Способ плазменного напыления с насадкой к плазмотрону и устройство для его осуществления
METHOD OF PLASMA SPUTTERING WITH PLASMATRON ATTACHMENT AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области металлургии, а более конкретно к напылению плазменных покрытий и может быть использовано для формирования износостойких, коррозионностойких и функциональных покрытий с минимальным содержанием оксидов, формирующихся в процессе напыления.
Известен способ плазменного напыления с использованием конической насадки к плазмотрону с длиной равной дистанции напыления порошка (Johan М. Houben, United States Patent 4,199,104, Apr. 22, 1980 Int. Cl'В05В 17/04, U.S. C. 239/81; 239/85;219/76.16. Более подробно описанный в работе 23. Houben J.M., Liempd G.G. Problems Encoutered in the Development of locally shielding Plasma spray Devices. 9th. Inter. Thermal Spraying Conf. 1980, p.197-206). На рис. 1 схематично изображен плазмотрон (поз. 1) с конической насадкой (поз. 2). При напылении частицы напыляемого порошка подаются в плазменный поток (поз. 3) через штуцер (поз. 4) и под действием плазменного потока поступает в полость насадки (поз. 2). Угол раствора внутренней конической поверхности насадки равен 30°. В результате плазменный поток с напыляемыми частицами отрывается от стенок насадки и формируются зоны с местным вихревым движением плазмообразующего газа. Подача дополнительной среды, газа и/или жидкого азота в эти зоны через отверстия (поз. 5) насадки (поз. 2) приводит к повышению давления вдоль стенок, турбулентность плазменного потока в этом случае уменьшается. Дополнительная среда снижает температуру внутренней стенки насадки и предотвращают всасывание атмосферного воздуха через зазор между выходным торцом насадки и подложкой (поз. 6) на которой формируется покрытие (поз. 7). Недостатком данного способа напыления является снижение температуры газового потока, который должен нагревать и разгонять напыляемые частицы.
Известен способ напыления с насадкой, в которой в зоне формирования покрытия производят экстракцию плазменного потока (Бобров Г.В. Повышение качества плазменных покрытий изменением характера воздействия потока частиц на поверхность напыления //Исследование и разработка теоретических проблем в области порошковой металлургии и защитных покрытий. - Материалы Всесоюзной конференции. Минск. 24-26 мая 1984. - Т. 3. - с. 255.). В торцевой части насадки располагается коллектор, через который производится экстракция плазменной струи и дополнительный сопловой блок, обеспечивающий ввод дополнительного защитного потока из чистого газа. Экстракция плазменного потока производится со скоростью 5 литров в секунду, что в 5 раз превышает расход плазмообразующего газа. Недостатком данного способа напыления является несогласованность расходов удаляемого газа и чистого защитного газа, в результате чего на срезе насадки температура и скорость истечения струи резко снижаются.
В работе (Сидоренко В.В., Кругляков Е.А., Затока А.Е. Напыление газотермических покрытий термосиловым воздействием струи. Технические достижения в области газотранспортного оборудования: Сб. научных трудов ВНИИГаМ. 1986, с. 124-129), по сравнению со способом в котором экстракцию плазменного потока производят в зоне формирования покрытия, расход экстрагируемого газа увеличен с 5 до 15 л/с.Недостатком данного способа также является несогласованность между количеством газа экстракции и произвольной подачей в выходную часть насадки, защитного газа, а высокая скорость экстракции плазмообразующего газа создает большие трудности для сохранения инертности атмосферы в пятне напыления, из за поступления (захвата) воздуха атмосферы в зазор между торцем насадки и напыляемой поверхностью. Известена конструкция насадки для плазменного напыления, описанная в работе (Houben J.M., Liempd G.G. Problems Encoutered in the Development of locally shielding Plasma spray Devices. 