Плазменно-порошковая наплавка — АО Плакарт

Плазменно-порошковая наплавка (Plasma transfer Arc, PTA)

Плазма — нагретый до высокой температуры сильно ионизированный газ, достигающий температуры +10 … 18 тыс. С. Плазменная струя образуется в специальных горелках — плазмотронах. Катодом является неплавящий вольфрамовый электрод. Струя плазменного газа со скоростью потока до 15 000 м/сек захватывает и подаёт порошок на поверхность детали.

Преимущества плазменно-порошковой наплавки:

1. Высокая концентрация тепловой мощности.
2. Минимальная ширина зоны термического влияния, отсутствие поводок.
3. Толщина наплавляемого слоя от 0,1 мм до нескольких мм.
4. Наплавка разных износостойких материалов на стальную деталь.
5. Плазменная закалка поверхности изделия.
6. Незначительное перемешивание наплавляемого материала с основой.

АО «Плакарт» обладает значительным опытом решений плазменно-порошковой наплавки. Данный метод нанесения износостойкого покрытия обеспечивает высокое качество и однородность наплавленного металла.

Применения:

• Защита от коррозии и износа деталей запорной и запорно-регулирующей арматуры: арматура для судостроительной и химической промышленности, энергетическая арматура, нефтегазовая арматура. Безотказная работа наплавленных деталей запорной арматуры более 10 лет. Износостойкая арматура (седла, шиберы, штоки) горнодобывающей промышленности.
• Упрочнение износостойкими покрытиями высоконагруженных деталей (горловых колец и клапанов и др.)

После плазменно-порошковой наплавки детали выдерживают влияние агрессивных химических сред, повышенные температуры, сохраняют высокие прочностные характеристики.

Технология наплавки, напыления и металлизации

Наплавку используют, как для восстановления изношенных размеров, так и для создания износостойкого слоя в целях повышения срока службы деталей машин. Она эффективна лишь в случае, если масса наплавленного металла не превышает 3…6 % общей массы детали. Для выполнения наплавки задаются те же самые параметры режима, что и для сварки, но при их назначении следует учитывать некоторые особенности.

1. Род тока, полярность. Большая производительность достигается на постоянном токе прямой полярности, более дешевый и доступный процесс — на переменном токе, но для электродов с основным покрытием и основных флюсов, используемых для наплавки легированных сталей и сплавов, требуется только постоянный ток обратной полярности. При этом уменьшается производительность и увеличивается доля участия основного металла в наплавленном слое, а это вынуждает увеличивать количество слоев.
2. Диаметр электрода. Его увеличение повышает производительность, уменьшает долю участия основного металла, иногда наплавку ведут, например, небольшими электродами малого диаметра, собранными в «пучок».
3. Сварочный ток. Его увеличение повышает производительность, но и увеличивает глубину проплавления основного металла.
4. Напряжение на дуге. Увеличение этого параметра уменьшает долю участия основного металла, но появляется угроза выгорания легирующих элементов, особенно высокоактивных в дуговом промежутке.
5. Скорость сварки. При ее увеличении ухудшается формирование шва и наплавленной поверхности.
6. Смещение электрода с зенита. Важный параметр при наплавке цилиндрических поверхностей осуществляется в сторону, противоположную направлению вращения, обеспечивает надежное удержание сварочной ванны и формирование наплавленного валика.
7. Шаг наплавки и величина перекрытия валика. Обеспечивают заданную высоту наплавленного слоя и степень однородности химического состава наплавленного металла. Поэтому необходимо, чтобы параметры режима и техника наплавки обеспечивали наименьшее проплавление основного металла, максимальное сохранение легирующих элементов, хорошее формирование наплавленной поверхности, минимальные припуски для дальнейшей механической обработки детали.

Рациональный способ легирования наплавленного слоя и технология наплавки зависят от условий эксплуатации деталей, их размеров и конфигурации, допустимого износа и его характера, наличия необходимых материалов и оборудования и т.д. Наиболее распространенным, особенно в монтажных, полевых условиях или при небольших объемах наплавочных работ, является ручная дуговая наплавка с использованием покрытых электродов, как общего назначения (см. табл. 7…2.11), так и специальных (табл. 14). Производительность процесса — 0,3…2,0 кг/ч.

Ручная дуговая наплавка графитовым электродом порошками и их смесями выполняется на постоянном токе прямой полярности на режиме:

d_э = 10…15 мм,

I_св = 180…210 A,

U_д = 27…30 В.

Толщина слоя порошка 7…9 мм, а толщина наплавленного слоя 2…3 мм.

Производительность процесса 1…1,5 кг/ч.

При наплавке высоколегированных сплавов вольфрамовым электродом в аргоне используют литые прутки (см. табл. 12). Производительность процесса 0,3…0,8 кг/ч.

Гранулированные порошки и их смеси можно использовать и для индукционной наплавки, особенно при ремонте и изготовлении органов землеройных машин и сельскохозяйственной техники. Производительность процесса высока (9…10 кг/ч).

Для стационарных, цеховых условий, при больших объемах наплавочных работ используют механизированные способы наплавки материалами, приведенными в гл. 5.

Параметры режима наплавки приведены в табл. 116, 117.

Таблица 116. Параметры режима механизированной дуговой наплавки цилиндрических поверхностей небольшого диаметра

Диаметр детали, мм	sнап.сл, мм	dэ, мм	Смещение проволоки с зенита, мм	Iсв, А	U, В	vн, м/ч
Наплавка под флюсом
40…70	1,5…2,5	1,2…2,5	3…8	120…210	26…28	16…24
70…100	1,5…2,5	1,2…2,5	8…15	160…270	28…30	16…30
150…200	2…3	1,2…2,5	20…30	230…350	30…32	16…32
200…300	2…3	1,2…2,5	30…40	270…380	30…32	16…35
Наплавка в углекислом газе
10…15	0,8	0,8	2	70…80	17…18	20…25
20…25	0,8…1	0,8	3,5	85…90	17…18	20…25
30…40	1	0,8	5…8	85…90	17…18	20…25
30…40	1…1,2	1	5…10	95…100	17…18	20…30
Вибродуговая наплавка
Внутренний не менее 50	0,5…1	1,6	—	140…160	15…17	31…32
Наружный не менее 15	1…1,5	1,8	—	160…180	15…17	31…32

Таблица 117. Параметры режима автоматической наплавки под флюсом

Электродный материал	dэ (для ленты — размер), мм	Iсв, А	U, В	vн, м/ч
Цельнотянутая проволока	2,0	300…400	28…34	15…60
	3,0 4,0	300…600 400…800	30…36 34…40
	5,0	500…1000	36…45
Порошковая проволока	2,6	260…320	24…26	12…18
	2,8	260…340	20…26	16…30
	3,0	280…350	22…26	15…25
	3,6	320…400	28…36	15…30
	4,0	330…480	30…36	25…40
	5,0	480…560	30…36	20…28
	6,0	580…670	30…36	20…28
Плющенка	2,5×6	400…600	25…34	12…25
Холоднокатаная лента	30×0,5	520…560	32…34	10…14
	40×0,7	550…650	32…34
	50×0,7	650…750	34…36
	60×0,5	850…620	32…34
	65×0,7	950…1050	36…38
	80×0,7	980…1200	34…36
	100×0,7	1250…1350	38…40
Порошковая лента	14×4	700…1000	32…36	15…30
	20×4	600…1000	28…36	15…40
	45×3	900…1050	34…36	15…20
Спеченная лента	30×0,8…1,2	360…600	28…32	15…30
	60×0,8…1,2	720…900	28…32
	80×0,8…1,2	880…1200	28…32

Производительность способов наплавки составляет: плавящимся электродом в защитных газах и самозащитной проволокой 1,5…6 кг/ч, автоматической под флюсом и проволокой 3…8 кг/ч, проволокой с порошком 13…25 кг/ч, лентой 5…20 кг/ч. При этом следует иметь в виду, что использование самозащитной порошковой проволоки позволяет выполнять наплавку в полевых условиях часто без демонтажа изношенной детали с механизма, что значительно ускоряет и удешевляет проведение ремонтных работ. Наиболее производительным способом, позволяющим за один раз наплавлять слой толщиной 30…40 мм, является электрошлаковая наплавка, однако она требует сложных устройств и высокой квалификации оператора-наплавщика. Производительность составляет 15…30 кг/ч, а в отдельных случаях может достигать 120…150 кг/ч.

В некоторых случаях возникает необходимость в нанесении слоя покрытия небольшой толщины, что достигается использованием способов дуговой металлизации и плазменного напыления. Последнее может выполняться с использованием порошков и проволок, причем эта технология является наиболее эффективной с энергетической точки зрения (табл. 118).

Таблица 118. Сравнительная характеристика некоторых электротермических способов нанесения покрытий

Показатель	Электродуговая наплавка	Плазменная металлизация
		порошком	проволокой
			нейтральной	токоведущей
КПД нагрева материала, %	20…40	2…4	3…5	8…10
Коэффициент использования материала, %	70…80	20…60	50…75	50…75
Производительность, кг/ч	3…4	4…6	6…8	8…10
Энергозатраты по нанесению 1 кг покрытия, 104 Дж	7…8	12…14	10…12	4…5

Технология плазменного напыления состоит из нескольких последовательных операций: подготовки порошков (сушка, просеивание и охлаждение — все это за 2—3 ч до напыления), подготовка поверхности (обезжиривание, травление, пескоструйная, дробеструйная, механическая обработка, подогрев), нанесение покрытия на режимах, приведенных в табл. 119. За один проход плазмотрона наносится слой толщиной 15…100 мкм. При нанесении самофлюсующихся порошков для повышения прочности сцепления и снижения пористости проводят оплавление покрытий (газовым пламенем, плазмотроном, в печи, ТВЧ и в соляных ваннах). Общим правилом при плазменной наплавке и напылении является предварительный подогрев деталей до температуры 450…600 ^oС в зависимости от их размеров и формы: после напыления они загружаются в печь с температурой 550…650 ^oС, которая потом поднимается до 700…750 ^oС; детали выдерживаются на протяжении 2…3 ч и медленно охлаждаются с печью.

Таблица 119. Параметры режима нанесения материалов плазменным напылением

Напыляемый материал	I, А	U, В	Qг (рабочего), м3/ч	Qг (транспортирующего), м3/ч	Размер частиц порошка, мкм	Дистанция напыления, мм
Сталь	180	70	1,8 (Ar)	0,25	*	140
Серебро	250	35	1,8 (Ar)	0,20	63…80	100
Медь	300	35	1,8 (Ar)	0,24	63…80	150
Бронза	300	28	1,8 (Ar)	0,24	63…80	150
Хром	350	30	2,2	0,33	40…80	120
Никель	380	29	1,8	0,27	40…100	120
Латунь	150	28	1,8 (Ar)	0,24	63…80	150
Нихром	300	29	1,8	0,27	40…100	120
Борид хрома	400	28	1,8	0,33	40…63	120
Борид ниобия	260	80	2,2	0,36	20…63	90
Борид титана	400	27	1,8	0,36	40…63	75
Борид циркония	450	27	1,6	0,30	63…80	100
Оксид титана	450	27	2,2	0,30	40…63	100
Оксид тантала	260	80	2,2	0,36	20…63	75
Оксид алюминия, кремния	400	35	2,1	0,27	63…80	110
Оксид циркония	400	32	2,4	0,36	40…80	100
Силицид молибдена	400	26	1,3	0,30	40…80	100
Карбид хрома	250	29	2,2	0,33	40…63	90
Самофлюсующиеся сплавы	350	30	2,2	0,36	40…120	150…180

* Напыление проволокой диаметром 1,6 мм.

Примечание. Неуказанный рабочий газ — азот или воздух

Просмотров: 192

Плазменная наплавка — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Плазменная наплавка (Plasma transfer Arc, PTA) является современным способом нанесения износостойких покрытий на рабочую поверхность при изготовлении и восстановлении изношенных деталей машин.

