Способы напыления покрытий

Оборудование плазменного напыления

Для диффузионной металлизации производят три вида устройств – со сжиганием кислородной смеси, с подачей инертного газа и с термическим разложением жидкости. Толщина покрытия достигает 100…120 мкм.

Установки плазменного напыления, использующие энергию высокоскоростной кислородной плазмы, работают при гиперзвуковых скоростях газа, достигающих 1600…1800 м/с в момент удара струи по подложке. Так производят плазменное напыление износостойкими карбидами металлов, когда не требуется полного расплавления ионизированных частиц.

Оборудование, где поток плазмы формируется в струе инертного газа, используется для производства покрытий, требующих сочетания хорошей износостойкости и ударопрочности. Нагрев приводит к тому, что газ достигает экстремальных температур, диссоциирует и ионизируется.

Установки третьего типа выполняют металлизацию в конечный момент формообразования поверхности или полости электродуговым разрядом, сжатым поперечным потоком рабочей среды. Такие установки наиболее производительны. В качестве примера рассмотрим станок типа «Дуга-8М», состоящий из следующих узлов:

1. Инструментальной головки с электрододержателем.
2. Герметизированной рабочей камеры.
3. Насосной станции.
4. Резервуара с диэлектриком.
5. Генератора плазмы.
6. Узлов контроля и слежения.

Диффузионная металлизация происходит так. Исходное изделие фиксируется в рабочей камере и герметизируется. Электрододержатель с электродом  (имеющим сквозное отверстие) устанавливается над заготовкой, после чего через зону обработки производится прокачка среды под высоким давлением. Включается генератор плазмы, и производится перемещение электрода до момента пробоя межэлектродного промежутка. Высокая концентрация тепловой мощности в дуге приводит к размерному испарению материалов электрода и рабочей среды. В результате одновременно происходит съём металла и насыщение поверхности атомами элементов.

Схема установки плазменного напыления

Оборудование для плазменного напыления своими руками изготовить крайне сложно, поскольку кроме мощных источников питания, необходимых для создания дугового разряда, необходимы высокоточные узлы подачи рабочей среды к плазменному столбу.

Применяемое оборудование

Характеристики и специфика оборудования для газотермической модификации зависят от источника тепловой энергии. Например, современный комплекс для металлизации поверхности методом электродугового напыления состоит из следующих узлов:

• линии механизированной подачи;
• дробеструйной установки;
• камеры для нанесения защитного слоя;
• системы фильтрации воздуха;
• погрузочно-разгрузочного механизма.

Источник тока располагается в соседнем помещении или на расстоянии не менее 10 метров от установки для металлизации.

Газотермическое напыление – стремительно развивающаяся технология модификации поверхности. Она востребована во многих отраслях промышленности, которые связаны с обработкой металлов. Немаловажным преимуществом является экологическая чистота: толчок к развитию во многом связан с ограничением гальванического хромирования и других методов, которые характеризуются загрязнением атмосферы.

Какой метод газотермического напыления вы считаете самым перспективным? Напишите ваше мнение в блоке комментариев.

Методы

Суть технологии заключается в том, что в условиях вакуума на специальном оборудовании переносятся мельчайшие металлочастицы на рабочую поверхность заготовки. В процессе формирования покрытий исходный металл испаряется, конденсируется, абсорбируется и кристаллизуется в газовой среде, создавая стойкое покрытие. В зависимости от типа заготовки, свойств металлической пленки и выбранного режима напыления получаются самые разнообразные эффекты. Напылить можно практически любой металл: алюминий, никель, хром, медь, бронза, золото, титан, пр. С учетом специфических свойств и особенностей, под каждый металл требуются различные режимы и технические приемы. Например, из-за низкой износостойкости особой технологии требует вакуумное напыление алюминия. Вот почему в нашей компании работают исключительно высококвалифицированные и опытные специалисты. Металлизация проводится разными способами.

