Установка плазменного напыления покрытий
PLASMA COATING UNIT

Изобретение относится к области металлургии, к устройствам плазменного нанесения покрытий из порошковых материалов на рабочие поверхности различных изделий для придания этим поверхностям заданных свойств и может быть использовано для формирования износостойких, коррозионностойких и других функциональных покрытий.
Плазменное напыление, благодаря высокой температуре и теплосодержанию (энтальпии) несущей струи, является одним из наиболее эффективных методов нанесения покрытий различного назначения. С помощью потоков термической плазмы можно напылять практически любые порошковые материалы: керамические, металлические, металлокерамические и т.д. [Плазменные технологии / Н.А. Соснин, С.А. Ермаков, П.А. Тополянский. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского политехи, ун-та, 2008.], [Science and Engineering of Thermal Spray Coatings, 2nd ed., Pawlowski L., John Wiley & Sons, Ltd. - 2008. - 656 р.]. Порошки металлов и сплавов, керамики используются для нанесения износо-, корозионно-, кавитационно-, жаростойких и других функциональных покрытий.
Как в отечественных, так и в зарубежных установках плазменного напыления широко используются электродуговые плазмотроны постоянного тока. Именно этот тип плазмотронов реализует высокую концентрацию тепловой энергии в объеме напылительной струи, обеспечивает стабильность параметров плазменной струи, а также обладает простой и удобной в эксплуатации схемой электропитания.
Известна установка для плазменного напыления (патент RU 2111066, заявка №9595121134, авторов Коберниченко А.Б., Ухалин А.С. и др.), которая содержит теплозвукоизоляционную камеру, состоящую из корпуса и крышки, при этом в корпусе соосно напыляемой детали выполнены вытяжной трубопровод и транспортирующий рукав, внутри которого закреплена электрическая спираль, а в верхней части крышки соосно вытяжному трубопроводу неподвижно закреплен стакан с резьбой и гайкой, причем корпус и крышка соединены между собой дисковыми уплотнениями. Изобретение направлено на увеличение адгезионной прочности плазменных покрытий.
Также известна установка (патент RU 2187575, авторов Коберниченко А.Б., Илюхин А.Н.) для восстановления блоков двигателей внутреннего сгорания плазменным напылением, содержащая корпус, внутри которого расположены тележка с механизмом ее привода, состоящим из электродвигателей, соединенных с редукторами, а также плазмотрон с механизмом его качания. Установка дополнительно снабжена поддоном, в резьбовые отверстия которого ввернуты регулировочные винты, опирающиеся на тележку, червячным редуктором, электропневматическими клапанами и пневматическими цилиндрами, внутри которых установлены, с возможностью перемещения, поршни. Установка является сложной по конструкции.
Недостатком описанных установок плазменного напыления является неудовлетворительное качество получаемых покрытий и большие потери порошкового материала. Неудовлетворительное качество покрытий обусловлено большими градиентами температуры в области электрического разряда, то есть в условиях неоднородного нагрева порошкового материала в данной области. Так же очень сложно на одном и том же плазмотроне реализовать высокоэффективное напыление металлических и керамических материалов, т.к. они предъявляют совершенно противоположные требования для режимов их напыления. Для напыления металлических материалов требуются высокоскоростные турбулентные потоки термической плазмы, а для напыления керамических материалов необходимы низкоскоростные ламинарные режимы ее истечения.
Известна установка плазменного напыления (RU 2335347) авторов Галышкина Н.В., Коротких В.М. и др., в которой катод и анод размещены в корпусе, имеющем сквозное отверстие, симметричное относительно оси корпуса. Система подачи плазмообразующего газа выполнена в виде отверстий, расположенных вокруг катода в держателе катода. Система подачи напыляемого порошкового материала также выполнена в виде отверстий и расположена в стенке сопла. Сопло установлено последовательно с анодом и шайбой из жаропрочного материала с образованием цилиндрического канала транспортировки плазмы к системе подачи напыляемого порошкового материала. Неудовлетворительное качество покрытий обусловлено неравномерным заполнением потока термической плазмы напыляемым порошковым материалом в условиях его локального (точечного) ввода. Следствие такого ввода порошкового материала - его не равномерный нагрев и не равномерное ускорение.
В качестве прототипа выбрана плазменная установка для напыления покрытий и ее варианты (патент RU 2328096, авторов Гизатуллина С.А., Галимова Э.Р. и др.).
