Войти
Установка для плазменного напыления - вариант термического напыления 
Температура частиц и скорость для различных процессов термического напыления Методы термического напыления - это процессы нанесения покрытия, в которых расплавленные (или нагретые) материалы напыляются на поверхность. «Сырье» (предшественник покрытия) нагревается электрическими (плазма или дуга) или химическими средствами (пламя горения).
Термическое напыление может обеспечить толстые покрытия (приблизительный диапазон толщины составляет от 20 микрон до нескольких мм, в зависимости от процесса и сырья) на большой площади при высокой скорости осаждения по сравнению с другими процессами нанесения покрытия, такими как гальваника, физическое и химическое осаждение из паровой фазы. Материалы покрытия, доступные для термического напыления, включают металлы, сплавы, керамику, пластмассы и композиты. Их подают в виде порошка или проволоки, нагревают до расплавленного или полурасплавленного состояния и ускоряют по направлению к субстратам в форме частиц микрометрового размера. Горение или электрический разряд дуги обычно используются в качестве источника энергии для термического напыления. Получаемые покрытия образуются за счет скопления множества распыленных частиц. Поверхность не может сильно нагреваться, что может привести к покрытию легковоспламеняющимися веществами.
Качество покрытия обычно оценивается путем измерения его пористости, содержания оксида, макро- и микро- твердости, прочности сцепления и шероховатость поверхности. Как правило, качество покрытия повышается с увеличением скорости частиц.
Различают несколько вариантов термического напыления:
Классический (d разработанные между 1910 и 1920 годами), но все еще широко используемые процессы, такие как напыление пламенем и напыление дуги проволокой, скорость частиц, как правило, низкая (< 150 m/s), and raw materials must be molten to be deposited. Plasma spraying, developed in the 1970s, uses a high-temperature plasma jet generated by arc discharge with typical temperatures>15000 К, что позволяет распылять тугоплавкие материалы, такие как оксиды, молибден и т. Д.
Типичная система термического напыления состоит из следующего:
Детонационная пушка состоит из длинного водоохлаждаемого ствола с впускными клапанами для газов и пороха. Кислород и топливо (чаще всего ацетилен) подаются в ствол вместе с пороховым зарядом. Для воспламенения газовой смеси используется искра, и возникающая в результате детонация нагревает и разгоняет порох до сверхзвуковой скорости через ствол. Пульс азота используется для продувки ствола после каждого взрыва. Этот процесс повторяется много раз в секунду. Высокая кинетическая энергия частиц горячего порошка при ударе о подложку приводит к образованию очень плотного и прочного покрытия.
Плазменное напыление проволокой В процессе плазменного напыления материал, который должен быть нанесен (сырье) - обычно в виде порошка, иногда в виде жидкость, суспензия или проволока - вводится в плазменную струю, исходящую от плазменной горелки. В струе, где температура составляет порядка 10 000 К, материал плавится и выталкивается к подложке. Здесь расплавленные капли сплющиваются, быстро затвердевают и образуют осадок. Обычно отложения остаются прикрепленными к субстрату в виде покрытий; Отдельно стоящие детали также могут быть изготовлены путем удаления подложки. Существует большое количество технологических параметров, которые влияют на взаимодействие частиц с плазменной струей и подложкой и, следовательно, на свойства осадка. Эти параметры включают тип сырья, состав и расход плазменного газа, подвод энергии, расстояние смещения горелки, охлаждение подложки и т. Д.
Отложения состоят из множества «блинов» всплески, называемые ламелями, образованными уплощением капель жидкости. Поскольку порошки исходного материала обычно имеют размер от микрометров до более 100 микрометров, ламели имеют толщину в диапазоне микрометров и поперечный размер от нескольких до сотен микрометров. Между этими ламелями есть небольшие пустоты, такие как поры, трещины и участки неполного соединения. Благодаря этой уникальной структуре отложения могут иметь свойства, значительно отличающиеся от свойств сыпучих материалов. Обычно это механические свойства, такие как более низкая прочность и модуль, более высокая деформация допуска и более низкая тепловая и электрическая проводимость.. Кроме того, из-за быстрого затвердевания в отложениях могут присутствовать метастабильные фазы.
Этот метод в основном используется для нанесения покрытий на конструкционные материалы. Такие покрытия обеспечивают защиту от высоких температур (например, термоизоляционные покрытия для отвода тепла ), коррозия, эрозия, носить ; они также могут изменять внешний вид, электрические или трибологические свойства поверхности, заменять изношенный материал и т. д. При напылении на подложки различной формы и удалении можно изготавливать отдельно стоящие детали в виде пластин, трубок, кожухов и т. д.. Его также можно использовать для обработки порошков (сфероидизация, гомогенизация, химическая модификация и т. Д.). В этом случае подложка для осаждения отсутствует, а частицы затвердевают во время полета или в контролируемой среде (например, в воде). Этот метод с вариациями может также использоваться для создания пористых структур, подходящих для врастания кости, в качестве покрытия для медицинских имплантатов. Аэрозоль полимерной дисперсии может быть введен в плазменный разряд, чтобы создать прививку этого полимера на поверхности подложки. Это приложение в основном используется для изменения химического состава поверхности полимеров.