Высокоскоростное газопламенное напыление (HVOF «High Velocity Oxygen Fuel Spraying»)

Высокоскоростное газопламенное напыление по праву считается наиболее современной из технологий напыления. В странах Европы и Северной Америки высокоскоростное напыление практически вытеснило гальванику и методы вакуумного напыления во многих отраслях. Твердосплавные покрытия, нанесенные методами высокоскоростного напыления, по всем статьям превосходят гальванические покрытия, процесс создания которых признан чрезвычайно канцерогенным.

В начале 80-х годов прошлого века появились установки высокоскоростного напыления, более простые по конструкции и основанные на классической схеме жидкостного реактивного двигателя, со скоростью газового потока более 2000 м/с.

Плотность покрытий достигает при этом 99 %. В качестве наносимого материала используют порошки карбидов, металлокарбидов, сплавов на основе Ni, Cu и др. Для увеличения скорости частиц увеличивают скорость истечения продуктов сгорания путем повышения давления в камере сгорания до 1,5 МПа, а в конструкцию горелки вводят сопло Лаваля. На рис. 3 представлена схема распылителя системы высокоскоростного напыления.

В результате порошкового напыления образуется надежное, долговечное покрытие, обладающее отличными эксплуатационными свойствами. В том числе устойчивостью к коррозии, истиранию, ударам и другим внешним воздействиям. Оно продлевает срок службы изделий на десятки лет. При этом стоимость такого защитного покрытия гораздо ниже, чем аналогичного гальванического.

Рис. 3. Схема высокоскоростного напыления порошка: 1 – канал осевой подачи порошка; 2 – подача кислорода; 3 – подача топлива; 4 – канал радиальной подачи порошка; 5 – ствол горелки; 6 – сопло Лаваля; 7 – струя разогретого порошка; 8 – напыляемая поверхность

Оборудование плазменного напыления

Для диффузионной металлизации производят три вида устройств – со сжиганием кислородной смеси, с подачей инертного газа и с термическим разложением жидкости. Толщина покрытия достигает 100…120 мкм.

Установки плазменного напыления, использующие энергию высокоскоростной кислородной плазмы, работают при гиперзвуковых скоростях газа, достигающих 1600…1800 м/с в момент удара струи по подложке. Так производят плазменное напыление износостойкими карбидами металлов, когда не требуется полного расплавления ионизированных частиц.

Оборудование, где поток плазмы формируется в струе инертного газа, используется для производства покрытий, требующих сочетания хорошей износостойкости и ударопрочности. Нагрев приводит к тому, что газ достигает экстремальных температур, диссоциирует и ионизируется.

Способы напыления, применяемое оборудование

Существует два вида процесса напыления:

1. Газодинамическое. Обработка осуществляется мельчайшими частицами, размер которых не превышает 150 мкм.
2. Вакуумное. Процедура протекает в условиях пониженного давления. Образование защитного слоя происходит в процессе конденсации напыляемого материала на базовой поверхности.

Рассмотрим основные способы обработки, а также особенности используемого оборудования для напыления.

Напыление в магнетронных установках

Технология магнетронной вакуумной металлизации основана на действии диодного газового разряда в скрещенных полях. В процессе работы установки в плазме тлеющего заряда образуются ионы газа, которые воздействуют на распыляемое вещество. Основными элементами магнетронной системы являются:

• анод;
• катод;
• магнитный узел.

Преимущества магнетронного метода:

• высокая производительность;
• точность химического состава осажденного вещества;
• равномерность покрытия;
• отсутствие термического воздействия на обрабатываемую заготовку;
• возможность использования любых металлов и полупроводниковых материалов.

С помощью установок получают тонкие защитные пленки в среде специального газа. Напыляемым материалом могут выступать металлы, полупроводники или диэлектрики. Скорость образования слоя зависит от силы тока и давления рабочего газа.

Ионно-плазменное напыление

В состав принципиальной схемы оборудования для ионно-плазменного насаждения входят следующие элементы:

• анод;
• катод-мишень;
• термокатод;
• камера;
• заготовка.

