Плазменное напыление металла своими руками: Установка ионно-плазменного (магнетронного) напыления. Часть 1 / Habr – Плазменное напыление металла: оборудование, фото, видео

Установка ионно-плазменного (магнетронного) напыления. Часть 1 / Habr

Здравствуйте беспокойные умы. Сегодня речь пойдет об установке магнетронного напыления, полностью спроектированной и изготовленной своими руками.



Для начала я вкратце постараюсь ответить, для чего нужны подобные установки и что же такое, ионно-плазменное распыление.

Мишень — это тот материал, который распыляется.
Подложка — это, то на что происходит напыление.

Установки такого рода позволяют формировать на подложках тончайшие слои токопроводящих материалов (в основном металлов). В качестве подложек может использоваться как токопроводящий, так и диэлектрический материал. А для того чтобы сформировался нанослой, например какого либо металла на подложке, требуется сначала хорошенько атаковать металл плазма-образующими ионами, для этого используют зажжение плазмы тлеющего разряда при пониженном давлении и магнетрон в качестве ловушки для электронов.

Давайте рассмотрим простейшую схему магнетрона и его работу, и вы поймете, почему он является ловушкой (постараюсь без особой научности, но думаю, что многие будут против, так как некоторые моменты без этого не объяснить, но я постараюсь).

Классический тлеющий разряд загорается при постоянном токе, и ток течет от анода к катоду. Катодом является плоская мишень, под которой находится кольцевой магнит. Электроны летящие от катода, ионизируют газ в объеме, ионы которого попадают в мишень, из нее выбивают атомы которые вновь сталкиваются с электронами, тем самым их часть ионизируется… В общем образуется электронная лавина, которая закручивается магнитным полем и не дает им после столкновений улететь, тем самым магнит удерживает электроны и при этом увеличивается образование атомов, которые осаждаются на подложке, тем самым формируя пленку.

А теперь от теории к практики. Так как я занимаюсь различными плазмохимическими технологиями при атмосферном давлении, то через какое-то время возник интерес и к пониженному давлению. Источник питания тлеющего разряда у меня уже имелся в наличии, его я сделал давно. И после покупки вакуумного насоса, начались эксперименты, которые выявили некоторые трудности при работе с пониженным давлением.

Подводя итоги этой части статьи, можно сказать, что работа движется, получается немалый опыт и дополнительные знания. На данный момент, готов корпус в железе, он будет покрашен, после чего начнется сборка.

Статью специально не стал раздувать, потому что в роликах многие вопросы освещены, а если нет, то в комментариях я постараюсь на все ответить.

Плазменное напыление. Принцип, оборудование плазменного напыления

Содержание страницы

Итак, в чем же состоит принцип плазменного напыления? Во всех устройствах плазменного напыления порошок приобретает температуру и скорость в струе горячего газа, создаваемого плазматроном. В свою очередь, плазматрон или плазменный генератор – это устройство, изобретенное в 1920-х годах, в котором электрическая дуга, горящая между катодом и анодом в ограниченном объеме (сопле), раздувается инертным газом и создает факел высокотемпературного восстановительного пламени.

Чем же так привлекателен этот принцип для решения задач термического напыления? Именно тем, что пламя плазматрона очень горячее и всегда строго восстановительное; присутствие кислорода в плазматроне категорически не допускается из-за быстрого, в противном случае, разрушения материалов электродов (парциальное давление кислорода в плазмообразующих газах определяется их чистотой и должно быть не выше 0,004%). Факел пламени плазматрона, при грамотном его применении, может не только восстановить активную металлическую поверхность из оксидных пленок на напыляемых частицах, но даже и очистить от оксидов саму поверхность субстрата. Подобную возможность предоставляет исключительно метод плазменного напыления.

В отношении плазменного напыления существует, в среде теоретиков и практиков термического напыления, ряд предрассудков, которые, в большинстве случаев, связаны не с процессом как таковым, а с недопониманием сути процесса напыления, недостатками конструкций конкретных устройств и с неправильным их применением. Обсудим эти предрассудки:

1. “Пламя плазмы слишком горячее и пригодно поэтому, только для напыления тугоплавких металлических и оксидных керамических материалов. Слишком высокая температура приводит к испарению части порошка и разрушению карбидов хрома и вольфрама”.