Системы плазменного напыления можно классифицировать по нескольким критериям.
Генерация плазменной струи:
Плазмообразующая среда:
Среда распыления:
Другое вариант состоит в использовании жидкого сырья вместо твердого порошка для плавления, этот метод известен как плазменное распыление предшественника раствора
вакуумное плазменное напыление вакуум m плазменное напыление (VPS) - это технология травления и модификации поверхности для создания пористых слоев с высокой воспроизводимостью, а также для очистки и обработки поверхности пластмасс, каучуков и натуральных волокон, а также для замена CFC для очистки металлических компонентов. Такая инженерия поверхности может улучшить такие свойства, как фрикционные свойства, термостойкость, поверхностная электрическая проводимость, смазывающая способность, когезионная прочность пленок или диэлектрическая постоянная, или он может сделать материалы гидрофильными или гидрофобными.
. Процесс обычно работает при 39–120 ° C, чтобы избежать теплового повреждения. Он может вызывать нетермически активируемые поверхностные реакции, вызывая поверхностные изменения, которые не могут произойти с молекулярной химией при атмосферном давлении. Плазменная обработка проводится в контролируемой среде внутри герметичной камеры при среднем вакууме около 13–65 Па. газ или смесь газов возбуждается электрическим полем от постоянного тока до микроволн частот, обычно 1–500 Вт при 50 В. Обработанные компоненты обычно являются электрически изолирован. Летучие побочные продукты плазмы удаляются из камеры с помощью вакуумного насоса и при необходимости могут быть нейтрализованы в выхлопном газе скруббере.
В отличие от молекулярной химии в плазме используются:
Плазма также генерирует электромагнитное излучение в виде фотонов вакуумного УФ-излучения для проникают в объемные полимеры на глубину около 10 мкм. Это может вызвать разрыв цепи и образование поперечных связей.
Плазма влияет на материалы на атомном уровне. Такие методы, как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и сканирующая электронная микроскопия, используются для анализа поверхности, чтобы идентифицировать необходимые процессы и судить об их эффектах. В качестве простого показателя поверхностной энергии и, следовательно, адгезии или смачиваемости, часто используется испытание угла смачивания каплей воды. Чем меньше краевой угол, тем выше поверхностная энергия и более гидрофильный материал.
При более высоких энергиях ионизация имеет тенденцию происходить больше, чем химическая диссоциация. В типичном реактивном газе 1 из 100 молекул образует свободных радикалов, тогда как только 1 из 10 ионизируется. Преобладающий эффект здесь - образование свободных радикалов. Ионные эффекты могут преобладать при выборе параметров процесса и при необходимости использования благородных газов.
Распыление на проволочной дуге - это форма термического напыления, при которой две расходуемые металлические проволоки независимо подаются в распылительный пистолет. Затем эти провода заряжаются, и между ними возникает дуга. Тепло от этой дуги плавит входящую проволоку, которая затем уносится воздушной струей из пистолета. Это унесенное расплавленное сырье затем осаждается на подложку с помощью сжатого воздуха. Этот процесс обычно используется для металлических тяжелых покрытий.
Проволочная дуга с плазменным переносом (PTWA) - это еще одна форма струйной дуги, которая наносит покрытие на внутреннюю поверхность цилиндр, либо на внешней поверхности детали любой геометрии. Он в основном известен тем, что используется для покрытия отверстий цилиндров двигателя, что позволяет использовать алюминиевые блоки цилиндров без необходимости использования тяжелых чугунных гильз. Одиночный проводящий провод используется в качестве «сырья» для системы. Сверхзвуковая плазменная струя плавит проволоку, распыляет ее и толкает на подложку. Плазменная струя образуется дугой, переносимой между неплавящимся катодом и проволокой. После распыления нагнетаемый воздух переносит струю расплавленных капель на стенку отверстия. Частицы сплющиваются, когда они ударяются о поверхность подложки из-за высокой кинетической энергии. При контакте частицы быстро затвердевают. Уложенные друг на друга частицы образуют покрытие с высокой износостойкостью. В процессе термического напыления PTWA в качестве исходного материала используется одна проволока. Все токопроводящие проволоки диаметром до 0,0625 дюйма (1,6 мм) могут использоваться в качестве исходного материала, включая проволоку с сердечником. PTWA может использоваться для нанесения покрытия на изнашиваемую поверхность компонентов двигателя или трансмиссии для замены втулки или подшипника. Например, при использовании PTWA для покрытия поверхности подшипника соединительных предложений стержневого ряда преимуществ, в том числе сокращения веса, стоимости, трение потенциала, и стресса в шатуне.