Алгоритм действия установки:

1. В камере создается пониженное давление.
2. На термокатод, который является вспомогательным источником электронов, подается ток.
3. Вследствие нагрева возникает термоэлектронная эмиссия.
4. В камеру подают инертный газ. Наибольшей популярностью пользуется аргон.
5. Между анодом и термокатодом возникает напряжение, которое инициирует образование плазменного тлеющего заряда.
6. На катод подают мощный заряд.
7. Положительные ионы воздействуют на распыляемый материал-мишень.
8. Распыленные атомы осаждаются на заготовке в виде тонкого покрытия.

Ионно-плазменное осаждение используют в качестве декоративных или защитных покрытий, которые характеризуются высокой плотностью и прочностью, а также отсутствием изменений в стереохимическом составе.

Плазменное напыление

1. Рабочая температура плазмы может достигать 6000 ºC. Это способствует высокой скорости осаждения состава на поверхности. Длительность процесса – десятые доли секунды.
2. Существует возможность изменения структурного состава поверхности заготовки. Вместе с горячей плазмой в верхние слои изделия могут диффундировать отдельные химические элементы.
3. Плазменная струя отличается неизменными показателями давления и температуры. Это положительно влияет на качество напыления.
4. Благодаря малому времени обработки заготовка не подвергается вредным поверхностным факторам, таким как перегрев или окисление.

В качестве источника энергии для образования плазмы используют искровой, импульсный или дуговой разряд.

Лазерное напыление

• повышения прочности поверхностного слоя;
• восстановления геометрии изделия;
• снижения коэффициента трения;
• защиты от коррозионных процессов.

В отличие от прочих методов металлизации источником тепла является энергия излучения лазера. Высокая точность фокусировки позволяет добиться концентрации энергии точно в зоне работы. Это снижает термическое воздействие на заготовку, что позволяет избежать изменения геометрии изделия и дает возможность осуществить напыление практически любого материала.

Благодаря высокой скорости охлаждения в поверхностном слое металла образуются структуры с высокой твердостью, что повышает эксплуатационные характеристики детали.

Вакуумное напыление

• испарение;
• конденсация;
• адсорбция;
• кристаллизация.

Производительность процесса зависит от многих факторов: структуры заготовки, типа наносимого материала, скорости потока заряженных частиц и многих других.

Вакуумные установки отличаются принципом действия. Существует непрерывное, полунепрерывное, а также периодическое оборудование.

Технология процесса напыления

Исходный материал подается в столб плазмы в форме порошка или проволоки. Ионизированные газы высвобождают активные молекулы газов, некоторые из которых (например, водород) дополнительно поднимают температуру внутри плазменного столба, ускоряя процесс превращения молекул исходной заготовки в парообразное состояние. В результате  ускоряется оседание движущихся частиц на подложку. Ионизация возможна не только из газа, но и из жидкости, испаряющейся в столбе дуги.

Напыляющие порошки разнообразят состав и свойства покрытий, поскольку в мелкодисперсное состояние может быть переработан широкий спектр металлов.

Плазменное напыление осуществляется в результате:

• Инициализации плазмы высоковольтным разрядом, который образует электрическую дугу постоянного тока, образующуюся между двумя электродами — медным анодом и металлическим катодом (чаще – вольфрамовым). Электроды должны постоянно охлаждаться;
• Генерирования потока высокотемпературного ионизированного плазменного газа, который обычно состоит из аргона/водорода или аргона/гелия;
• Нагрева газа, с последующим ускорением его движения через сужающееся сопло;
• Переноса мелкодисперсного порошка в плазменной струе на подложку.

Высококачественное покрытие образуется вследствие сочетания высокой температуры (до 15000°C), концентрированной тепловой энергии плазменной струи, инертной среды распыления и скоростей частиц, достигающих 300 м/с.

Газопламенное напыление

Газопламенное напыление в зависимости от состояния напыляемого материала может быть трех типов: напыление проволокой, прутком или порошком (рисунок 1.12).

Схема газопламенного напыления

Рисунок 1.12 – Схема газопламенного напыления:
П – покрытие;
С – струя напыляемого материала и продуктов сгорания газов.

Напыляемый материал, имеющий форму прутка или проволоки, подают через центральное отверстие горелки и расплавляют пламенем горючей смеси. Расплавленные частицы металла подхватываются струёй сжатого воздуха и в мелкораспыленном виде направляются на поверхность изделия. Проволока подаётся с заданной скоростью роликами, приводимыми в движение встроенной в горелку воздушной турбиной, работающей на сжатом воздухе, используемом при напылении, или электродвигателем через редуктор.