Действительно, температура плазмы может достигать 20.000°C и более, что много выше, чем, например, температура ацетиленокислородного пламени (около 3000°C). Однако, температура пламени имеет очень мало общего с температурой напыляемых частиц. Не углубляясь в физику взаимодействия горячего газа с твердыми частицами, скажем только, что это взаимодействие очень сложное и зависит от большого количества параметров, в числе которых не только температура газа, его скорость, длина факела и размер частиц, но и химические составы газа и частиц. К тому же, решающее значение для передачи тепла от факела к частицам имеет не абсолютная температура пламени, а его светимость. Так, например, более горячее, но почти невидимое водородно-кислородное пламя нагревает частицы гораздо хуже, чем более холодное, но яркое (из-за светящихся нано частиц углерода) ацетилено-кислородное пламя. Светимость факела плазмы зависит от состава плазмообразующего газа, от размера и состава частиц, проходящих сквозь него. Интересно, что во многих случаях эта светимость меньше, чем у ацетиленокислородного пламени и ее приходится увеличивать разными способами, только чтобы придать частицам хотя бы минимальную необходимую температуру. Так как длина пламени газопламенных устройств также часто превышает длину факела плазмы, получается «парадокс»: грубозернистые металлические порошки нагреваются в устройствах порошкового газопламенного напыления сильнее, чем в более мощных и «горячих» устройствах плазменного напыления.

2. “Скорость частиц при плазменном напылении недостаточна для получения плотных покрытий”.

Скорость потока газа и частиц в нем определяется не принципом образования пламени, а исключительно конструкцией устройства. В настоящее время существуют промышленные устройства плазменного напыления с соплом Лаваля, обеспечивающие частицам сверхзвуковую скорость.

3. “Для напыления металлов годятся только дорогостоящие установки вакуумного плазменного напыления, а установки атмосферного плазменного напыления непригодны из-за окисления металлических частиц”.

Подобное утверждение приходится, как ни странно, слышать довольно часто, даже от людей, практически занимающихся плазменным напылением, особенно применительно к покрытиям из MCrAlY для лопаток газовых турбин. На самом же деле, в этом утверждении происходит типичная подмена понятий: чисто металлические покрытия из легкоплавких никелевых сплавов, полученные вакуумным плазменным напылением (VPS), действительно лучше атмосферно напыленных (APS), но не из-за окисления частиц в плазме, а совсем по другой причине, о которой будет рассказано в разделе, посвященном вакуумному плазменному напылению. Окисление же металлических частиц в обоих этих способах происходит одинаково.

Устройства атмосферного плазменного напыления ничем не отличаются от устройств вакуумного плазменного напыления. Разница не в самих устройствах, а в способе организации процесса напыления: атмосферное напыление проводится на воздухе, а при вакуумном напылении и плазматрон, и напыляемая деталь находятся в вакуумной камере под разряжением. Понятно, что атмосферное напыление гораздо доступнее и дешевле вакуумного, к тому же для больших деталей вакуумное напыление становится просто невозможным из-за нереального размера вакуумной камеры. Сами же плазматроны могут использоваться как для атмосферного, так и для вакуумного напыления.

Чтобы понятнее объяснить особенности плазменного напыления, перейдем к рассмотрению разных конструкций, существующих на сегодняшний день.

Установки плазменного напыления

Устройства плазменного напыления отличаются большим разнообразием конструкций. Будем рассматривать их от самых «традиционных» до самых «продвинутых».

Наиболее распространенные устройства, – это устройства с одним катодом и одним анодом, и с вводом порошка снаружи короткого сопла, перпендикулярно к оси пламени.

Принцип действия таких устройств показан на схеме (рисунок 28):

Рис. 28. Принцип плазменного напыления.

Как видно из схемы, короткое сопло плазматрона одновременно является анодом. Порошок вводится снаружи сопла перпендикулярно оси пламени, в непосредственной близости от дуги.

Самое популярное устройство этого типа, – плазматрон 3MB фирмы Sulzer Metco, который, с небольшими модификациями, существует уже больше 40 лет. На рисунке 29 представлены актуальные модели этой серии с максимальной мощностью 40 кВт.

Рис. 29. Плазматрон 3MB.

Плазматрон 3MBПлазматрон 3MB Плазматрон 3MBПлазматрон 3MB

Несколько более новое и мощное (55 кВт) однокатодное устройство, – плазматрон F4, показанный на рисунке 30.

Рис. 30. Плазматрон F4.