Плазменная установка содержит плазмотрон, систему подачи напыляемого материала в дуговой разряд плазмотрона, источник электропитания постоянного тока, систему охлаждения плазменной установки, систему подачи плазмообразующих газов, систему управления и контроля, соединенную с плазмотроном, с системой подачи напыляемого материала в дуговой разряд, с источником электропитания постоянного тока, с системой охлаждения плазменной установки, с системой подачи плазмообразующих газов, при этом плазмотрон содержит осевой канал подачи напыляемого материала в дуговой разряд, катод плазмотрона выполнен из термоэмиссионного материала, закреплен в катододержателе, который закреплен в катодном корпусе, сопло, анод и межэлектродную вставку (МЭВ). Катод плазмотрона выполнен полым с конической частью со стороны сопла плазмотрона, канал подачи напыляемого материала в приосевую область дугового разряда выполнен в виде осевого отверстия в трубке, расположенной внутри полого катода. Сопло в конце плазмотрона выполнено сверхзвуковым, охлаждаемым, секционированным с электрически изолированными секциями. Межэлектродная вставка выполнена секционированной из охлаждаемых секций. Отношение суммы длин дугового канала, расположенного в МЭВ и сопле к диаметру дугового канала МЭВ находится в пределах от 4 до 250.
Недостатком прототипа является влияние порошкового материала и его паров на характеристики дугового разряда плазмотрона и, как следствие, пульсации его тепловых и газодинамических параметров. Так же большим недостатком ввода порошкового материала непосредственно в дуговой разряд через отверстие в катоде плазмотрона является практически не реализуемая его длительная работа без оседания напыляемого материала на стенках электродугового канала и образования настылей.
Задачей предлагаемого технического решения является расширение технологических возможностей установки, повышение качества напыляемых покрытий и производительности.
Поставленная задача решается конструктивным решением установки плазменного напыления покрытий, которая согласно изобретению содержит два плазмотрона, устройства подачи напыляемого материала (дозаторы) в генерируемые плазмотронами потоки термической плазмы, источник постоянного тока для электропитания дугового разряда плазмотронов, систему охлаждения плазменной установки (блок автономного охлаждения), пульт управления плазменной установкой, соединенный с плазмотронами, с устройствами подачи напыляемого материала (дозаторами), с источником постоянного тока электропитания дугового разряда плазмотронов, с блоком запуска плазмотронов, с системой охлаждения плазменной установки (блоком автономного охлаждения), при этом плазмотроны содержат устройства ввода порошковых материалов (в поток термической плазмы), каждый по два электрода - катод и анод, сопло и межэлектродную вставку в виде секционированного канала, секции которого электрически изолированы друг от друга и от электродов. В качестве устройства ввода порошковых материалов каждый плазмотрон снабжен узлом их кольцевого ввода с газодинамической фокусировкой. При этом один плазмотрон выполнен с возможностью нанесения покрытий из металлических материалов в высокоскоростном дозвуковом или сверхзвуковом турбулентном режиме истечения плазменной струи, а другой для нанесения покрытий из керамических материалов в низкоскоростном ламинарном режиме истечения плазменной струи.
Это обусловлено тем, что частицы металлических порошков имеют относительно не высокие температуры плавления и высокие коэффициенты теплопроводности. Поэтому для исключения их перегрева и значительного испарения требуются высокоскоростные турбулентные потоки плазмы. А керамические порошковые материалы, имеющие высокие температуры плавления и низкие коэффициенты теплопроводности, наоборот должны вводиться в низкоскоростные, протяженные ламинарные потоки плазмы.
Газоразрядная камера каждого плазмотрона, выполненная в виде секционированного канала, расширяющегося от катода к аноду, имеет различное количество секций (в зависимости от требуемого режима истечения плазменной струи). Секционированный канал газоразрядной камеры плазмотрона с турбулентным режимом работы выполнен длинной 5 калибров при среднем диаметре канала 9 мм, а секционированный канал газоразрядной камеры плазмотрона с ламинарным режимом работы выполнен длиной 8 калибров при среднем диаметре канала 8 мм. Переключение плазмотронов и порошковых дозаторов, блока запуска плазмотронов осуществляют с пульта управления плазменной установкой через блок переключений плазмотронов.