9 th. Inter. Thermal Spraying Conf. 1980, p.197-206.). В представленной на рис. 2 конструкции входной диаметр насадки (поз. 2) в три раза больше диаметра выходного отверстия анода плазмотрона (поз. 1). При истечении плазменной струи из плазмотрона внутри насадки формируются зоны разряжения с местным вихревым движением плазмообразующего газа. Из этих пристеночных областей насадки плазменный поток удаляют (поз. 8) и подают компрессором (поз. 9) через сопла в области выходной части насадки (поз. 10), для повышения инертности атмосферы в пятне напыления. Недостатками данного способа является то, что отверстия для экстракции плазменной струи расположены перпендикулярно направлению ее движения, в результате чего экстракция высокоскоростного потока газа не эффективна и не реализуется ее 100% экстракция в области пятна напыления, не эффективен и возврат плазмообразующего газа на торце насадки, так как он направлен только внутрь насадки. В результате насадка подобной конструкции взаимодействует преимущественно с периферийной частью плазменной струи. Для формирования покрытий с аморфной и нано структурой известно устройство насадки со 100% экстракцией плазменного потока после ускорения и нагрева напыляемых частиц (Калита В.И., Комлев Д.Н. Плазменные покрытия с нанокристаллической и аморфной структурой. М: Лидер, 2008. 386 с). Для этой конструкции насадки, представленной на рис. 3, экспериментально установлено, что даже при оптимальной конфигурации профиля сопла (поз. 2), для полной (100%) экстракции плазменного потока, количество экстрагируемого газа должно в 1,5 раза превышать количество плазмообразующего газа, что является естественным при наличии сквозного отверстия в выходной части насадки. Во избежание поступления воздуха атмосферы в насадку, необходима подача дополнительного газа на ее свободный торец. Такую подачу дополнительного газа можно осуществить за счет повторного использования плазмообразующего газа после его экстракции, охлаждения и очистки от нано частиц, образовавшихся при конденсации испарившегося в плазменной струе напыляемого материала. Экстракция газа осуществляется через кольцевой канал (поз. 11), удаленный от выходного отверстия анода на дистанцию необходимую для нагрева и ускорения напыляемых частиц. Профиль данного канала плавно разворачивает натекающий на него плазменный поток и направляет его в охлаждающее устройство (холодильник) (поз. 12). Компрессор (поз. 9) оснащается фильтром, улавливающим захваченную вместе с газовым потоком часть напыляемого материала, для предотвращения попадания в зону напыления нано размерной пылевидной фракции (до 10% от массы напыляемого порошка), что повышает качество покрытий и дополнительно улучшается экологическое состояние напылительного пространства. Возврат охлажденного и очищенного газа производиться через сопловую часть насадки (поз. 10) в двух направлениях; внутрь насадки (этот поток замещает объем экстрагируемого через кольцевой канал (поз. 11) плазменного потока) и перпендикулярно подложке, на которой формируется покрытие (для сохранения инертности атмосферы в пятне напыления). Схематично система «плазмотрон - насадка» (рис. 3) может быть разбита на четыре зоны: А - зона нагрева и ускорения порошка в цилиндрической части канала плазмотрона; В - зона нагрева и ускорения порошка в конической части насадки; С - зона экстракции плазменного потока; D - зона формирования покрытия.
Для оптимизации системы «плазмотрон - насадка», были использованы следующие положения, опубликованные в научно-технической литературе:
- бесступенчатый переход между плазмотроном и соплом насадки должен свести к минимуму потери кинетической энергии плазменного потока;
- плавное расширение сопла в зоне экстракции позволяет направленно удалять плазменный поток при минимальном захвате атмосферы воздуха;
- для увеличения степени экстракции плазменного потока начальная часть сопла в зоне С имеет экран;
- длина сопла до экстракции плазменного потока должна быть выбрана равной дистанции, на которой происходит эффективный нагрев и ускорение частиц напыляемого порошка.
Этот источник является наиболее близким к способу плазменного напыления с насадкой к плазмотрону, его взяли в качестве прототипа.
Покрытие, сформированное по способу, указанному в прототипе, имеет следующие недостатки. В зазор шириной 5-10 мм между выходным торцом насадки и покрытием на подложке возможно попадание воздуха из окружающей атмосферы, не смотря на подачу возвратного плазмообразующего газа в направлении подложки. Из-за чего невозможно исключить взаимодействие напыляемого материала с кислородом окружающей атмосферы.
Задачей изобретения является: создание способа плазменного напыления с насадкой к плазмотрону для повышения инертности атмосферы в зоне формирования покрытия на подложке и устройства для его осуществления.
Техническим результатом изобретения является: снижение содержания кислорода в напыленном покрытии.