Плазматрон F4

Плазматрон F4

Устройство 9MB, – один из самых мощных однокатодных плазматронов традиционного типа (80 кВт при токе 1000 А и напряжении 80 В) производится также фирмой Sulzer Metco (рисунок 31):

Рис. 31. Плазматрон 9MB

Плазматрон 9MB

Плазматрон 9MB Плазматрон 9MBПлазматрон 9MB

Традиционные однокатодные плазматроны других фирм мало отличаются от плазматронов Sulzer Metco: все они работают при относительно малом расходе газов, низком (< 100 В) напряжении и большом (до 1000 А) токе дуги. Ни один из традиционных плазматронов не позволяет достичь частицам скорости звука.

Достоинством плазматронов с небольшим расходом газов является возможность придания частицам очень высокой температуры (> 4000°C) из-за относительно долгого времени их пребывания в горячей зоне пламени рядом с дугой. Столь высокие температуры частиц позволяют расплавить практически любые керамические и металлические материалы.

Развитие техники плазменного напыления в последние двадцать лет идет по пути увеличения скорости частиц. Для придания частицам большей скорости необходимо увеличить давление плазмообразующих газов перед соплом, что автоматически приводит к повышению расхода газов и росту напряжения дуги.

Современное, мощное (до 85 кВт, ток до 379 А, напряжение до 223 В) устройство с одним катодом и анодом – это плазматрон 100HE американской фирмы Progressive Technologies Inc., который, благодаря большому давлению и расходу плазмообразующих газов, позволяет достичь скоростей частиц – близких к скорости звука (рисунок 32):

Рис. 32. Плазматрон 100HE.

Плазматрон 100HE

Плазматрон 100HE

Из-за высокой скорости плазмообразующего газа уменьшается время пребывания частиц в горячей зоне пламени и, соответственно, их температура. Для противодействия этому необходимо увеличивать мощность дуги и использовать в плазмообразующем газе большое количество водорода, который, благодаря процессу диссоциации-ассоциации молекул, удлиняет горячую зону пламени. Таким образом, плазматрон 100HE реализует температуру частиц, с размером 20-30 мкм, выше 2300°C при скорости около 250 м/сек, что делает возможным напылять покрытия из Cr3C2 – NiCr, Cr2O3 и Al2O3 с малой пористостью.

Вторым направлением развития, в комбинации с увеличением расхода газов, является деление одной дуги на три части, которое позволяет улучшить стабильность и равномерность факела пламени, уменьшить износ электродов и увеличить суммарную мощность пламени. Типичным примером такого устройства является новейший плазматрон TriplexProTM-210 фирмы Sulzer Metco с одним анодом и тремя катодами, максимальной мощностью 100 кВт (рисунок 33):

Рис. 33. Плазматрон TriplexProTM.

Плазматрон TriplexPro

Плазматрон TriplexPro

1 – задняя часть корпуса; 2 – анодный стек; 3 – передняя часть корпуса; 4 – изолятор; 5 – накидная гайка; 6 – три катода в керамическом блоке; 7 – элемент анодного стека; 8 – канал плазмы; 9 – насадка с тремя порошковыми дюзами.

Технология Triplex от Sulzer Metco вошла в практику термического напыления в 90-х годах. Эти устройство обладают, по сравнению с плазматронами с одной дугой, существенно большим ресурсом и стабильностью результатов напыления. Для многих коммерческих порошков плазматроны Triplex позволяют также улучшить производительность и КПД напыления при сохранении качества покрытия.

Фирмой GTV GmbH выпущено, в обход патента Sulzer Metco на трехкатодные плазматроны, устройство GTV Delta с одним катодом и тремя анодами, которое, в принципе, является ухудшенной компиляцией TriplexPro (рисунок 34):

Рис. 34. Плазматрон GTV Delta.

Плазматрон GTV Delta

Плазматрон GTV Delta Плазматрон GTV DeltaПлазматрон GTV Delta

Последнее, третье направление развития – это отказ от радиального ввода порошка в пользу гораздо более рационального – осевого. Ключевой элемент конструкции плазматрона с осевым вводом порошка – Convergens был изобретен в 1994 году американцем Люсьеном Богданом Дэльча (Delcea, Lucian Bogdan).

