ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ИЗ ТУГОПЛАВКИХ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полный текст

Введение. С интенсивным развитием аэрокосми- ческой техники и ужесточением условий ее эксплуа- тации повышаются требования по ее надежности, долговечности и безопасности эксплуатации. Элемен- ты конструкций летательных аппаратов, работающих в экстремальных условиях (воздействие значительных динамических нагрузок, агрессивных сред, высоких температур и т. п.), невозможно использовать без применения специальных защитных покрытий. Одним из наиболее производительных, технологичных и эффективных способов получения таких покрытий является плазменное напыление [1-11]. Применение плазменных технологий, активно внедряющихся в последнее время в промышленность, даёт возмож- ность решить многие проблемы производства с ми- нимальными затратами. Объём использования плаз- менных покрытий в мире постоянно возрастает. Для получения стабильных покрытий высокого качества большое внимание уделяется средствам механизации процесса, которых недостаточно, так как в первую очередь необходимо добиться высоких значений и стабилизации термических и динамических показате- лей напыляемых частиц. Основным элементом, обес- печивающим необходимые характеристики напыляе- мым частицам, является плазмотрон. В мире разрабо- тано большое количество плазмотронов различных конструкций, каждая из которых имеет как свои пре- имущества, так и недостатки. У большинства плазмо- тронов, в том числе и импортных, например у плазмо- трона F4 (Switzerland), напыляемый материал подает- ся в плазменную струю радиально через канал, нахо- дящийся на срезе сопла, что отрицательно сказывает- ся на качестве покрытия [12]. Часть материала отбра- сывается плазменной струей, что приводит к умень- шению коэффициента использования материала (КИМ), неравномерному прогреву напыляемых туго- плавких дисперсных материалов (оксидов, карбидов, нитридов и т. д.), что отражается на качестве полу- чаемых покрытий. Для обеспечения нагрева напыляе- мого материала повышают мощность плазмотрона, что уменьшает ресурс его работы. Существует схема подачи транспортирующего га- за с порошком спутно плазменному потоку, позво- ляющая обеспечить более эффективный и равномер- ный прогрев напыляемого материала, а также преду- сматривающая дополнительную стабилизацию дуго- вого разряда [12-15]. Но в промышленном масштабе такие плазмотроны не выпускаются, так как техноло- гически сложны в изготовлении. В данной работе представлены результаты сравнения характеристик покрытий, нанесенных плазмотроном F4 (Switzerland) и разработанным и изготовленным по спутной схеме подачи напыляемого материала. По этой схеме газо- порошковая смесь подводится к верхней части плаз- мотрона и закручивается посредством специальных выполненных пазов, далее, проходя по каналам плазмотрона, газопорошковая смесь попадает в высо- котемпературную прикатодную область, что способ- ствует ее равномерному нагреву до высоких темпе- ратур. Экспериментальная часть. Электродуговой плазмотрон содержит соосно и последовательно уста- новленные охлаждаемые катодный узел с катодом, изолятор, анодный узел с соплом-анодом, систему ввода плазмообразующего газа и систему ввода обра- батываемого материала, обеспечивающие фокусиро- вание последних в прикатодной области. Прикатодная область переходит в цилиндрическую полость сопла- анода. В плазмотроне конусообразный обтекатель снабжен шестью специальными каналами, выполнен- ными под углом 600 к направлению движения газопо- рошковой смеси, выравнивающими плотность