Технология

Плазменно-порошковая наплавка износостойких материалов на заводе в г. Щербинка

Плазмой называется высокотемпературный сильно ионизированный газ, состоящий из молекул, атомов, ионов, электронов, световых квантов и др. При дуговой ионизации газ пропускают через канал и создают дуговой разряд, тепловое влияние которого ионизирует газ, а электрическое поле создаёт направленную плазменную струю. Газ может ионизироваться также под действием электрического поля высокой частоты. Газ подаётся при давлении в 2 …3 атмосферы, возбуждается электрическая дуга силой 400 … 500 А и напряжением 120 … 160 В Ионизированный газ достигает температуры 10 … 18 тыс. С, а скорость потока — до 15000 м/сек. Плазменная струя образуется в специальных горелках — плазмотронах. Катодом является неплавящий вольфрамовый электрод. 

В зависимости от компоновки различают:

1. Открытую плазменную струю (анодом является деталь или пруток). В этом случае происходит повышенный нагрев детали. Используется эта схема для резки металла и для нанесения покрытий.
2. Закрытую плазменную струю (анодом является сопло или канал горелки). Хотя температура сжатой дуги на 20 …30% в этом случае выше, но интенсивность потока ниже, т. к. увеличивается теплоотдача в окружающую среду. Схема используется для закалки, металлизации и напыления порошков.
3. Комбинированная схема (анод подключается к детали и к соплу горелки). В этом случае горят две дуги. Схема используется при наплавке порошком.

Плазменную наплавку металла можно реализовать двумя способами:

1. Струя газа захватывает и подаёт порошок на поверхность детали;
2. В плазменную струю вводится присадочный материал в виде проволоки, прутка, ленты.

В качестве плазмообразующих газов можно использовать аргон, гелий, азот, кислород, пар, водород и воздух. Наилучшие результаты наплавки получаются с аргоном и гелием.

Достоинствами плазменной наплавки являются:

1. Высокая концентрация тепловой мощности и минимальная ширина зоны термического влияния.
2. Возможность получения толщины наплавляемого слоя от 0,1 мм до нескольких миллиметров.
3. Возможность наплавления различных износостойких материалов (медь, латунь, пластмасса) на стальную деталь.
4. Возможность выполнения плазменной закалки поверхности детали.
5. Относительно высокий КПД дуги (0.2 …0.45).
6. Малое (по сравнению с другими видами наплавки) перемешивание наплавляемого материала с основой, что позволяет достичь необходимых характеристик покрытий.

Поверхность детали необходимо готовить к наплавке более тщательно, чем при обычной электродуговой или газовой сварке, т. к. посторонние включения уменьшают прочность наплавленного слоя. Для этого производится механическая обработка поверхности (проточка, шлифование, пескоструйная обработка..), иногда обезжиривание. Мощность электрической дуги подбирают такой, чтобы сильно не нагревалась деталь, и чтобы основной металл был на грани расплавления.

Применение

Плазменная наплавка широко применяется для защиты от высокотемпературного износа формокомплектов стекольной промышленности, для защиты от коррозии и износа деталей запорной и запорно-регулирующей арматуры, для упрочнения поверхности деталей, работающих при высоких нагрузках.

Литература

• Соснин Н. А., Ермаков С. А., Тополянский П. А. Плазменные технологии. Руководство для инженеров. Изд-во Политехнического ун-та. СПб.: 2013. — 406 с.
• Попов В. Ф., Горин Ю. Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии. — М.: Высш. шк., 1988. — 255 с. — ISBN 5-06-001480-0.

• Виноградов М.И., Маишев Ю.П.
  Вакуумные процессы и оборудование ионно — и электронно-лучевой технологии. — М.: Машиностроение, 1989. — 56 с. — ISBN 5-217-00726-5.

• Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. Пер. с яп. Москва « Машиностроение » 1985г.
• Достанко А.П., Грушецкий С.В., Киселевский Л.И., Пикуль М.И., Ширипов В.Я. Плазменная металлизация в вакууме. — Мн.: Наука и техника, 1983. — 279 с.

См. также

Плазменная наплавка — это… Что такое Плазменная наплавка?

Плазменная наплавка (Plasma transfer Arc, PTA) является современным способом нанесения износостойких покрытий на рабочую поверхность при изготовлении и восстановления изношенных деталей машин.

Технология

Плазменно-порошковая наплавка износостойких материалов на заводе в г. Щербинка

Плазмой называется высокотемпературный сильно ионизированный газ, состоящий из молекул, атомов, ионов, электронов, световых квантов и др. При дуговой ионизации газ пропускают через канал и создают дуговой разряд, тепловое влияние которого ионизирует газ, а электрическое поле создает направленную плазменную струю. Газ может ионизироваться также под действием электрического поля высокой частоты. Газ подается при давлении в 2 …3 атмосферы, возбуждается электрическая дуга силой 400 … 500 А и напряжением 120 … 160 В Ионизированный газ достигает температуры 10 … 18 тыс. С, а скорость потока — до 15000 м/сек. Плазменная струя образуется в специальных горелках — плазмотронах. Катодом является неплавящий вольфрамовый электрод. 

В зависимости от компоновки различают:

1. Открытую плазменную струю (анодом является деталь или пруток). В этом случае происходит повышенный нагрев детали. Используется эта схема для резки металла и для нанесения покрытий.
2. Закрытую плазменную струю (анодом является сопло или канал горелки). Хотя температура сжатой дуги на 20 …30% в этом случае выше, но интенсивность потока ниже, т. к. увеличивается теплоотдача в окружающую среду. Схема используется для закалки, металлизации и напыления порошков.
3. Комбинированная схема (анод подключается к детали и к соплу горелки). В этом случае горят две дуги. Схема используется при наплавке порошком.

Плазменную наплавку металла можно реализовать двумя способами:

1. Струя газа захватывает и подает порошок на поверхность детали;
2. В плазменную струю вводится присадочный материал в виде проволоки, прутка, ленты.

В качестве плазмообразующих газов можно использовать аргон, гелий, азот, кислород, водород и воздух. Наилучшие результаты наплавки получаются с аргоном и гелием.

Достоинствами плазменной наплавки являются:

1. Высокая концентрация тепловой мощности и минимальная ширина зоны термического влияния.
2. Возможность получения толщины наплавляемого слоя от 0,1 мм до нескольких миллиметров.
3. Возможность наплавления различных износостойких материалов (медь, латунь, пластмасса) на стальную деталь.
4. Возможность выполнения плазменной закалки поверхности детали.
5. Относительно высокий КПД дуги (0.2 …0.45).
6. Малое (по сравнению с другими видами наплавки) перемешивание наплавляемого материала с основой, что позволяет достичь необходимых характеристик покрытий.

Поверхность детали необходимо готовить к наплавке более тщательно, чем при обычной электродуговой или газовой сварке, т. к. посторонние включения уменьшают прочность наплавленного слоя. Для этого производится механическая обработка поверхности (проточка, шлифование, пескоструйная обработка..), иногда обезжиривание. Мощность электрической дуги подбирают такой, чтобы сильно не нагревалась деталь, и чтобы основной металл был на грани расплавления.

Применение

Плазменная наплавка широко применяется для защиты от высокотемпературного износа формокомплектов стекольной промышленности, для защиты от коррозии и износа деталей запорной и запорно-регулирующей арматуры, для упрочнения поверхности деталей, работающих при высоких нагрузках.

Литература

• Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. Пер. с яп. Москва « Машиностроение » 1985г.

См. также

Плазменная наплавка — Википедия. Что такое Плазменная наплавка

Плазменная наплавка (Plasma transfer Arc, PTA) является современным способом нанесения износостойких покрытий на рабочую поверхность при изготовлении и восстановлении изношенных деталей машин.

Технология

Плазменно-порошковая наплавка износостойких материалов на заводе в г. Щербинка

Плазмой называется высокотемпературный сильно ионизированный газ, состоящий из молекул, атомов, ионов, электронов, световых квантов и др. При дуговой ионизации газ пропускают через канал и создают дуговой разряд, тепловое влияние которого ионизирует газ, а электрическое поле создаёт направленную плазменную струю. Газ может ионизироваться также под действием электрического поля высокой частоты. Газ подаётся при давлении в 2 …3 атмосферы, возбуждается электрическая дуга силой 400 … 500 А и напряжением 120 … 160 В Ионизированный газ достигает температуры 10 … 18 тыс. С, а скорость потока — до 15000 м/сек. Плазменная струя образуется в специальных горелках — плазмотронах. Катодом является неплавящий вольфрамовый электрод. 

В зависимости от компоновки различают:

1. Открытую плазменную струю (анодом является деталь или пруток). В этом случае происходит повышенный нагрев детали. Используется эта схема для резки металла и для нанесения покрытий.
2. Закрытую плазменную струю (анодом является сопло или канал горелки). Хотя температура сжатой дуги на 20 …30% в этом случае выше, но интенсивность потока ниже, т. к. увеличивается теплоотдача в окружающую среду. Схема используется для закалки, металлизации и напыления порошков.
3. Комбинированная схема (анод подключается к детали и к соплу горелки). В этом случае горят две дуги. Схема используется при наплавке порошком.

Плазменную наплавку металла можно реализовать двумя способами:

1. Струя газа захватывает и подаёт порошок на поверхность детали;
2. В плазменную струю вводится присадочный материал в виде проволоки, прутка, ленты.

В качестве плазмообразующих газов можно использовать аргон, гелий, азот, кислород, пар, водород и воздух. Наилучшие результаты наплавки получаются с аргоном и гелием.

Достоинствами плазменной наплавки являются:

1. Высокая концентрация тепловой мощности и минимальная ширина зоны термического влияния.
2. Возможность получения толщины наплавляемого слоя от 0,1 мм до нескольких миллиметров.
3. Возможность наплавления различных износостойких материалов (медь, латунь, пластмасса) на стальную деталь.
4. Возможность выполнения плазменной закалки поверхности детали.
5. Относительно высокий КПД дуги (0.2 …0.45).
6. Малое (по сравнению с другими видами наплавки) перемешивание наплавляемого материала с основой, что позволяет достичь необходимых характеристик покрытий.

Поверхность детали необходимо готовить к наплавке более тщательно, чем при обычной электродуговой или газовой сварке, т. к. посторонние включения уменьшают прочность наплавленного слоя. Для этого производится механическая обработка поверхности (проточка, шлифование, пескоструйная обработка..), иногда обезжиривание. Мощность электрической дуги подбирают такой, чтобы сильно не нагревалась деталь, и чтобы основной металл был на грани расплавления.

Применение

Плазменная наплавка широко применяется для защиты от высокотемпературного износа формокомплектов стекольной промышленности, для защиты от коррозии и износа деталей запорной и запорно-регулирующей арматуры, для упрочнения поверхности деталей, работающих при высоких нагрузках.

Литература

• Соснин Н. А., Ермаков С. А., Тополянский П. А. Плазменные технологии. Руководство для инженеров. Изд-во Политехнического ун-та. СПб.: 2013. — 406 с.
• Попов В. Ф., Горин Ю. Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии. — М.: Высш. шк., 1988. — 255 с. — ISBN 5-06-001480-0.

• Виноградов М.И., Маишев Ю.П. Вакуумные процессы и оборудование ионно — и электронно-лучевой технологии. — М.: Машиностроение, 1989. — 56 с. — ISBN 5-217-00726-5.

• Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. Пер. с яп. Москва « Машиностроение » 1985г.
• Достанко А.П., Грушецкий С.В., Киселевский Л.И., Пикуль М.И., Ширипов В.Я. Плазменная металлизация в вакууме. — Мн.: Наука и техника, 1983. — 279 с.

См. также

Восстановление деталей машин плазменными методами — Студопедия

Плазменные методы восстановления деталей машин основываются на использова­нии теплофизических свойств ионизированного газа (плазмы). Так как выделить плазму в чистом виде весьма трудно, то для технических целей используют дуговой разряд, обогащенный плазмой, т.е. в дуговом разряде наряду с заряженными частицами (ионами и электронами) содержатся и нейтральные частицы. Такое состояние газа называется низкотемпературной плазмой (температура на выходе из сопла плазмотрона около 5000 … 7000 К).

В качестве плазмообразующих газов самостоятельно могут быть использованы ар­гон, азот, гелий, аммиак. Водород и кислород применяются в смеси с аргоном, азотом.

В комплект оборудования для плазменной обработки входят следующие узлы: плазмотрон; механизм транспортирования порошковых и проволочных материалов; пульт управления, в котором сосредоточены измерительные, регулировочные и блоки­ровочные устройства; источник питания дуги; источник и приемник охлаждающей во­ды; комплекс коммуникаций, соединяющий отдельные узлы установки и обеспечиваю­щий подвод к плазмотрону газов, электроэнергии, охлаждающей воды.