В настоящее время существует только одно подобное устройство, – плазматрон Axial III, максимальной мощностью 150 кВт, производства канадской фирмы Mettech, которое объединяет собой все три направления развития (большой расход газов, три дуги и осевой ввод порошка). Установки плазменного напыления с плазматроном Axial III производятся и распространяются также немецкой фирмой Thermico GmbH.

На рисунках 35, 36 и 37 изображено само устройство Axial III и его конструктивная схема:

Рис. 35. Плазматрон Axial III.

Плазматрон Axial III

Плазматрон Axial III

Рис. 36. Вид на устройство Axial III со стороны сопла.

Вид на устройство Axial III со стороны сопла

Вид на устройство Axial III со стороны сопла

Принципиальная схема Axial III

Принципиальная схема Axial III Рис. 37. Принципиальная схема Axial III.

Все современные установки плазменного напыления являются автоматическими, то есть, управление источниками тока, системой водяного охлаждения и расходом газов регулируется системой ЧПУ с визуализацией и сохранением рецептов на компьютере. Так, например, плазматрон Axial III поставляется фирмой Thermico GmbH в комплекте с компьютеризированной системой управления, самостоятельно проводящей зажигание дуг и выход на рабочий режим, выбор рецептов напыления, и осуществляющей контроль всех основных параметров: расхода трех плазмообразующих газов (аргона, азота и водорода), токов дуг, параметров системы водяного охлаждения. Эта же автоматическая система управляет и порошковым питателем.

О порошковом питателе Thermico нужно сказать особо. Это, наиболее «продвинутое» на сегодняшний день в мире устройство позволяет не только постоянно регулировать массовый расход порошка и расход несущего газа (азота или аргона), но и допускает использование тонкозернистых порошков с плохой сыпучестью, непригодных, например, для питателей фирмы Sulzer Metco.

Автор лично, в течение долгого времени работал с плазматроном Axial III и может из своего опыта сказать, что несмотря на некоторые конструктивные недоработки, этот плазматрон представляет собой самое прогрессивное устройство термического напыления, объединяющее достоинства высокоскоростного напыления с высокой температурой строго восстановительного пламени. Главное же достоинство Axial III состоит в осевом вводе порошка.

Достоинства осевого ввода порошка

Осевой ввод порошка – это качественный скачок в технике плазменного напыления. Дело тут не только в том, что при осевом вводе значительно уменьшаются потери порошка, но и в том, что открываются возможности напыления совсем других порошковых материалов, непригодных для радиального ввода. Так как этот аспект является принципиально важным для понимания следующих разделов, остановимся на нем подробнее.

Итак, что же происходит при радиальном вводе порошка в струю пламени на выходе из сопла? Перечислим недостатки такого ввода:

  1. Для радиального ввода пригодны только очень узкофракционные порошки, для которых необходимо точно подбирать давление несущего газа. Что это значит?: При недостаточном давлении несущего газа частицы порошка будут «отскакивать» от струи пламени, при слишком высоком давлении несущего газа они будут «простреливать» это пламя насквозь; если же порошок состоит из частиц разного размера, то подобрать «правильное» давление несущего газа в принципе невозможно: самые мелкие частицы будут всегда «отскакивать», а самые крупные – всегда «простреливать», то есть, ни тех ни других частиц в напыляемом покрытии не будет, а будут только какие-то «средние» частицы. Особенно трудно вводятся мелкозернистые порошки из-за их повышенного рассеяния несущим газом (типичное облако пыли вокруг факела).
  2. При радиальном вводе порошка нельзя использовать в порошковой смеси не только частицы разных размеров, но и разных плотностей (разных масс) по той же причине: более тяжелые частицы пролетают сквозь пламя легче более легких. Таким образом, попытка использования сложных порошковых смесей приведет к искажению состава покрытия по сравнению с составом порошковой смеси.
  3. Увеличение скорости плазмообразующих газов усложняет радиальный ввод порошка, так как дополнительно сужаются интервалы необходимых давлений несущего газа и распределения частиц по размерам. На практике это означает следующее: чем выше скорость пламени, тем меньше КПД напыления при радиальном вводе порошка. Ввести же весь порошок в пламя без потерь невозможно ни при каких обстоятельствах.
  4. Расположение порошковых дюз рядом с горячей зоной пламени вызывает их разогрев, компенсирующийся только охлаждением газом, несущим порошок. Если же скорости охлаждающего газа недостаточно для охлаждения, то частицы порошка могут налипать на края отверстия дюз, образуя натеки. Налипшие куски периодически отрываются от дюзы, попадают в пламя и вызывают характерный дефект – «плевание», приводящий к образованию грубых пористых включений в покрытии. Так как скорость истечения несущего газа строго связана с параметрами пламени (см. пункт 1), то возникает проблема: для некоторых порошков просто не существует параметров, убирающих эффект «плевания», особенно если эти порошки легкоплавкие и/или мелкозернистые.

