Способ воздушно-плазменного напыления металлических покрытий

 

Изобретение относится к области газотермического напыления, а именно к способам воздушно-плазменного напыления металлических покрытий, и может быть использовано во всех отраслях промышленности для упрочнения и восстановления деталей. Целью изобретения является уменьшение степени окисления покрытий. Способ включает создание плазменной воздушной турбулентной струи, подачу в нее частиц металлического порошка, напыление их на подложку и формирование покрытия в условиях, предотвращающих их окисление, причем напыление ведут в диапазоне значений средней энтальпии плазменной струи, равном при определенной мощности, расходе плазмообразующего газа и размере частиц не более 20 мкм. Использование способа позволяет получать покрытие с содержанием кислорода от 0,06 до 0,9 мас.%. 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области газотермического напыления, а именно к способам воздушно-плазменного напыления металлических покрытий, и может быть использовано во всех отраслях промышленности для нанесения различных покрытий как общего, так и специального назначения, преимущественно для упрочнения и восстановления деталей машины. Целью изобретения является уменьшение степени окисления покрытий. Способ включает создание плазменной турбулентной воздушной струи, подачу в нее частиц металлического порошка, напыления их на подложку и формирования покрытия в условиях, исключающих его окисление, причем напыление ведут в диапазоне значений средней энтальпии, плазменной струи, равном Н=(0,46-0,69) при размере частиц порошка не более 20 мкм, а расход плазмообразующего газа поддерживают не больше значения, соответствующего началу осаждения покрытия при средней энтальпии Н₂=0,69 , а мощность плазменной струи поддерживают не меньше значения, соответствующего началу осаждения при Н₁=0,46. Сущность изобретения состоит в определении области оптимальных режимных параметров, обеспечивающих малую степень окисления покрытий. Получение малоокисленных покрытий из порошков любых металлов при напылении в плазме воздуха возможно в области режимных параметров, близкой к технологическим режимам начала формирования покрытия. В этом случае осаждение частиц на поверхности изделия происходит, когда материал частиц не нагрет существенно выше температуры плавления. Установлено, что формирование плазменных малоокисленных покрытий из порошков любых металлов достигается в диапазоне Н=(0,46-0,69), причем область режимных параметров, обеспечивающая получение таких покрытий, смещается в сторону увеличения расхода газа (воздух) и мощности струи (тока дуги) для легкоплавких порошков и в сторону уменьшения расхода газа и мощности струи (тока дуги) для тугоплавких порошков. Расход газа во всех случаях должен быть не меньше, чем обеспечивающий переход от турбулентного течения плазмы к ламинарному. Таким образом, для воздушно-плазменного напыления малоокисленных покрытий необходимо иметь максимально возможную скорость частиц порошка и нагревать их до температуры плавления. Энтальпия плазмы при этом не должна выходить за указанные пределы, а размер частиц порошка не должен быть менее 20 мкм. Нагрев порошка выше температуры плавления значительно ускоряет процесс окисления. Поэтому для получения малоокисленных покрытий при напылении в плазме воздуха необходимо устанавливать температуру и скорость частиц в более узком диапазоне путем определения диапазонов изменения величин энтальпии плазмы и других режимных параметров (мощность струи, ток дуги, расход газа). Это поясняется чертежом, на котором показаны изолинии постоянных энтальпий Н₁= 0,46 и Н₂=0,69 в координатах Р_с (мощность плазменной струи)-G (расход газа, воздух) и области режимных параметров осаждения порошка, формирования малоокисленных плазменных покрытий 2 и формирования окисленных покрытий 3, Область формирования малоокисленных покрытий ограничена изолиниями энтальпий Н₁ и Н₂, расходом газа G^* соответствующего началу осаждения покрытий при Н₂= 0,69 и мощностью плазменной струи Р^*_с, соответствующей началу осаждения покрытий при Н₁=0,46 и кривой осаждения 4. При выходе за пределы указанной области 2, но в пределах Н=(0,46-0,69), покрытие либо не будет осаждаться вообще (правая область), либо будет окисляться (левая область). Окисление покрытий в последней из указанных областей обусловлено тем, что при неизменной энтальпии (в пределах Н= (0,46-0,69)) происходит уменьшение скорости движения частиц. Это связано со снижением расхода газа и тока дуги. При этом увеличивается время нахождения частиц в плазменной струe и начинается их интенсивное окисление. Область режимных параметров, ограниченная линиями Н₁ и 4, характеризуется осаждением покрытий, которые имеют низкие когезию, адгезию, плотность и др. свойства. Это обусловлено тем, что ввиду низкого тока дуги не обеспечивается