Для напыления обычно используют проволоку диаметром не более 3 мм, однако при напылении легкоплавкими металлами (алюминий, цинк и т. п.) в интересах повышения производительности процесса допускается использование проволоки диаметром 5-7 мм. В качестве горючего газа в большинстве случаев используют ацетилен, можно также применять пропан и водород, а в качестве окислителя – кислород.

При газопламенном способе напыление осуществляется в основном теми материалами, температура плавления которых ниже температуры пламени. После напыления иногда проводят оплавление покрытия, которому, в частности, подвергают покрытия, напыленные самофлюсующимися сплавами на никелевой и кобальтовой основе с добавлением в них в качестве флюсующих добавок бора и кремния.

Оплавление обеспечивает получение плотного покрытия, практически без пористости. Технология газопламенного напыления довольно проста, а стоимость оборудования и затраты на эксплуатацию низкие, в связи с этим данный способ находит широкое применение в практике. Процесс газопламенного напыления хорошо поддаётся автоматизации.

Краткие характеристики покрытия:

• Пористость покрытия, 5–12%;
• Прочность сцепления покрытия с основой (адгезия), 2,5 –5,0 кг/ мм2 ;
• Толщина напыленного слоя, 0,5 –10 мм.

Оборудование плазменного напыления

Для диффузионной металлизации производят три вида устройств – со сжиганием кислородной смеси, с подачей инертного газа и с термическим разложением жидкости. Толщина покрытия достигает 100…120 мкм.

Установки плазменного напыления, использующие энергию высокоскоростной кислородной плазмы, работают при гиперзвуковых скоростях газа, достигающих 1600…1800 м/с в момент удара струи по подложке. Так производят плазменное напыление износостойкими карбидами металлов, когда не требуется полного расплавления ионизированных частиц.

Оборудование, где поток плазмы формируется в струе инертного газа, используется для производства покрытий, требующих сочетания хорошей износостойкости и ударопрочности. Нагрев приводит к тому, что газ достигает экстремальных температур, диссоциирует и ионизируется.

Сверхзвуковое газовоздушное напыление (СГН)

Для нанесения покрытий из порошков металлов и карбидов используется сверхзвуковая струя продуктов сгорания топливовоздушной смеси. В струе частицы распыляемого материала диаметром 10…45 мкм разгоняются до 800 м/с, нагреваясь при этом ниже температуры плавления. Покрытия отличаются практически беспористой структурой, низким содержанием кислорода и высокой, до 150 МПа, адгезионной прочностью. По производительности СГН в несколько раз превосходит процессы напыления аналогичного качества (HVOF «High Velocity Oxygen Fuel Spraying»), детонационное, плазменное в динамическом вакууме, холодное газодинамическое напыление (ХГН).

Установка для СГН включает пистолет для напыления, панель управления, порошковый питатель и ряд вспомогательных устройств (рис. 4).Панель управления с сенсорным экраном обеспечивает дистанционную настройку, регулирование и стабильность параметров процесса (расход газов, порошка, зажигание и выключение горения, безопасность). Вспомогательные устройства – подогреватель газа и испаритель – предназначены для поддержания постоянного давления горючего газа на выходе из баллона.

Рис. 4. Установка для сверхзвукового газовоздушного напыления порошков

Значения скоростей и температур частиц при СГН занимают промежуточное положение между параметрами HVOF и ХГН, причем температура частиц ниже точки плавления сплавов на основе Co, Fe, Ni. Это позволяет избежать повышенного в сравнении с HVOF окисления частиц и избыточного тепловложения в покрытие. Кроме того, такое сочетание скоростей и температур частиц позволяет совместить в СГН высокое качество покрытий и производительность. Покрытия отличаются практически нулевой пористостью, аналогично значениям при плазменном напылении в вакууме, производительность в 10 раз выше, а затраты по нанесению 1 кг покрытия в 8…10 раз ниже, чем при HVOF.