газо- порошковой смеси и создающими вихревой поток по сечению канала. Конический кожух, образующий каналы с кониче- скими выходными участками для подачи плазмообра- зующего газа и транспортирующего газа с порошком в сопло плазмотрона, выполнен керамическим и уста- новлен на корпусе катодного узла. Плазмотрон позво- ляет повысить качество наносимых покрытий, увели- чить коэффициент использования материала и ресурс работы плазмотрона за счет равномерного прогрева напыляемого материала до температуры плавления, уменьшения газодинамического сопротивления при движении газопорошковой смеси по каналам и тан- генциальной подачи плазмообразующего газа, стаби- лизирующей горение дуги. На рис. 1 представлен предлагаемый плазмотрон в разрезе. На рис. 2 представлен конусообразный обте- катель. Плазмотрон состоит из системы ввода обрабаты- ваемого материала и транспортирующего газа, вклю- чающая входной патрубок 1, цилиндрическая полость 2 которого переходит в коническую полость 3, обра- зованную диффузором 4 и обтекателем 5, установ- ленным на корпусе катодного узла 6. На обтекателе равномерно расположены шесть каналов, выполнен- ных под углом 600 к направлению движения газопо- рошковой смеси, выравнивающие плотность газопо- рошковой смеси по сечению канала 7 и создающие вихревой поток. В корпусе катодного узла посредст- вом вставки 8 закреплен катод 9. В нижней части корпуса катодного узла 6 посредством резьбы закреплен керамический кожух 10 конической формы. Поверх- ности керамического кожуха 10 и изолятора 11 обра- зуют коническую транспортирующую полость 12, которая фокусируется в прикатодной полости 13, пе- реходящей в цилиндрическую полость сопла-анода 14. Таким образом, полости 3, 7 и 12 образуют непре- рывный транспортирующий канал с минимальным газодинамическим сопротивлением, связывающий цилиндрическую полость патрубка 1 с прикатодной областью 13. Сопло-анод 15 с вольфрамовой вставкой 32 фиксируется в корпусе анодного узла 16 прижим- ной гайкой 17. Корпус анодного узла 16 имеет систему охлажде- ния, соединенную с патрубком 18 ввода охлаждаю- щей жидкости. Патрубок 18 одновременно является клеммой соединения сопла-анода с плюсом «+» ис- точника питания плазмотрона. В систему охлаждения анодного узла входят полость 19 и отверстие 20, со- единяющее ее с патрубком 18 ввода охлаждающей жидкости. Затем охлаждающая жидкость через отвер- стие 21, патрубки 22 и соединительный шланг 23 по- ступает в корпус катодного узла. Система охлаждения катодного узла состоит из отверстий 24, 26, полости 25 и патрубка 27 для вывода охлаждающей жидкости. Патрубок 27 одновременно является клеммой подвода минуса «-» источника питания плазмотрона к катоду. Система ввода плазмообразующего газа состоит из патрубка 28, закрепленного на поверхности катодного узла и соединенного каналом 30 с конической поло- стью 31, образованной поверхностью катода 9 и внут- ренней поверхности керамического кожуха 10. Кон- струкция канала ввода обеспечивает тангенциальную подачу плазмообразующего газа, что способствует стабилизации горения дуги в прикатодной области. Электродуговой плазмотрон работает следующим образом. В патрубок 18 для охлаждения подается вода. В патрубок 28 подается плазмообразующий газ и ме- жду катодом 9 и соплом 15 возбуждают электриче- скую дугу. Плазмообразующий газ закручивается по часовой стрелке, что обеспечивается тангенциальной подачей газа через канал ввода. После выхода плаз- мотрона на рабочий режим в специальный патрубок подается газопорошковая смесь, у которой после со- прикосновения с поверхностью конусообразного об- текателя 5, имеющего каналы, происходит выравни- вание ее плотности и закручивание смеси по сечению кольцевого канала в ту же сторону, что и плазмообра- зующий газ. Рис. 1. Плазмотрон ПМ-1 Fig. 1. Plasmotron PM-1 Рис. 2. Обтекатель Fig. 2. Low-drag fairing Таблица 1 Данные, полученные при разрыве образцов (плазмотрон ПМ-1) № Образца I, A Ротр, кН σсц, МПа σсц.