Положительный эффект предлагаемого технического решения достигается за счет создания полнокомплектного оборудования установки плазменного напыления покрытий с автоматизированными узлами и оперативным переключением с пульта управления двух плазмотронов, работающих в разных технологических режимах и обеспечивающих высокоэффективное нанесение покрытий из разных материалов на изделия (один - из металлических порошковых материалов, а другой - из керамических). Предлагаемое конструктивное решение установки плазменного напыления покрытий с двумя плазмотронами, позволяет осуществлять различные технологические процессы без трудоемкой операции переналадки, в случае применения одного плазмотрона.
На фиг. 1 показана схема установки плазменного напыления покрытий из порошковых материалов, содержащая плазмотрон 1 (напыление металлических порошков) и плазмотрон 2 (напыление керамических порошков), устройства регулируемой подачи напыляемого материала в потоки термической плазмы - дозатор 3 и дозатор 4, высоковольтный источник электропитания 5 (постоянного тока) дугового разряда плазмотрона, блок автономного охлаждения 6 плазмотронов 1 и 2, блок подачи рабочих газов 7 (плазмообразующий, транспортирующий и фокусирующий - воздух, защитный (завеса анода) - смесь воздуха и метана). В состав оборудования входят: пульт управления 8 установки плазменного напыления покрытий и блок переключений плазмотронов и запуска 9, соединенные с плазмотронами 1 и 2, с устройствами регулируемой подачи напыляемого материала в потоки термической плазмы (дозатор 3 и дозатор 4), с высоковольтным источником электропитания (постоянного тока) дугового разряда 5 плазмотронов, с блоком автономного охлаждения и 6 плазмотронов 1 и 2, с блоком подачи рабочих газов 7 (воздух, метан).
На фиг. 2 представлены схемы сборки плазмотронов 1 и 2: сечение А - А - для напыления металлических материалов в высокоскоростном дозвуковом или сверхзвуковом турбулентном режиме истечения плазменной струи; сечение Б - Б - для напыления покрытий из керамических материалов в низкоскоростном ламинарном режиме истечения струи плазмы.
Каждый плазмотрон содержит: катод 10; пусковую секцию 11; секции межэлектродной вставки 12 (плазмотрон 1 для напыления металлов содержит три секции, плазмотрон 2 для напыления керамики содержит пять секций); переходную секцию 13, анод 14 и узел кольцевого ввода порошковых материалов с их газодинамической фокусировкой 15.
Средний диаметр канала плазмотрона 1 для напыления металлов составляет 9 мм, а плазмотрона 2 для напыления керамики 8 мм. Больший диаметр канала плазмотрона 1 для напыления металлов обусловлен значительно большими расходами плазмообразующего газа и существенно большей напряженностью электрического поля дугового разряда. Некоторое увеличение диаметра канала, при повышенной напряженности электрического поля, снижает риск пробоя дугового разряда на секции межэлектродной вставки (МЭВ).
Так же из-за различия в уровне напряженности электрического поля ламинарного и турбулентного режимов работы канал плазмотрона 2 для напыления керамики имеет большую длину (большее количество секций). Большее количество секций МЭВ при меньшем уровне напряженности электрического поля позволяет увеличить рабочее напряжение на дуговом разряде плазмотрона до уровня, близкого к турбулентному режиму работы плазмотрона для напыления металлов. Благодаря этому оба плазмотрона в номинальных режимах работы имеют близкие значения рабочих напряжений, что способствует максимальному использованию установленной мощности источника питания плазмотронов при напылении керамических и металлических порошковых материалов.
Оперативное переключение плазмотронов 1 и 2 с помощью блока переключений плазменной установки 9 исключило необходимость переборки (переналадки) канала плазмотрона при напылении металлов и керамики и, таким образом, разрыв в операциях напыления металлического подслоя и керамического покрытия сокращен до минимума и не превышает 0,5 минуты.
Подача плазмообразующего газа из блока 7 по каналу 16 осуществляется между катодом 10 и пусковой секцией 11, подача защитного газа (завеса анода), в качестве которого используется смесь воздуха и метана, осуществляется по каналу 17 между переходной секцией 13 и анодом 14, подача порошка с транспортирующим газом и фокусирующего газа осуществляется через соответствующие щелевые каналы 18 и 19 узла кольцевого ввода с газодинамической фокусировкой 15.
На фиг. 3 представлена фотография разработанной и изготовленной в ИТПМ СО РАН полнокомплектной установки плазменного напыления функциональных покрытий, представленной в настоящей заявке.