Переход на осевое введение порошка позволяет полностью избавиться от вышеперечисленных проблем:

  1. Давление и скорость несущего газа больше не привязаны к параметрам пламени и порошка. Единственное условие, – давление несущего газа должно быть несколько выше давления плазмообразующего газа в сопле в месте ввода порошка. За счет осевого ввода, любой порошок полностью захватывается пламенем.
  2. Всегда можно подобрать такое давление несущего газа, при котором «плевания», связанного с налипанием порошка на край отверстия порошковой дюзы происходить не будет.
  3. Возможно использование порошковых смесей любой сложности и фракционного состава. Частицы разных размеров будут приобретать различные скорости и температуры, но все, в итоге, примут участие в образовании покрытия. То, что мелкие частицы при осевом вводе в пламя плазмы становятся значительно горячее крупных, открывает новые возможности для дизайна порошковых смесей. Созданию таких полифракционных композиций посвящена основная часть этой книги.

Автору очень повезло, что в его распоряжении в течение многих лет находился плазматрон Axial III с осевым вводом порошка. Если бы не это, то создание новых многокомпонентных покрытий было бы просто невозможно.

Сводная таблица устройств термического напыления

Для обобщения, прямого сравнения и систематизации всех способов термического напыления сопоставим свойства типичных устройств, а также их примерные цены в одной таблице (таблица 2):

Таблица 2. Сравнение устройств термического напыления.

Свойства и характеристики* Способы термического напыления
12345678
Использование порошка или

проволоки

проволокапорошокпроволокапорошокпорошокпорошокпроволокапорошок
Максимальная скорость

напыляемых частиц, м/сек

1005020080012001000100400
Максимальная температура

напыляемых частиц, °C

28002500170015006001200> 4000> 4000
Размер частиц, образующих

покрытие, мкм

0,1 – 100010 – 1500,1 – 100010 – 10010 – 10010 – 1000,1 – 10001 – 50
КПД напыления по напыляемому

материалу

++++++++++++
КПД напыления по расходу

энергии

+++++
Минимальная пористость

покрытия, об.%

10-1510-255-102-3< 1< 15-100,5-3
Термическая мощность

устройств, кВт

10-3010-5030-10050-25030-85< 2020-15025-150
Производительность

напыления, кг/час

2-55-102-55-1010-20< 110-302-5
Распространенность

коммерческих устройств и

запчастей на мировом рынке

Много

устройств

Много

устройств

Мало

устройств

Много

устройств

Мало

устройств

Нет

устройств

Много

устройств

Много

устройств

Мобильность устройств+++++++++ для

Dymet,

– для остальных

+++– для APS

— для VPS

Шумность устройств+++
Эмиссия паров и тонкой пыли+++++++++
Цена отдельных устройств, €2.000-

5.000

2.000-

3.000

10.000-

20.000

10.000-

50.000

10.000-

80.000

нет10.000-

20.000

5.000-

30.000

Цена автоматизированных

установок без периферии, €

нет30.000-

50.000

нет100.000-

250.000

100.000-

250.000

нетнет100.000-

250.000

Цена автоматизированных

установок с периферией «под

ключ»: звукозащитной кабиной,

фильтровентиляционной

установкой, роботом и т.д., €

нет100.000-

500.000

нет200.000-

600.000

200.000-

600.000

нетнет200.000-

600.000

для APS

1.000.000

и более

для VPS

Сравнительная стоимость

эксплуатации с учетом расходных

материалов (кроме порошков и

проволок), ресурса устройств и

запасных частей,

€/час

10-155-1530-6040-10040-100> 1005-3030-150

* Нумерация способов:

  1. Газопламенное напыление проволокой
  2. Газопламенное напыление порошком
  3. Сверхзвуковое газопламенное напыление проволокой
  4. Сверхзвуковое газопламенное напыление порошком (HVOF и HVAF)
  5. Холодное напыление порошком
  6. Детонационное напыление порошком
  7. Электродуговое напыление проволокой
  8. Плазменное напыление порошком (APS и VPS)

Просмотров: 1 145

Плазменное напыление — АО Плакарт

Плазменное напыление (APS, Air Plasma Spray, воздушно-плазменное напыление) — материал (порошок) будущего покрытия подается в плазматрон и нагревается до плавления и переносится на поверхность плазменным потоком.

