CC BY
158
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2014 г. Выпуск 2 (33). С. 7-14
УДК 533.924; 620.22.8
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ
ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ
В. И. Кузьмин, Е. В. Картаев, С. П. Ващенко, Д. В. Сергачёв, Е. Е. Корниенко
Введение
Керамические порошки на основе оксидов металлов используются для нанесения покрытий, стойких к абразивному износу, а также к износу в условиях трения-скольжения. Благодаря большому электрическому сопротивлению, низкой теплопроводности и высокой жаростойкости, оксидную керамику широко используют в качестве электроизоляционных и термобарьерных покрытий. Одним из эффективных методов нанесения керамических покрытий, благодаря своим высоким энергетическим возможностям, является плазменное напыление.
Металлические порошки используются для напыления износостойких и различных функциональных покрытий.
Как в отечественных, так и в зарубежных установках плазменного напыления широко используются электродуговые плазмотроны постоянного тока. Именно этот тип плазмотронов реализует высокую концентрацию энергии в малом объёме, обеспечивает стабильность параметров плазменных потоков, а также обладает простой и удобной в эксплуатации схемой электропитания.
Для плазменного напыления различных покрытий нами разработан электродуговой плазмотрон постоянного тока номинальной мощностью 50 кВт. Плазмотрон выполнен по линейной схеме с секционированной межэлектродной вставкой [1] и рассчитан на работу в турбулентном, переходном и ламинарном режимах истечения плазменных струй, что позволяет с высокой эффективностью напылять как металлические, так и керамические порошки. Существенной модернизацией плазмотрона явилась разработка узла кольцевого ввода порошка с газодинамической фокусировкой.
Способ и место ввода напыляемого порошка является одной из наиболее важных конструктивных особенностей плазмотронов. Теоретические расчёты показали, что кольцевой ввод порошка в струю плазмы позволяет увеличить эффективность нагрева, проплавления частиц и повысить производительность напыления более чем на порядок.
В настоящей работе приведены результаты теплофизических и технологических исследований эффективности формирования износостойких металлических и керамических (из оксида алюминия) покрытий при использовании узла кольцевого ввода порошка с газодинамической фокусировкой.
Теплофизические исследования включали измерения параметров (скорость, температура одиночных частиц и их статистические распределения) порошка Al2O3 фракции 34±6 мкм (рис. 1) с применением лазерно-оптического диагностического комплекса [2-4] в струе напылительного плазмотрона для случая кольцевого распределенного ввода порошка в поток термической плазмы [5-8] (рис. 2).
7
Новые материалы и технологии
Рисунок 1. Распределение частиц порошка А!20з по размеру
Визуализация гетерогенного потока при холодной продувке с подачей порошка транспортирующим газом (рис. 3) выполненная для области ввода порошка (без ввода фокусирующего газа) при помощи лазерного ножа, иллюстрирует формирование плотного осесимметричного газодисперсного течения. Видно, что значительная часть частиц, испытав столкновение, гасит радиальную составляющую скорости и продолжает движение вдоль оси струи.
Рисунок 2. Схема узла кольцевой инжекции порошка
Рисунок 3. Фотография треков частиц порошка Al203 , истекающих из радиально-кольцевой щели узла ввода
На рис. 4 представлено распределение осевой компоненты скорости частиц, истекающих из радиально-кольцевой щели, в области слияния потоков, полученное с помощью лазерного двухфокусного анемометра для расхода транспортирующего газа, воздуха, 0,3 г/с. Скорости частиц лежат в диапазоне 0,5.. .8 м/с со средней скоростью 2,5 м/с.
Рисунок 4. Распределение осевой компоненты скорости частиц, истекающих из радиально-кольцевой щели
8
В. И. Кузьмин, Е. В. Картаев и др. Повышение эффективности плазменного напыления порошковых покрытий
В качестве плазмообразующего, защитного, транспортирующего и фокусирующего газов могут использоваться как любые технические и чистые газы, так и обычный воздух. В данных экспериментах в качестве плазмообразующего газа использовался воздух. Для уменьшения эрозии медного анода и обеспечения распределенной привязки дуги на аноде в качестве защитного газа использовалась смесь воздуха и пропан-бутана. Для увеличения тепловой мощности струи и связывания кислорода плазмообразующего воздуха и воздуха, инжектируемого в поток плазмы из окружающей среды, пропан-бутан добавлялся также в фокусирующий и транспортирующий газы. Рабочие параметры плазмотрона были следующие: ток I = 240 А, напряжение U = 240 В, расход плазмообразующего газа (воздух) G^(Air) = 12 г/с, расход порошка GAi2o3 = 3,5 кг/ч.
