СПОСОБ ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
LASER-PLASMA SPRAYING METHOD OF COATINGS

Изобретение относится к области газотермического нанесения покрытий и может быть использовано для поверхностной обработки деталей в машиностроении, в том числе специальном, авиастроении, ракетостроении, энергетике и др.
Известен способ плазменного напыления (Пузряков А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления - М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2003. - 358 с.), включающий создание плазменного потока, подачу частиц напыляемого порошка внутри плазмотрона, и напылении разогретого порошка на поверхность обрабатываемой детали.
Недостатком такого способа является неоднородный нагрев частиц напыляемого порошка, который приводит к попаданию на поверхность обрабатываемой детали частиц, не достигших температуры плавления, и получение покрытия с низкими эксплуатационными характеристиками из-за низкой прочности вследствие отслаивания и высокой пористости.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ лазерно-плазменного напыления покрытий (см. RU 75391 U1, 10.08.2008 /D1/), в котором плазмотроном создают плазменный поток, направленный на напыляемую поверхность, и подают в него частицы напыляемого порошка, при этом на выход из сопла плазмотрона перпендикулярно плазменному потоку подают модулированное лазерное излучение и фокусируют его на противоположной от источника лазерного излучения стороне плазменного потока.
Недостатками данного способа являются низкая прочность сцепления покрытия с подложкой, поскольку подводимая энергия лазерного излучения поглощается плазменным потоком лишь на 15-20%, что и приводит к недостаточному нагреву частиц напыляемого материала.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение прочности сцепления покрытий с подложкой.
Это достигается тем, что в способе, заключающемся в создании плазмотроном плазменного потока, направленного на напыляемую поверхность, подаче на выход из сопла плазмотрона перпендикулярно плазменному потоку модулированного лазерного излучения и фокусировке его на противоположной от источника лазерного излучения стороне плазменного потока, лазерное излучение подают перед подачей частиц напыляемого порошка. Интенсивность лазерного излучения при этом должна быть не менее пороговой, при которой происходит оптический пробой.
Использование модулированного лазерного излучения с интенсивностью не менее пороговой позволяет подводить энергию высокой плотности мощности, что дает возможность образования области оптического пробоя, в которой поглощается до 90-95% энергии лазерного излучения.
Ведение лазерного излучения перпендикулярно плазменному потоку, после его выхода из сопла плазмотрона обеспечивает повышение температуры плазменного потока за счет распространения волны поглощения в области оптического пробоя навстречу лазерному лучу, возникающей при фокусировке лазерного излучения на противоположной от источника лазерного излучения стороне плазменного потока. Это дает равномерный нагрев плазменного потока по всему поперечному сечению, а не только в ядре плазмы, что повышает температуру плазменного потока в 2-3 раза. Подача частиц напыляемого материала после введения лазерного излучения в плазменный поток, то есть после образования равномерно нагретой области оптического пробоя, обеспечивает их нагрев значительно сильнее, что в конечном итоге приводит к повышению прочности сцепления покрытия с подложкой в 2 раза по сравнению с прототипом.
На рисунке представлена принципиальная схема реализации предлагаемого способа.
Схема включает внешний блок управления установки плазменного напыления 1, блок электропитания установки плазменного напыления 2, плазмотрон 3, источник модулированного лазерного излучения 4, поворотное устройство комбинированного узла для лазерно-плазменного напыления 5, кронштейн 6, связанный с системой фокусировки лазерного излучения 7, переходник 8, предметный стол 9, систему датчиков 10 и компьютер 11.
Способ реализуется следующим образом: создается плазменный поток, направленный на напыляемую поверхность, в который после выхода из сопла плазмотрона перпендикулярно подается модулированное лазерное излучение с интенсивностью, не менее пороговой. Лазерное излучение фокусируется системой фокусировки 7 на противоположной от источника лазерного излучения стороне плазменного потока. Температура плазменного потока повышается, что фиксируется с помощью датчиков 10, и после этого в разогретый плазменный поток подаются частицы напыляемого материала. Достаточность нагрева частиц напыляемого порошка в плазменном потоке оценивается с помощью программного обеспечения, установленного на компьютере 11.
Пример.
2
3
2
Предлагаемым способом наносили керамическое покрытие оксида алюминия АlO на предварительно напыленный металлический слой на основе никель-хромового сплава. Для формирования плазменного потока и переноса с его помощью частиц порошка напыляемого покрытия использовали установку для плазменной обработки «Киев - 7», обеспечивающую мощность плазмотрона 60 кВт. Источник модулированного лазерного излучения включал в себя излучатель со средней мощностью 50 Вт, источник питания типа ЛТИ - 130 Вт, систему транспортировки, наведения и фокусировки, параметры лазерного излучения - длительность импульсов 100 нc, плотность мощности 2,5 ГВт/см и длина волны 1,06 мкм. Расстояние до напыляемой поверхности составило 150 мм, напряжение на плазмотроне - 300 В, ток - 200 А. В качестве плазмообразующего газа использовалась смесь углеродосодержащих газов с давлением 3 атм. Дисперсность частиц напыляемого порошка составила 40-60 мкм.
Для получения сравнительных данных проводилось нанесение покрытий по известному способу. Результаты сведены в таблицу.
Известный способ
Лазерно-плазменное напыление
Прочность сцепления, МПа
30-40
60-80