Плазменная технология нанесения декоративных покрытий

ние теплоты, а также на трение. В процессе зарядки конденсаторов потери могут достигать 50 % [5]. С возрастанием скважности потери энергии увеличиваются. В соответствии с этим растут затраты электричества, которые можно снизить за счет увеличения напряжения на индукторе до 2-3 кВ.

Разработанная технология удаления покрытий с тары пригодна для очистки тонкостенных крупногабаритных заготовок, получаемых литьем в земляные формы и методом точного литья по выплавляемым моделям. Магнитоимпульсный метод позволяет удалять формовочные смеси, в том числе пригоревшие слои, остатки керамических оболочек, не повреждая при этом ажурные элементы заготовок. Механизация операций очистки крупногабаритного литья решает не только технические, но и социальные проблемы заготовительного производства (улучшение ус-

ловий труда, возможность автоматизации процесса очистки литья и др.).

Литература

1. Бабичев А. П., Бабичев И. А. Основы вибрационной технологии. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 1999. 624 с.

2. Ракошиц Г. С. Электроимпульсная штамповка. М.: Высшая школа, 1984. 192 с.

3. Справочник металлиста / Под ред. С. А. Чер-навского и В. Ф. Рещикова. М.: Машиностроение, 1976. 768 с.

4. Сулима А. М., Естигнеев М. И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1974. 256 с.

5. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов: В 2 т. Т. 2 / Под ред. В. П. Смоленцева. М.: Высшая школа, 1983. 208 с.

УДК 621.793.74

Плазменная технология нанесения декоративных покрытий

В. Я. Фролов, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехника и электротехнология», Б. А. Юшин, ст. научный сотрудник НУТЦ «Электротехнология», И. С. Чуркин, аспирант Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Приведен метод формирования декоративно-защитного покрытия, основанный на технологии плазменного напыления на поверхность скульптур покрытия на основе меди, при котором выбор и соотношение декоративных и защитных свойств осуществляются за счет регулировки внешних и внутренних технологических параметров.

Существующие методы реставрации монументальных скульптурных композиций не позволяют в полной мере защитить металлическую поверхность от агрессивного воздействия окружающей среды современных мегаполисов. Впервые метод плазменного нанесения покрытий применительно к реставрации металлических скульптур (медь и ее сплавы) был применен в Санкт-Петербурге [3]. При нанесении плазменных декоративно-защитных покрытий использовалась порошковая медь марки ПМС-1 с частицами размером около 50 мкм.

Согласно предварительно проведенным исследованиям, важное значение имеет подготовка порошковых материалов перед напылением.

Первый этап в технологическом процессе подготовки представляет собой обезжиривание частиц и удаление из них ингибиторов коррозии, вводимых в порошок при промышленном производстве. Ингибитор бензотриазол, входящий в состав исходного порошка, отрицательно влияет на цветовые и технологические показатели газотермических покрытий. В процессе напыления на периферийные и плохо доступные области монолитной скульптуры (рис. 1) наблюдаются неравномерное окисление покрытия (формирование патины), высокая пористость, а в ряде случаев отслаивание покрытий.

Наибольший интерес для прогнозирования цвета будущего покрытия представляет второй этап подготовки порошковых материалов —

Рис. 1. Скульптурная композиция ангела на Александровской колонне

прокаливание порошков при различных температурах. При этом происходит их интенсивное поверхностное окисление, что позволяет менять структуру, а значит, и декоративные свойства материала.

Рассмотрим процесс окисления, происходящий при прокаливании, на примере меди.

Исходной принимается температура 200 °С, при которой медь начинает интенсивно окисляться; на поверхности порошковых частиц чистой меди (рис. 2, а) в процессе окисления появляются ее оксиды CU2O, CuO (рис. 2, б). Порошок выдерживают при постоянной температуре в течение 20 минут. По мере образования CU2O материал меняет свой цвет от розового до бордового.

При последующем повышении температуры до 300-320 °С наблюдается образование оксида меди (2+ CuO) синего цвета на поверхности каждой частицы (рис. 2, в), это свидетельствует о полном окислении поверхности частиц меди до двухвалентного состоянии. Снимки микроструктуры порошковых частиц были получены при помощи оптического микроскопа «Leica CME».

а) б) в)

Рис. 2. Микроструктура порошковых частиц меди и ее оксидов: а — чистая медь ПМС-1 (Си) — порошок 1; б — медь с образованием на поверхности частиц оксидов меди (Си + Си20 + СиО) — порошок 2; в — медь с образованием на поверхности частиц оксида меди (СиО) — порошок 3

Для нанесения покрытий применялся плазмотрон ПН-31П, использующий в качестве плаз-мообразующего газа воздух. Диапазон регулировки рабочего тока 80 ... 200 А. Расход плаз-мообразующего газа 0,5 ... 3,0 г/с. Материал напыляемых образцов — латунь Л63 с предварительной абразивно-струйной обработкой.

Для установления режимов работы плазмотрона и его параметров, обеспечивающих нагрев и напыление порошка диаметром в среднем 50 мкм, предварительно проводился теоретический анализ возможных условий формирования электрической дуги в канале плазмотрона и плазменной струи на выходе. Расчет параметров производится в два этапа. На первом этапе определяются необходимая температура и скорость плазменной струи. Для решения этой задачи принимается расчетная область реальной конструкции плазмотрона (рис. 3).