ср, МПа 1-28.11.17 150 5,544 11,294 11,568 2-28.11.17 150 5,758 11,731 3-28.11.17 150 5,733 11,68 4-28.11.17 200 6,169 12,567 12,862 5-28.11.17 200 6,239 12,71 6-28.11.17 200 6,534 13,31 7-28.11.17 250 6,449 13,137 13,463 8-28.11.17 250 6,848 13,95 9-28.11.18 250 6,529 13,301 10-28.11.18 300 7,29 14,851 14,045 11-28.11.18 300 6,6 13,445 12-28.11.18 300 6,794 13,84 Примечание: Ротр - сила, при которой произошёл отрыв покрытия от образца; σсц - адгезионная прочность покрытия; σсц.ср - среднее значение между тремя полученными значениями σсц при одной силе тока на одном плазмотроне. Смесь поступает через коническую полость 12, образованную керамическим кожухом 13 и изолято- ром 11, а плазмообразующий газ - через канал 30, образованный между катодом 9 и поверхностью от- верстия в корпусе катодного узла 6, и конический канал 31 между внутренней поверхностью кожуха 10 и катодом 9 в прикатодную область 13. При этом обеспечивается равномерный прогрев напыляемого материала до температуры плавления, что приводит к повышению качества покрытия, уменьшению энергозатрат и к увеличению ресурса работы плаз- мотрона. Для проведения испытаний на прочность сцепле- ния покрытия наносились на стальные образцы, выполненные в виде грибков. Величину прочности сцепления покрытия с подложкой определяли мето- дом отрыва (клеевая методика, клей ВК-9) согласно ГОСТ 209-75 при помощи универсальной испыта- тельной машины Eurotest T50 . Полученные данные представлены в табл. 1 и 2. Расход напыляемого по- рошка в питателе был одинаковым для обоих плазмо- тронов. Прочность сцепления покрытия определяли по следующей формуле: Р Р 4Р По данным табл. 1, 2 построены графики зависи- мости адгезионной прочности покрытий, нанесенных разными плазмотронами, от величины силы тока (рис. 3). Прочность сцепления покрытий, нанесенных экспериментальным плазмотроном ПМ-1, примерно на 20 % выше, чем при нанесении импортным F4. По- лученные результаты подтверждают, что плазмотрон ПМ-1 обеспечивает равномерный прогрев напыляе- мого порошка до температуры плавления, что приво- дит к повышению прочности сцепления покрытия с подложкой при одинаковых расходах газов и подво- димой мощности. Толщина покрытия оказывает немаловажное влия- ние на износо- и коррозионную стойкость. Толщину покрытия, сформированного плазменным напылени- ем, определяли с помощью микрометра. Замеры на каждой пластинке производили в 5 произвольно взя- тых точках. Результаты занесены в табл. 3, 4. По данным табл. 3. и 4 построен график зависимо- сти толщины покрытия от силы тока (рис. 4). Толщина покрытий также оказалась больше при- мерно на 15-18 %. Это значит, что коэффициент ис- пользования материала выше за счет равномерного прогрева напыляемого порошка. Изучение микро- структуры и пористости обработанных образцов проsсц = где d = 0,025 м. отр = F отр = pr2 отр , pd 2 водили с помощью металлографического микроскопа Neophot 32. Увеличение микроскопа составляет от 10 до 2000 раз. Полученные данные по пористости по- крытий представлены в табл. 5 и 6. Таблица 2 Данные, полученные при разрыве образцов (плазмотрон F4) № Образца I, A Ротр, кН σсц, МПа σсц.