оптимального сочетания скорости и температуры частиц, когда формируется покрытие, имеющее сварные участки сплавления между частицами. В указанной области формирование покрытий происходит в основном за счет механического зацепления частиц с подложкой и их совместной пластической деформации. В некоторых случаях в этой области могут формироваться плазменные покрытия, однако свойства их нестабильны ввиду низких скоростей частиц. Размер области заключенной между линиями Н₁ и 4, очень мал и в ряде случаев равен нулю. При ведении процесса в области 3 сильное плазмохимическое взаимодействие материала частиц с плазмой приводит к их интенсивному окислению при любых режимных параметрах. Следует отметить, что при увеличении размера частиц порошка область оптимальных режимных параметров увеличивается. Это обусловлено увеличением значения (Н₂-Н₁) во всем диапазоне G. При снижении размера частиц порошка область оптимальных режимных параметров уменьшается. При d<20 мкм покрытия из любых металлических порошков характеризуются значительной окисленностью во всем диапазоне режимных параметров I-G. Поэтому минимальный размер частиц металлического порошка ограничен значением 20 мкм. Алгоритм построения границ области оптимальных параметров следующий: 1. Определяется размер частиц d, требуемый для заданного качества покрытий, но не менее 20 мкм. 2. В координатах Р_с-G строятся зависимости Н₁=0,46 и H₂=0,69 . 3. При энтальпии Н₁ и Н₂ путем уменьшения тока дуги и расхода газа определяется расход газа, соответствующий началу осаждения покрытий при Н=Н₁ (точка А) и мощность плазменной струи, соответствующая началу осаждения покрытия при Н= Н₂ (точка В). Далее путем геометрического построения определяется точка Д. 4. При режимных параметрах напыления внутри полученной области и на ее границах покрытия из металлических порошков малоокислены. Экспериментальные данные приведены в табл. 1 и 2. Представлены цифровые значения режимных параметров и оценка окисленности покрытий в следующих точках: пересечение линий Н₁ и 4 (точка А), линий Н₂ и 4 (точка В), центральный участок линии Н₂ (точка С), пересечение линии Н₂и значения Р_с^* (точкаD). Окисленность покрытия оценивали качественно путем внешнего осмотра через лупу (допускается по ГОСТу 9.304-87), использовались порошки вольфрама (d=86 мкм, 21,3 мкм, 19,3 мкм), олова (d=86 мкм, 19,3 мкм), никель-хром-бор-кремниевого сплава (d=26,1 мкм, 19,3 и 20 мкм). При построении таблиц и получении данных по точкам А, В, С, D брали 3 значения с различными параметрами Н/G. Одновременно в некоторых точках произведен количественный анализ содержания кислорода в покрытиях из следующих порошков: никель-алюминий (ПН85Ю15), сплав на основе железа (У11х4Р4СГ), сплав на основе никеля (ВСНГН) и хром-бор-никель-кремниевый сплав (ПГ-СР3). Для напыления покрытий использовали плазмотрон ПНВ-23М с диаметрами дугового канала 10 мм, длина дугового канала составляла 35-53 мм. В качестве источника питания использовали блок источников типа АПР. Использовали порошковый дозатор типа "Твин". Напыление покрытий производили на полуавтоматической установке типа УПН-304. Анализ на содержание кислорода проводили на установке "Леко", США, гранулометрический анализ порошка на приборе фирмы "Gilos" методом седиментационного анализа. Напыление порошка типа ПГ-СР3 вольфрамом и оловом с размером частиц 19,3 мкм показало, что при всех режимах напыления происходит формирование окисленного покрытия. Из приведенных данных следует: 1. При нарушении граничных значений режимных параметров процесса получения малоокисленных покрытий не достигается положительного эффекта. 2. При поддержании режимных параметров в пределах оптимальных (включая границы) достигается формирование малоокисленных покрытий. 3. При использовании порошков с размером частиц менее 20 мкм во всем диапазоне режимных параметров не достигается положительного эффекта. Таким образом, использование изобретения позволяет получить малоокисленные покрытия.

Формула изобретения

СПОСОБ ВОЗДУШНО-ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ, включающий создание воздушной турбулентной плазменной струи, подачу в нее частиц порошка, напыление их на подложку и формирование покрытия в условиях, предотвращающих его окисление, отличающийся тем, что, с целью уменьшения степени окисления покрытий, напыление ведут в диапазоне значений, средней энтальпии плазменной струи, равном при размере частиц порошка d не более 20 мкм, причем расход плазмообразующего газа поддерживают не больше значения соответствующего началу осаждения покрытия при средней энтальпии плазменной струи а мощность плазменной струи поддерживают не меньше значения, соответствующего началу осаждения при

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 02.12.1997

Номер и год публикации бюллетеня: 19-2003

Извещение опубликовано: 10.07.2003        

---