Схема HVOF В 1980-х годах был разработан класс процессов термического напыления, называемый высокоскоростным газокислородным распылением. Смесь газообразного или жидкого топлива и кислорода поступают в камеру сгорания , где они непрерывно воспламеняются и сжигаются. Образующийся горячий газ под давлением, близким к 1 МПа, выходит через сужающееся-расширяющееся сопло и проходит по прямолинейному участку. Топливо может быть газом. (водород, метан, пропан, пропан лен, ацетилен, природный газ и т. д.) или жидкости (керосин и т. д.). Скорость струи на выходе из ствола (>1000 м / с) превышает скорость звука. Порошковая смесь вводится в поток газа, который разгоняет порошок до 800 м / с. Поток горячего газа и порошка направляется к покрываемой поверхности. Порошок частично плавится в потоке и осаждается на подложке. Полученное покрытие имеет низкую пористость и высокую прочность сцепления..
HVOF-покрытия могут иметь толщину до 12 мм (1/2 дюйма). Обычно оно используется для нанесения износа и коррозионностойкие покрытия на материалах, таких как керамические и металлические слои. Обычные порошки включают WC -Co, карбид хрома, MCrAlY и оксид алюминия.. Этот процесс оказался наиболее успешным для наплавки металлокерамики материалов (WC – Co и т. Д.) И других коррозионно-стойких сплавов (нержавеющих сталей, сплавов на основе никеля, алюминия, гидроксиапатит для медицинских имплантатов и т. Д.).
HTS Coatings с нанесением покрытия HVAF из карбида вольфрама на шлифовальный стержень для ремонта поверхности и повышения износостойкости. Технология покрытия HVAF - это сжигание пропана в потоке сжатого воздуха. Подобно HVOF, это создает однородную высокоскоростную струю. HVAF отличается тем, что включает тепловая перегородка для дальнейшей стабилизации теплового лучевые механизмы. Материал впрыскивается в воздушно-топливный поток, и частицы покрытия продвигаются к детали. HVAF имеет максимальную температуру пламени от 3560 ° до 3650 ° F и среднюю скорость частиц 3300 футов / сек. Поскольку максимальная температура пламени относительно близка к температуре плавления большинства напыляемых материалов, HVAF приводит к более однородному и пластичному покрытию. Это также позволяет использовать типичную толщину покрытия 0,002-0,050 дюйма. Покрытия HVAF также имеют механическую прочность сцепления более 12000 фунтов на квадратный дюйм. Общие материалы покрытия HVAF включают, но не ограничиваются ими: карбид вольфрама, хром карбид, нержавеющая сталь, хастеллой и инконель. Благодаря своей пластичной природе покрытия hvaf могут помочь противостоять кавитации повреждение.
Распыление и предохранитель использует высокую температуру для увеличения связи между термическим напылением покрытия и основой детали. В отличие от других типов термического напыления, спрея и предохранителя создает металлургическую связь между покрытием и поверхностью. Это означает, что вместо того, чтобы полагаться на трение для адгезии покрытия, оно объединяет поверхность и материал покрытия в один материал. Распыление и плавление сводятся к разнице между адгезией и когезией.
Этот процесс обычно включает распыление порошкообразного материала на компонент с последующим нанесением ацетиленовой смеси. орх. Горелка расплавляет материал покрытия и верхний слой материала компонента; соединяя их вместе. Из-за высокой температуры распыления и плавкого предохранителя может произойти некоторое тепловое искажение, и необходимо принять меры, чтобы определить, подходит ли компонент. Эти высокие температуры сродни тем, которые используются при сварке. Эта металлургическая связка создает чрезвычайно износостойкое и стойкое к истиранию покрытие. Распыление и предохранитель обеспечивают преимущества сварки твердой поверхности с легкостью термического напыления.
Схема холодного напыления Холодное напыление (или газодинамическое холодное напыление) был представлен на рынке в 1990-х годах. Первоначально этот метод был разработан в Советском Союзе - во время экспериментов по эрозии мишени, которая подвергалась воздействию двухфазного высокоскоростного потока мелкодисперсного порошка в аэродинамической трубе, ученые наблюдали случайное быстрое образование покрытий.
При холодном напылении частицы ускоряются до очень высоких скоростей газом-носителем, проталкиваемым через сужающееся-расширяющееся сопло типа де Лаваля. При ударе твердые частицы с достаточной кинетической энергией пластически деформируются и механически связываются с подложкой, образуя покрытие. Критическая скорость, необходимая для образования соединения, зависит от свойств материала, размера порошка и температуры. Металлы, полимеры, керамика, композитные материалы и нанокристаллические порошки могут быть нанесены с использованием холодного напыления. Мягкие металлы, такие как Cu и Al, лучше всего подходят для холодного напыления, но сообщалось о покрытии других материалов (W, Ta, Ti, MCrAlY, WC – Co и т. Д.) Холодным напылением.