Плазменное напыление. Для восстановления изношенных поверхностей плазмен­ным напылением широкое применение получили самофлюсующиеся сплавы системы Ni-Cr-B-Si, в которые нередко добавляют карбиды, бориды тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, ванадия) для образования композиционных сплавов с более вы­сокими физико-химическими свойствами. Весьма эффективно использование биметал­лических терм о реагирующих порошковых сплавов (например, Al + Ni), обладающих экзотермическими свойствами, повышающими прочность сцепления покрытия с осно­вой и физико-химические свойства в целом. Их применяют в качестве подслоя или для напыления основного слоя.

Технологический процесс восстановления деталей плазменным напылением вклю­чает следующие операции: подготовка порошка и поверхности детали, напыление и ме­ханическая обработка напыленного покрытия.

Подготовка порошка заключается в его сушке при температуре 150 … 200 °С и про­сеивании через сито с размером ячеек, не превышающим 200 мкм.

Подготовке поверхности детали к напылению должно уделяться первостепенное значение, поскольку от ее качества в значительной мере зависит прочность сцепления порошка с поверхностью детали. Детали, подлежащие напылению, очищают от грязи, моют, просушивают, после чего подвергают механической обработке, с целью создания на поверхности необходимой шероховатости, которая оказывает существенное влияние не только на прочность сцепления напыляемого материала с подложкой, но и на уста-

Рис. 12.7. Плазменное напыление порошком (в) и проволокой (б): 1 — подвод плазмообразующего газа; 2 — катод плаз матрона; 3 — корпус катода; 4 — изолятор; 5 — корпус анода; 6 — порошковый питатель; 7- подвод газа, транспортирующего порошок; 8- плазменная струя; 9- источник питания (И П)

лостную прочность восстанавливаемой детали. Наиболее рациональный метод создания шероховатости — дробеструйная обработка чугунной крошкой с размером частиц 1 … 2 мм при давлении воздуха 0,5 … 0,6 МПа. Напылять покрытия следует сразу после дро­беструйной обработки, так как уже через 2 ч ее эффективность уменьшается из-за увеличения па обрабатываемой поверхности оксидной пленки.

При плазменном напылении в качестве напыляемых материалов применяют по­рошки (рис. 12.7, а), проволоки и прутки (рис. 12.7, б).

Более технологичным является использование порошков. Частицы порошка, пода­ваемые в зону плазмообразования, нагреваются в плазменной струе до оплавления или расплавления и направляются с определенной скоростью (50 … 200 м/с) на поверхность детали, ударяясь о которую, деформируются, растекаются, кристаллизуются, образуя слоистые покрытия.

В зависимости от свойств напыляемых металлических частиц, способа и режима напыления частицы могут достигать подложки в жидком, пластичном или твердом со­стоянии. Экспериментально определено, что для получения более высокой прочности сцепления частицы должны быть нагреты не ниже 90 % температуры их плавления.

Повышению прочности сцепления способствует также предварительное напыление подслоя толщиной не более 0,1 мм из металлов (сплавов), образующих прочные химиче­ские связи в результате взаимодействия с подложкой (молибден, сплавы на никелевой основе, содержащие алюминий, титан и др.). Весьма перспективно напыление компо­зиционным порошком (NI-A1): в результате алюмотермической реакции образуется по­крытие — алюминид никеля, отличающийся высокой стойкостью к окислению и более высокой температурой плавления (1640 °С), чем составляющие его металлы.

Существенным недостатком напыляемых покрытий является их пористость, что объясняется небольшой площадью контакта, как между частицами, так и между части­цами и подложкой. При воздействии на такой слой сравнительно невысоких нагрузок

Рис. 12.8. Плазменное напыление с последующим оплавлением:

1 — ИП; 2 — балластный реостат; 3 — порошковый питатель;

4 — плазматрон; 5 . 6- ввод и вывод охлаждающей жидкости;

7 — ввод наплавляемого порошка; 8 — напыляемая деталь

велика вероятность его отслоения. Для улучшения качества напыленных покрытий их подвергают последующему оплавлению (рис. 12.8), Для последующего оплавления при­годны те напыленные твердые сплавы, которые обладают способностью самофлюсова­ния. Это сплавы на никелевой основе. Наряду с плазменным нагревом для оплавления покрытий используют газопламенный, аргонодуговой способы и токи высокой частоты. Твердость оплавленных порошковых смесей составляет49 … 53 HRC, износостойкость в 5 раз превышает износостойкость стали 45, сопротивление усталости повышается да 20 …25%, прочность сцепления покрытия с подложкой достигает 400 МПа.

Однако несмотря на то, что способ напыления с оплавлением позволяет получать высококачественные износостойкие покрытия с необходимым припуском под механиче­скую обработку, широкого применения для восстановления деталей он не получил из-за следующих недостатков. Процесс напыления с оплавлением является трудоемким и по Производительности уступает процессам получения покрытий наплавкой и электроли­тическими способами. Применение дорогих само флюсующихся порошков значительно повышает себестоимость восстановления. Нагрев покрытия и детали при оплавлении достигает 1100 °С, что выше температур фазовых превращений, поэтому все недостат­ки, характерные для наплавки, присуши и этому способу.

Методами плазменного напыления можно получить покрытия толщиной в несколько миллиметров, однако с увеличением толщины слоя свыше 1 … 1,3 мм прочность его сцепления с подложкой снижается, поэтому наиболее целесообразно восстанавливать детали с износом, не превышающим 0,4 … 0,6 мм.

Плазменное напыление целесообразно применять для восстановления деталей, не подверженных значительным динамическим нагрузкам; изготовленных из чугуна и алюминия, трудно поддающихся восстановлению другими способами; изготовленных из любых сплавов, но при восстановлении которых не допускаются деформации. К та­ким деталям относятся корпусные детали автомобилей, тракторов, у которых изнаши­ваются посадочные места; гнезда блока под вкладыши коренных подшипников, гнезда картеров коробок передач, опорные буртики и посадочные пояски гильз цилиндров, поверхность нижней головки шатуна и др. Значительную номенклатуру составляют валы, изготовленные из чугуна, стали 45, легированных сталей, с изношенными посадочными местами: валы коробок передач, ходовой части машин и др. Плазменное нанесение по­крытий экономически целесообразно при восстановлении большого количества деталей.

Плазменная наплавка. Более технологичным и производительным является способ плазменной наплавки, который заключается в создании на восстанавливаемой поверхно­сти под действием плазменной струи расплава присадочного материала. После затверде­вания формируется наплавленный слой с заданными физико-механическими свойства­ми.

При упрочнении и восстановлении деталей в зависимости от их формы, условий работы применяют несколько разновидностей плазменной наплавки, отличающихся ти­пом присадочного материала, способом его подачи на изношенную поверхность и видом используемой сжатой дуги. При плазменной наплавке применяют дугу прямого действия — дуга образуется между вольфрамовым электродом и токоведущей присадочной про­волокой при электрически нейтральной детали.

Плазменную наплавку можно выполнять одиночными валиками, при наплавке ци­линдрических деталей по винтовой линии, а также с применением колебательного меха­низма (для широких слоев).

В качестве наплавочных материалов широко применяют следующие марки порош­ковых сплавов: ПГ-Cl, ПГ-УС25, ПГ-С27, ПГ-ФБХ62, ПГ-Л101, а также различные композиции этих сплавов с хромоникелевым порошковым сплавом ПГ-СР4. Ко всем сплавам добавляют 6 … 8 % порошкового алюминия. Альтернатняой традиционным сплавам в настоящее время стало создание диффузионно-легированных (ДЛ) самофлю- сующихся порошков, состоящих из ядра (серийно выпускаемые металлические порош­ки, измельченная металлическая стружка) и диффузионной оболочки, содержащей бор и кремний. ДЛ-порошки при меньшей (в несколько раз) стоимости позволяют эффективно восстанавливать и упрочнять функциональные поверхности деталей. Грануляция по­рошков для плазменной наплавки должна находиться в пределах 200 … 600 мкм. При­менение мелких частиц приводит к более интенсивному окислению и их частичному выгоранию. Кроме того, при их использовании часто забивается сопло плазмотрона.

Для предотвращения окисления металла в ванне расплава применяют подачу в зону наплавки защитных газов — аргона, азота или углекислого газа.

Универсальный способ плазменной наплавки — наплавка с вдуванием порошка в дугу, который, частично оплавляясь, переносится на поверхность изделия, оплавляемого дугой прямого действия (рис. 12.9). За счет широкого диапазона регулирования теплоты, идущей на нагрев порошка и детали, этот способ позволяет получать наплавленные слои высокого качества с минимальной глубиной проплавления. К недостаткам способа следует отнести сложность конструкций плазмотрона, его низкую надежность и боль­шие размеры, а также значительный расход газа.

При использовании наплавочной проволоки наиболее эффективна наплавка токо­ведущей проволокой. В этом случае сжатая дуга используется главным образом для плавления проволоки и в меньшей степени для подогрева детали (рис. 12.10). На­плавленный слой в основном образуется за счет теплоты перегретого наплавленно­го металла, смачивающего поверхность подогретого основного металла. Доля участия основного металла в первом наплавленном слое не превышает 4 %, что важно для обеспечения требуемых физико-механических свойств наплавки.

Наплавка прямой дугой токоведущей проволокой увеличивает производительность, но при этом возрастает глубина проплавления основного металла.

Заслуживает внимания способ плазменной наплавки двумя плавящимися проволо­ками, подключенными последовательно к источнику переменного тока, с помощью ко­торого они нагреваются до соответствующих температур и подаются в хвостовую часть ванны расплавленного металла, образованной сжатой дугой прямого действия (рис. 12.11). Производительность этого способа достигает 30 кг/ч.

Плазменную наплавку широко применяют для восстановления изношенных по­верхностей следующих деталей: стальных крестовин карданных шарниров и сателлитов дифференциалов; клапанов, распределительных и коленчатых валов автотракторных двигателей; алюминиевых поршней двигателей; чугунных корпусных деталей; изнаши­вающихся поверхностей деталей атомных реакторов; режущих кромок шнекобурильных машин; долот вращательного бурения; зубьев ковшей экскаваторов.

Толщина наплавляемого за несколько проходов материала может достигать 10 мм, однако наиболее эффективны наплавляемые слои до 2 мм при глубине проплавления ос­новного металла до 0,4 … 0,6 мм. В этом случае обеспечиваются наиболее высокие физи­ко-механические свойства покрытий. Плазменная наплавка позволяет не только наплав­лять изношенные поверхности, но и устранять эксплуатационные дефекты в виде трещин (обычно глубиной до 3 мм).

Эффективность плазменной наплавки во многом определяется характером усло­вий эксплуатации восстановленного изделия и свойствами применяемых наплавочных материалов.

Рис. 12.11. Плазменная наплавка с подачей в ванну двух плавящихся проволок:

] — электродные токоведущие проволоки; 2 — источник переменного тока;

3 — защитное сопло; 4 -источник постоянного тока;

ЯГ — плазмообразующий газ; В — вода; ЗГ- защитный газ

Так, износостойкость клапанов двигателей после наплавки жаропрочными твер­дыми порошковыми сплавами возрастает в 1,8 … 2 раза, по сравнению с новыми, а при­менение наплавочных порошков на основе релита или спеченного сплава ВК повышает износостойкость муфт геологоразведочных бурильных машин до 6 … 8 раз.

Техника и технология плазменной наплавки металлов 2

Одним из основных параметров режима наплавки является величина сварочного тока. Возрастание его в цепи неплавящийся электрод — присадочная проволока приводит к увеличению перегрева присадочного металла и, как следствие, к росту нагрева или проплавления поверхности основного металла.

На стабильность процесса наплавки и качество наплавленных изделий большое влияние оказывает величина расхода плазмообразующего и защитного газов. При наплавке капли расплавленного присадочного металла и вся сварочная ванна должны находиться внутри потока защитного газа во избежание соприкосновения жидкого металла с атмосферой. Надежная защита жидкого металла от контакта с воздухом обеспечивается только при ламинарном характере истечения газа. Оптимальным является расход защитного газа в пределах 0,8—1,2 м³/ч, а плазмообразующего — 0,15— 0,2 м³/ч.

