Плазменное напыление металлических покрытий: как работает и где применяется
Плазменное напыление даёт возможность нарастить на стальной детали слой керамики, твёрдого сплава или коррозионностойкого металла без термического воздействия на основу. Технология пришла из авиации и космоса и давно опустилась до обычного ремонта изношенных узлов. Правильно нанесённое покрытие плазмой продлевает ресурс шейки вала, штампа или гильзы цилиндра в несколько раз.
Принцип работы плазмотрона
В плазмотрон подают рабочий газ: аргон с примесью водорода или азот. Электрическая дуга между вольфрамовым катодом и медным анодом ионизирует его до плазмы с температурой 15000–20000 °C. В раскалённую струю дозированно вводят порошок покрытия через боковой канал. Частицы мгновенно плавятся и разгоняются до 100–300 м/с. Расплав ударяется о деталь, растекается пластинками толщиной несколько микрон и мгновенно застывает, формируя плотное механическое сцепление с предварительно подготовленной основой. Температура самой детали не превышает 150 °C, поэтому основной металл не меняет структуры и не ведёт его термически. Плазмотрон охлаждают проточной водой через рубашку в корпусе, иначе медное сопло прогорит за несколько минут непрерывной работы.
Какие материалы напыляют
Нихром Ni-Cr берётся под термостойкие слои и подслои, оксид алюминия Al2O3 даёт диэлектрический и износостойкий слой, оксид циркония ZrO2, стабилизированный оксидом иттрия, стоит на лопатках турбин как TBC-покрытие. Твёрдый сплав WC-Co в порошке держит удар и абразив на пуансонах штампов. Порошки фракции 20–60 мкм подбирают под конкретное поле температур и нагрузки узла. Газотермическое напыление охватывает и бронзу для реставрации подшипниковых пар, и молибден для антифрикционных поверхностей. Хромовая окалина Cr2O3 работает на поршневых кольцах в паре с чугуном.
Толщина и структура покрытия
Рабочий диапазон толщины от 0,1 до 2 мм за один проход технологической установки. Свыше этого слой начинает растрескиваться от внутренних напряжений, возникающих при усадке каждого нового всплеска. Структура слоистого типа: всплеск за всплеском, с характерной пористостью 2–8 %. Поры иногда запечатывают силиконовой пропиткой или фторопластом, иногда оставляют — они работают как резервуар для смазки или буфер для термических деформаций. Перед напылением поверхность обрабатывают корундоструйным аппаратом, чтобы получить шероховатость Rz 40–80 мкм и чистую зернистую базу для сцепления.
Авиация, энергетика и ремонт
Термобарьерное покрытие ZrO2 на лопатках газовых турбин позволяет поднять температуру перед турбиной на 100–150 °C и добавить несколько процентов к КПД двигателя. Поршневые кольца дизелей покрывают Cr2O3, штампы горячей штамповки — карбидом вольфрама, лопатки компрессоров — стойкими к эрозии сплавами. В сервисе плазмой восстанавливают изношенные шейки валов, посадочные места под подшипники, штоки гидроцилиндров, гнёзда под сальники. Ресурс узла после такого ремонта возрастает в 3–5 раз против новой детали без покрытия.
Оборудование и экономика
Промышленный комплекс плазменного напыления стоит от 500 тысяч гривен в базовой ручной версии до 3 млн грн за роботизированную камеру с вытяжкой и программой движения горелки по CNC-траектории. Расходка состоит из порошка, аргона, электроэнергии и тонких вольфрамовых электродов плазмотрона. Защитное покрытие металл выдерживает там, где открытая сталь давно бы задрала или прогорела. Поэтому напыление оправдывает себя на любом серийном ремонте машин в горной, металлургической, энергетической и бумагоделательной отраслях. Металлическое сырьё под подслои можно заказать на zpsplav.com.ua.