Плазмотрон для нанесения покрытий из тугоплавких дисперсных материалов

Введение. С интенсивным развитием аэрокосмической техники и ужесточением условий ее эксплуатации повышаются требования по ее надежности, долговечности и безопасности эксплуатации. Элементы 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 возможность решить многие проблемы производства с минимальными затратами. Объём использования плазменных 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 показателей напыляемых частиц. Основным элементом, обеспечивающим необходимые характеристики напыляемым частицам, является плазмотрон. В мире разработано большое количество плазмотронов различных конструкций, каждая из которых имеет как свои преимущества, так и недостатки. У большинства плазмотронов, в том числе и импортных, например у плазмотрона F4 (Switzerland), напыляемый материал подается в плазменную струю радиально через канал, находящийся на срезе сопла, что отрицательно сказывается на качестве покрытия [12]. Часть материала отбрасывается плазменной струей, что приводит к уменьшению коэффициента использования материала (КИМ), неравномерному прогреву напыляемых тугоплавких дисперсных материалов (оксидов, карбидов, нитридов и т. д.), что отражается на качестве получаемых покрытий. Для обеспечения нагрева напыляемого материала повышают мощность плазмотрона, что уменьшает ресурс его работы.

Существует схема подачи транспортирующего газа с порошком спутно плазменному потоку, позволяющая обеспечить более эффективный и равномерный прогрев напыляемого материала, а также предусматривающая дополнительную стабилизацию дугового разряда [12–15]. Но в промышленном масштабе такие плазмотроны не выпускаются, так как технологически 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 газопорошковая смесь подводится к верхней части плазмотрона и закручивается посредством специальных выполненных пазов, далее, проходя по каналам плазмотрона, газопорошковая смесь попадает в высокотемпературную прикатодную область, что способствует ее равномерному нагреву до высоких температур.

Экспериментальная часть. Электродуговой плазмотрон содержит соосно и последовательно установленные охлаждаемые катодный узел с катодом, изолятор, анодный узел с соплом-анодом, систему ввода плазмообразующего газа и систему ввода обрабатываемого материала, обеспечивающие фокусирование последних в прикатодной области. Прикатодная область переходит в цилиндрическую полость сопла-анода. В плазмотроне конусообразный обтекатель снабжен шестью специальными каналами, выполненными под углом 60⁰ к направлению движения газопорошковой смеси, выравнивающими плотность газопорошковой смеси и создающими вихревой поток по сечению канала.

Конический кожух, образующий каналы с коническими выходными участками для подачи плазмообразующего газа и транспортирующего газа с порошком в сопло плазмотрона, выполнен керамическим и установлен на корпусе катодного узла. Плазмотрон позволяет повысить качество наносимых покрытий, увеличить 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 тангенциальной подачи плазмообразующего газа, стабилизирующей горение дуги.

На рис. 1 представлен предлагаемый плазмотрон в разрезе. На рис. 2 представлен конусообразный обтекатель.

Плазмотрон состоит из системы ввода обрабатываемого материала и транспортирующего газа, включающая входной патрубок 1, цилиндрическая полость 2 которого переходит в коническую полость 3, образованную диффузором 4 и обтекателем 5, установленным на корпусе катодного узла 6. На обтекателе равномерно расположены шесть каналов, выполненных под углом 600 к направлению движения газопорошковой смеси, выравнивающие плотность газопорошковой смеси по сечению канала 7 и создающие вихревой поток. В корпусе катодного узла посредством вставки 8 закреплен катод 9. В нижней части кор- пуса катодного узла 6 посредством резьбы закреплен керамический кожух 10 конической формы. Поверхности керамического кожуха 10 и изолятора 11 образуют коническую транспортирующую полость 12, которая фокусируется в прикатодной полости 13, переходящей в цилиндрическую полость сопла-анода 14. Таким образом, полости 3, 7 и 12 образуют непрерывный 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 прижимной гайкой 17.