В производственных условиях плазменная наплавка выполняется с применением присадочных проволок марок БрКМцЗ-1, БрАМц9-2; БрОФ6,5-0,4; БрОН8-3; БрАЖНМц8,5-4-5-1,5, 06Х19Н10Т; 04Х19Н11МЗ и др. Режим процесса наплавки в незначительной степени зависит от состава присадочной проволоки. Так, при наплавке проволоками из нержавеющих хромоникелевых сталей ток на 10—15% больше, чем при наплавке проволоками из медных сплавов. Остальные параметры режима наплавки практически остаются постоянными.

Рекомендуемые режимы плазменной наплавки приведены в табл. 5.

Во многих случаях необходимо произвести наплавку   поверхности    большой ширины (100—500 мм и более).   Тогда   она осуществляется   путем   наложения нескольких валиков, а при изготовлении    цилиндрических изделий — по спирали. Для обеспечения качественного сплавления  основного металла и металла наплавленного валика с металлом наплавки последующих валиков процесс   ведется таким образом,   чтобы каждый последующий валик перекрывал   предыдущий   на 5—8 мм. В этом случае получается хороший внешний вид поверхности   наплавки и минимальны   отходы металла при механической обработке изделия.

При наплавке изделий цилиндрической формы по спирали плазмотрон в зависимости от диаметра изделия устанавливается в зените или с некоторым смещением от него.

При наплавке изделий диаметром до 100 мм смещение плазмотрона обязательно, причем он смещается от зенита в сторону, противоположную направлению вращения изделия (рис. 18) [1], при этом не происходит стекания жидкого металла с наплавляемой поверхности.

Рис. 18. Схема процесса плазменной наплавки изделий цилиндрической формы: 1 — плазмотрон; 2 — защитное сопло; 3 — плазменная струя; 4 — присадочная проволока; 5 — изделие; а — угол наклона плазмотрона.

Величина смещения а (расстояние между вертикальной плоскостью,  проходящей через  зенит,  и  местом попадания капель жидкого металла в ванну) выбирается в зависимости от диаметра изделия. При диаметрах 50—100 мм она составляет 6—3 мм. Большую величину смещения плазмотрона назначать не следует, так как могут ухудшиться условия смачивания основного металла.

Технология плазменной наплавки зависит от состава присадочной проволоки. Известно, что при наплавке медных сплавов на сталь в последней образуются включения медного сплава. Особенно глубокие включения (до 10—15 мм) могут образоваться при наплавке оловянных бронз непосредственно на сталь, при этом снижаются механические свойства биметаллов (угол загиба, усталостная прочность и т. п.). Чтобы избежать этого, перед наплавкой на сталь оловянной бронзы производится плазменная наплавка подслоя из кремнистой бронзы (например, марки БрКМцЗ-1) и уже на него — оловянной бронзы. Неглубокие включения (до 1 мм) практически не оказывают влияния на механические свойства биметаллов.

Медноникелевые сплавы типа МНЖ5-1 и т. п. обладают низкой технологической прочностью, поэтому в процессе кристаллизации и последующего охлаждения металла наплавки в них могут образоваться трещины. Во избежание этого наплавку их следует производить с относительно небольшой амплитудой колебаний плазмотрона (10—16 мм) при максимально допустимой скорости наплавки.

При соблюдении техники и технологии плазменной наплавки полученные биметаллические изделия обладают высокими свойствами и работоспособностью.

Анализ пористости напыляемого плазмой покрытия с помощью Soft Computing

В данной работе описываются промышленные отходы и руды низкого качества (летучая зола + кварц + ильменит в качестве материала покрытия), осажденные на подложках из мягкой стали. Во многих случаях обнаруживается, что пористость является важным фактором на поверхности покрытия. Знание степени этих дефектов пористости имеет решающее значение, поскольку они влияют на широкий спектр свойств и поведения покрытия, нанесенного распылением. Для уменьшения пористости за счет оптимизации необходимых рабочих параметров используется метод искусственной нейронной сети (ИНС).Цель данного исследования — найти подходящие входные векторы в модели ИНС. Результаты экспериментов ИНС показывают, что проекционная сеть обладает хорошей способностью к обобщению для оптимизации пористости.

1. Введение

Плазменная наплавка — превосходная технология для нанесения покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками, начиная с аэрокосмической и заканчивая биомедицинской [1–3]. В процессе термического напыления используются самые разные материалы (металл, керамика, сплавы и их композиты) и процессы (атмосферное плазменное напыление, вакуумно-плазменное напыление и т. Д.).) для улучшения свойств поверхности [4–6]. Обычный процесс плазменного напыления обычно называют воздушным или атмосферным плазменным напылением (APS). Для генерации плазмы инертный газ, обычно смесь аргон / аргон + водород, перегревается дугой постоянного тока [7]. Температуры плазмы колеблются от примерно 6000 ° C до 15000 ° C в области мощного нагрева, что значительно выше точки плавления любого известного материала [8]. Порошковая смесь зольной пыли + кварц + ильменит (размер от 40 мкм м до 100 мкм м) вводится в высокотемпературное плазменное пламя, которое затем быстро нагревается и ускоряется до очень высокой скорости за счет ударов плазменного пламени. поверхность материала подложки находится в расплавленном или полурасплавленном состоянии и очень быстро остывает с образованием качественного покрытия [7, 9, 10].

Контроль качества технологии плазменного напыления обычно рассматривает мониторинг характеристик частиц расплавленного сырья, осажденных на поверхности подложки, то есть для повышения эффективности покрытия [11]. Эффективность покрытия представляет собой эффективность процесса осаждения, а также покрываемость исследуемого порошка [12]. Эффективность покрытия прямо или косвенно зависит от многих других параметров при напылении, каждый из которых взаимосвязан друг с другом.Пористость — это микроструктурная особенность, которая влияет на многие свойства покрытия, такие как теплопроводность, коэффициент теплового расширения, модуль упругости и диэлектрические свойства [13]. Для количественного измерения пористости используются различные методы, которые составляют необходимую часть микроструктурных характеристик покрытий, наносимых термическим напылением. Наиболее часто используемым методом является анализ изображений, который представляет собой надежный, простой, универсальный и недорогой метод определения характеристик пористости.Изучение и проектирование систем с помощью ИНС способны воспринимать окружающую их среду и предпринимать действия, увеличивающие их шансы на успех (то есть уменьшать пористость покрытия), с учетом всех ранее существовавших взаимосвязей.

2. Методика эксперимента

Смесь зольной пыли + кварц + осветитель брали с массовым процентным соотношением 60: 20: 20 и механически измельчали ​​в планетарной шаровой мельнице в течение 3 часов для гомогенизации. Эту смесь, используемую в качестве сырья для плазменного напыления, сначала просеивали.Выделяются четыре разных размера (например, 40 μ м, 60 μ м, 80 μ м и 100 μ м). В качестве материала подложки используется низкоуглеродистая сталь, диаметр которой составляет 1 дюйм, а толщина — 3 мм. Подложки были подвергнуты пескоструйной очистке под давлением 3 кг / см ² с использованием глиноземной крошки для придания шероховатости поверхности около 5 Ra. Затем поверхность подложек очищали ацетоном и сразу же проводили плазменное напыление. В плазмотроне уровень входной мощности варьировался от 11 кВт до 21 кВт.Это типичный процесс атмосферного плазменного напыления в режиме непереносимой дуги с подачей постоянного тока. Инжекция порошка осуществлялась снаружи сопла горелки и была направлена ​​навстречу потоку плазмы. В качестве газа-носителя используется смесь аргона и водородной плазмы. Основные подсистемы установки включают в себя источник питания, горелку для плазменного напыления, устройство подачи порошка и газ-носитель, дистанционную стойку горелки, пульт управления, охлаждающую воду и окрасочную камеру. Для охлаждения системы использовалась четырехступенчатая замкнутая система водяного охлаждения центробежного насоса, регулируемая при давлении 10 кг / см ² подачи.Характеристики рабочих параметров плазменного напыления приведены в таблице 1. Расходы плазменного газа (аргон) и вторичного газа (газ N ₂ ) поддерживаются постоянными. С увеличением уровня мощности меняются различные параметры, такие как скорость подачи порошка, размер порошка и расстояние до горелки. Экспериментальное значение пористости измерялось методом анализатора изображений. В методике анализатора изображений пористость покрытий измеряли, помещая полированные поперечные сечения образца под микроскоп (производства Neomate), оборудованный камерой CCD (JVC, TK 870E).Эта система используется для получения оцифрованного изображения объекта. Оцифрованное изображение передается в программу анализа изображений VOIS. Общая площадь, захваченная объективом микроскопа, или фракция могут быть точно измерены с помощью программного обеспечения. Следовательно, общая площадь и площадь, покрытая порами, измеряются отдельно.

Рабочие параметры значения Ток плазменной дуги (А) 270, 300, 400 и 420 Напряжение дуги (вольт) 40, 45 и 50 Входная мощность горелки (кВт) 11, 15, 18 и 21 Расход плазменного газа (аргона) (IPM) 28 Вторичный газ ( N 2 ) расход (IPM) 3 Расход газа-носителя (Ar) (IPM) 12 Скорость подачи порошка (гм / мин) 12, 15 и 18 Размер порошка (мкм) 40, 60, 80 и 100 Расстояние от резака до основания (мм) 100

3.Искусственная нейронная сеть

Нейронная сеть — это обработка модели мягких вычислений системы, основанная на взаимосвязи между различными входными и выходными параметрами и обучении на основе набора данных посредством итерации, без необходимости предварительного знания взаимосвязей между переменными процесса [13] . Эта модель способна аппроксимировать различные нелинейности в рядах данных среди других моделей [14–16] и может дать соответствующий оптимизированный вывод данных (здесь пористость) более быстро [17].ИНС простых обрабатывающих элементов (нейронов), обычно организованных в слои (входные слои, скрытые слои и выходные слои), показана на рисунке 1. Разработан программный пакет NEURALNET для нейронных вычислений с использованием алгоритма обратного распространения в качестве инструмента прогнозирования для выходных данных. (пористость покрытия) [18, 19].

Для разработки ИНС нет фиксированных правил, но в целом им можно следовать на основе предыдущих успешных применений в инженерии. Цель ИНС — нормализовать отношения ввода-вывода в форме где -мерный входной вектор представляет переменные, а -мерный выходной вектор представляет результирующие переменные.При моделировании плазменным напылением значениями могут быть ток, напряжение, расстояние до стенда, размер порошка и размер порошка.

4. Результаты и обсуждение

В программном обеспечении NEURALNET, на основе критерия наименьшей ошибки, как показано в таблице 2, выбирается для обучения данных ввода-вывода с помощью 12 наборов параметров. Процесс обучения и тестирования сети проводится в течение 10 000 000 циклов, за которые достигается стабилизация ошибки. Число нейронов в скрытом слое варьируется, и в оптимизированной структуре сети это число равно 6 для мягкой стали.Используемая трехуровневая сеть показана на рисунке 1.

Входные параметры для обучения Значения Допуск ошибок 0,003 Обучение параметр () 0,002 Параметр импульса ( α ) 0,002 Коэффициент шума (NF) 0.001 Максимальное количество циклов для моделирования 10 000 000 Параметр наклона ( £ ) 0,6 Количество нейронов скрытого слоя 8 Количество нейронов входного слоя (I) 5 Количество нейронов выходного слоя (O) 1

4.1. Прогнозируемая пористость в сравнении с экспериментальными результатами, основанными на различной скорости подачи

Сравнительное исследование значения пористости покрытия, прогнозируемого ИНС, с экспериментальным значением для подложки из мягкой стали показано на рисунке 2.Композитный порошок зольной пыли + кварц + илменит наносится на низкоуглеродистую сталь при скорости подачи 12 г / мин, расстоянии 100 мм от стойки горелки с переменным уровнем мощности. Были обнаружены два сигмоидальных графика при варьировании уровня входной мощности. Из этого рисунка видно, что пористость уменьшается в диапазоне от 18 до 20 кВт. При напылении нельзя указать точный уровень мощности, потому что термически напыляемые покрытия очень сложны и включают в себя дефекты, зависящие от процесса, такие как зазоры / межламеллярные поры, глобулярные поры и трещины (для керамики).Ясно, что существует близкое соответствие измерения пористости нейронной сетью и экспериментального исследования, что указывает на то, что модель ИНС может быть использована для предсказания пористости покрытия. При скорости подачи 12 г / мин и расстоянии 100 мм от стойки резака; самая низкая (14,48%) пористость покрытия достигается при 20 кВт.

