[1]Изобретение относится к области металлургии, к устройствам плазменного нанесения покрытий из порошковых материалов на рабочие поверхности различных изделий для придания этим поверхностям заданных свойств и может быть использовано для формирования износостойких, коррозионностойких и других функциональных покрытий.
[2]Плазменное напыление, благодаря высокой температуре и теплосодержанию (энтальпии) несущей струи, является одним из наиболее эффективных методов нанесения покрытий различного назначения. С помощью потоков термической плазмы можно напылять практически любые порошковые материалы: керамические, металлические, металлокерамические и т.д. [Плазменные технологии / Н.А. Соснин, С.А. Ермаков, П.А. Тополянский. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского политехи, ун-та, 2008.], [Science and Engineering of Thermal Spray Coatings, 2nd ed., Pawlowski L., John Wiley & Sons, Ltd. - 2008. - 656 р.]. Порошки металлов и сплавов, керамики используются для нанесения износо-, корозионно-, кавитационно-, жаростойких и других функциональных покрытий.
[3]Как в отечественных, так и в зарубежных установках плазменного напыления широко используются электродуговые плазмотроны постоянного тока. Именно этот тип плазмотронов реализует высокую концентрацию тепловой энергии в объеме напылительной струи, обеспечивает стабильность параметров плазменной струи, а также обладает простой и удобной в эксплуатации схемой электропитания.
[4]Известна установка для плазменного напыления (патент RU 2111066, заявка №9595121134, авторов Коберниченко А.Б., Ухалин А.С. и др.), которая содержит теплозвукоизоляционную камеру, состоящую из корпуса и крышки, при этом в корпусе соосно напыляемой детали выполнены вытяжной трубопровод и транспортирующий рукав, внутри которого закреплена электрическая спираль, а в верхней части крышки соосно вытяжному трубопроводу неподвижно закреплен стакан с резьбой и гайкой, причем корпус и крышка соединены между собой дисковыми уплотнениями. Изобретение направлено на увеличение адгезионной прочности плазменных покрытий.
[5]Также известна установка (патент RU 2187575, авторов Коберниченко А.Б., Илюхин А.Н.) для восстановления блоков двигателей внутреннего сгорания плазменным напылением, содержащая корпус, внутри которого расположены тележка с механизмом ее привода, состоящим из электродвигателей, соединенных с редукторами, а также плазмотрон с механизмом его качания. Установка дополнительно снабжена поддоном, в резьбовые отверстия которого ввернуты регулировочные винты, опирающиеся на тележку, червячным редуктором, электропневматическими клапанами и пневматическими цилиндрами, внутри которых установлены, с возможностью перемещения, поршни. Установка является сложной по конструкции.
[6]Недостатком описанных установок плазменного напыления является неудовлетворительное качество получаемых покрытий и большие потери порошкового материала. Неудовлетворительное качество покрытий обусловлено большими градиентами температуры в области электрического разряда, то есть в условиях неоднородного нагрева порошкового материала в данной области. Так же очень сложно на одном и том же плазмотроне реализовать высокоэффективное напыление металлических и керамических материалов, т.к. они предъявляют совершенно противоположные требования для режимов их напыления. Для напыления металлических материалов требуются высокоскоростные турбулентные потоки термической плазмы, а для напыления керамических материалов необходимы низкоскоростные ламинарные режимы ее истечения.
[7]Известна установка плазменного напыления (RU 2335347) авторов Галышкина Н.В., Коротких В.М. и др., в которой катод и анод размещены в корпусе, имеющем сквозное отверстие, симметричное относительно оси корпуса. Система подачи плазмообразующего газа выполнена в виде отверстий, расположенных вокруг катода в держателе катода. Система подачи напыляемого порошкового материала также выполнена в виде отверстий и расположена в стенке сопла. Сопло установлено последовательно с анодом и шайбой из жаропрочного материала с образованием цилиндрического канала транспортировки плазмы к системе подачи напыляемого порошкового материала. Неудовлетворительное качество покрытий обусловлено неравномерным заполнением потока термической плазмы напыляемым порошковым материалом в условиях его локального (точечного) ввода. Следствие такого ввода порошкового материала - его не равномерный нагрев и не равномерное ускорение.
[8]В качестве прототипа выбрана плазменная установка для напыления покрытий и ее варианты (патент RU 2328096, авторов Гизатуллина С.А., Галимова Э.Р. и др.).