На рис. 5 представлены статистические распределения (~ 300 частиц) температуры (а) и скорости (b), измеренные на оси плазменной струи на расстоянии 150 мм от среза выходного сопла плазмотрона.
а
b
Рисунок 5. Распределение параметров частиц по температуре (а) и скорости (b) в точке струи z = 150 мм, x = 0, у = 0
Данные статистические распределения позволяют определить долю прогретых частиц (излучающих достаточное для регистрации количество энергии, температура которых выше 1500 К), а также нагретых выше температуры плавления материала Al2O3 (2330 K). В данной точке струи доля расплавленных частиц составила 99 %, что свидетельствует о достаточно высокой однородности агрегатного состояния частиц в потоке (в проведённых ранее исследованиях плазмотрона с самоустанавливающейся длиной дуги и точечным вводом порошка доля расплавленных частиц не превышала 30 % [9]). Скорость частиц лежит в широком диапазоне 190.. .360 м/с со средним значением 325 м/с.
Представленные на рис. 6 и 7 осевые распределения параметров частиц показывают, что область максимального количества проплавленных частиц лежит в диапазоне 75.150 мм от среза выходного сопла. Видна динамика ускорения частиц в потоке. Максимальное значение осредненной скорости достигается на расстоянии ~ 30.100 мм.
9
Новые материалы и технологии
Рисунок 6. Распределение доли частиц, нагретых Рисунок 7. Осевые распределения средней
выше температуры плавления, вдоль оси скорости частиц, измеренные времяпролетным
плазменной струи плазмотрона [9] методом [10]
Полученные данные о параметрах частиц в струе напылительного плазмотрона с применением реализованной лазерно-оптической диагностики были использованы при оптимизации режимов напыления.
Технологические исследования проводили следующим образом. В качестве исходного порошка использовали оксид алюминия А1203 с основным размером частиц 28...40 мкм. Порошковые керамические покрытия наносили на стальные образцы плазменным методом, применяя при этом два способа ввода частиц в плазменный поток: односторонний точечный и распределено-кольцевой с различными режимными параметрами.
Сравнительный металлографический анализ напыленных слоев показал, что покрытия характеризуются высоким качеством границы раздела с основным металлом, на границе раздела отсутствуют поры. Пористость основного слоя при оптимальных режимных параметрах, в случае кольцевого ввода порошка, составляет менее 1 %. Обычно, по данным разных авторов, пористость керамических покрытий составляет 8.15 %.
В табл. 1 приведены среднемассовые характеристики плазменных потоков (при переходе от режима 1 к режиму 3 повышался расход плазмообразующего газа от 1 до 1,5 и 2 г/с соответственно, следовательно, уменьшалась температура, и увеличивалась скорость плазмы), реализованных в технологических экспериментах. Ток дугового разряда плазмотрона на всех режимах оставался неизменным и составлял 200 А.
Таблица 1. Режимы напыления
Режим напыления Температура плазмы, К Скорость плазмы, м/с
1 7000 708
2 6750 970
3 6500 1225
Испытания износостойкости покрытий свидетельствуют о том, что при кольцевой транспортировке частиц в плазменный поток относительная износостойкость покрытий возрастает от 2,1 до 2,6.
В случае точечной подачи частиц рассматриваемый параметр резко возрастает при переходе от режима (1) к режиму (2) и далее незначительно уменьшается. Объяснить это можно, по-видимому, большим разбросом значений скорости и температуры частиц при точечной подаче порошка. Возрастание среднемассовой скорости потока плазмы, при увеличении расхода плазмообразующего газа от 1 до 1,5 г/с, сопровождается крайне незначительным снижением среднемассовой температуры плазмы и, соответственно, при достаточной доле расплавленных частиц имеет место существенный рост средней скорости напыляемых частиц, а это приводит к увеличению плотности покрытия и уменьшению толщины составляющих его микрослоёв, что, в свою очередь, приводит к повышению износостойкости. Дальнейшее уве-
10
В. И. Кузьмин, Е. В. Картаев и др. Повышение эффективности плазменного напыления порошковых покрытий
личение расхода плазмообразующего газа, в случае точечного ввода порошка, приводит к дальнейшему снижению времени пребывания частиц в плазменном потоке. А так как при данном способе ввода только некоторая часть частиц проходит через осевую высокотемпературную область плазменной струи, то получаемой доли расплавленных частиц уже недостаточно для формирования качественного покрытия. Данные режимные условия приводят к снижению плотности покрытия и инициируют появление в нём значительного количества микротрещин, что и объясняет уменьшение стойкости напыленных слоев к износу [11].