Из рисунков видно, что при увеличении уровня мощности значение пористости уменьшается до определенной точки и увеличивается при дальнейшем увеличении уровня мощности.Это увеличение связано с образованием частиц расплавленного порошка. Также известно, что чем меньше толщина покрытия, тем меньше будет его пористость [20]. Формирование пористости за счет расположения межпластинных пластин также зависит от режима теплопередачи через подложку или от ранее нанесенных пластин. Это также похоже на закалку брызг методом пушки Дювеза [21].

4.2. Прогнозирование пористости на основе изменения размера порошка

При сохранении постоянной скорости подачи (12 г / мин) все другие параметры изменяются на графике ИНС на Рисунке 3.Обнаружено, что при меньшем размере частиц порошка пористость быстро уменьшается с увеличением уровня мощности. При уровне мощности от 13 до 15 кВт, показанном на Рисунке 3, значение пористости увеличивается. Это может быть связано с недостаточным количеством теплового потока, который приводит к тому, что расплавленные-полурасплавленные частицы собираются, образуя больше пор. На Рисунке 4 сначала значение пористости остается неизменным с увеличением уровня мощности, а затем внезапно уменьшается до 19 кВт, а затем становится постоянным. На рисунках 3 и 4 для обеих скоростей подачи размеры частиц порошка 402009 μ м, 60 μ мкм и 80 μ мкм должны быть лучше для плазменного напыления.На рисунке 5 постоянная скорость подачи составляет 18 г / мин. Здесь наблюдается аналогичная тенденция, что и на предыдущих графиках, то есть на рисунках 3 и 4. Здесь обнаружено, что только 40 мкм мкм и 60 мкм мкм частиц энергии лучше распылять.

Следовательно, если скорость подачи увеличится, размер порошка должен быть меньше для лучшего результата плазменного напыления.

4.3. Результаты прогнозирования пористости на основе изменения скорости подачи

На графиках на Фигуре 6 есть почти аналогичные результаты при увеличении скорости подачи с 12 г / мин до 15 г / мин при размере порошка 40 мкм мкм.Рисунок 7 показывает, что пористость ниже в случае меньшего размера частиц порошка, при более низкой скорости подачи при уровне мощности почти 18 кВт. Но при скорости подачи 15 г / мин пористость остается такой же после 18 кВт. Для 18 г / мин график такой же, как и для 12 г / мин, но значение пористости выше. На рисунке 8 результат ИНС по пористости для 15 г / мин является самым низким при более высоком уровне мощности. На Фигуре 9 видно, что лучшая пористость достигается при скорости подачи 15 г / мин для порошка размером 100 мкм мкм.На этих графиках после уровня мощности 19 кВт пики увеличиваются из-за начала испарения частицы порошка.

5. Выводы

Метод ИНС оказался удобным и надежным средством оптимизации параметров термических напылительных покрытий. Результаты, полученные с помощью ИНС, были дополнены результатами, полученными экспериментально. Из значения пористости (в процентах) видно, что нейронные сети могут давать довольно точные результаты и могут использоваться в качестве практического инструмента в производственном процессе плазменного напыления.ИНС предоставляет возможность решать задачи отображения намного быстрее, чем обычные методы.

Конфликт интересов

Сообщаем читателю, что «программное обеспечение для анализа изображений VOIS», используемое в этом анализе, лицензируется авторами. Их соавтор, профессор С.С. Мишра, владеет системой анализатора изображений с этим программным обеспечением. Таким образом, у программного обеспечения нет конфликта интересов.

.

Покрытие поверхности | Höganäs

ru

• английский
• Deutsch
• Свенска
• Português (Бразилия)
• 日本語
• 中文

• Отрасли
  • Назад
  • Отрасли, которые мы обслуживаем
  • Аэрокосмическая промышленность и турбины
    • Назад
    • Наши решения в аэрокосмической отрасли и турбинах
    • 3D-печать в авиакосмической и турбинной промышленности
  • Автомобильная промышленность и транспорт
    • Назад
    • Наши решения в автомобильной и транспортной отрасли
    • Электродвигатели
    • Шестерни трансмиссии PM
    • 3D-печать в автомобильной промышленности
    • Решения для морской и морской отрасли
    • Быть вдохновленным
      • Назад
      • Вдохновляйтесь, обзор
      • Кейс: машины для осевого флюса экономят место, вес и стоимость
      • Успех Строй: Каталитические нейтрализаторы
      • Кейс: Повышение эффективности производства
      • Кейс: заправка автомобиля Koenigsegg «Regera» металлическим порошком
      • Кейс: преобразование ралли-кар
      • Кейс: Реконструкция 6-ти ступенчатой…
      • Кейс: реализация концепции нулевых материальных потерь
      • История успеха: снижение выбросов в охладителях системы рециркуляции ОГ
      • Корпус: преобразование Smart Fourtwo
      • История успеха: клапаны двигателя
      • Кейс: Мягкие магнитные композитные решения для электродвигателей
      • Кейс: превращение пороха в силу
      • Кейс: 800000 компонентов становятся привлекательнее, дешевле и лучше
    • Отчет о тенденциях
    • Приложение AutoExplorer
  • Строительство и горное дело
    • Назад
    • Наши решения в строительной и горнодобывающей промышленности
    • Решения по износу
    • Быть вдохновленным
      • Назад
      • Вдохновляйтесь, обзор
      • История успеха: опорный цилиндр крыши для добычи угля
  • Энергетический и тепловой менеджмент
    • Назад
    • Наши решения в сфере управления энергетикой и температурным режимом
    • Решения для нефти и газа
    • Быть вдохновленным
      • Назад
      • Вдохновляйтесь, обзор
      • История успеха: маслоохладители без содержания меди с припоем от Höganäs
      • Корпус: соединение из нержавеющей стали без использования никеля или меди
  • Окружающей среды
    • Назад
    • Наши решения в области очистки воды
    • Наши решения в области восстановления почвы / грунтовых вод
  • Перерабатывающая промышленность
    • Назад
    • Наши решения в перерабатывающей промышленности
    • Решения для стекольной промышленности
    • Решения для индустрии экструзии пластмасс
    • Решения для целлюлозно-бумажной промышленности
    • Решения для черной металлургии
  • Дополнительные отрасли
    • Назад
    • Наши решения для других отраслей
    • Решения для сельского хозяйства
    • Решения для здравоохранения
    • Быть вдохновленным
      • Назад
      • Вдохновляйтесь, обзор
      • История успеха: Фильтрация полимера металлическим порошком
      • Кейс: передовые технологии нанесения покрытий
  • #InsightsByHoganas
    • Назад
    • Преимущество нашей экспертизы
    • Часть 1: Умный проект
    • Часть 6: Разрушение BYD Tang
    • Часть 5: будущее PM выглядит безоблачным
    • Часть 4: Да благословит Бог американцев — и Ford F150 на запчасти PM
    • Часть 3: VW Passat GTE обманул всех нас
    • Часть 2: Разборка Toyota Yaris Hybrid
    • Часть 1. Что ждет порошковый металл в современных автомобилях?
• Порошковые технологии
  • Назад
  • Технологии, которые мы обслуживаем
  • Это порошковая металлургия
  • Технические документы
  • Производство добавок
    • Назад
    • Аддитивное производство — технологии
    • Блог AM
      • Назад

.

исследований нанокристаллических покрытий TiN, полученных реактивным плазменным напылением

Наноструктурные покрытия из нитрида титана (TiN) были приготовлены на поверхности стали 45 (Fe-0,45% C) с помощью реактивного плазменного напыления (обозначается RPS) порошков Ti с использованием распылительного пистолета с самодельной реактивной камерой. Систематически исследованы микроструктурные характеристики, состав фаз, размер зерна, микротвердость и износостойкость покрытий TiN. Размер зерна был получен путем расчета по формуле Шеррера и наблюдался с помощью ПЭМ.Результаты дифракции рентгеновских лучей и дифракции электронов показали, что TiN является основной фазой покрытия TiN. Механизм формирования нано-TiN был охарактеризован путем анализа морфологии поверхности покрытия TiN и капель TiN, распыленных на поверхность стекла, а также наблюдения за температурой и скоростью плазменной струи с помощью Spray Watch. Трибологические свойства покрытия в условиях отсутствия смазки были протестированы и сопоставлены со свойствами быстрорежущей стали и покрытия AISI M2.Результаты показали, что покрытие RPS TiN демонстрирует лучшую износостойкость, чем быстрорежущая сталь M2 и покрытие в условиях без смазки. Проверяли микротвердость поперечного и продольного сечения покрытия TiN. Наибольшая твердость поперечного сечения покрытия TiN составляет 1735,43HV _{100 г} .

1. Введение

Титан Нитридные (TiN) покрытия широко применяются в машиностроении из-за их высокой твердость, низкий коэффициент трения, красивый цвет, отличные химические свойства стабильность и износостойкость [1–6].TiN имеет были произведены несколькими методами, включая прямое азотирование металлический титан, восстановительное азотирование TiCl ₄ , плазменный синтез, и лазерный синтез. Прямое азотирование порошка металлического титана азотом хорошо изучен [5, 6]. Образование TiN очень экзотермический и азотирование может продолжаться до завершения даже при относительно низкое давление азота. Химическое осаждение из газовой фазы и плазма синтез нитрида титана включает использование TiCl с использованием аммиака в качестве азотирующий агент.Парофазный химический путь с использованием тетрахлорида титана, магний или натрий, а азот в интервале температур 750–1050 ^° C имеет использовался во многих исследованиях [7–10]. Плазменная обработка в плазменных горелках RF также использовалась для получения титана. нитрид [11–13]. В процесс включает использование галогенида титана или порошка металлического титана с аммиак или азот в качестве реактивного газа. Эти покрытия смертельно опасны. недостаток тоже. А именно, эффективность наплавки низкая (около 2 ~ 10 м / ч), что приводит к сложной структурной деталь очень сложная, а износостойкость при большой нагрузке не приемлемо, поэтому применение TiN ограничено.

Как известно, насыпной TiN обладает такой отличной коррозионной стойкостью, что большинство кислот и щелочей растворы не могут его разъединить [14]. Однако тонкие покрытия TiN не устойчивость к коррозии в водной или газообразной среде из-за наличия мелких отверстий в покрытии [10, 11, 14, 15]. Рикерби и Бернетт обнаружили, что износостойкость покрытия улучшается по мере увеличения толщины покрытия [16].

Недостаток этих покрытия можно преодолеть, если TiN покрытие готовится методом плазменного напыления.Поскольку депонированная эффективность плазменное напыление выше, чем у других способов, а толщина Покрытия, полученные плазменным напылением, больше, чем у других способов. Реактивное плазменное напыление (RPS) технология была представлена ​​в последние годы как многообещающий способ разработать плотные композиционные покрытия с металлической или интерметаллической матрицей и мелкодисперсные керамические фазы [17–19]. Износостойкость покрытий, нанесенных плазменным напылением, можно повысить за счет методик RPS.Покрытия из нитрида титана, разработанные с помощью RPS: характеризуется значительной твердостью, более 1500 HV, без характерная хрупкость покрытий TiN, полученных физическим паром осаждение (PVD), или химическое осаждение из паровой фазы (CVD) [20, 21]. В В этой бумаге нанокристаллическое покрытие TiN получают распылением Порошок Ti размером 30 ~ 40 мкм с помощью плазменного распылителя с самодельной реактивная камера, заполненная N ₂ . Микроструктура и В данной статье исследуются свойства покрытия нано-TiN.

2. Эксперименты

2.1. Материалы

распылительное оборудование типа LP-50B производства Цзюцзян, Китай, и его стандартная мощность 50 кВт. Пистолет-распылитель собран с использованием BT-G3. типа плазменного напыляющего пистолета и реактивной камеры собственной конструкции и подготовлен [22]. Приведен эскиз реактивного плазменного распылителя. на рисунке 1. Чистый порошок титана, используемый в настоящей работе, является коммерчески доступным. доступен и произведен Пекинским научно-исследовательским институтом горного дела и Металлургия, Китай.Средний гранулометрический состав титана порошок составляет около 30 ~ 40 мкм. Материалом подложки является сталь 45 (Fe-0,45 мас.% C), из которой механическим способом обрабатываются образцы размером 30 мм, 25 мм, 10 мм и шлифуются до шероховатой поверхности. Перед нанесением TiN покрытие, Ni-10 мас.% Al напыляется связующий слой из самоплавкого сплава толщиной около 100 мкм на поверхности образцов для повышения прочности сцепления между TiN покрытие и подложка.