Особенность плазменного напыления — высокая температура плазменной струи (до 20 — 22 тыс. градусов Цельсия), высокая скорость перемещения частиц в струе (до 500 м/с). Нагрев поверхности при этом не более 200 град.

5.png

С помощью установок атмосферного плазменного напыления Плакарт P-1000 можно наносить:

  • износостойкие;
  • коррозионностойкие;
  • теплозащитные;
  • уплотнительные;
  • антифрикционные покрытия;

Плазменные установки Плакарт обеспечивают нанесение покрытий из широкого спектра керамических и металлических порошковых материалов на практически любые внешние и внутренние поверхности отверстий глубиной до 1000мм и диаметром более 125 мм. Плазменные покрытия внесены в конструкторскую документацию на многих отраслевых (авиационных, турбостроительных и пр.) предприятиях и институтах

Преимущества технологии воздушно-плазменного напыления:

Screenshot_3.png
  • независимость нанесения покрытия от геометрии поверхности: стабильное качество покрытия обеспечивается как на плоских ровных поверхностях (листы, плиты), так и на крупногабаритных объектах и изделиях сложной формы;
  • покрытие (металлы, твердые сплавы, керамику, металлокерамику, полимеры) можно наносить на металлы, пластик, и даже на не терпящие воздействия экстремально высоких температур. При этом практически не происходит деформации основного материала, на который напыляется покрытие;
  • равномерное стабильное качество покрытия обеспечивается и на большой площади, и на ограниченных участках больших деталей;
  • возможно напыление многослойного покрытия толщиной в несколько миллиметров, что очень важно при восстановлении геометрии изношенных деталей.

Покрытия, наносимые плазменным напылением, отличаются хорошей равномерностью, стабильностью, высокими плотностью и адгезией.

Установка плазменно-порошкового напыления Plakart Р-1000 предназначена для нанесения износостойких, коррозионностойких, теплозащитных, уплотнительных, антифрикционных и других покрытий, придающих рабочей поверхности деталей новые свойства и увеличивающие их рабочий ресурс. Большой выбор отработанных технологий напыления на данной установке позволяет получать хорошо повторяемые покрытия высокого качества.

В установке Plakart P-1000 в качестве плазмообразующего газа используется аргон и водород. При необходимости, в качестве плазмообразующих могут использоваться различные газовые смеси, азот, гелий (доп. опция) и др.

Плазменное напыление как способ защиты изделий диффузной металлизацией

Металлизация – эффективный способ придать конечному продукту дополнительные технические и эксплуатационные характеристики. Плазменное напыление представляет собой совершенный вариант диффузной обработки металлических поверхностей для создания качественного покрытия из другого металла или сплава. Диффузная металлизация позволяет улучшить твердость, прочность, цвет и антикоррозийные свойства исходной детали.

диффузная металлизациядиффузная металлизация

Высокотемпературное плазменное напыление и восстановленная детальВысокотемпературное плазменное напыление и восстановленная деталь

Отличительные особенности диффузного напыления

При работе с металлическими поверхностями часто возникает необходимость придать конечному продукту дополнительные характеристики, чтобы расширить область применения детали. Можно защитить металлическую поверхность от воздействия влаги, высокой температуры и агрессивной химической среды. Плазменное напыление имеет ряд особенностей, которые отличают процесс металлизации от других вариантов обработки металлических поверхностей:

  1. Ускоренный процесс нанесения покрытий благодаря высокотемпературному воздействию на обрабатываемую поверхность – порядка 5000-6000° C. Технологически напыление может длиться доли секунд для получения необходимого результата.
  2. Плазменная обработка металлов позволяет создать на поверхности комбинированный слой. Диффундировать можно не только металлические частицы, но и элементы газа из плазменной струи. В итоге металл насыщается атомами нужных химических элементов.
  3. Традиционная металлизация протекает неравномерно и характеризуется длительностью технологического процесса и возможными окислительными реакциями. Струя высокотемпературной плазмы создает равномерную температуру и давление, обеспечивая высокое качество финальных покрытий.
  4. При помощи плазменной струи перенос частиц металла и атомов газа происходит мгновенно. Процесс относится к области сварки с применением порошков, стержней, прутков и проволоки. Перенесенные частицы образуют слой толщиной от нескольких микрон до миллиметров на поверхности твердого тела.