Расчет проводился численным методом (метод контрольного объема [1]) с использованием пакета прикладных программ МаШСАБ. Результаты расчета температурного поля электрической дуги и плазменной струи, а также скорости истечения плазмы представлены на рис. 4, а, б.

По результатам первого этапа расчетов определяются мощность плазмотрона, расход плазмооб-разующего газа и скорость истечения плазмы.

На втором этапе расчета с использованием полученных характеристик плазменной струи был произведен расчет движения и нагрева медных частиц различного размера при нескольких вариантах загрузки (расхода порошка) струи по методике, описанной в работе [1]. Результаты этих расчетов для близкой к реальной загрузке порошкового материала, равной 3 кг/ч, приведены на рис. 5.

Полученные результаты свидетельствуют о достижимости необходимых скоростей и температуры частиц при заданных конструктивных и режимных параметрах процесса. Для подтверждения расчетных данных, которые были получены с рядом допущений (ламинарный поток истечения плазмы, сферическая форма нагреваемых частиц, теплофизические свойства частицы постоянные), были проведены экспериментальные исследования.

Из результатов опытов следует, что на выходе из сопла поток плазмы является ламинарным. На этом этапе происходит нагрев частиц до температуры испарения материала. Температура струи плазмы измерялась с помощью энтальпийного зонда и составила в среднем 4000-7000 К, что на 30-35 % ниже, чем по результатам расчетов. Скорость частиц определялась измерителем скорости ИССО-1. Установлено, что по мере удаления частицы от со-

электрофизические и электрохимические методы обработки

Рис. 3. Схематическое изображение границ расчетной области дугового плазмотрона для напыления

а)

а § Я I —-3 -- - --- - -65 .....---ШЛ437 . --------------- 5,5

I „-'" " — ---874---- -_._.. .... 874 " ' х'' ..... " --- - - 1092,5 - - - 874 10д25 --

щж я  —

Рис. 4. Результаты расчета температурных (а) и скоростных полей (б) плазмотрона ПН-31П при токе дуги 150 А и расходе плазмообразующего газа 0,8 г/с

пла плазмотрона ввиду расширения струи плазмы погрешность расчета увеличивается и достигает 25 %. Кроме того, с увеличением расхода газа соотношение между ламинарной и турбулентной частями потока плазмы уменьшается. Последнее обстоятельство положительно сказыва-

ется на условиях нагрева частиц, так как облако испарившегося материала, обтекающего частицу (низкая теплопроводность), освобождает частицу в турбулентной области потока плазмы.

В связи с вышесказанным принятая модель расчета позволяет производить оценоч-

а)

б)

Т, К 8000 6000 4000 2000

V, м/с 300 200 100

г"- ... ¡ = 60 мк и т.80

40 60......* 40 .......

к--" г-г____э---^: •-----* " ------------ ........... ..........г 80

0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120

г, мм г, мм

Рис. 5. Распределение температур (а) и скоростей (б) плазменной струи (сплошные линии) и частиц (штриховые линии) вдоль оси плазмотрона

ные расчеты, тем самым снижая количество экспериментов.

Экспериментальное напыление медных порошков на подложку из латуни проводилось по выбранным на основании расчетов режимам и показало, что полученные покрытия обладают достаточно высокой адгезией (2 ... 4 кг/мм2), необходимой пористостью и поверхностной окисленностью частиц. Окисленность частиц, образующих покрытие, необходима для достижения требуемых защитных и декоративных свойств поверхностного слоя, а открытая пористость — для введения в слой ингибиторов коррозии, которые постепенно,

Рис. 6. Микроструктура плазменных покрытий меди и ее оксидов: а, б, в — образцы, полученные при напылении порошков 1, 2, 3

Рис. 7. Обработка скульптур методом воздушно-плазменного напыления

в течение длительного времени, расходуются для предотвращения коррозионных явлений. В соответствии с ранее проведенными исследованиями [3] по ускоренным климатическим испытаниям, стойкость окисленных медных покрытий с пропиткой бензотриазо-лом достигает 70 лет. Микроструктура покрытий приведена на рис. 6. Предварительная термообработка порошка (предварительное окисление) вызывает соответствующее изменение в содержании оксидной фазы в образовавшемся покрытии.

Предлагаемая технология нанесения защитно-декоративных покрытий на основу из медных сплавов была применена на практике при проведении реставрационных работ на ряде памятников: скульптурные группы Клодта на Аничковом мосту, Александровская колонна и скульптуры, украшающие здания Сената и Синода (рис. 7). На метод воздушно-плазменного нанесения антикоррозионного покрытия на изделия из медных сплавов получен патент № 2203347 [2].

Таким образом, разрабатываемая методика расчета движения, нагрева и окисления частиц материала в плазменной струе может быть использована и при проведении плазменного напыления в целях получения покрытий с другими специфическими свойствами.

Литература

1. Дресвин С. В., Иванов Д. В. Основы математического моделирования плазмотронов. СПб, Изд-во Политехн. ун-та, ч. 1, 2004, 230 с.

2. Клубникин В. С., Сорин В. Г., Юшин Б. А. Патент № 2203347. Способ нанесения антикоррозионного покрытия на изделие из медных сплавов с приданием поверхности изделия заданного цвета. 2001.

3. Техника и технологии нанесения покрытий / В. Я. Фролов, В. С. Клубникин, Г. К. Петров, Б. А. Ющин. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. 387 с.