2.2. Изготовление и определение характеристик покрытия TiN

Во время напыления титановые порошки, микрофотография которых представлена ​​на рисунке 2, были перенесены азотом в реактивную камеру пушки РПС, где был также введен чистый газообразный азот.Ti и N ₂ прореагировали в В реакционной камере продукт, которым был TiN, нанесен на подложку. Таким образом, покрытие толщиной не менее 400 мкм было изготовлено за несколько минут. Морфологию напыленного покрытия TiN наблюдали с помощью растровый электронный микроскоп (СЭМ) PHILIPS XL30 / TMP и трансмиссия PHILIPS TECNAI F20 электронный микроскоп (ПЭМ). Рентгеновский дифрактометр JEOL Rigaku 2500 / PC Для анализа фазовой состав открытой поверхности и поперечного сечения покрытия.Размер зерна покрытия TiN рассчитывали по формуле Шеррера [23]: где « D _hkl » — средний диаметр в нм, « k » — форма коэффициент (0,9), « B » — уширение измеренной дифракционной линии. половина его максимальной интенсивности в «радианах»: « B ₁ » это ширина половины пика дифракционной линии исследуемого образца: « B ₂ » половина ширина пика дифракционной линии образца микронного кристалла TiN, полученного иначе « » — длина волны рентгеновского излучения, а « » — длина волны Брэгга. угол дифракции.

Спрей часы Во время распыления используется система наблюдения за термическим напылением, произведенная Oseir Co., Ltd., Финляндия.

2.3. Тест на твердость

Микротвердость поперечного и продольного сечения покрытия TiN измеряли с помощью цифровой измеритель микротвердости по Виккерсу, изготовленный в Shanghai Taiming Optical Instrument Co., Ltd., Китай. Нагрузки от 25 до 1000 г и время выдержки было выбрано 15 секунд. Приблизительно для каждой нагрузки делалось 10 вдавливаний.В расстояние между каждыми двумя отпечатками контролировалось в три раза больше, чем диагонали отпечатка, поэтому эффект поля напряжений вблизи отпечатка может быть устраненным. Средняя микротвердость выбрана для обсуждения в данном бумага.

2.4. Испытания на износ

Испытания на трение и износ образцов с покрытием TiN были выполнены с использованием устройство скольжения с блокировкой по кольцу без смазки. Машина для испытания на износ MM-200 производства Xuanhua Material Test Machine Co., ООО, China, работала со скоростью скольжения 0,4 мс ⁻¹ . Образцы для испытаний фиксировались держателем образцов; компенсационные кольца были размещены под экземплярами; нагрузки от 100 до 1470 Н были вертикально наносится на верхнюю часть образцов. Для каждой загрузки были взяты три образца. были проведены испытания, и была взята средняя потеря объема изнашивания. Используемое компенсационное кольцо было AISI. Сталь E52100 (0,95–1,05C, 0,2–0,4 Mn, 0,15–0,35 Si, 1,3–1,65 Cr, 0,3 Ni, 0,25 Cu и бал. Fe) (в мас.%). Кольцо имеет внешний диаметр 38 мм и толщину 10 мм, которое было подвергнуто термообработке до средняя твердость около 60 HRC. Каждое испытание на износ проводилось в течение 60 минут. Износ покрытия TiN, покрытия Al ₂ O ₃ и покрытия AISI M2 образцы стали были получены путем измерения объемной потери после каждого испытания согласно (2). Коэффициент трения (FC) образцов было дано по (3): где Δ V — объемные потери образцов; B и r — толщина и радиус кольца соответственно; b есть ширина потертых рубцов; T — момент износа; P это нагрузка занятые; α — контактный угол, согласно, и — коэффициент трения.

3. Результаты

3.1. Фазы, составляющие покрытие TiN

Рисунок 3 представляет собой рентгенограмму покрытия TiN, напыленного на поверхность. подложка и чистые порошки Ti. Покрытие в основном состоит из двух фаз: TiN и небольшие количества Ti ₃ O, без чистого Ti. Наблюдая за В спектре появляются пять острых дифракционных пиков TiN, дифракционные плоскости — это (111), (200), (220), (311) и (222). Интенсивности Ti ₃ O являются очень низкие плоскости дифракции фазы Ti ₃ O имеют вид (103), (113), (116) и (223).Согласно формуле Шеррера размер зерна Было оценено покрытие TiN, которое показано в таблице 1. Размер зерна толщина покрытия TiN составляла 78 ~ 97 нм, что соответствует с тем, что наблюдается с помощью ПЭМ (см. рисунок 5). Дифракция чистого Ti не появляются в покрытии, что доказывает, что Ti и N ₂ полностью реагируют в процессе RPS. Это согласуется с литературой [9]. Ti ₃ O есть метастабильный твердый раствор, образующийся в результате недостаточного окисления Ti при температура 650 ~ 750 ^° C и разлагается, когда температура превышает 750 ^° C [24].Ti ₃ O в покрытии является продуктом окисление TiN и присутствует в покрытии для ударного охлаждения в плазме. состояние распыления.

Дифракционная плоскость ( hkl ) (111) (200) (220) 92 ~ 97 83 ~ 88 78 ~ 83

3.2. Микроструктурные характеристики покрытия TiN

. СЭМ-фотография поперечного сечения покрытия TiN показана на рисунке 4. Морфология всего поперечного сечения покрытия Покрытие RPS TiN на Рисунке 4 (а) показывает, что его толщина составляет 420 м, что составляет примерно в 100 раз больше, чем у пленок TiN, полученных методом CVD или PVD. Покрытие представляет собой слоистую структуру, плотно уложенную. Структура с небольшим количеством пор следует отнести к газу, который существует между каплями жидкости TiN и не успевает высвободиться во время формирования покрытия.В многослойной структуре покрытия появляются небольшие трещины (см. Рис. 4 (б)). В дальнейшем необходимы исследования, чтобы уменьшить поры и трещины, а также улучшить структуру покрытие.

ТЕМ — это незаменимый аналитический инструмент при исследовании микроструктуры покрытий. На рисунке 5 показан ПЭМ. морфология и электронограмма выбранной области (SAED) покрытие TiN, напыляемое реактивной плазмой. Из рисунка 5 (а) видно, что большая часть размера зерна покрытия меньше 100 нм.Образец SAED покрытие приведено на рисунке 5 (б). Размер зерна 82 ± 10 нм измерен линейным перехват, который приближен к результату, полученному расчетным путем, и меньше чем у исходных порошков Ti, который составляет 30 ~ 40 мкм. В дифракционные кольца картины SAED на рисунке 5 (b) сплошные, плотные и шире, что указывает на ориентацию (111), (200) и (220). (311) ориентация не ясна. Дифракционные кольца показывают, что ориентация Кристаллические зерна TiN случайны.Слабые дифракционные пятна распределяются при дифракции кольца, потому что размер небольшого количества кристаллических зерен больше чем 100 нм. XRD и SAED исследования показали, что покрытие TiN имеет кубическую структуру Тип NaCl ( a = 0,42 нм).

3.3. Микротвердость покрытия TiN

Известно, что кажущаяся микротвердость твердых материалов зависит от применяемого испытания на вдавливание нагрузка. Это явление известно как эффект размера вдавливания (ISE).Рисунок 6 представлена ​​зависимость микротвердости для поперечного и продольно-поперечного сечения. Покрытие RPS TiN на вдавливании. Поскольку прилагаемая нагрузка составляет от 100 до 1000 г, Виккерс микротвердость снижается с 1735,43 до 1125,27 HV ​​и с 1267,78 до 962,26 HV соответственно, что является очевидным феноменом ISE. При стандартной нагрузке 100 г микротвердость составляет 1189,36 HV.

3.4. Объемные потери от износа образцов покрытия TiN

дюймов Для исследования износостойкости покрытия TiN испытательная нагрузка изменяется от 100 ~ 1470 Н.Для Al ₂ O ₃ керамическое покрытие не может сопротивляться износ высокой нагрузки, когда испытательная нагрузка превышает 500 Н, трение коэффициент заметно увеличивается, а шум трения высокий. М2 быстрорежущая сталь выбирается в качестве образцов для сравнения при испытательной нагрузке выше 500 Н. Рисунок 7 (а) показаны объемные потери от износа покрытия Al ₂ O ₃ и Покрытие TiN при нагрузках от 100 до 500 Н и 0,4 мс ^-1 ; Рисунок 7 (б) показаны объемные потери износа покрытия TiN и быстрорежущей стали М2 при нагрузках. между 500 и 1470 Н.Объемные потери на износ покрытия Al ₂ O ₃ , покрытия TiN и стали М2 увеличиваются с увеличением нагрузок. Под При низких нагрузках (100 ~ 500 Н) объемные потери на износ покрытия Al ₂ O ₃ больше, чем у покрытия TiN. Когда нагрузка меняется с 490 ~ 980 Н, покрытие TiN и быстрорежущая сталь M2 близки по износостойкости. С при непрерывном увеличении нагрузок покрытие TiN оставалось небольшим увеличением в потере износа и достигла 6.86 мм ³ при нагрузке до 1470 Н, при этом изгиб стали М2 объемный потеря износа в зависимости от нагрузок имеет явную тенденцию к увеличению. Объемный износ потеря покрытия TiN составляет примерно половину менее 1225 Н и две пятых от соответственно, из быстрорежущей стали М2 до 1470 Н. На рисунке 7 указано что износостойкость покрытия TiN лучше, чем у покрытия Al ₂ O ₃ и быстрорежущей стали М2.

3.5. Коэффициент трения покрытия TiN и быстрорежущей стали М2

На рисунке 8 представлена ​​зависимость трения коэффициент нагрузок как покрытия TiN, так и стали М2 при сухом скольжении носить.Из графиков видно, что с увеличением нагрузок ТЧ покрытие TiN и сталь AISI M2 обычно изменяется в небольшом диапазоне примерно 0,372 ~ 0,412 и 0,331 ~ 0,375 соответственно. Эти два близки по коэффициенту трения, когда нагрузка 1470 Н. Следовательно, антифрикционные свойства покрытия TiN близки к сталь AISI M2 при сухом скольжении при больших нагрузках.

3.6. Анализ и обсуждение

Рисунок 9 показывает морфологию поверхностного слоя нескольких капель TiN, распыленных на поверхность. стекла и покрытия TiN при одинаковых условиях напыления.Очевидно, что Топография капель TiN на поверхности стекла имеет характер высокотемпературное разбрызгивание расплавленных капель. Указывается, что покрытие нанесено с расплавленными каплями. В Процесс формирования покрытия TiN заключается в том, что расплавленные реагенты остаются в жидком состоянии в плазменная струя разбрызгивается, растекается, деформируется и застывает на поверхности образца. Из-за того, что градиент температуры от плазменной струи к поверхности образца настолько велик, что расплавленный капли зарождаются быстро, но зародыши не успевают расти, поэтому зерно TiN уточняется.

твердый Частицы Ti плавятся в струе высокотемпературной плазмы и остро реагируют с N ₂ ионный газ и N ₂ газ в реакционной камере, в то время как большой выделяется много тепла реакции. Реакция относится к горению синтез [25]. В результате температура жидкой частицы увеличивается. Когда режим распыления устойчив, скорость и температура частицы в плазменной струе измеряются с помощью Spray Watch. На рисунке 10 показан температура и скорость частиц, летящих в плазменной струе.Может быть видно, что скорость частицы уменьшается с расстоянием полета до реактивный выход камеры увеличивается, в то время как температура частиц остается постоянной, что отличается от обычного плазменного распылителя. Для обычного плазменного напыления температура частица уменьшается с увеличением расстояния. Теплота реакции усиливает тепло плазменной струи и частицы оставались жидкими, прежде чем достигли металла субстрат. Измеренная средняя скорость и температура прибывающих частиц до подложки 105 м / с и 3360 К соответственно (см. рисунок 10).Температура плавления TiN 3223 К, которая ниже 3360 К. Во время распыления расстояние (/) от металлической основы до выхода распылителя составляет 100 мм. Время ( t ), за которое частица попадает в субстрат из реакционной камеры

В так за короткое время закалка TiN падает с 3360 К до около 800 К и быстро застывают; скорость охлаждения выше, чем у обычной плазмы опрыскивание. Огромная скорость охлаждения и переохлаждение увеличивают зародышеобразование. темп.Причина образования нанокристаллического покрытия TiN заключается в том, что синтез горения между Ti и N ₂ и условия плазменного напыления совпадают. Синтез горения реакция в плазменной струе образует жидкий TiN с высокой температурой. TiN жидкость капли, ударное охлаждение в условиях плазменного напыления, затвердевают и образуют нанокристаллические покрытия TiN на подложках.