Современная диффузная металлизация предполагает использование более сложного оборудования, чем в случаях, когда применяют газоплазменное оборудование. Для организации процесса диффузной обработки требуется одновременно наличие газовой и электрической аппаратуры.

к содержанию ↑

Оборудование для диффузного воздействия

Ионно-плазменное напыление по поверхности металлов проводится с использованием высокотемпературной технической плазмы – совокупности большого количества частиц (квантов света, положительных ионов, нейтральных частиц, электронного газа). Под воздействием высокой температуры за счет электрических разрядов в газах происходит интенсивная термоионизация частиц, которые сложно взаимодействуют друг с другом и окружающей средой. Благодаря этому различают плазму, ионизированную слабо, умеренно и сильно, которая, в свою очередь, бывает низкотемпературной и высокотемпературной.

Создать необходимые условия для протекания процесса плазменной ионизации и обработки металлических покрытий помогает специальное оборудование – плазменные установки. Обычно для работы используется дуговой, импульсный или искровой электрические разряды.

Как происходит газотермическое напылениеКак происходит газотермическое напылениеСхема газотермического напыления

Для реализации технологического процесса требуются следующие установки:

  1. Генератор высокочастотного типа (можно использовать сварочный преобразователь) – служит источником разряда.
  2. Герметизированная камера, в которую помещают детали для нанесения покрытий методом плазменного напыления.
  3. Газовый резервуар. В его атмосфере выполняется ионизация частиц под действием электрического разряда.
  4. Установка, создающая давление газа. Можно использовать вакуумную или насосную аппаратуру.
  5. Система, при помощи которой можно качественно изменять токовые характеристики, давление, напряжение, тем самым увеличивая или уменьшая толщину напыляемых покрытий.

Как происходит плазменное напыление: в герметизированной камере фиксируют обрабатываемую деталь, создают электрический разряд, прокачивают рабочую среду с необходимым давлением и напыляемыми порошковыми элементами. Образуется высокотемпературная плазма, которая переносит частицы порошков вместе с газовыми атомами на поверхность некоторой детали. При проведении диффузной металлизации в вакууме, в атмосфере инертного газа или при пониженном давлении можно увеличить скорость движения частиц и получить боле плотный и высокоадгезивный тип покрытий.

Как выглядит деталь до и после металлизацииКак выглядит деталь до и после металлизации

к содержанию ↑

Поскольку напыляемым материалом может служить практически любой сплав или металл, ионно-плазменное напыление широко используют в различных отраслях промышленности, а также для проведения ремонтно-восстановительных работ. Любой металл в виде порошков подается в плазменные установки, где под воздействием высокотемпературной плазмы расплавляется и проникает в обрабатываемую металлическую поверхность в виде тонкого слоя напыления. Сферы применения диффузной металлизации:

  • детали для авиационной, космической и ракетной промышленности;
  • машиностроительное оборудование и энергетическая отрасль;
  • металлургическая и химическая отрасль промышленности;
  • нефтедобывающая, нефтеперерабатывающая и угольная отрасль;
  • транспортная сфера и производство приборов;
  • ремонт и реставрация машин, оборудования, изношенных деталей.

Когда струя плазмы и порошков проходит по электродуге и осаживается на обрабатываемой поверхности, образованный слой приобретает важные качественные и эксплуатационные характеристики:

  • жаростойкость;
  • жаропрочность;
  • коррозийную устойчивость;
  • электроизоляцию;
  • теплоизоляцию;
  • эрозийную прочность;
  • кавитационную защиту;
  • магнитные характеристики;
  • полупроводниковые свойства.

Процесс высокотемпературного плазменного напыления металлаПроцесс высокотемпературного плазменного напыления металла

Ввод напыляемых порошков в установки осуществляется с плазмообразующим или транспортируемым газом. Плазменное напыление позволяет получать различные типы покрытий без ограничения по температуре плавления: металлы, комбинированные сплавы, карбиды, оксиды, бориды, нитриды, композит. Материал, который обрабатывается в установках, не подвергается структурным изменениям, но поверхность изделия приобретает необходимые качественные характеристики. Напылять можно комбинированные слои (мягкие и твердые), тугоплавкие покрытия, различные по плотности составы.

