Напыление покрытий плазмотроном с подачей порошка спутно плазменному потоку

Введение. Целью данной работы является отработка технологических режимов нанесения теплозащитных покрытий с применением плазмотрона ПМ-1 и сравнение характеристик нанесенных покрытий с показателями, полученными на плазмотроне F4. Применение покрытий, защищающих от воздействия высоких температур, эрозионного и абразивного износов, воздействия нейтронных потоков, позволяют в большей мере сохранять конструкции от разрушений. Для этой цели многие предприятия аэрокосмической отрасли широко используют плазменное напыление покрытий [1–13].

К достоинствам метода плазменного напыления можно отнести следующие характеристики: высокую температуру струи, позволяющую наносить тугоплавкие материалы; значительную производительность, простоту технологии, относительно низкую себестоимость, хорошие показатели прочности сцепления покрытия с подложкой, возможность обработки деталей различной конфигурации и габаритов. Процесс является многофакторным и позволяет в широких пределах управлять качеством покрытий на основе оптимизации режимов напыления.

Экспериментальная часть. Эффективность использования энергии плазмы при нанесении покрытий во многом определяется конструкцией плазмотрона. Конструкция плазмотрона ПМ-1 со схемой подачи транспортирующего газа с порошком спутно плазменному потоку представлена в работе [1]. Предварительно проведенные исследования на плазмотроне ПМ-1 показали его некоторые преимущества по сравнению со стандартным плазмотроном F4. Но для плазмотрона ПМ-1 не были определены основные технологические параметры его эксплуатации и не все характеристики нанесенных покрытий исследованы.

В табл. 1 представлена подводимая мощность к плазмотрону F-4, которая находится в пределах от 20 до 52 кВт.

Рассчитанные значения мощности

Таблица 1

Сила тока, А	Напряжение дуги, В	Мощность, кВт
200	113,221	22,6442
300	100,254	30,0762
400	91,964	36,7856
550	83,585	45,97175
650	79,499	51,67435

Так как плазмотрон ПМ-1 является не до конца изученным на энергетические параметры, была поставлена задача проверить его при более низких плотностях тока (до 200 А). Основное отличие плазмотрона ПМ-1 – это подача транспортирующего газа с порошком спутно плазменному потоку, что позволяет обеспечить более эффективный и равномерный прогрев напыляемого материала. У плазмотрона F-4 подача порошка осуществляется под срез сопла. В качестве напыляемого материала применяли оксид алюминия, материал образцов сталь 45. Для сглаживания коэффициентов термического расширения использовали подслой следующего состава (40% Al 2 O 3 + 60% NiCr).

Основные параметры напыления на плазмотроне ПМ-1 и F4 представлены в табл. 2 и 3.

Плазмотроны устанавливались на шестиосный манипулятор KUKA. Движение плазмотронов осуществилось по рассчитанной траектории, представленной на рис. 1.

Для исключения повторных переворотов образцов была рассчитана и подобрана схема с возвратным движением плазмотрона. Таким способом покрытие наносится ровным слоем.

Входные параметры напыления плазмотроном ПМ-1

Таблица 2

Сила тока, А	Напряжение дуги, В	Расход аргона, л/мин	Расход водорода, л/м	Скорость перемещения плазмотрона, м/с	Давление в порошковом питателе, Бар	Расстояние от среза сопла до поверхности образца, мм
200	150	40	4	0,2	4	90

Входные параметры напыления плазмотроном F-4

Таблица 3

Сила тока, А	Напряжение дуги, В	Расход аргона, л/мин	Расход водорода, л/м	Скорость перемещения плазмотрона, м/с	Давление в порошковом питателе, Бар	Расстояние от среза сопла до поверхности образца, мм
650	150	30	6	0,2	4	90

Рис. 1. Оптимальная траектория плазмотрона

Fig. 1. Optimal trajectory of the plasmotron

Ранее проводимые сравнения качества получаемых покрытий, напыляемых разными плазмотронами, проводили по трём основным свойствам, характеризующим качество покрытий, а именно: прочности сцепления с основой, толщине и пористости [1].

В данной работе представлены результаты измерения коэффициента использования материала (КИМ), являющегося важной и показательной характеристикой плазмотронов, показывающей их экономичность и производительность.