Применение

Широкий набор распыляемых материалов, высокие производительность и характеристики покрытий позволяют эффективно использовать СГН-процесс для нанесения антикоррозионных и износостойких покрытий в различных сферах. Такие покрытия успешно заменяют электролитический хром, устойчивы к высокотемпературной коррозии в агрессивных средах, используются в авиации и энергетике для паровых и газовых турбин, эффективно работают в условиях интенсивного абразивного изнашивания.

Сверхзвуковое газовоздушное напыление (СГН)

Для нанесения покрытий из порошков металлов и карбидов используется сверхзвуковая струя продуктов сгорания топливовоздушной смеси. В струе частицы распыляемого материала диаметром 10…45 мкм разгоняются до 800 м/с, нагреваясь при этом ниже температуры плавления. Покрытия отличаются практически беспористой структурой, низким содержанием кислорода и высокой, до 150 МПа, адгезионной прочностью. По производительности СГН в несколько раз превосходит процессы напыления аналогичного качества (HVOF «High Velocity Oxygen Fuel Spraying»), детонационное, плазменное в динамическом вакууме, холодное газодинамическое напыление (ХГН).

Установка для СГН включает пистолет для напыления, панель управления, порошковый питатель и ряд вспомогательных устройств (рис. 4).Панель управления с сенсорным экраном обеспечивает дистанционную настройку, регулирование и стабильность параметров процесса (расход газов, порошка, зажигание и выключение горения, безопасность). Вспомогательные устройства – подогреватель газа и испаритель – предназначены для поддержания постоянного давления горючего газа на выходе из баллона.

Рис. 4. Установка для сверхзвукового газовоздушного напыления порошков

Значения скоростей и температур частиц при СГН занимают промежуточное положение между параметрами HVOF и ХГН, причем температура частиц ниже точки плавления сплавов на основе Co, Fe, Ni. Это позволяет избежать повышенного в сравнении с HVOF окисления частиц и избыточного тепловложения в покрытие. Кроме того, такое сочетание скоростей и температур частиц позволяет совместить в СГН высокое качество покрытий и производительность. Покрытия отличаются практически нулевой пористостью, аналогично значениям при плазменном напылении в вакууме, производительность в 10 раз выше, а затраты по нанесению 1 кг покрытия в 8…10 раз ниже, чем при HVOF.

Применение

Широкий набор распыляемых материалов, высокие производительность и характеристики покрытий позволяют эффективно использовать СГН-процесс для нанесения антикоррозионных и износостойких покрытий в различных сферах. Такие покрытия успешно заменяют электролитический хром, устойчивы к высокотемпературной коррозии в агрессивных средах, используются в авиации и энергетике для паровых и газовых турбин, эффективно работают в условиях интенсивного абразивного изнашивания.

Высокоскоростное газопламенное напыление (HVOF «High Velocity Oxygen Fuel Spraying»)

Высокоскоростное газопламенное напыление по праву считается наиболее современной из технологий напыления. В странах Европы и Северной Америки высокоскоростное напыление практически вытеснило гальванику и методы вакуумного напыления во многих отраслях. Твердосплавные покрытия, нанесенные методами высокоскоростного напыления, по всем статьям превосходят гальванические покрытия, процесс создания которых признан чрезвычайно канцерогенным.

В начале 80-х годов прошлого века появились установки высокоскоростного напыления, более простые по конструкции и основанные на классической схеме жидкостного реактивного двигателя, со скоростью газового потока более 2000 м/с.

Плотность покрытий достигает при этом 99 %. В качестве наносимого материала используют порошки карбидов, металлокарбидов, сплавов на основе Ni, Cu и др. Для увеличения скорости частиц увеличивают скорость истечения продуктов сгорания путем повышения давления в камере сгорания до 1,5 МПа, а в конструкцию горелки вводят сопло Лаваля. На рис. 3 представлена схема распылителя системы высокоскоростного напыления.

В результате порошкового напыления образуется надежное, долговечное покрытие, обладающее отличными эксплуатационными свойствами. В том числе устойчивостью к коррозии, истиранию, ударам и другим внешним воздействиям. Оно продлевает срок службы изделий на десятки лет. При этом стоимость такого защитного покрытия гораздо ниже, чем аналогичного гальванического.

