Плазменное напыление
Почему этот принцип так привлекателен для термического напыления? Потому что пламя плазмотрона очень горячее и всегда строго восстановительное. Присутствие кислорода в плазмотроне категорически запрещено, так как он быстро разрушает материал электрода (парциальное давление кислорода в плазмообразующем газе определяется его чистотой, которая должна быть менее 0,004 %). При правильном применении пламенная горелка плазмотрона может не только восстанавливать активные металлические поверхности из оксидных пленок на распыленных частицах, но и очищать от оксидов саму поверхность подложки. Такую возможность предоставляет только метод плазменного напыления.
В отношении плазменного напыления среди теоретиков и практиков термического напыления существует ряд предрассудков. В основном они связаны не с самим процессом термического напыления, а с непониманием природы процесса термического напыления, недостатками в конструкции определенного оборудования и его неправильным применением.
Давайте объясним эти предрассудки:
- “Плазменное пламя слишком горячее и поэтому подходит только для напыления тугоплавких металлических и оксидно-керамических материалов. Если температура слишком высока, часть порошка испаряется, а карбиды хрома и вольфрама разрушаются”.
Действительно, температура плазмы может достигать более 20 000 °C, что намного выше, чем, например, температура ацетилено-кислородного пламени (около 3 000 °C). Однако между температурой пламени и температурой напыляемых частиц нет никакой связи. Не углубляясь в физику взаимодействия между горячим газом и твердыми частицами, можно лишь сказать, что это взаимодействие очень сложное и зависит от множества параметров, включая температуру газа, скорость, длину пламени, размер частиц, а также химический состав газа и частиц. Кроме того, решающее влияние на теплопередачу от пламени к частицам оказывает не абсолютная температура пламени, а его светимость. Например, горячее, но почти невидимое водородно-кислородное пламя нагревает частицы сильнее, чем холодное, но яркое (за счет углеродных люминесцирующих наночастиц) ацетилено-кислородное пламя.
Яркость плазменного факела зависит от состава плазмообразующего газа, а также от размера и состава проходящих через него частиц. Интересно, что во многих случаях эта яркость меньше, чем у ацетилено-кислородного пламени, и ее приходится увеличивать различными способами, чтобы обеспечить частицам хотя бы минимально необходимую температуру. Длина пламени газопламенной системы также часто превышает длину плазменного факела, что приводит к “парадоксу”. Крупнозернистые металлические порошки нагреваются более интенсивно в системах газопламенного напыления, чем в более мощных и “горячих” системах плазменного напыления.
- “Скорости частиц при плазменном напылении недостаточны для получения плотных покрытий.
Поток газа и скорость движения частиц в нем определяются не принципом образования пламени, а исключительно конструкцией оборудования. В настоящее время существуют промышленные системы плазменного напыления с лавальными соплами, которые доставляют сверхзвуковые частицы.
- “Для напыления металлов подходят только дорогие вакуумные системы плазменного напыления, системы плазменного напыления при атмосферном давлении не подходят из-за окисления частиц металла”. Любопытно, что это утверждение часто можно услышать даже от тех, кто действительно занимается плазменным напылением, особенно в случае покрытий MCrAlY для лопаток газовых турбин. Чистые металлические покрытия из растворимых никелевых сплавов, полученные вакуумным плазменным напылением (VPS), безусловно, превосходят покрытия, полученные атмосферным напылением (APS), но не из-за окисления частиц в плазме, а по совершенно другой причине, которая объясняется в разделе о вакуумном плазменном напылении. Окисление металлических частиц происходит одинаково в обоих методах.
Оборудование для плазменного напыления при атмосферном давлении ничем не отличается от оборудования для вакуумного плазменного напыления. Разница заключается не в самом оборудовании, а в том, как организован процесс напыления. При атмосферном давлении напыление происходит в воздухе, в то время как при вакуумном напылении плазмотрон и напыляемые детали находятся в вакуумной камере, и к ним прикладывается вакуумное давление.
