Плазменное напыление металлов

Напыление плазменное, которое иногда называют диффузионной металлизацией, образуется вследствие термического диссоциации атомов металла под воздействием высокотемпературной плазмы с последующим осаждением и диффундированием внутрь заготовки. Это простой и дешёвый способ формирования покрытий.

 

Особенности и назначение плазменного напыления

Особенность покрытия — пластинчатая зернистая структура, возникающая в результате термической диффузии мелких частиц.

Стадии плазменного напыления металла:

1. Ионизация частиц.
2. Распыление.
3. Осаждение.
4. Затвердевание.

На каждом из этапов необходимо проводить контроль температуры и скорости движения напыляемых частиц.

Осаждение представляет собой совокупность двух, одновременно протекающих процессов – химической связи, которая активируется вследствие высоких температур в зоне обработки, и механических взаимодействий, обусловленных повышенной кинетической энергией частиц напыляемого металла. Дополнительным интенсифицирующим фактором считается наличие промежуточной среды – газа/жидкости — молекулы которой ускоряют и стабилизируют процесс металлизации. При этом образуются дополнительные соединения, улучшающие качество напылённого слоя. Например, азот формирует высокотвёрдые нитриды металлов, гелий предотвращает окисление поверхности, а медь улучшает условия трения.

Процесс используется для формирования оптимальных характеристик поверхностного слоя, а также как метод восстановления изношенных стальных деталей.

Плазменное напыление металлов часто применяется для восстановления изношенных стальных деталей

Технология процесса напыления

Исходный материал подается в столб плазмы в форме порошка или проволоки. Ионизированные газы высвобождают активные молекулы газов, некоторые из которых (например, водород) дополнительно поднимают температуру внутри плазменного столба, ускоряя процесс превращения молекул исходной заготовки в парообразное состояние. В результате  ускоряется оседание движущихся частиц на подложку. Ионизация возможна не только из газа, но и из жидкости, испаряющейся в столбе дуги.

Напыляющие порошки разнообразят состав и свойства покрытий, поскольку в мелкодисперсное состояние может быть переработан широкий спектр металлов.

Плазменное напыление осуществляется в результате:

• Инициализации плазмы высоковольтным разрядом, который образует электрическую дугу постоянного тока, образующуюся между двумя электродами — медным анодом и металлическим катодом (чаще – вольфрамовым). Электроды должны постоянно охлаждаться;
• Генерирования потока высокотемпературного ионизированного плазменного газа, который обычно состоит из аргона/водорода или аргона/гелия;
• Нагрева газа, с последующим ускорением его движения через сужающееся сопло;
• Переноса мелкодисперсного порошка в плазменной струе на подложку.

Высококачественное покрытие образуется вследствие сочетания высокой температуры (до 15000°C), концентрированной тепловой энергии плазменной струи, инертной среды распыления и скоростей частиц, достигающих 300 м/с.

Последующая обработка покрытия

Процесс распыления в потоке плазмы ограничен материалами, которые имеют более высокую температуру плавления, чем пламя. При более низких температурах и скоростях (до 40 м/с), энергетические характеристики движущихся частиц уменьшаются, что приводит к окислообразованию, пористости и наличием различных включений в готовом покрытии. Снижается прочность сцепления и адгезии между покрытием и подложкой. Такие покрытия подвергают шлифовке или полированию. В обоснованных случаях предусматривается термическая обработка – закалка, отпуск, нормализация.

Оборудование плазменного напыления

Для диффузионной металлизации производят три вида устройств – со сжиганием кислородной смеси, с подачей инертного газа и с термическим разложением жидкости. Толщина покрытия достигает 100…120 мкм.

Установки плазменного напыления, использующие энергию высокоскоростной кислородной плазмы, работают при гиперзвуковых скоростях газа, достигающих 1600…1800 м/с в момент удара струи по подложке. Так производят плазменное напыление износостойкими карбидами металлов, когда не требуется полного расплавления ионизированных частиц.

Оборудование, где поток плазмы формируется в струе инертного газа, используется для производства покрытий, требующих сочетания хорошей износостойкости и ударопрочности. Нагрев приводит к тому, что газ достигает экстремальных температур, диссоциирует и ионизируется.

Установки третьего типа выполняют металлизацию в конечный момент формообразования поверхности или полости электродуговым разрядом, сжатым поперечным потоком рабочей среды. Такие установки наиболее производительны. В качестве примера рассмотрим станок типа «Дуга-8М», состоящий из следующих узлов:

1. Инструментальной головки с электрододержателем.
2. Герметизированной рабочей камеры.
3. Насосной станции.
4. Резервуара с диэлектриком.
5. Генератора плазмы.
6. Узлов контроля и слежения.

Диффузионная металлизация происходит так. Исходное изделие фиксируется в рабочей камере и герметизируется. Электрододержатель с электродом  (имеющим сквозное отверстие) устанавливается над заготовкой, после чего через зону обработки производится прокачка среды под высоким давлением. Включается генератор плазмы, и производится перемещение электрода до момента пробоя межэлектродного промежутка. Высокая концентрация тепловой мощности в дуге приводит к размерному испарению материалов электрода и рабочей среды. В результате одновременно происходит съём металла и насыщение поверхности атомами элементов.

Оборудование для плазменного напыления своими руками изготовить крайне сложно, поскольку кроме мощных источников питания, необходимых для создания дугового разряда, необходимы высокоточные узлы подачи рабочей среды к плазменному столбу.

Расходные материалы

Выбор исходных материалов определяется свойствами покрытия и стоимостью его получения.

Металлы. Предпочтение отдают интерметаллидам алюминия, железа, титана, никеля и кобальта, потому что они имеют высокие температуры плавления и сравнительно невысокие плотности, что уменьшает энергоёмкость плазменного напыления.

Самофлюсующиеся порошки. Используются порошки самофлюсующихся сплавов (типа бор-кремний). В процессе обработки расплавы порошков образуют металлургические соединения, устойчивые к коррозии и износу.

Минералокерамика. Для плазменного напыления используют исходные материалы, содержащие алюминий и кремний: они не дают трещин или отслаиваний.  Добавка железа, марганца, меди, цинка и магния приводит к улучшению свойств покрытия.

Металлоорганические соединения. Используются преимущественно неполярные жидкости, которые хорошо растворяются в минеральных и синтетических маслах малой вязкости.