Корпус анодного узла 16 имеет систему охлаждения, соединенную с патрубком 18 ввода охлаждающей жидкости. Патрубок 18 одновременно является клеммой соединения сопла-анода с плюсом «+» источника питания плазмотрона. В систему охлаждения анодного узла входят полость 19 и отверстие 20 , соединяющее ее с патрубком 18 ввода охлаждающей жидкости. Затем охлаждающая жидкость через отверстие 21 , патрубки 22 и соединительный шланг 23 поступает 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 полостью 31 , образованной поверхностью катода 9 и внутренней поверхности керамического кожуха 10 . Конструкция 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 между катодом 9 и соплом 15 возбуждают электрическую дугу. Плазмообразующий газ закручивается по часовой стрелке, что обеспечивается тангенциальной подачей газа через канал ввода. После выхода плазмотрона на рабочий режим в специальный патрубок подается газопорошковая смесь, у которой после соприкосновения с поверхностью конусообразного обтекателя 5 , имеющего каналы, происходит выравнивание ее плотности и закручивание смеси по сечению кольцевого канала в ту же сторону, что и плазмообразующий газ.

Подача парашка с транспортирувщип газом

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	Р отр , кН	σ сц , МПа	σ сц.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 : Р _отр – сила, при которой произошёл отрыв покрытия от образца; σ_сц – адгезионная прочность покрытия; σ_сц.ср – среднее значение между тремя полученными значениями σ_сц при одной силе тока на одном плазмотроне.

Смесь поступает через коническую полость 12 , образованную керамическим кожухом 13 и изолятором 11 , а плазмообразующий газ – через канал 30 , образованный между катодом 9 и поверхностью отверстия 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 плазмотрона.

Для проведения испытаний на прочность сцепления покрытия наносились на стальные образцы, выполненные в виде грибков. Величину прочности сцепления покрытия с подложкой определяли методом отрыва (клеевая методика, клей ВК-9) согласно ГОСТ 209–75 при помощи универсальной испытательной машины Eurotest T50 . Полученные данные представлены в табл. 1 и 2. Расход напыляемого порошка в питателе был одинаковым для обоих плазмотронов. Прочность сцепления покрытия определяли по следующей формуле:

^П с

D Р 4Р отр отр         отр

Т " п d2 ’

где d = 0,025 м.

По данным табл. 1, 2 построены графики зависимости 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. Полученные результаты подтверждают, что плазмотрон ПМ-1 обеспечивает равномерный прогрев напыляемого порошка до температуры плавления, что приводит к повышению прочности сцепления покрытия с подложкой при одинаковых расходах газов и подводимой мощности.

Толщина покрытия оказывает немаловажное влияние на износо- и коррозионную стойкость. Толщину покрытия, сформированного плазменным напылением, определяли с помощью микрометра. Замеры на каждой пластинке производили в 5 произвольно взятых точках. Результаты занесены в табл. 3, 4.

По данным табл. 3. и 4 построен график зависимости толщины покрытия от силы тока (рис. 4).

Толщина покрытий также оказалась больше примерно на 15–18 %. Это значит, что коэффициент использования материала выше за счет равномерного прогрева напыляемого порошка. Изучение микроструктуры и пористости обработанных образцов проводили с помощью металлографического микроскопа Neophot 32. Увеличение микроскопа составляет от 10 до 2000 раз. Полученные данные по пористости покрытий представлены в табл. 5 и 6.

Таблица 2

№ Образца	I , A	Р отр , кН	σ сц , МПа	σ сц.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

• Fig. 3.    Dependence of coating adhesion strength from current rate

Таблица 3

Толщина покрытия (плазмотрон ПМ-1)

№ образца	I , А	hi , мкм					h ср, мкм	Среднее h ср, 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; h_i – толщина покрытия в точке замера; h _ср – среднее арифметическое всех значений толщины в точках замера.

Таблица 4

Толщина покрытия (плазмотрон F4)

Рис. 4. Зависимость толщины покрытия от силы тока

№ образца	I , А	hi , мкм					h ср, мкм	Среднее h ср, 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

Данные, полученные при разрыве образцов (плазмотрон F4)

Рис. 3. Зависимость адгезионной прочности покрытия от силы тока

• Fig. 4.    Dependence of coating thickness from current rate

  Значения пористости покрытий (плазмотрон ПМ-1)

  
  

Таблица 5

№ образца	I , А	П, %	П ср , %
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 (%); П_ср – среднее значение пористости для образцов с напылением на одном режиме.

Таблица 6

Значения пористости покрытий (плазмотрон F4)

№ образца	I , А	П, %	П ср , %
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 зависимости 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 напыляемого порошка.

Заключение. Результаты данной работы показывают, что характеристики покрытий, напыленных плазмотроном ПМ-1, выше полученных на промышленном плазмотроне F4 (Switzerland). Повысились прочность сцепления на 20 %, толщина покрытий и коэффициент использования материала – примерно на 15–18 %, а пористость снизилась на 13 %.