Установка плазменного напыления покрытий работает следующим образом.
Работа установки представлена на примере напыления керамических покрытий с предварительным напылением металлического подслоя.
На блоке подачи рабочих газов 7 открываются соответствующие вентили и рабочие газы поступают на пульт управления 8 установки плазменного напыления покрытий. Включают источник электропитания дуговых разрядов 5 плазмотронов, пульт управления 8 установки плазменного напыления покрытий и блок автономного охлаждения 6 плазмотронов. На сенсорной панели пульта управления 8 установкой плазменного напыления покрытий включают режим «Работа», плазмотрон «Металлы» и подачу напряжения холостого хода на плазмотрон 1. При этом из блока 7 на плазмотрон 1 для напыления металлических порошков поступают с заданным расходом рабочие газы (плазмообразующий, защитный (завеса анода), транспортирующий и фокусирующий).. В блоке переключений плазмотронов и запуска 9 срабатывает соответствующая коммутирующая аппаратура и на плазмотрон 1 для напыления металлических порошков подается с заданным расходом охлаждающая вода из блока 6, напряжение холостого хода источника питания 5 и через ограничивающий силу тока дежурной дуги резистор, расположенный в источнике питания дуговых разрядов 5 плазмотронов, замыкается цепь дежурной дуги. После нажатия на пульте управления 8 установки плазменного напыления кнопки «Пуск» между катодом (фиг. 2, поз. 10) и пусковой секцией (фиг. 2, поз. 11) плазмотрона 1 посредством осциллятора, расположенного в блоке переключений плазмотронов с блоком запуска 9, возбуждается искровой разряд, который мгновенно перерастает в дуговой разряд дежурной дуги. Дежурная дуга вызывает ионизацию плазмообразующего газа, что обеспечивает его необходимую электропроводность и между катодом (фиг. 2, поз. 10) и анодом (фиг. 2, поз. 14) плазмотрона возбуждается рабочий дуговой разряд, а дежурная дуга автоматически отключается и плазмотрон 1 выходит на рабочий режим. Посредством пульта управления 8 установки плазменного напыления включается дозатор подачи металлических порошков 3 и через узел кольцевого ввода порошка с газодинамической фокусировкой 15 (фиг. 2) с помощью транспортирующего газа через канал 18 (фиг. 2) напыляемый металлический порошок вводится в поток термической плазмы плазмотрона 1. Причем ниже по течению, так же через соответствующий кольцевой канал 19 (фиг. 2) узла кольцевого ввода порошка с газодинамической фокусировкой 15 (фиг. 2) подается фокусирующий газ, который обеспечивает формирование высококонцентрированного гетерогенного потока, что в разы повышает эффективность нагрева и ускорения напыляемого порошкового материала потоком термической плазмы. Нагретый до температуры плавления и ускоренный до сотен метров в секунду напыляемый порошок, попадая на напыляемую поверхность, формирует покрытие. Благодаря высокой концентрации, равномерному нагреву и ускорению частиц напыляемого материала обеспечиваются высокие физико-механические характеристики напыленных покрытий (адгезия не менее 80 МПа и пористость менее 1%).
После напыления выбранного металлического подслоя отключается подача напыляемого металлического порошка, и производится отключение плазмотрона 1 для напыления металлических порошков. На сенсорной панели пульта управления 8 установки плазменного напыления включается режим плазмотрон 2 «Керамика». При этом, аналогично описанному выше алгоритму напыления металлических порошков, после подачи напряжения холостого хода на плазмотрон 2 для напыления керамических порошковых материалов цикл напыления повторяется и поверх напыленного металлического подслоя наносится керамическое покрытие. После нанесения покрытия отключается дозатор подачи керамических порошков 4 и плазмотрон для напыления керамических порошковых материалов 2.
Источники информации:
1. Плазменные технологии / Н.А. Соснин, С.А. Ермаков, П.А. Тополянский. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского политехи, ун-та, 2008.], [Science and Engineering of Thermal Spray Coatings, 2nd ed., Pawlowski L., John Wiley & Sons, Ltd. - 2008. - 656 p.
2. Патент RU 2111066, заявка №9595121134, авторы Коберниченко А.Б., Ухалин А.С. и др.
3. Патент RU 2187575, авторы Коберниченко А.Б., Илюхин А.Н.
4. Патент RU 2328096, авторы Гизатуллина С.А., Галимова Э.Р. и др. - прототип.