[9]Плазменная установка содержит плазмотрон, систему подачи напыляемого материала в дуговой разряд плазмотрона, источник электропитания постоянного тока, систему охлаждения плазменной установки, систему подачи плазмообразующих газов, систему управления и контроля, соединенную с плазмотроном, с системой подачи напыляемого материала в дуговой разряд, с источником электропитания постоянного тока, с системой охлаждения плазменной установки, с системой подачи плазмообразующих газов, при этом плазмотрон содержит осевой канал подачи напыляемого материала в дуговой разряд, катод плазмотрона выполнен из термоэмиссионного материала, закреплен в катододержателе, который закреплен в катодном корпусе, сопло, анод и межэлектродную вставку (МЭВ). Катод плазмотрона выполнен полым с конической частью со стороны сопла плазмотрона, канал подачи напыляемого материала в приосевую область дугового разряда выполнен в виде осевого отверстия в трубке, расположенной внутри полого катода. Сопло в конце плазмотрона выполнено сверхзвуковым, охлаждаемым, секционированным с электрически изолированными секциями. Межэлектродная вставка выполнена секционированной из охлаждаемых секций. Отношение суммы длин дугового канала, расположенного в МЭВ и сопле к диаметру дугового канала МЭВ находится в пределах от 4 до 250.
[10]Недостатком прототипа является влияние порошкового материала и его паров на характеристики дугового разряда плазмотрона и, как следствие, пульсации его тепловых и газодинамических параметров. Так же большим недостатком ввода порошкового материала непосредственно в дуговой разряд через отверстие в катоде плазмотрона является практически не реализуемая его длительная работа без оседания напыляемого материала на стенках электродугового канала и образования настылей.
[11]Задачей предлагаемого технического решения является расширение технологических возможностей установки, повышение качества напыляемых покрытий и производительности.
[12]Поставленная задача решается конструктивным решением установки плазменного напыления покрытий, которая согласно изобретению содержит два плазмотрона, устройства подачи напыляемого материала (дозаторы) в генерируемые плазмотронами потоки термической плазмы, источник постоянного тока для электропитания дугового разряда плазмотронов, систему охлаждения плазменной установки (блок автономного охлаждения), пульт управления плазменной установкой, соединенный с плазмотронами, с устройствами подачи напыляемого материала (дозаторами), с источником постоянного тока электропитания дугового разряда плазмотронов, с блоком запуска плазмотронов, с системой охлаждения плазменной установки (блоком автономного охлаждения), при этом плазмотроны содержат устройства ввода порошковых материалов (в поток термической плазмы), каждый по два электрода - катод и анод, сопло и межэлектродную вставку в виде секционированного канала, секции которого электрически изолированы друг от друга и от электродов. В качестве устройства ввода порошковых материалов каждый плазмотрон снабжен узлом их кольцевого ввода с газодинамической фокусировкой. При этом один плазмотрон выполнен с возможностью нанесения покрытий из металлических материалов в высокоскоростном дозвуковом или сверхзвуковом турбулентном режиме истечения плазменной струи, а другой для нанесения покрытий из керамических материалов в низкоскоростном ламинарном режиме истечения плазменной струи.
[13]Это обусловлено тем, что частицы металлических порошков имеют относительно не высокие температуры плавления и высокие коэффициенты теплопроводности. Поэтому для исключения их перегрева и значительного испарения требуются высокоскоростные турбулентные потоки плазмы. А керамические порошковые материалы, имеющие высокие температуры плавления и низкие коэффициенты теплопроводности, наоборот должны вводиться в низкоскоростные, протяженные ламинарные потоки плазмы.
[14]Газоразрядная камера каждого плазмотрона, выполненная в виде секционированного канала, расширяющегося от катода к аноду, имеет различное количество секций (в зависимости от требуемого режима истечения плазменной струи). Секционированный канал газоразрядной камеры плазмотрона с турбулентным режимом работы выполнен длинной 5 калибров при среднем диаметре канала 9 мм, а секционированный канал газоразрядной камеры плазмотрона с ламинарным режимом работы выполнен длиной 8 калибров при среднем диаметре канала 8 мм. Переключение плазмотронов и порошковых дозаторов, блока запуска плазмотронов осуществляют с пульта управления плазменной установкой через блок переключений плазмотронов.