Предварительные исследования характеристик металлических покрытий, напылённых воздушной плазмой, показали существенное повышение их твёрдости (~ на 25 HRC) по сравнению с паспортными данными твёрдости исходного материала. Напыление металлических порошков проводилось при следующих среднемассовых параметрах плазменных струй: температура - 6000 К, скорость - 2400 м/с. Предположительно данный эффект объясняется высокой степенью проплавления и большой скоростью напыляемых частиц, которые проходят через высокотемпературную и высокоскоростную приосевую область плазменной струи в случае их кольцевого ввода. А это, как и в случае керамических порошков, приводит к увеличению плотности покрытий и уменьшению толщин составляющих их микрослоёв. Для объяснения данного эффекта в настоящее время проведены более глубокие исследования металлических покрытий.
В качестве материала для напыления покрытий использовался самофлюсующийся порошок марки ПР-Н77Х15С3Р2-3 фракции 40.. .100 мкм, который подавался в поток термической плазмы при помощи узла кольцевого ввода с газодинамической фокусировкой. Режимные параметры при напылении покрытий были следующие: расход плазмообразующего газа (воздух) Gra(Air) = 3 г/с; расход порошка Опор= 5 кг/ч; ток дугового разряда плазмотрона менялся от 140 до 230 А; напряжение, соответственно, менялось от 265 до 243 В; дистанция напыления составляла 170 мм.
Толщина полученных покрытий составляет 350.400 мкм. Микроструктурные исследования показали, что сформированные покрытия состоят преимущественно из деформированных частиц, которые, в зависимости от степени проплавления в плазменном потоке, можно разделить на две группы: частицы в пластифицированном состоянии (сохранили исходную дендритную структуру) и расплавленном (не имеют дендритного строения) состоянии.
Значения микротвердости полученных покрытий составляют 8000.10500 МПа. Значительный разброс полученных данных можно объяснить структурной неоднородностью покрытий. Расплавленные частицы имеют более высокий уровень микротвердости: 9000.10500 МПа. Следует отметить, что в покрытиях встречается незначительное количество недеформированных округлых частиц, микротвердость которых соответствует значениям 6000.7000 МПа.
Плазменное напыление частиц на модернизированном оборудовании позволяет сформировать плотные покрытия. Значения пористости покрытий в зависимости от тока дуги приведены в табл. 2.
Таблица 2. Средние значения пористости покрытий в зависимости от тока дуги
Ток дуги, А 140 170 200 230
Средняя пористость, % 0,96 1,5 2,44 4,02
Количество пор размерами менее 5 мкм, % 55,7 34,12 18,98 23,76
Покрытия, напыленные на токе дуги 140 А, характеризуются пористостью менее 1 %. Более 55 % пор в этих покрытиях имеют размер менее 5 мкм. Чаще всего такие поры встречаются в объеме пластифицированных частиц или по границам раздела между частицами (рис. 9). Это можно объяснить тем, что напыляемые частицы в исходном состоянии пористые (рис. 10). Пор размером более 20 мкм в покрытиях, полученных на токе дуги 140 А, не встречается. Форма пор преимущественно округлая.
11
Новые материалы и технологии
Рисунок 9. Покрытие, полученное на токе дуги 140 А
Рисунок 10. Исходная частица
С увеличением силы тока пористость повышается. На токе дуги 230 А пористость более 4 % (табл. 2 и рис. 11), при этом наблюдается около 15 % пор размером более 20 мкм. Поры, образовавшиеся в покрытиях на токах дуги более 200 А, имеют преимущественно вытянутую форму и располагаются по границам раздела между частицами.
Выводы
В заключение, на рис. 12-16, представлены некоторые примеры износостойких и функциональных покрытий, полученных при упрочнении и восстановлении промышленных деталей с использованием разработанного напылительного плазменного оборудования.