Осаждение КПД порошков сплавов обычно невысок, а диапазон параметров процесса и подходящих размеров порошка узок. Для ускорения порошков до более высоких скоростей используются более мелкие порошки (<20 микрометров). Можно ускорить частицы порошка до гораздо более высокой скорости, используя технологический газ, имеющий высокую скорость звука (гелий вместо азота). Однако гелий стоит дорого, и его расход и, следовательно, потребление выше. Для улучшения разгонной способности газообразный азот нагревают примерно до 900 ° C. В результате повышается эффективность осаждения и прочность отложений на растяжение.
Теплое распыление - это новая модификация высокоскоростного распыления газообразного топлива, при котором температура дымовых газов снижается путем смешивания азота с дымовыми газами, что приближает процесс к холодному напылению. Получающийся в результате газ содержит много водяного пара, непрореагировавших углеводородов и кислорода, и поэтому он более грязный, чем при холодном распылении. Однако эффективность покрытия выше. С другой стороны, более низкие температуры теплого напыления уменьшают плавление и химические реакции подаваемого порошка по сравнению с HVOF. Эти преимущества особенно важны для таких материалов покрытия, как титан, пластмассы и металлические стекла, которые быстро окисляются или портятся при высоких температурах.
керамическое покрытие, нанесенное плазменным напылением на часть выхлопной системы автомобиля Термическое напыление - это процесс, который находится на прямой видимости, а механизм склеивания в основном механический. Нанесение термического напыления несовместимо с субстратом, если область, на которую оно наносится, сложна или заблокирована другими телами.
Термическое напыление не должно быть опасным процессом, если оборудование с осторожностью и соблюдением правил распыления. Как и в случае любого промышленного процесса, существует ряд опасностей, о которых оператор должен знать и против которых следует принимать особые меры предосторожности. В идеале оборудование должно работать автоматически в помещениях, специально разработанных для удаления дыма, снижения уровня шума и предотвращения прямого обзора распылительной головки. Такие методы также позволят получить более плотные покрытия. Бывают случаи, когда тип обрабатываемых компонентов или их низкий уровень производства требуют ручного управления оборудованием. В этих условиях возникает ряд опасностей, свойственных термическому напылению, в дополнение к опасностям, которые обычно встречаются в производственных или перерабатывающих отраслях.
В оборудовании для напыления металла используются сжатые газы, которые создают шум. Уровни шума зависят от типа распылительного оборудования, распыляемого материала и рабочих параметров. Типичные уровни звукового давления измеряются на расстоянии 1 метра от дуги.
Оборудование для распыления сгорания создает интенсивное пламя, пиковая температура которого может превышать 3100 ° C, и очень яркое. Электродуговое напыление дает ультрафиолетовый свет, который может повредить нежные ткани тела. Плазма также генерирует довольно много ультрафиолетового излучения, легко обжигая открытые участки кожи, а также может вызвать «мгновенный ожог» глаз. Покрасочные камеры и корпуса должны быть оснащены темным стеклом, поглощающим ультрафиолетовое излучение. Там, где это невозможно, операторы и другие находящиеся поблизости лица должны носить защитные очки, содержащие зеленое стекло класса BS 6. Непрозрачные сетки следует размещать вокруг участков распыления. Сопло дугового пистолета никогда не следует смотреть прямо, если нет уверенности в том, что оборудование отключено от электроэнергии.
При распылении расплавленных материалов образуется большое количество пыли и пары, состоящие из очень мелких частиц (примерно 80–95% частиц по номеру <100 nm). Proper extraction facilities are vital not only for personal safety, but to minimize entrapment of re-frozen particles in the sprayed coatings. The use of respirators fitted with suitable filters is strongly recommended where equipment cannot be isolated. Certain materials offer specific known hazards:
В распылителях внутреннего сгорания используются кислород и горючие газы. Топливные газы потенциально взрывоопасны. В частности, ацетилен можно использовать только в утвержденных условиях. Кислород, хотя и не является взрывоопасным, будет поддерживать горение, и многие материалы будут самопроизвольно воспламеняться при чрезмерном уровне кислорода. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать утечки и перекрыть источники кислорода и топливного газа, когда они не используются.
Электродуговые пушки работают при низких напряжениях (ниже 45 В постоянного тока), но при относительно высокие токи. Их можно безопасно держать в руках. Блоки питания подключены к источникам переменного тока 440 В, и с ними следует обращаться осторожно.
