Плазменно- и детонационное-напыление покрытия

   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-