Плазменно- и детонационное-напыление покрытия

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 13 Апреля 2012 в 00:50, реферат

Краткое описание

В последние годы наблюдается интенсивное привлечение методов напыления покрытий для решения триботехнических задач в технике. Уже накоплен значительный опыт по технологии плазменного напыления и использованию защитных покрытий в машиностроении, авиационной технике и металлургии

Вложенные файлы: 1 файл

плазменно детонационное напыление.docx

— 236.42 Кб (Скачать файл)

   Плазменно- и детонационное-напыление покрытия 

   В последние годы наблюдается интенсивное  привлечение методов напыления покрытий для решения триботехнических задач в технике. Уже накоплен значительный опыт по технологии плазменного напыления и использованию защитных покрытий в машиностроении, авиационной технике и металлургии [55].

   Материалы для напыления  и структура покрытий. В качестве материалов для напыления в большинстве случаев применяют порошки. При выборе материала необходимо руководствоваться следующими соображениями: он должен обладать хорошей сыпучестью, не комковаться и легко транспортироваться газом в плазмотрон. Гранулометрический состав порошка должен быть по возможности однородным, так как слишком крупные частицы не успевают расплавиться в плазме и не образуют прочной связи с поверхностью и между собой или могут просто отскакивать от поверхности при ударе, слишком мелкие — плохо транспортируются в плазменную головку, с трудом вводятся в горячую область плазменной струи. Кроме того, они расплавляются в непосредственной близости от места их подачи в сопло и могут заплавлять отверстие, образуя «настыль». Обычно рекомендуется вести напыление керамическим порошком с частицами от 40 до 70 мкм, металлическим до 100 мкм. Опыт последних лет по применению для напыления тонкодисперсных частиц размером от 50 до 100 нм и проведению операций напыления в камерах с защитной средой позволил резко улучшить характеристики плазменных покрытий, в том числе повысить частоту поверхности и уменьшить пористость слоя до 2—5 %. Значительный эффект в повышении качества покрытий дает предварительная сфероидизация частиц, улучшающая сыпучесть, равномерность малоокислительного расплавления и уменьшение пульсации в подаче материала. Рекомендуется также прокаливать порошки перед напылением при 120—180° С в течение 1,5—2 ч.

   Распространенным  классом материалов являются порошки на базе тугоплавких металлов, оксидов, карбидов, боридов и т. п. Отечественная промышленность выпускает широкую номенклатуру порошковых материалов для напыления: окислы и карбиды некоторых металлов (А12О3, ТiO2, Сг2О3, В4С, WВ, Сг3С2, TiС, ZrС, NbС, TiN, ZrN, НfN), металлы (W, Fе, Мо, Ni, А1, Сu), сплавы и, наконец, различные смеси из указанных компонентов. Покрытия из окиси алюминия, двуокиси циркония, окиси хрома, двуокиси титана применяют в качестве теплозащитных покрытий, которые обладают твердостью, коррозионной стойкостью и износостойкостью. Для увеличения плотности и улучшения свойств покрытий из окиси алюминия в практике напыления применяют специальные добавки: типа МеО2. Оксиды редкоземельных металлов являются хорошими теплоизоляционными материалами.

   Бориды  различных металлов обладают высокими твердостью и жаростойкостью (борид хрома до 1100°С, борид титана до 1400—1500 °С, борид циркония до 1300—1400 °С), а борид гафния рекомендуется как материал для работы в вакууме при температуре выше 2500 °С. Борид алюминия и карбид бора имеют высокую износостойкость, а борид вольфрама устойчив в нейтральных и восстановительных средах при температуре выше 2000 °С. Силициды молибдена имеют высокую жаростойкость вплоть до температуры 1500°С. Силицид вольфрама — хорошую теплостойкость и окалиностойкость при высокой температуре. Большинство карбидов характеризуется высокой твердостью, а карбиды хрома, циркония, вольфрама — высокой износостойкостью. Отмечена хорошая окалиностойкость у карбида циркония, жаростойкость у карбида хрома и устойчивость в атмосфере аргона при 2500°С у карбида ниобия. Нитриды титана, циркония, гафния имеют высокую твердость, износостойкость и термостойкость, не взаимодействуют со многими агрессивными средами, могут служить «барьерными» покрытиями на графите.

   Покрытия  из металлов и сплавов используют в качестве антикоррозионных (хром, никель, нихром), износостойких (ниобий, молибден, вольфрам), а также жаро- и эрозионностойких (вольфрам) покрытий. В последнее время в СССР и за рубежом получают распространение композиционные порошки типа металл — металл, карбид — металл, керамика — металл, керамика — керамика. Освоен выпуск порошковых интерметаллидов систем Ni — А1 и Ti — Ni марок ПН85Ю15, ПН70Ю30, ПН55Т45, ПТ88Н12 для износо-и жаростойких покрытий. Особо высокую износостойкость имеют покрытия из порошков типа карбид — металл, например WС — Со, WС — Ni, и типа оксид — металл, например А12О3 — Ni.

   Плазменные  покрытия имеют фазовый и химический состав, отличающийся от состава исходного материала, и пористость в среднем до 10—15 %. Это объясняется тем, что слои образуются в результате деформации и быстрого затвердевания мелких капель частиц напыляемого материала. Для покрытий характерна слоистая структура с высокой анизотропией физических и механических свойств. Прочность  сцепления с основой составляет около 20—25 МПа и в основном осуществляется за счет механического зацепления, адгезии, частично с привариванием, и напряжений, возникающих вследствие усадки при охлаждении материала покрытия. Работоспособность напыленного слоя в сильной степени зависит от подготовки поверхности, т. е. степени ее ювенильности, а также от трех технологических факторов процесса: температуры плазменной струи, скорости соударения расплавленных частиц с поверхностью, а также расстояния от среза анода плазмотрона до поверхности. Кроме того работоспособность зависит от коррозионной прочности материала покрытия, определяемой прочностью сцепления напыляемых частиц между собой и между напыляемыми слоями. Первая составляющая прочности зависит от указанных триботехнических параметров напыления, а вторая предопределяется кинетикой технологических операций при наслоении. Суммарная пористость формируется от микропористости внутри кристаллизующихся частиц порошка, пористости между частицами и между последовательно наносимыми слоями. Первая составляющая зависит от теплофизических свойств материала, в то время как вторая и третья зависят от параметров процессов напыления.

   Для плазменного напыления выпускается широкая гамма порошковых самофлюсующихся твердых материалов, имеющих целевое триботехническое назначение. Среди них особое место занимают порошки на основе никеля и хрома с присадками бора и кремния, а также порошки интерметаллидов системы никель — алюминий (СТС). Материалы СТС по износостойкости в 5—30 раз превосходят конструкционные стали, что связано с высокой твердостью и когезионной прочностью. Важным свойством этих сплавов является способность заполировываться, чем обусловлена хорошая износостойкость их при трении без смазочного материала по металлу. Напыление покрытий из псевдосплавов системы сталь — медь, сталь — бронза позволяет повысить допускаемую предельную нагрузку в подшипниках скольжения в 1,5—2,5 раза и сэкономить значительное количество цветного металла. Сплавы типа ПГСР, СНГН, ВСНГН рекомендуется применять для за- 

   щиты  поверхностей от износа при одновременном  воздействии коррозионной среды и высоких температур с умеренными ударными нагрузками. Бор и кремний образуют с никелем и хромом легкоплавкие эвтектики с температурой плавления 950—1080 °С, а также восстанавливают окисные пленки на поверхности частиц порошка и подложки с образованием боросиликатных шлаков, которые всплывают на поверхность покрытия при самофлюсовании. Эти элементы увеличивают также твердость и износостойкость сплавов, так как практически весь бор находится в сплаве в виде боридов никеля №3В и хрома СrВ и Сr5В3, имеющих не только высокую твердость, но и являющихся менее хрупкими, чем карбиды. Кремний, увеличивая активность хрома в твердом растворе на основе никеля, способствует образованию боридов хрома (СrВ), придающих наибольшую твердость сплавам железа. Углерод находится в виде карбидов типа СrС3, Ме23С6 и карбоборидов. Введение в состав СТС карбида вольфрама в количестве до 80 % и карбида хрома до 40 % еще в большей степени повышает износостойкость этих материалов. После плазменного напыления самофлюсующееся покрытие имеет многофазное строение, а формирующиеся фазы значительно отличаются по микротвердости: 6000, 7700, 9500 и 14500 МПа. Оплавление покрытия формирует бориды типа СrВ, Сr2В, N3В2, NiB, карбобориды, α-фазы твердого раствора Сr и Ni, а также окисные соединения типа Сr2О3  В2О3

   Наличие в покрытии целого ряда мелкодисперсных  фаз, отличающихся физико-механическими  свойствами, благоприятно сказывается на износостойкости покрытия.

   Схемы процессов плазменного напыления. В основе процесса напыления лежит нагрев исходного материала до жидкого или пластического состояния и перенос его высокотемпературной струей к подложке.

   Блок-схема  установки плазменного напыления  показана на рис. 36. В плазменном распылителе, состоящем из водо-охлаждаемых катодного вольфрамового и анодного медного узлов, с помощью источника постоянного тока возбуждается электрическая дуга, которая стабилизируется стенками канала сопла и плазмообразующим газом, поступающим от дозирующей системы. Управление расходом рабочего газа и мощностью дуги осуществляется со специального пульта. В высокотемпературную плазменную струю на срез сопла транспортирующим газом из порошкового питателя подается распыляемый материал (рис, 37). В случае напыления про- 

   

 

Рис. 36. Блок-схема  установки для плазменного напыления  с использованием порошка:

1 — плазмотрон; 2 — силовой электрический агрегат; 3 — пульт управления: 4 — система подачи и дозировки порошка; 5— система подачи рабочего газа: 6— система охлаждения плазмотрона

волокой последняя может служить анодом, замыкая на себе дугу,  при этом существенно увеличиваются производительность и коэффициент осаждения материала.

   Для получения плазмы применяют плазменно-дуговые  и плазменно-струйные типы горелок [45]. В плазменно-дуговой горелке электрическая дуга возникает между анодом, которым является упрочняемый материал, и вольфрамовым 
 

   

 
 

Рис. 37. Схема плазмотрона и питателя установки для плазменного напыления:

1 — катод;   2 — корпус   плазмотрона;   3 — водоохдалоземая   камера;   4 — анод: 5 — камера   рабочего   газа;   6  - транспортирующая   магистраль;   7 — питатель 

   

 

Рис. 38. Схемы  плазменно-дуговой    (а)   и плазменко-струйной   (б) горелок 

катодом. Дугу стабилизирует завихренный поток рабочего газа, истекающий из горелки (рис. 38, а). В плазменно-струй-ной горелке анодом является охлаждаемое водой медное сопло. Дуга нагревает до высокой температуры рабочий газ, подаваемый с закруткой в камеру горелки, и он вытекает из сопла в виде плазменной струи (рис. 38, б). При использовании в качестве напыляемых материалов порошков, и особенно тугоплавких, необходимы горелки плазменно-струйного типа. Они к тому же достаточно надежно изменяют в широком диапазоне температуру струи за счет подбора диаметра сопла и других параметров распылителя. Согласно данным работы [55] температура в зоне контакта распыленных частиц зависит от следующих шести групп факторов: конструкции плазмотрона (коэффициента полезного действия, давления газа), теплофизических свойств плазмы (плотности, теплопроводности), теплофизических свойств подложки и материала порошка, установочных и кинематических параметров (скорости истечения плазмы, расстояния до среза анода) и режимов напыления (расхода порошка, силы тока и напряжения электрической дуги).

В качестве плазмообразующих чаще всего используются газы аргон и азот. Температура аргонной плазмы выше, чем у азотной, однако азот значительно дешевле аргона. Иногда в плазмообразующих рабочих смесях применяют аммиак, гелий и водород. Для получения качественных плазменных покрытий необходимо контролировать в них содержание влаги (не более 0,007 % для аргона, 0,005 % для азота), а также кислорода в пределах до 0,006 г/м3 в каждом газовом компоненте.

Износостойкость покрытия в сильной степени предопределяется качеством подготовки поверхности под напыление с целью обеспечения максимальной ее шероховатости и химической активности. Основу операции подготовки составляет газоэрозионная обработка с использованием кварцевого песка, корунда или стальной крошки. При пескоструй- 


Информация о работе Плазменно- и детонационное-напыление покрытия