[15]Положительный эффект предлагаемого технического решения достигается за счет создания полнокомплектного оборудования установки плазменного напыления покрытий с автоматизированными узлами и оперативным переключением с пульта управления двух плазмотронов, работающих в разных технологических режимах и обеспечивающих высокоэффективное нанесение покрытий из разных материалов на изделия (один - из металлических порошковых материалов, а другой - из керамических). Предлагаемое конструктивное решение установки плазменного напыления покрытий с двумя плазмотронами, позволяет осуществлять различные технологические процессы без трудоемкой операции переналадки, в случае применения одного плазмотрона.
[16]На фиг. 1 показана схема установки плазменного напыления покрытий из порошковых материалов, содержащая плазмотрон 1 (напыление металлических порошков) и плазмотрон 2 (напыление керамических порошков), устройства регулируемой подачи напыляемого материала в потоки термической плазмы - дозатор 3 и дозатор 4, высоковольтный источник электропитания 5 (постоянного тока) дугового разряда плазмотрона, блок автономного охлаждения 6 плазмотронов 1 и 2, блок подачи рабочих газов 7 (плазмообразующий, транспортирующий и фокусирующий - воздух, защитный (завеса анода) - смесь воздуха и метана). В состав оборудования входят: пульт управления 8 установки плазменного напыления покрытий и блок переключений плазмотронов и запуска 9, соединенные с плазмотронами 1 и 2, с устройствами регулируемой подачи напыляемого материала в потоки термической плазмы (дозатор 3 и дозатор 4), с высоковольтным источником электропитания (постоянного тока) дугового разряда 5 плазмотронов, с блоком автономного охлаждения и 6 плазмотронов 1 и 2, с блоком подачи рабочих газов 7 (воздух, метан).
[17]На фиг. 2 представлены схемы сборки плазмотронов 1 и 2: сечение А - А - для напыления металлических материалов в высокоскоростном дозвуковом или сверхзвуковом турбулентном режиме истечения плазменной струи; сечение Б - Б - для напыления покрытий из керамических материалов в низкоскоростном ламинарном режиме истечения струи плазмы.
[18]Каждый плазмотрон содержит: катод 10; пусковую секцию 11; секции межэлектродной вставки 12 (плазмотрон 1 для напыления металлов содержит три секции, плазмотрон 2 для напыления керамики содержит пять секций); переходную секцию 13, анод 14 и узел кольцевого ввода порошковых материалов с их газодинамической фокусировкой 15.
[19]Средний диаметр канала плазмотрона 1 для напыления металлов составляет 9 мм, а плазмотрона 2 для напыления керамики 8 мм. Больший диаметр канала плазмотрона 1 для напыления металлов обусловлен значительно большими расходами плазмообразующего газа и существенно большей напряженностью электрического поля дугового разряда. Некоторое увеличение диаметра канала, при повышенной напряженности электрического поля, снижает риск пробоя дугового разряда на секции межэлектродной вставки (МЭВ).
[20]Так же из-за различия в уровне напряженности электрического поля ламинарного и турбулентного режимов работы канал плазмотрона 2 для напыления керамики имеет большую длину (большее количество секций). Большее количество секций МЭВ при меньшем уровне напряженности электрического поля позволяет увеличить рабочее напряжение на дуговом разряде плазмотрона до уровня, близкого к турбулентному режиму работы плазмотрона для напыления металлов. Благодаря этому оба плазмотрона в номинальных режимах работы имеют близкие значения рабочих напряжений, что способствует максимальному использованию установленной мощности источника питания плазмотронов при напылении керамических и металлических порошковых материалов.
[21]Оперативное переключение плазмотронов 1 и 2 с помощью блока переключений плазменной установки 9 исключило необходимость переборки (переналадки) канала плазмотрона при напылении металлов и керамики и, таким образом, разрыв в операциях напыления металлического подслоя и керамического покрытия сокращен до минимума и не превышает 0,5 минуты.
[22]Подача плазмообразующего газа из блока 7 по каналу 16 осуществляется между катодом 10 и пусковой секцией 11, подача защитного газа (завеса анода), в качестве которого используется смесь воздуха и метана, осуществляется по каналу 17 между переходной секцией 13 и анодом 14, подача порошка с транспортирующим газом и фокусирующего газа осуществляется через соответствующие щелевые каналы 18 и 19 узла кольцевого ввода с газодинамической фокусировкой 15.
[23]На фиг. 3 представлена фотография разработанной и изготовленной в ИТПМ СО РАН полнокомплектной установки плазменного напыления функциональных покрытий, представленной в настоящей заявке.
[24]Установка плазменного напыления покрытий работает следующим образом.