Рисунок 11. Покрытие, полученное на токе дуги 200 А
Рисунок 12. Якорь высоковольтного выключателя с покрытием Л1203
Рисунок 13. Шток гидроцилиндра управления активным козырьком мехкрепи с покрытием Ni-Cr-B-Si-C
12
Рисунок 14. Лопатка 1 ступени ротора турбины ДЖ59Л3 с термобарьерным керамическим покрытием ZrO2
В. И. Кузьмин, Е. В. Картаев и др. Повышение эффективности плазменного напыления порошковых покрытий
Рисунок 15. Кюветы из углерода с Рисунок 16. Контактные щёки руднотермических
электороизоляционным керамическим печей с термобарьерным покрытием Л120з
покрытием Л1203
При кольцевом вводе напыляемых частиц на всех режимах основная доля напыляемого материала проходит через высокотемпературную и высокоскоростную осевую область плазменной струи. Поэтому при достаточной доле расплавленных частиц увеличение их скорости ведёт к снижению пористости покрытий и толщины составляющих его микрослоёв. В целом сравнительные исследования покрытий, полученных при различных условиях ввода порошков в поток плазмы, показали, что кольцевая транспортировка обеспечивает стабильность, надежность и высокое качество процесса напыления. И это очень важный момент для использования данной технологии в производственных условиях.
Литература
1. Comparison of Thermophisical and Optical Methods of Temperature Distribution Measurements in Flow of Plasmatron with Interelectrode Inserts / V. I. Kuzmin et al // Изв. вузов. Физика. - 2007. - Т. 50, № 9. - С. 85-88.
2. Лазерно-оптическая диагностика параметров одиночных частиц в процессах лазерной наплавки и прямого наращивания материала [Текст] / А. А. Михальченко, Е. В. Картаев,
O. Б. Ковалев // Высокие технологии, фундаментальные исследования, экономика. - Т. 3. -Часть I : Сб. статей 12 Межд. науч.-практ. Конф. «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». 8-10 декабря 2011 г., Санкт-Петербург, Россия ; под ред. А. П. Кудинова. - СПб. : Изд-во Политехн.ун-та. - 2011. - С. 258-262.
3. Determination of temperature in a plasma jet emanating from a plasma torch with sectioned inter-electrode insert from the molecular emission spectrum of nitrogen / A. A. Mikhalchenko, E. V. Kartaev, V. I. Kuzmin et al // Thermophysics and Aeromechanics. - 2011. - V. 18(4). -
P. 629-641.
4. Small-size spectrometer for emission analysis of low-temperature plasma flows / V. I. Nalivaiko, P. A. Chubakov, A. N. Pokrovsky, A. A. Mikhalchenko, V. I. Kuz’min, E. V. Kartaev // Thermophysics and Aeromechanics. - 2007. - V. 14(2). - P. 247-256. DOI:10.1134/S0869864307020114.
5. Kuzmin V. I., Mikhal’chenko A. A., Kovalev O. B., Kartaev E. V., Rudenskaya N. A. The technique of formation of the axisymmetric heterogeneous flow for thermal spraying of powder materials // J. of Thermal Spray Technology, 2012, V. 21, No. 1, p. 159-168.
6. Патент РФ № 2474983. Узел кольцевого ввода порошкового материала электродугового плазмотрона [Текст] / В. И. Кузьмин, А. А. Михальченко, Е. В. Картаев // БИМП. - № 4, опубл. 10.02.2013 г.
7. Воздушно-плазменное напыление порошковых покрытий с газодинамической фокусировкой гетерогенного потока [Текст] / В. И. Кузьмин, Е. В. Картаев, Е. Е. Корниенко // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика : в 2-х ч. Часть 1 : материалы 16-й Межд. науч.-практич. конф. - СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2014. - С. 78-85.
13
Новые материалы и технологии
8. Плазменное напыление порошковых покрытий при газодинамической фокусировке дисперсной фазы [Текст] / В. И. Кузьмин, Е. В. Картаев, Д. В. Сергачев, Е. Е. Корниенко // Актуальные проблемы в машиностроении : материалы 1-й международной научно-практической конференции ; под ред. В. Ю. Скибы. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2014. - С. 482-488.
9. Gulyaev I. P., Ermakov K. A., Gulyaev P. Yu. New high-speed combination of spectroscopic and brightness pyrometry for studying particles temperature distribution in plasma jets // European Researcher. - 2014. - № 3-2 (71). - P. 564-570.
10. Guselnikov S. M., Zavarzin A. G., Lyagushkin V. P., Mikhalchenko A. A., Solonenko O. P. Application of multifunctional laser optical apparatus in investigation of heterogeneous plasma jets // Proc. 10th Intern. Symposium on Plasma Chemistry, Bochum, FRG, Aug. 4-9, 1991. -Vol. 1. - S. 1.2. - 14. - Р. 1-6.
11. Григорьев, С. Н. Новые возможности технологии плазменного напыления износостойких покрытий [Текст] / С. Н. Григорьев [и др]. // Трение и износ. - Т. 34, № 3. - 2013. -С.221-226.
14