Очевидно, что атмосферное напыление гораздо доступнее и дешевле вакуумного. Сами плазмотроны могут использоваться как для атмосферного, так и для вакуумного напыления.
Чтобы более наглядно проиллюстрировать особенности плазменного напыления, давайте опишем различные конструкции, существующие на сегодняшний день.
Системы плазменного напыления отличаются большим разнообразием конструкций. Здесь рассматриваются как самые “традиционные”, так и самые “продвинутые”.
Наиболее распространены устройства с одним катодом и одним анодом, которые впрыскивают порошок перпендикулярно оси пламени через короткое сопло.
Порошок впрыскивается с внешней стороны сопла перпендикулярно оси пламени и близко к дуге.
Наиболее распространенным устройством такого типа является плазмотрон Sulzer
Обычные однокатодные плазмотроны других производителей мало чем отличаются от плазмотронов Sulzer Metco: все они работают при относительно низких расходах газа и низких (< 100 В) напряжении и большом (до 1000 А) токе дуги. Ни один из традиционных плазматронов не позволяет достичь частицам скорости звука.
Достоинством плазматронов с небольшим расходом газов является возможность придания частицам очень высокой температуры (> 4000°C) температурах из-за относительно большого времени пребывания в зоне горячего пламени вблизи дуги. Такие высокие температуры частиц позволяют расплавлять практически все керамические и металлические материалы.
Развитие технологии плазменного напыления в последние два десятилетия шло по пути увеличения скорости частиц. Чтобы увеличить скорость частиц, необходимо повысить давление плазмообразующего газа перед соплом, что автоматически приводит к увеличению расхода газа и напряжения дуги.
Новейшим мощным (до 85 кВт, максимальный ток 379 А, максимальное напряжение 223 В) оборудованием с одним катодом и анодом является плазмотрон 100 HE фирмы Progressive, США.
Высокая скорость плазменного газа приводит к увеличению времени пребывания частиц в более горячих областях пламени. Чтобы противостоять этому, необходимо увеличить мощность дуги и использовать большое количество водорода в плазменном газе. Таким образом, плазмотрон 100 HE может достигать температуры частиц размером 20-30 мкм выше 2300 °C при скорости около 250 м/с, что позволяет напылять покрытия из Cr3C2 – NiCr, Cr2O3 и Al2O3 с низкой пористостью.
Второй областью развития в сочетании с увеличением расхода газа является разделение единой дуги на три части для улучшения стабильности и равномерности факела пламени, уменьшения износа электродов и увеличения общей мощности пламени. Типичным примером такого устройства является новейший плазмотрон
Третье и последнее направление развития – отказ от радиального впрыска порошка в пользу более рационального осевого. Convergens, ключевой элемент конструкции плазмотронов с осевым впрыском порошка, был изобретен Лучаном Богданом Делчей в США в 1994 году (Delcea, Lucian Bogdan).
В настоящее время единственным подобным устройством является плазмотрон Axial III с максимальной мощностью 150 кВт, производимый компанией Metech в Канаде, который сочетает в себе все три направления развития (высокий поток газа, три дуги и аксиальный впрыск порошка). Оборудование для плазменного напыления с плазмотроном Axial III, производимым и продаваемым немецкой компанией Thermico GmbH.
Это означает, что источник тока, система водяного охлаждения и поток газа управляются системой ЧПУ с визуализацией и сохранением рецептов на компьютере. Например, Plasmatron Axial III поставляется компанией Thermico GmbH с компьютеризированной системой управления, которая самостоятельно зажигает дугу и переключается в рабочий режим, выбирает рецепт напыления, контролирует расход трех плазмообразующих газов (аргона, азота и водорода), ток дуги, водяное охлаждение. Контролируются все ключевые параметры, включая системные. Эта же автоматическая система управляет питателем порошка.
Особого внимания заслуживает порошковый питатель Termico. На сегодняшний день это самое “продвинутое” устройство в мире, которое не только позволяет постоянно регулировать массовый расход порошка и расход газа-носителя (азота или аргона), но и позволяет использовать мелкозернистые порошки с низкой сыпучестью, которые не подходят, например, для питателя Sulzer Metco.
Автор сам давно использует плазмотроны Axial III и на основании своего опыта может сказать, что, несмотря на недостатки конструкции, этот плазмотрон – современная система распыления, сочетающая в себе преимущества высокоскоростного распыления и высокотемпературного, строго редуцированного пламени Основное преимущество Axial III – осевая струя порошка. . Преимущества осевой струйной обработки порошка
Осевая струйная обработка порошка – это качественный скачок вперед в технологии плазменного напыления. Это связано с тем, что осевая струйная обработка не только значительно снижает потери порошка, но и открывает возможность струйной обработки совершенно разных порошковых материалов, которые не подходят для радиальной струйной обработки. Этот момент очень важен для понимания последующих разделов, поэтому он будет рассмотрен более подробно.
Что же происходит, когда порошок впрыскивается радиально в струю пламени на выходе из сопла?
Перечислим некоторые недостатки такого впрыска:
- Для радиального впрыска подходят только очень узкие фракции порошка, что требует точного подбора давления газа-носителя. Что это означает. Если давление газа-носителя недостаточно, частицы порошка “отскакивают” от струи пламени; если давление газа-носителя слишком велико, частицы порошка “простреливают” пламя: самые мелкие частицы всегда “отскакивают”, а самые крупные – “простреливают”, то есть в термическом напылении нет частиц, только “средние” частицы В. Внесение мелкого порошка особенно затруднено из-за большего рассеивания газом-носителем (типичное облако пыли вокруг факела).
- При радиальном введении порошка невозможно использовать частицы разных размеров, а также разной плотности (разной массы) в смешанном порошке по той же причине. Поэтому попытки использовать сложные смешанные порошки приводят к искажению состава покрытия по сравнению с составом смешанного порошка.
- Увеличение скорости плазмообразующего газа еще больше усложняет радиальную инжекцию порошка, так как требуемое давление газа-носителя и интервалы распределения частиц по размерам становятся еще более узкими. На практике это означает, что Чем выше скорость пламени, тем ниже эффективность напыления при радиальном впрыске порошка. Чем выше скорость пламени, тем ниже эффективность напыления радиальной струи порошка.
- Когда сопло для порошка расположено близко к зоне горячего пламени, сопло нагревается и компенсируется только охлаждением газами, несущими порошок. Если скорость охлаждающего газа недостаточна для охлаждения, частицы порошка могут прилипать к краям отверстий сопла и образовывать отложения. Прилипшие частицы периодически выпадают из сопла и попадают в пламя, вызывая характерный дефект “плевок” и образование крупнопористых включений в покрытии. Проблемы возникают из-за того, что расход газа-носителя жестко связан с параметрами пламени (см. пункт 1). Для некоторых порошков может не существовать параметров, устраняющих эффект “разбрызгивания”.
Переход на осевой ввод порошка полностью устраняет вышеуказанные проблемы:
- Давление и скорость газа-носителя больше не связаны с параметрами пламени и порошка. Единственное требование – давление газа-носителя должно быть немного выше, чем давление плазмообразующего газа в сопле в точке впрыска порошка. Благодаря осевому впрыску любой порошок полностью задерживается пламенем.
- Давление газа-носителя всегда можно подобрать таким образом, чтобы не происходило “плевка”, когда порошок прилипает к кромке отверстия порошкового сопла.
- Можно использовать порошковые смеси любого сложного состава. Частицы разного размера получают разные скорости и температуры, но в конечном итоге все они участвуют в формировании покрытия. Тот факт, что мелкие частицы при аксиальном введении в плазменное пламя достигают значительно более высоких температур, чем крупные частицы, открывает новые возможности для создания порошковых смесей. Созданию таких полифракционных композиций посвящена основная часть этой книги.
Автору очень повезло, что в его распоряжении уже много лет находится плазмотрон Axial III с аксиальной подачей порошка. Без него создание новых многокомпонентных покрытий было бы невозможно.