4. Выводы

(1) Покрытие TiN, полученное с помощью порошков Ti RPS с использованием распылителя с самодельным реактивом. камера, в основном состоит из двух фаз, TiN и малых количества Ti ₃ O.Покрытия TiN имеют типичную слоистую структуру. В размер большинства кристаллических зерен в покрытии TiN меньше 100 нм. (2) Механизм формирования наноструктурного покрытия заключается в плавлении порошков Ti и реагировал с N ₂ в плазменной струе и в камере. Тепло, выделяемое реакцией синтеза горения повышает температуру расплавленных капель. Огромная скорость и степень охлаждения переохлаждения в условиях плазменного напыления капли гаснут, зарождаются быстро и образуют наноструктуру.(3) максимальная твердость покрытия TiN 1735,43 HV _{100 г} ; износ сопротивление покрытия лучше, чем у покрытия Al ₂ O ₃ и быстрорежущей стали М2.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китай (№ 50472033).

.

Плазменное напыление Википедия

Процесс нанесения нагретых материалов на поверхность

Установка плазменного напыления — вариант термического напыления Температура и скорость частиц для различных процессов термического напыления ^[1]

Термическое напыление — это процессы нанесения покрытий, при которых расплавленные (или нагретые) материалы распыляются на поверхность. «Сырье» (предшественник покрытия) нагревается электрическими (плазма или дуга) или химическими средствами (пламя горения).

Термическое напыление может обеспечить толстые покрытия (приблизительный диапазон толщины от 20 микрон до нескольких мм, в зависимости от процесса и сырья) на большой площади при высокой скорости осаждения по сравнению с другими процессами нанесения покрытий, такими как гальваника, физическое и химическое нанесение паров. осаждение. Материалы покрытия, доступные для термического напыления, включают металлы, сплавы, керамику, пластмассы и композиты. Их подают в виде порошка или проволоки, нагревают до расплавленного или полурасплавленного состояния и ускоряют по направлению к субстратам в виде частиц микрометрового размера.В качестве источника энергии для термического напыления обычно используется горение или электрический дуговый разряд. Получающиеся покрытия образуются путем скопления множества распыленных частиц. Поверхность не может сильно нагреваться, что может привести к покрытию легковоспламеняющимися веществами.

Качество покрытия обычно оценивается путем измерения его пористости, содержания оксидов, макро- и микротвердости, прочности сцепления и шероховатости поверхности. Как правило, качество покрытия повышается с увеличением скорости частиц.

Варианты []

Различают несколько разновидностей термического напыления:

• Плазменное напыление
• Детонационное распыление
• Сварочная дуга для напыления
• Распыление пламенем
• Высокоскоростное напыление кислородно-топливного покрытия (HVOF)
• Высокоскоростное воздушное топливо (HVAF)
• Теплое напыление
• Холодное напыление
• Распыление и предохранитель

В классических (разработанных между 1910 и 1920 годами), но все еще широко используемых процессах, таких как напыление пламенем и напыление дуги проволокой, скорость частиц, как правило, низкая (<150 м / с), и сырье должно быть расплавлено. быть депонированным.Плазменное напыление, разработанное в 1970-х годах, использует струя высокотемпературной плазмы, создаваемая дуговым разрядом при типичных температурах> 15000 К, что делает его возможно распыление огнеупорных материалов, таких как оксиды, молибден и т. д. ^[1]

Обзор системы []

Типичная система термического напыления состоит из следующего:

• Распылительная горелка (или пистолет-распылитель) — основное устройство, выполняющее плавление и ускорение осаждаемых частиц
• Питатель — для подачи порошка, проволоки или жидкости в горелку по трубкам.
• Подача среды — газы или жидкости для генерации пламени или плазменной струи, газы для переноса порошка и т. Д.
• Робот — для манипулирования резаком или покрываемыми материалами
• Источник питания — часто автономный для горелки
• Пульт (и) управления — интегрированный или индивидуальный для всего вышеперечисленного

Процесс термического напыления методом детонации []

Детонационная пушка состоит из длинного водоохлаждаемого ствола с впускными клапанами для газов и пороха.Кислород и топливо (чаще всего ацетилен) подаются в ствол вместе с пороховым зарядом. Для воспламенения газовой смеси используется искра, и возникающая в результате детонация нагревает и разгоняет порох до сверхзвуковой скорости через ствол. Пульс азота используется для продувки ствола после каждого взрыва. Этот процесс повторяется много раз в секунду. Высокая кинетическая энергия частиц горячего порошка при ударе о подложку приводит к образованию очень плотного и прочного покрытия.

Плазменное напыление []

В процессе плазменного напыления наносимый материал (сырье) — обычно в виде порошка, иногда в виде жидкости, ^[2] суспензия ^[3] или проволока — вводится в плазменную струю, исходящую из плазмы. факел.В струе, где температура составляет порядка 10 000 К, материал плавится и выталкивается к подложке. Здесь расплавленные капли сплющиваются, быстро затвердевают и образуют осадок. Обычно отложения остаются прикрепленными к субстрату в виде покрытий; Отдельно стоящие детали также могут быть изготовлены путем удаления подложки. Существует большое количество технологических параметров, которые влияют на взаимодействие частиц с плазменной струей и подложкой и, следовательно, на свойства осадка.Эти параметры включают тип сырья, состав и расход плазменного газа, подвод энергии, расстояние смещения горелки, охлаждение подложки и т. Д.

Недвижимость месторождения []

Отложения состоят из множества блиновидных «пятен», называемых ламелями, образованных в результате сплющивания капель жидкости. Поскольку порошки исходного материала обычно имеют размер от микрометров до более 100 микрометров, ламели имеют толщину в диапазоне микрометров и поперечный размер от нескольких до сотен микрометров.Между этими ламелями есть небольшие пустоты, такие как поры, трещины и участки неполного соединения. Благодаря этой уникальной структуре отложения могут иметь свойства, значительно отличающиеся от свойств сыпучих материалов. Обычно это механические свойства, такие как более низкая прочность и модуль, более высокая устойчивость к деформации и более низкая теплопроводность и электрическая проводимость. Также из-за быстрого затвердевания в отложениях могут присутствовать метастабильные фазы.

Приложения []

Этот метод в основном используется для нанесения покрытий на конструкционные материалы.Такие покрытия обеспечивают защиту от высоких температур (например, термобарьерные покрытия для отвода тепла от выхлопных газов), коррозии, эрозии, износа; они также могут изменять внешний вид, электрические или трибологические свойства поверхности, заменять изношенный материал и т.д. . Его также можно использовать для обработки порошков (сфероидизация, гомогенизация, химическая модификация и т. Д.)). В этом случае подложка для осаждения отсутствует, а частицы затвердевают во время полета или в контролируемой среде (например, в воде). Этот метод с вариациями может также использоваться для создания пористых структур, подходящих для врастания кости, в качестве покрытия для медицинских имплантатов. Аэрозоль полимерной дисперсии может быть введен в плазменный разряд, чтобы создать прививку этого полимера на поверхности подложки. ^[3] Это приложение в основном используется для изменения химического состава поверхности полимеров.

Варианты []

Системы плазменного напыления

можно разделить на несколько категорий.

Производство плазменных струй:

• постоянный ток (плазма постоянного тока), при котором энергия передается плазменной струе постоянным током, электрическая дуга большой мощности
• Индукционная плазма или высокочастотная плазма, в которой энергия передается за счет индукции от катушки вокруг плазменной струи, через которую проходит переменный радиочастотный ток

Плазмообразующая среда:

• газостабилизированная плазма (ГСП), в которой плазма образуется из газа; обычно аргон, водород, гелий или их смеси
• водостабилизированная плазма (WSP), в которой плазма образуется из воды (в результате испарения, диссоциации и ионизации) или другой подходящей жидкости
• гибридная плазма — с комбинированной стабилизацией газа и жидкости, обычно аргоном и водой

Среда распыления:

• Атмосферное плазменное напыление (ППН), выполняемое на воздухе
• Плазменное напыление в контролируемой атмосфере (CAPS), обычно выполняемое в закрытой камере, заполненной инертным газом или откачанной
• разновидностей CAPS: плазменное напыление под высоким давлением (HPPS), плазменное напыление под низким давлением (LPPS), крайним случаем которых является вакуумно-плазменное напыление (VPS, см. Ниже)
• подводное плазменное напыление

Другой вариант состоит в использовании жидкого сырья вместо твердого порошка для плавления, этот метод известен как плазменное напыление прекурсора раствора

Вакуумно-плазменное напыление []

Вакуумно-плазменное напыление (VPS) — это технология травления и модификации поверхности для создания пористых слоев с высокой воспроизводимостью, а также для очистки и обработки поверхности пластмасс, каучуков и натуральных волокон, а также для замены CFC для очистки металлических компонентов.Такая инженерия поверхности может улучшить такие свойства, как фрикционное поведение, термостойкость, поверхностную электрическую проводимость, смазывающую способность, когезионную прочность пленок или диэлектрическую проницаемость, или может сделать материалы гидрофильными или гидрофобными.

Во избежание теплового повреждения процесс обычно работает при температуре 39–120 ° C. Он может вызывать нетермически активируемые поверхностные реакции, вызывая поверхностные изменения, которые не могут произойти с молекулярной химией при атмосферном давлении. Плазменная обработка проводится в контролируемой среде внутри герметичной камеры при среднем вакууме около 13–65 Па.Газ или смесь газов возбуждаются электрическим полем от постоянного до микроволнового диапазона, обычно 1–500 Вт при 50 В. Обрабатываемые компоненты обычно электрически изолированы. Летучие побочные продукты плазмы удаляются из камеры с помощью вакуумного насоса и при необходимости могут быть нейтрализованы в скруббере для выхлопных газов.

В отличие от молекулярной химии в плазме используются:

Плазма также генерирует электромагнитное излучение в виде фотонов вакуумного УФ-излучения для проникновения в объемные полимеры на глубину около 10 мкм.Это может вызвать разрыв цепи и образование поперечных связей.

Плазма влияет на материалы на атомарном уровне. Такие методы, как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и сканирующая электронная микроскопия, используются для анализа поверхности для определения необходимых процессов и оценки их эффектов. В качестве простого показателя поверхностной энергии и, следовательно, адгезии или смачиваемости часто используется испытание угла смачивания каплями воды. Чем меньше краевой угол, тем выше поверхностная энергия и более гидрофильный материал.

Изменение эффектов с помощью плазмы []

При более высоких энергиях чаще происходит ионизация, чем химическая диссоциация. В типичном реактивном газе 1 из 100 молекул образует свободные радикалы, тогда как только 1 из 10 ⁶ ионизирует. Преобладающий эффект здесь — образование свободных радикалов. Ионные эффекты могут преобладать при выборе параметров процесса и при необходимости использования благородных газов.