ср, МПа 25-8.12.17 250 5,323 10,843 10,586 26-8.12.17 250 5,073 10,334 27-8.12.17 250 5,193 10,58 28-8.12.17 300 5,317 10,832 11,302 29-8.12.17 300 5,824 11,865 30-8.12.17 300 5,503 11,21 31-8.12.17 350 5,559 11,324 11,651 32-8.12.17 350 5,846 11,91 33-8.12.17 350 5,753 11,72 Рис. 3. Зависимость адгезионной прочности покрытия от силы тока Fig. 3. Dependence of coating adhesion strength from current rate Таблица 3 Толщина покрытия (плазмотрон ПМ-1) № образца I, А hi, мкм hср, мкм Среднее hср, мкм 1 2 3 4 5 13-28.11.17 150 110 131 112 130 112 119 125,9 14-28.11.17 150 125 131 130 146 139 134,2 15-28.11.17 150 110 139 111 131 131 124,4 16-28.11.17 200 121 126 112 132 129 124 132,5 17-28.11.17 200 148 131 132 140 151 140,4 18-28.11.17 200 127 120 144 136 138 133 19-28.11.17 250 124 118 143 151 129 133 137,1 20-28.11.17 250 159 131 128 152 135 141 21-28.11.18 250 131 120 152 136 147 137,2 22-28.11.18 300 144 126 127 141 122 132 139,7 23-28.11.18 300 135 143 161 150 141 146 24-28.11.18 300 153 131 130 149 142 141 Примечание: I - значение силы тока (А), при котором проводилось напыление; hi - толщина покрытия в точке замера; hср - среднее арифметическое всех значений толщины в точках замера. Таблица 4 Толщина покрытия (плазмотрон F4) № образца I, А hi , мкм hср, мкм Среднее hср, мкм 1 2 3 4 5 34-8.12.17 250 112 83 91 121 108 103 107,7 35-8.12.17 250 93 109 124 94 105 105 36-8.12.17 250 101 141 99 104 130 115 37-8.12.17 300 133 136 91 102 93 111 118,3 38-8.12.17 300 104 139 98 129 125 119 39-8.12.17 300 141 103 100 152 129 125 40-8.12.17 350 109 121 130 96 124 116 122,0 41-8.12.17 350 132 101 106 142 129 122 42-8.12.17 350 103 145 141 112 139 128 Рис. 4. Зависимость толщины покрытия от силы тока Fig. 4. Dependence of coating thickness from current rate Таблица 5 Значения пористости покрытий (плазмотрон ПМ-1) № образца I, А П, % Пср, % 13-28.11.17 150 20 23 14-28.11.17 150 23 15-28.11.17 150 26 16-28.11.17 200 19 21,3 17-28.11.17 200 20 18-28.11.17 200 25 19-28.11.17 250 17 18,8 20-28.11.17 250 19 21-28.11.18 250 20,5 22-28.11.18 300 13 14,7 23-28.11.18 300 15 24-28.11.18 300 16 Примечание: I - величина силы тока, при которой проводилось напыление (А); П - пористость покрытия (%); Пср - среднее значение пористости для образцов с напылением на одном режиме. Таблица 6 Значения пористости покрытий (плазмотрон F4) № образца I, А П, % Пср, % 34-8.12.17 250 32 30 35-8.12.17 250 31 36-8.12.17 250 27 37-8.12.17 300 27 28 38-8.12.17 300 28 39-8.12.17 300 30 40-8.12.17 350 25,5 26 41-8.12.17 350 24 42-8.12.17 350 28,2 Рис. 5. Зависимость пористости покрытий от силы тока Fig. 5. Dependence of coating porosity from current rate По данным табл. 5, 6 построен график зависимо- сти пористости покрытия от величины силы тока для двух плазмотронов (рис. 5). Полученные результаты показывают, что пористость покрытий, полученных на плазмотроне ПМ-1, меньше примерно на 13 %, что также происходит за счет равномерного прогрева на- пыляемого порошка. Заключение. Результаты данной работы показы- вают, что характеристики покрытий, напыленных плазмотроном ПМ-1, выше полученных на промыш- ленном плазмотроне F4 (Switzerland). Повысились прочность сцепления на 20 %, толщина покрытий и коэффициент использования материала - примерно на 15-18 %, а пористость снизилась на 13 %.

Об авторах

А. Е. Михеев

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: michla@mail.ru
Российская Федерация, 660037, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

А. В. Гирн

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Д. В. Раводина

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

И. О. Якубович

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы