилених частинок грає ядро плазмового струменя.

1- ПГ; 2 - повітря

Рисунок 2.3 - Зміна складу плазмоутворюючого газу ( ПГ) на осі струменя (а), теплофізичних властивостей плазмового струменя по осі (б) і в перетинах (в)

ПС бувають турбулентні і ламінарні. Для турбулентних плазмових струменів довжина ядра (l_я) звичайно складає від 5до 10 діаметрів сопла (d_c) і знаходиться в межах 15-60 мм.

Ламінарні ПС характеризуються набагато більшою протяжністю ядра

 (до 1м). Отже, в них створюються набагато кращі, ніж в турбулентних, умови для прогрівання і прискорення частинок. Також в ламінарних струменях практично відсутнє характерне для турбулентних перенесення маси упоперек потоку. Це зумовлює набагато менше підсмоктування в них повітря і, як наслідок, меншу взаємодію напилених частинок з компонентами навколишнього середовища (окислення, насичення газами і ін.).

Важливою характеристикою плазмових струменів є відношення потужності плазмотрона до витрати плазмоутворюючого газу. Для турбулентної плазми воно звичайно знаходиться в межах 6-8 кВт/м³, а для ламінарної - 11-12 кВт/м³. Також ламінарні плазмові струмені характеризуються меншим рівнем шуму (до 30-40дБ) в порівнянні з турбулентними (60-120 дБ).

При використанні ламінарних плазмових струменів утруднено введення порошку, оскільки він викликає їх турбулізацію. Тому в практиці напилення, в основному, використовуються затоплені турбулентні ПС як з дозвуковою, так і з надзвуковою швидкістю. В останньому випадку якість покриттів може наближатися до такої для детонаційно-газового напилення.

Класифікації способів плазмового напилення

Способи плазмового напилення частіше за все класифікують:

1) за видом матеріалу, що розпилюється;

2) за ступенем захисту;

3) за ступенем механізації.

Плазмоутворюючі гази

Плазмоутворюючі гази доцільно класифікувати за наступними групами:

а) інертні плазмоутворюючі гази:

 - Аргон. Цей газ найбільш часто використовується для напилення. Вміст аргону в марках вищого, першого і другого сорту відповідно складає 99,99; 99,98; 99,95%. Основні домішки - азот і волога. Основний недолік - невисокі значення ентальпії плазмового струменя.

- Гелій. Вміст домішок в гелії високої чистоти - не більш 0,02%, технічному – 0,2% (об). Гелій забезпечує високі показники ентальпії ПС, але він в Україні дефіцитний і дорогий. Недолік - має малу густину. Отже, потрібні високі його витрати. Гелій, в основному, використовується як добавки до аргону для підвищення ентальпії плазмових струменів. Він застосовується при нанесенні покриттів з високотемпературних матеріалів (вольфрам, молібден і ін.)

 

б) активні плазмоутворюючі гази:

- Азот. З активних газів він частіше всього використовується в практиці напилення. В основному застосовують азот високої чистоти (99,5% N₂). Його використання забезпечує отримання високоэнтальпійних плазмових струменів з більшою довжиною високотемпературної частини (див. рис. 2.4). В ній добре прогріваються порошкові частинки з тугоплавких матеріалів. Основний недолік: можлива азотизація розпилених частинок.

 

Рисунок 2.4 - Розподіл середньомасової температури Т_п і ентальпії ΔΗ_п по осі плазмового струменя Х для різних плазмоутворючих газів

 

- Азот з добавками Н₂. Водень використовується для підвищення ентальпії плазмового струменя. Його добавка в кількості, що перевищує 20%, приводить до ерозії плазмових сопел. Зазвичай його вміст в суміші з азотом складає 5- 20%.

Для напилення використовується водень різного ступеня чистоти. Найчистішим є водень марки А, що одержується електролізом води (98,8% Н₂). Основні домішки: волога, кисень.

- Аміак забезпечує інтенсивне розігрівання частинок, але сопла стоять погано через ерозію.

- Повітря. Найдешевший плазмоутворюючий газ. В ньому добре прогрівається матеріал, що напилюється. Основний недолік - окислення частинок і насичення їх азотом.

- Кисень (повітря) + пальні гази (природний газ, пропан - бутанові суміші та ін). Ці суміші характеризуються високою тепловою потужністю. Додаткове тепло зумовлено згорянням пальних газів. При використанні цих сумішей можливе регулювання окислювально-відновного потенціалу плазмових струменів.

в) суміші інертних і активних газів:

- Аr + Н₂. Ця суміш частіше за все застосовується в промисловості. Звичайно вміст в ній водню знаходиться на рівні 10-20%.

- Аг + N₂. Зміст азоту зазвичай складає 10-70%.