Сварочная дуга для напыления []

Проволочно-дуговое напыление — это форма термического напыления, при которой две расходуемые металлические проволоки независимо подаются в распылительный пистолет.Затем эти провода заряжаются, и между ними возникает дуга. Тепло от этой дуги плавит входящую проволоку, которая затем уносится воздушной струей из пистолета. Это унесенное расплавленное сырье затем осаждается на подложку с помощью сжатого воздуха. Этот процесс обычно используется для металлических толстых покрытий. ^[1]

Сварочная дуга с плазменным переносом []

Проволочная дуга с плазменным переносом (PTWA) — это еще одна форма струйной дуги, при которой покрытие наносится на внутреннюю поверхность цилиндра или на внешнюю поверхность детали любой геометрии.В основном он известен тем, что используется для покрытия отверстий цилиндров двигателя, что позволяет использовать алюминиевые блоки цилиндров без необходимости использования тяжелых чугунных гильз. Одиночный проводящий провод используется в качестве «сырья» для системы. Сверхзвуковая плазменная струя плавит проволоку, распыляет ее и толкает на подложку. Плазменная струя образуется дугой, переносимой между неплавящимся катодом и проволокой. После распыления нагнетаемый воздух переносит струю расплавленных капель на стенку отверстия.Частицы сплющиваются, когда они ударяются о поверхность подложки из-за высокой кинетической энергии. При контакте частицы быстро затвердевают. Уложенные друг на друга частицы образуют покрытие с высокой износостойкостью. В процессе термического напыления PTWA в качестве исходного материала используется одна проволока. Все токопроводящие проволоки диаметром до 0,0625 дюйма (1,6 мм) могут использоваться в качестве исходного материала, включая проволоку с сердечником. PTWA может использоваться для нанесения покрытия на изнашиваемую поверхность компонентов двигателя или трансмиссии для замены втулки или подшипника.Например, при использовании PTWA, чтобы покрыть несущую поверхность соединительного стержня предлагает ряд преимуществ, в том числе сокращения веса, стоимости, трение потенциала, и напряжения в соединительной тяге.

Распыление кислородного топлива с высокой скоростью (HVOF) []

В 1980-х годах был разработан класс процессов термического напыления, называемый высокоскоростным газокислородным напылением. Смесь газообразного или жидкого топлива и кислорода подается в камеру сгорания, где они непрерывно воспламеняются и сгорают.Образующийся горячий газ под давлением, близким к 1 МПа, выходит через сужающееся-расширяющееся сопло и проходит по прямому участку. В качестве топлива могут использоваться газы (водород, метан, пропан, пропилен, ацетилен, природный газ и т. Д.) Или жидкости (керосин и т. Д.). Скорость струи на выходе из ствола (> 1000 м / с) превышает скорость звука. Порошковая смесь вводится в поток газа, который разгоняет порошок до 800 м / с. Поток горячего газа и порошка направляется к покрываемой поверхности.Порошок частично плавится в потоке и осаждается на подложке. Полученное покрытие имеет низкую пористость и высокую прочность сцепления. ^[1]

Покрытия HVOF могут иметь толщину до 12 мм (1/2 дюйма). Обычно они используются для нанесения износостойких и коррозионно-стойких покрытий на материалы, такие как керамические и металлические слои. Обычные порошки включают WC-Co , карбид хрома, MCrAlY и оксид алюминия. Этот процесс оказался наиболее успешным для осаждения металлокерамических материалов (WC – Co и т. д.) и других коррозионно-стойких сплавов (нержавеющих сталей, сплавов на основе никеля, алюминия, гидроксиапатита для медицинских имплантатов и т. .). ^[1]

Воздушное топливо для высоких скоростей (HVAF) []

Покрытия HTS с нанесением покрытия HVAF из карбида вольфрама на шлифовальную оправку для ремонта поверхности и повышения износостойкости.

Технология покрытия HVAF — это сжигание пропана в потоке сжатого воздуха. Как и HVOF, это создает однородную высокоскоростную струю. HVAF отличается тем, что включает тепловую заслонку для дополнительной стабилизации механизмов термического напыления. Материал впрыскивается в воздушно-топливный поток, и частицы покрытия продвигаются к детали. ^[4] HVAF имеет максимальную температуру пламени от 3560 ° до 3650 ° F и среднюю скорость частиц 3300 футов / сек. Поскольку максимальная температура пламени относительно близка к температуре плавления большинства напыляемых материалов, HVAF приводит к более однородному и пластичному покрытию. Это также позволяет использовать типичную толщину покрытия 0,002-0,050 дюйма. Покрытия HVAF также имеют механическую прочность сцепления более 12000 фунтов на квадратный дюйм. Общие материалы покрытия HVAF включают, но не ограничиваются ими, карбид вольфрама, карбид хрома, нержавеющую сталь, хастеллой. , и инконель.Благодаря своей пластичной природе покрытия HVAF могут помочь противостоять кавитационным повреждениям. ^[5]

Распылитель и предохранитель []

Распылитель и предохранитель использует высокую температуру для увеличения связи между покрытием, нанесенным термическим напылением, и основой детали. В отличие от других типов термического напыления, спрей и плавкий предохранитель создают металлургическую связь между покрытием и поверхностью. Это означает, что вместо того, чтобы полагаться на трение для адгезии покрытия, он объединяет поверхность и материал покрытия в один материал.Распыление и плавление сводятся к разнице между адгезией и когезией.

Этот процесс обычно включает распыление порошкообразного материала на компонент с последующим использованием ацетиленовой горелки. Горелка расплавляет материал покрытия и верхний слой материала компонента; соединяя их вместе. Из-за высокой температуры распыления и плавкого предохранителя может произойти некоторое тепловое искажение, и необходимо принять меры, чтобы определить, подходит ли компонент. Эти высокие температуры сродни тем, которые используются при сварке.Эта металлургическая связка создает чрезвычайно износостойкое и стойкое к истиранию покрытие. Распыление и плавкий предохранитель обеспечивают преимущества сварки твердым покрытием с легкостью термического напыления. ^[6]

Холодное напыление []

Холодное напыление (или газодинамическое холодное напыление) было представлено на рынке в 1990-х годах. Первоначально метод был разработан в Советском Союзе — во время экспериментов с эрозией мишени, которая подвергалась воздействию двухфазного высокоскоростного потока мелкодисперсного порошка в аэродинамической трубе, ученые наблюдали случайное быстрое образование покрытий. ^[1]

При холодном напылении частицы ускоряются до очень высоких скоростей под действием газа-носителя, проталкиваемого через сужающееся-расширяющееся сопло де Лаваля. При ударе твердые частицы с достаточной кинетической энергией пластически деформируются и механически связываются с подложкой, образуя покрытие. Критическая скорость, необходимая для образования соединения, зависит от свойств материала, размера порошка и температуры. Металлы, полимеры, керамика, композиционные материалы и нанокристаллические порошки можно наносить с помощью холодного напыления. ^[7] Мягкие металлы, такие как Cu и Al, лучше всего подходят для холодного напыления, но сообщалось о нанесении покрытия на другие материалы (W, Ta, Ti, MCrAlY, WC – Co и т. Д.) Холодным напылением. ^[1]

Эффективность осаждения порошков сплавов обычно низкая, а диапазон параметров процесса и подходящих размеров порошка узкий. Для ускорения порошков до более высоких скоростей используются более мелкие порошки (<20 микрометров). Можно ускорить частицы порошка до гораздо более высокой скорости, используя технологический газ с высокой скоростью звука (гелий вместо азота).Однако гелий стоит дорого, и его расход и, следовательно, потребление выше. Для улучшения разгонной способности газообразный азот нагревают примерно до 900 ° C. В результате эффективность осаждения и предел прочности отложений повышаются. ^[1]

Теплое распыление []

Теплое распыление — это новая модификация высокоскоростного газокислородного распыления, при котором температура дымовых газов понижается за счет смешивания азота с дымовыми газами, что приближает процесс к холодному распылению.Получающийся в результате газ содержит много водяного пара, непрореагировавших углеводородов и кислорода, и поэтому он более грязный, чем при холодном распылении. Однако эффективность покрытия выше. С другой стороны, более низкие температуры теплого напыления уменьшают плавление и химические реакции подаваемого порошка по сравнению с HVOF. Эти преимущества особенно важны для таких материалов покрытия, как Ti, пластмассы и металлическое стекло, которые быстро окисляются или разрушаются при высоких температурах. ^[1]

Приложения []

Керамическое покрытие с плазменным напылением, нанесенное на часть автомобильной выхлопной системы

Преимущества ^[8] []

• Износостойкость
• Коррозионная стойкость
• Хозяйственный ремонт, капитальный ремонт
• Продлевает срок службы деталей
• Защита от кавитации
• Потенциал термобарьера
• Диэлектрический потенциал

Ограничения []

Термическое напыление — это процесс, который находится в поле зрения, а механизм склеивания в основном механический.Нанесение термическим распылением несовместимо с основанием, если область, на которую он наносится, сложна или заблокирована другими телами. ^[9]

Безопасность []

Термическое напыление не должно быть опасным процессом, если с оборудованием обращаются осторожно и соблюдаются правильные методы опрыскивания. Как и в случае любого промышленного процесса, существует ряд опасностей, о которых оператор должен знать и против которых следует принимать особые меры предосторожности. В идеале оборудование должно работать автоматически в помещениях, специально предназначенных для удаления дыма, снижения уровня шума и предотвращения прямого обзора распылительной головки.Такие методы также позволят получить более плотные покрытия. Бывают случаи, когда тип обрабатываемых компонентов или их низкий уровень производства требуют ручного управления оборудованием. В этих условиях возникает ряд опасностей, свойственных термическому напылению, в дополнение к опасностям, которые обычно встречаются в производственных или перерабатывающих отраслях. ^[10]

Шум []

Оборудование для напыления металла использует сжатые газы, которые создают шум. Уровни шума зависят от типа распылительного оборудования, распыляемого материала и рабочих параметров.Типичные уровни звукового давления измеряются на расстоянии 1 метра от дуги. ^[11]

УФ-свет []

Оборудование для опрыскивания пламенем создает сильное пламя, максимальная температура которого может превышать 3100 ° C, и очень яркое. Электродуговое напыление излучает ультрафиолетовый свет, который может повредить нежные ткани тела. Плазма также генерирует довольно много ультрафиолетового излучения, легко обжигая открытые участки кожи, а также может вызвать «мгновенный ожог» глаз. Покрасочные камеры и корпуса должны быть оснащены темным стеклом, поглощающим ультрафиолетовое излучение.Если это невозможно, операторы и другие находящиеся поблизости лица должны носить защитные очки, содержащие зеленое стекло класса BS 6. Непрозрачные сетки следует размещать вокруг участков распыления. Сопло дугового пистолета никогда не следует смотреть прямо, если нет уверенности в том, что к оборудованию не подается питание. ^[10]

Пыль и дым []

При распылении расплавленных материалов образуется большое количество пыли и дыма, состоящих из очень мелких частиц (примерно 80–95% частиц размером <100 нм). ^[12] Надлежащее оборудование для экстракции жизненно важно не только для личной безопасности, но и для сведения к минимуму улавливания повторно замороженных частиц напыляемыми покрытиями. Настоятельно рекомендуется использовать респираторы с подходящими фильтрами там, где невозможно изолировать оборудование. ^[12] Некоторые материалы представляют определенные известные опасности: ^[10]

1. Мелкодисперсные металлические частицы потенциально пирофорны и опасны при накоплении в организме.
2. Некоторые материалы e.г. алюминий, цинк и другие неблагородные металлы могут реагировать с водой с выделением водорода. Это потенциально взрывоопасно, и при использовании оборудования для удаления дыма необходимы особые меры предосторожности.
3. Пары некоторых материалов, особенно сплавов цинка и меди, имеют неприятный запах и могут вызывать у некоторых людей реакцию типа лихорадки (известную как лихорадка от дыма металла). Это может произойти через некоторое время после распыления и обычно быстро проходит. Если этого не произойдет, следует обратиться за медицинской помощью.
4. Пары химически активных соединений могут диссоциировать и создавать вредные газы.В этих местах следует носить респираторы и использовать газовые счетчики для контроля воздуха перед снятием респираторов.

Тепло []

В распылителях внутреннего сгорания используются кислород и горючие газы. Топливные газы потенциально взрывоопасны. В частности, ацетилен можно использовать только в утвержденных условиях. Кислород, хотя и не является взрывоопасным, будет поддерживать горение, и многие материалы будут самовоспламеняться при чрезмерном уровне кислорода. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать утечки и перекрыть источники кислорода и топливного газа, когда они не используются. ^{a b c d e} 0005 0005 0005 000 h ⁱ Курода, Сейджи; Кавакита, Джин; Ватанабэ, Макото; Катанода, Хироши (2008). «Теплое напыление — новый процесс нанесения покрытия, основанный на высокоскоростном ударе твердых частиц». ^{a b} Bemer, D .; Regnier, R .; Subra, I .; Sutter, B .; Lecler, M. T .; Мореле Ю. (2010). «Сверхмелкозернистые частицы, испускаемые пламенными и электрическими дуговыми пистолетами для термического напыления металлов». Анналы гигиены труда . 54 (6): 607–14. DOI: 10,1093 / annhyg / meq052. PMID 20685717. .