Технический результат достигается тем, что при реализации способа плазменного напыления с насадкой к плазмотрону в промежуток между торцом насадки и напыляемой деталью подается охлажденный и очищенный экстрагируемый из плазменной струи газ, чистый инертный газ подают внутрь сопловой части насадки с расходом, до 3 раз превышающим расход плазмообразующего газа, а напыление производится в защитной газовой атмосфере в присоединенной к насадке камере. В устройстве для плазменного напыления (показано на рис. 4) между каналом экстракции газа плазменной струи (поз. 11) и соплом выхода возвратного газа на диаметре равном выходному диаметру насадки устанавливается сопло подачи чистого инертного газа (поз. 13), возвратный плазмообразующий газ подают через кольцевой зазор (поз. 10) с диаметром равным 1,1÷1,2 от диаметра пятна напыления в торцевой части насадки, а к торцу насадки присоединена камера (поз. 14). Канал экстракции газа плазменной струи (поз. 4) располагается на дистанции необходимой для максимального нагрева и ускорения частиц напыляемого материала (зона В), сечение канала выполнено с плавным поворотом для минимальной потери скорости при развороте экстрагируемого газа. Сопло подачи чистого инертного газа (поз. 13) выполнено в виде кольцевого зазора на диаметре равном выходному диаметру насадки, сопловая часть которого направлена под углом 90° по отношению к оси плазменной струи для равномерного распределения поступающего через него инертного газа в объеме выходной части насадки и предотвращения попадания кислорода атмосферы в выходную часть насадки при экстракции газа плазменной струи. Сопло выхода возвратного газа (поз. 10) выполнено в виде кольцевого зазора сопловая часть которого направлена параллельно оси плазменной струи для снижения содержания кислорода в зоне затвердевания и охлаждения частиц напыляемого материала. Промежуточное сопло (поз. 15) между кольцевым каналом экстракции газа плазменной струи и соплами подачи чистого инертного газа и возвращаемого газа, установлено для максимальной (до 100%) экстракции газа плазменной струи и замены его чистым инертным газом. К выходному торцу насадки присоединена камера (поз. 14), позволяющая производить в ней перемещение детали (поз. 6) в момент напыления, защитная атмосфера в камере поддерживается за счет поступающего через сопло (поз. 13) чистого инертного газа и охлажденного возвратного газа плазменной струи, выход газа из камеры производится направленно в вентиляционную систему через обратный клапан (поз. 16), для предотвращения попадания внутрь камеры атмосферного кислорода.
Получаемый технический результат можно объяснить тем, что инертность атмосферы в зоне формирования покрытия на подложке повышается.
Данные по содержанию кислорода в плазменном покрытии Ni-20% Cr при подаче охлажденного плазмообразующего (возвратный) газа и чистого Ar в зону выходного торца насадки в массовых % приведено в таблице 1. При содержании в исходном порошке для напыления 0,173 мас. % кислорода.
Пример 1. Покрытие Ni-20%Cr напылили плазменным способом с насадкой, без камеры, без возвратного газа в зону напыления и без подачи в эту зону дополнительного чистого газа аргона. Содержание кислорода в покрытии равно 2,16 мас. %
Пример 2. Покрытие Ni-20%Cr напылили плазменным способом с насадкой, без камеры, с возвратом плазмообразующего газа в зону напыления, 34 литра в минуту, без подачи в эту зону дополнительного чистого газа аргона. Содержание кислорода в покрытии равно 1,51 мас. %.
Пример 3. Покрытие Ni-20%Cr напылили плазменным способом с насадкой, без камеры, с возвратом плазмообразующего газа в зону напыления, 34 литра в минуту, и с подачей в эту зону дополнительного чистого газа аргона, 61 литра в минуту. Содержание кислорода в покрытии равно 0,783 мас. %.
Пример 4. Покрытие Ni-20% Cr напылили плазменным способом с насадкой, без камеры, с возвратом плазмообразующего газа в зону напыления, 34 литра в минуту, и с подачей в эту зону дополнительного чистого газа аргона, 74 литра в минуту. Содержание кислорода в покрытии равно 0,651 мас. %.
Пример 5. Покрытие Ni-20% Cr напылили плазменным способом с насадкой, с камерой, с возвратом плазмообразующего газа в зону напыления, 34 литра в минуту, без подачи в эту зону дополнительного чистого газа. Содержание кислорода в покрытии равно 0,987 мас. %.
Пример 6. Покрытие Ni-20% Cr напылили плазменным способом с насадкой, с камерой, с возвратом плазмообразующего газа в зону напыления, 34 литра в минуту, и с подачей в эту зону дополнительного чистого газа аргона 61 литра в минуту. Содержание кислорода в покрытии равно 0,198 мас. %.
Пример 7. Покрытие Ni-20% Cr напылили плазменным способом с насадкой, с камерой, с возвратом плазмообразующего газа в зону напыления, 34 литра в минуту, и с подачей в эту зону дополнительного чистого газа аргона 74 литра в минуту. Содержание кислорода в покрытии равно 0,121 мас. %, что в 1,4 раза меньше чем в исходном порошке, 0,173 мас. %, и в в 2 раза меньше, чем при напылении этого порошка в динамическом вакууме, 0,24 мас. %.