При сравнении двух плазмотронов ПМ-1 и F-4, по результатам исследований, полученных ранее, было принято решение плазмотрон ПМ-1 испытывать на низких энергетических параметрах (до 200 А), а F-4 на высокоэнергетических (до 550 А). Плазмотрон ПМ-1, благодаря своей конструкции и способу подачи порошка, показывает хорошие результаты, даже на небольших мощностях.

Время напыления на каждый образец – 60 с. Зная начальный вес образца и его конечный после напыления определяем количество нанесенного материала на образец. Сравнивая с общим весом расхода порошка при разных режимах работы порошкового питателя определяем КИМ.

Расчёт КИМ производился по формуле

КИМ = ((m2– m1) / m2)∙100 %, где m1 – масса образца до плазменного напыления; m2 – масса образца после плазменного напыления.

Для определения зависимости расхода порошка при разных значениях скорости вращения диска в питателе были проведены специальные эксперименты, результаты которых представлены на рис. 2.

Рис. 2. График зависимости расхода порошка от частоты вращения диска

Fig. 2. Graph of powder consumption versus disk rotation frequency

Были выбраны 6 образцов, 3 из которых использовались для напыления «горок» плазмотроном ПМ-1, другие 3 – плазмотроном F-4. Для напыления на образцы плазмотроном ПМ-1 был выбран технологический режим, который представлен в табл. 2. При определении КИМ подслой на образцы не напылялся.

В плазмотроне F4 при 200 А порошок не проплавляется, и, соответственно, результаты сравнения будут не адекватными, поэтому для плазмотрона F4 мы подбирали режимы, указанные в табл. 4, а для ПМ-1 – 200 А (табл. 5).

Полученные результаты КИМ для плазмотрона F4

Полученные результаты КИМ для плазмотрона ПМ-1

Таблица 4

Время напыления оксида алюминия = 60 с					Разница напыленного оксида алюминия, гр	Коэффициент использования материала, %
Номер образца	Сила тока, А	Вес, гр		Обороты диска, об/мин
		После абразивной обработки	С напыленным слоем оксида алюминия
1	550	143,6	147,61	2	4,01	21,22
2	550	157,63	167,13	3	9,5	29,87
3	550	143,28	158,56	4	15,28	37,54

Таблица 5

Время напыления оксида алюминия = 60 с					Разница напыленного оксида алюминия, гр	Коэффициент использования материала, %
Номер образца	Сила тока, А	Вес, гр		Обороты диска, об/мин
		После абразивной обработки	С напыленным слоем оксида алюминия
4	200	157,54	166,03	2	8,49	44,92
5	200	159,05	176,15	3	17,1	53,77
6	200	163,13	185,96	4	22,83	56,09

Результаты измерения КИМ представлены на рис. 3. Как видно из графика, КИМ при напылении плазмотроном ПМ-1 в среднем на 15–18 % больше, чем у F4. Результаты расчета затрат на электроэнергию при напылении плазмотроном ПМ-1 показали, что они примерно в 2 раза меньше затрат на F-4 (табл. 6).

Рис. 3. График зависимости КИМ от числа оборотов питателя

Fig. 3. Graph of dependence of MUR rate on the number of revolutions of the feeder

Затраты на электроэнергию

Таблица 6

	Стоимость 1 кВт/ч принята равной 4 руб.
Плазматрон	Сила тока, А	Напряжение дуги, В	Мощность, кВт	Экономические затраты за 1 час работы плазмотронов, руб.
ПМ-1	200	150	30	120
	300	150	45	180
F-4	550	150	82,5	330
	650	150	97,5	390

Также были проведены исследования напыленных образцов на термоудар. Температура, требуемая для прогрева покрытия и самого образца, - не менее 700 ° С. Было проведено 10 циклов нагрев – охлаждение. Нагрев производился в электропечи. По исходам каждого цикла покрытия проверялись на дефекты и общее состояние. В ходе проделанной работы обнаружили небольшие сколы (рис. 4) покрытия по кромкам и изменение цвета покрытия. В целом все образцы F-4 и ПМ-1 выдержали испытания на жаропрочность, при этом дефекты были минимальны.

Рис. 4. Дефекты при испытаниях на жаропрочность

Fig. 4. Defects in heat resistance tests

Заключение. Результаты данной работы дополняют преимущества плазмотрона ПМ-1 в сравнении с F4, а именно повышенный на 15–18 % КИМ, примерно в 2 раза меньше затраты на электроэнергию при одинаковой стойкости покрытий на термоудар.