[25]Работа установки представлена на примере напыления керамических покрытий с предварительным напылением металлического подслоя.
[26]На блоке подачи рабочих газов 7 открываются соответствующие вентили и рабочие газы поступают на пульт управления 8 установки плазменного напыления покрытий. Включают источник электропитания дуговых разрядов 5 плазмотронов, пульт управления 8 установки плазменного напыления покрытий и блок автономного охлаждения 6 плазмотронов. На сенсорной панели пульта управления 8 установкой плазменного напыления покрытий включают режим «Работа», плазмотрон «Металлы» и подачу напряжения холостого хода на плазмотрон 1. При этом из блока 7 на плазмотрон 1 для напыления металлических порошков поступают с заданным расходом рабочие газы (плазмообразующий, защитный (завеса анода), транспортирующий и фокусирующий).. В блоке переключений плазмотронов и запуска 9 срабатывает соответствующая коммутирующая аппаратура и на плазмотрон 1 для напыления металлических порошков подается с заданным расходом охлаждающая вода из блока 6, напряжение холостого хода источника питания 5 и через ограничивающий силу тока дежурной дуги резистор, расположенный в источнике питания дуговых разрядов 5 плазмотронов, замыкается цепь дежурной дуги. После нажатия на пульте управления 8 установки плазменного напыления кнопки «Пуск» между катодом (фиг. 2, поз. 10) и пусковой секцией (фиг. 2, поз. 11) плазмотрона 1 посредством осциллятора, расположенного в блоке переключений плазмотронов с блоком запуска 9, возбуждается искровой разряд, который мгновенно перерастает в дуговой разряд дежурной дуги. Дежурная дуга вызывает ионизацию плазмообразующего газа, что обеспечивает его необходимую электропроводность и между катодом (фиг. 2, поз. 10) и анодом (фиг. 2, поз. 14) плазмотрона возбуждается рабочий дуговой разряд, а дежурная дуга автоматически отключается и плазмотрон 1 выходит на рабочий режим. Посредством пульта управления 8 установки плазменного напыления включается дозатор подачи металлических порошков 3 и через узел кольцевого ввода порошка с газодинамической фокусировкой 15 (фиг. 2) с помощью транспортирующего газа через канал 18 (фиг. 2) напыляемый металлический порошок вводится в поток термической плазмы плазмотрона 1. Причем ниже по течению, так же через соответствующий кольцевой канал 19 (фиг. 2) узла кольцевого ввода порошка с газодинамической фокусировкой 15 (фиг. 2) подается фокусирующий газ, который обеспечивает формирование высококонцентрированного гетерогенного потока, что в разы повышает эффективность нагрева и ускорения напыляемого порошкового материала потоком термической плазмы. Нагретый до температуры плавления и ускоренный до сотен метров в секунду напыляемый порошок, попадая на напыляемую поверхность, формирует покрытие. Благодаря высокой концентрации, равномерному нагреву и ускорению частиц напыляемого материала обеспечиваются высокие физико-механические характеристики напыленных покрытий (адгезия не менее 80 МПа и пористость менее 1%).
[27]После напыления выбранного металлического подслоя отключается подача напыляемого металлического порошка, и производится отключение плазмотрона 1 для напыления металлических порошков. На сенсорной панели пульта управления 8 установки плазменного напыления включается режим плазмотрон 2 «Керамика». При этом, аналогично описанному выше алгоритму напыления металлических порошков, после подачи напряжения холостого хода на плазмотрон 2 для напыления керамических порошковых материалов цикл напыления повторяется и поверх напыленного металлического подслоя наносится керамическое покрытие. После нанесения покрытия отключается дозатор подачи керамических порошков 4 и плазмотрон для напыления керамических порошковых материалов 2.
[28]Источники информации:
[29]1. Плазменные технологии / Н.А. Соснин, С.А. Ермаков, П.А. Тополянский. - СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского политехи, ун-та, 2008.], [Science and Engineering of Thermal Spray Coatings, 2nd ed., Pawlowski L., John Wiley & Sons, Ltd. - 2008. - 656 p.
[30]2. Патент RU 2111066, заявка №9595121134, авторы Коберниченко А.Б., Ухалин А.С. и др.
[31]3. Патент RU 2187575, авторы Коберниченко А.Б., Илюхин А.Н.
[32]4. Патент RU 2328096, авторы Гизатуллина С.А., Галимова Э.Р. и др. - прототип.