Рис. 3. Схема высокоскоростного напыления порошка: 1 – канал осевой подачи порошка; 2 – подача кислорода; 3 – подача топлива; 4 – канал радиальной подачи порошка; 5 – ствол горелки; 6 – сопло Лаваля; 7 – струя разогретого порошка; 8 – напыляемая поверхность

Применяемое оборудование

Современные производители предлагают широкий выбор установок для газопламенного напыления. В качестве примера рассмотрим устройство оборудования отечественного производства типа ППМ-10 (на фото).

Основными узлами установки являются:

1. Распылительный аппарат, который имеет внешнее сходство с пистолетом.
2. Пульт управления газами.
3. Камера для выполнения обработки.
4. Подставки.

Для выполнения газопламенного напыления используются следующие расходные материалы:

• ацетилен;
• кислород;
• воздух, очищенный от влаги и механических включений.

Газопламенное напыление – востребованная технология, основными достоинствами которой являются высокая производительность и низкая себестоимость работ. А вы сталкивались с этим методом обработки? Как вы считаете, в какой отрасли промышленности газопламенное напыление пользуется наибольшим спросом? Напишите ваше мнение в блоке комментариев.

Проволочное и прутковое напыление

В обоих случаях напыляемый материал в виде проволоки или прутка подается через центральное отверстие горелки и расплавляется в пламени. Струя сжатого воздуха распыляет расплавленный материал на мелкие частицы, которые осаждаются на обрабатываемой поверхности. Подача проволоки производится с постоянной скоростью роликами, приводимыми в движение встроенной в горелку воздушной турбиной, работающей на сжатом воздухе, используемом для напыления, или электродвигателем через редукционный механизм. При этом необходима точная регулировка скорости вращения турбины или электродвигателя.

При использовании воздушной турбины трудно производить точную регулировку скорости подачи проволоки, однако в этом случае горелка более компактна и имеет меньшие габариты. Поэтому воздушные турбины используют в горелках, которые предназначены для ручного напыления. Горелки с электрическим двигателем позволяют более точно регулировать подачу проволоки и поддерживать ее постоянную скорость. Однако такие горелки имеют значительную массу, поэтому их устанавливают в механизированных установках для напыления. Диаметр напыляемой проволоки обычно не превышает 3 мм. При напылении металлов с низкими температурами плавления (алюминий, цинк и т. д.) горелками с повышенной производительностью диаметр проволоки может составлять 5…7 мм.

Для распыления металлических проволок диаметром от 1,5 до 4,0 мм и гибких шнуровых материалов диаметром от 3,0 до 5,0 мм применяется многофункциональная установка газопламенного напыления «Техникорд ТОП-ЖЕТ/2» (рис. 1). С ее помощью можно наносить покрытия для защиты поверхности деталей от различных видов изнашивания, кавитации, коррозионного воздействия различных сред, а также ремонта изношенных деталей с одновременным улучшением эксплуатационных свойств поверхности.

Рис. 1. Установка газопламенного напыления «Техникорд ТОП-ЖЕТ/2»: 1 – стойка; 2 – катушка с проволокой; 3 – блок подготовки воздуха; 4 – пульт управления газами; 5 – горелка «ТОП-ЖЕТ/2»; 6 – шланги

Установка включает пистолет-распылитель «ТОП-ЖЕТ/2», пульт управления рабочими газами, смонтированный на стойке. На стойке предусмотрены крепления для установки двух стандартных катушек с проволокой или шнуровым материалом. Пистолет-распылитель соединяется с пультом управления рабочими газами резинотканевыми рукавами с быстросъемными разъемами для кислорода, горючего газа и сжатого воздуха. Кислород и горючий газ подаются по рукавам на пульт управления от стандартных газовых баллонов, оснащенных редукторами. Сжатый воздух, подаваемый от компрессора, предварительно очищается от следов масла и влаги, после чего поступает по рукаву на вход блока подготовки воздуха и через пульт управления рабочими газами подается в горелку.