к содержанию ↑

Для нанесения на металлическую поверхность некоторого слоя напыления в условиях высокотемпературной плазменной среды в качестве формирующих покрытий используют не только порошковые составы. В зависимости от того, какими свойствами должна обладать обработанная поверхность, используют следующие особенности плазменной металлизации:

  1. Наплавление высокоуглеродистой или легированной проволокой под флюсом. Для восстановления поверхностей используют наплавку в установках стержневым или пластинчатым электродом.
  2. Наплавка по порошковому слою под флюсом используется для реставрации деталей с обширными деформациями по окружности с толщиной слоя более 2 мм.
  3. Установки для напыления пропускают в качестве плазмообразующих газов аргон, азот, водород, гелий либо их смеси. Необходимо обеспечить отсутствие кислорода, чтобы исключить окисление наплавляемых покрытий.

Наиболее часто этот вид обработки используют для восстановления различных деталей при ремонте автомобильных двигателей. Так, при помощи диффузной металлизации удается восстановить отверстия коренных опор в блоках цилиндров (распространенная поломка), устранить износ головок цилиндров, реставрировать поршни из алюминиевого сплава, коленчатые валы из высокопрочного чугуна, ролики, катки.

Восстановление двигателя авто - металлизация хромомВосстановление двигателя авто - металлизация хромом

При использовании ионно-плазменного напыления значительно возрастает износостойкость сложных узлов оборудования, механизмов и установок. Диффузная металлизация – это эффективный метод реставрации изношенного и усталого металла, а также оптимальный процесс для задания металлическим поверхностям необходимых прочностных и эксплуатационных характеристик.

Плазменная установка магнетронного напыления — Установки

Плазменная установка магнетронного напыления для образовательных и простых научно-исследовательских работ студентов…

 

Сегодня речь пойдет об установке магнетронного напыления, полностью спроектированной и изготовленной своими руками для образовательных и простых научно-исследовательских работ студентов… (хорошее оборудование они разнесут в пух и прах).

Все результаты работы буду выкладывать на свой видео канал

 

Надеюсь что кто то подскажет и укажет на ошибки и улучшения, кроме того что я зря взялся за эту затею.

 

 

Далее специалисты могут не читать 🙂

 

Для начала я вкратце постараюсь ответить, для чего нужны подобные установки и что же такое, ионно-плазменное распыление.

 

Мишень — это тот материал, который распыляется.

Подложка — это, то на что происходит напыление.

 

Установки такого рода позволяют формировать на подложках тончайшие слои токопроводящих материалов (в основном металлов). В качестве подложек может использоваться как токопроводящий, так и диэлектрический материал. А для того чтобы сформировался нанослой, например какого либо металла на подложке, требуется сначала хорошенько атаковать металл плазма-образующими ионами, для этого используют зажжение плазмы тлеющего разряда при пониженном давлении и магнетрон в качестве ловушки для электронов.

 

 

Конструкция магнетрона может не самая лучшая, но должна быть рабочей.

 

Давайте рассмотрим простейшую схему магнетрона и его работу, и вы поймете, почему он является ловушкой (постараюсь без особой научности, но думаю, что многие будут против, так как некоторые моменты без этого не объяснить, но я постараюсь).

 

Классический тлеющий разряд загорается при постоянном токе, и ток течет от анода к катоду. Катодом является плоская мишень, под которой находится кольцевой магнит. Электроны летящие от катода, ионизируют газ в объеме, ионы которого попадают в мишень, из нее выбивают атомы которые вновь сталкиваются с электронами, тем самым их часть ионизируется… В общем образуется электронная лавина, которая закручивается магнитным полем и не дает им после столкновений улететь, тем самым магнит удерживает электроны и при этом увеличивается образование атомов, которые осаждаются на подложке, тем самым формируя пленку.

 

А теперь от теории к практики. Так как я занимаюсь различными плазмохимическими технологиями при атмосферном давлении, то через какое-то время возник интерес и к пониженному давлению. Источник питания тлеющего разряда у меня уже имелся в наличии, его я сделал давно. И после покупки вакуумного насоса, начались эксперименты, которые выявили некоторые трудности при работе с пониженным давлением.

 

 

И немного про работу магнетрона, если не прав поправляйте:

 

Изменено пользователем CybSys

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о