Технология плазменного напыления: принципы и области применения
Технология плазменной наплавки начала применяться в промышленности в 1960-х годах. В ней вольфрамовый электрод сварочной горелки используется в качестве отрицательного электрода, а подложка — в качестве положительного электрода, при этом между ними генерируется плазма для выработки тепла. Это тепло передается на поверхность свариваемой детали, в то время как сварочный порошок вводится в нагретую зону, расплавляя его и нанося на поверхность детали. Этот процесс обеспечивает упрочнение и закалку поверхности детали. Технология плазменной наплавки обладает рядом преимуществ, включая высокую производительность, эстетически привлекательные формы и простоту механизации и автоматизации процесса наплавки.
По сравнению с дуговой сваркой вольфрамовым электродом, плазменная наплавка обеспечивает более точный контроль глубины проплавления, более высокие скорости наплавки и большую производительность. Граница раздела между материалом подложки и материалом наплавки образует металлургическую связь, что приводит к высокой прочности соединения, низкому тепловому воздействию и минимальному разбавлению. Важно отметить, что поскольку вольфрамовый электрод при плазменной наплавке пропускает меньший ток, чем при аргонодуговой сварке, он с меньшей вероятностью плавится и испаряется, что может привести к попаданию загрязнений в расплавленную ванну.
Хотя плазменная наплавка может быть несколько менее гибкой и удобной, чем ручная дуговая сварка, она демонстрирует значительные преимущества в эффективности производства. Ручная дуговая сварка часто связана с высокой трудоемкостью, что может негативно сказаться на здоровье сварщиков, а качество продукции в значительной степени зависит от квалификации сварщика и качества сварочных электродов. В отличие от этого, плазменная наплавка обеспечивает большую гибкость в выборе положения сварки по сравнению с сваркой под флюсом. Кроме того, сама плазменная дуга имеет такие преимущества, как концентрированное тепловое воздействие, стабильные характеристики дуги и низкие коэффициенты разбавления.
Благодаря развитию технологий автоматического управления, все большее количество оборудования для наплавки оснащается ЧПУ-управлением, что позволяет точно контролировать важные параметры наплавки, такие как давление дуги, ток, скорость подачи порошка, амплитуда колебаний и частота колебаний. Кроме того, внедрение систем числового управления в установки для наплавки позволяет контролировать скорость перемещения сварочной горелки и перемещение заготовки. Путем регулирования соответствующих параметров наплавки можно свободно регулировать толщину, ширину и твердость наплавленного слоя в определенных пределах.
По сравнению с другими технологиями наплавки, плазменная наплавка обеспечивает минимальное взаимное плавление материала подложки и наплавляемого материала, что приводит к минимальным изменениям свойств наплавляемого материала. Кроме того, использование порошка в качестве наплавляемого материала расширяет возможности проектирования сплавов, позволяя использовать труднонаплавляемые материалы, что значительно улучшает износостойкость, термостойкость и коррозионную стойкость обрабатываемой детали. Поэтому плазменная наплавка может широко применяться в производстве новых изделий и восстановлении оборудования в таких отраслях, как нефтяная, химическая, строительная и горнодобывающая промышленность.
1. Принципы технологии плазменной наплавки
Плазменная порошковая наплавка использует плазменную дугу в качестве источника тепла. Высокая температура, генерируемая плазменной дугой, быстро нагревает порошок сплава и поверхность подложки, вызывая их плавление, смешивание, диффузию и затвердевание. После выхода плазменного луча происходит самопроизвольное охлаждение, образуя высокоэффективный слой сплава. Этот процесс обеспечивает упрочнение и закалку поверхности детали. Благодаря высокой температуре плазменной дуги, высокой скорости теплопередачи и хорошей стабильности, глубина проникновения может эффективно контролироваться. Путем регулирования соответствующих параметров наплавки можно свободно регулировать толщину, ширину и твердость наплавленного слоя в определенных пределах.
После плазменной порошковой наплавки между подложкой и наплавляемым материалом образуется плавленый интерфейс, обеспечивающий высокую прочность соединения. Микроструктура наплавляемого слоя плотная, что обеспечивает хорошую коррозионную и износостойкость. Разбавление подложки наплавляемым материалом сведено к минимуму, что приводит к минимальным изменениям свойств материала. Использование порошка в качестве наплавляемого материала позволяет добиться большей избирательности при проектировании сплавов, в частности, обеспечивая успешную наплавку трудносвариваемых материалов, тем самым повышая износостойкость, термостойкость и коррозионную стойкость заготовки.
Плазменная порошковая наплавка характеризуется высокой производительностью, эстетически привлекательными формами и простотой механизации и автоматизации процесса наплавки. Плазменная дуга представляет собой высокотемпературный, высокоэнергетический луч, температура дуги которого достигает 30 000 °C, а плотность мощности составляет от 1,5 × 10² до 1,6 × 10⁴ Вт/мм². Высокосжатая плазменная дуга, используемая для сварки, резки и напыления, позволяет достичь эффектов, сравнимых с лазерными и электронно-лучевыми методами. В отличие от нее, низкосжатая плазменная дуга, используемая для наплавки, представляет собой гибкую дугу с регулируемым сжатием, способную удовлетворить требованиям высокоскоростного осаждения при сохранении низких скоростей разбавления и минимизации образования двойных дуг, что делает ее идеальным источником тепла для наплавки.
Основной формой материала для плазменной наплавки является порошок. Химический состав порошка можно гибко изменять, что упрощает регулировку состава и характеристик наплавленного слоя по сравнению с другими методами наплавки, использующими проволоку. Наиболее часто используемым порошковым материалом в плазменной наплавке является самоплавящийся сплавной порошок. Этот тип сплавного порошка обладает самофлюсующими свойствами, что исключает необходимость использования дополнительного флюса во время наплавки. Сам сплав обеспечивает раскисление, образование шлака и улучшенную смачиваемость.
В процессе эксплуатации два или более различных типа порошков (один из которых может представлять собой твердую фазу) могут быть механически смешаны в определенных пропорциях для получения порошка сплава для наплавки с различным составом и свойствами. Этот метод часто используется в экспериментах для быстрого достижения желаемых характеристик сплава. Степень разбавления наплавленного слоя является одним из основных показателей, отражающих характеристики метода наплавки. Степень разбавления напрямую влияет на конечный состав и металлографическую структуру наплавленного слоя, в конечном итоге определяя характеристики поверхностного наплавленного слоя.
Благодаря возможности управления источником тепла при плазменной наплавке, при использовании самоплавящихся порошков сплавов степень разбавления металла подложки в наплавленном слое может поддерживаться в низком диапазоне, например, 3-7%. При использовании метода плазменной наплавки с обратной полярностью можно достичь еще более низких значений степени разбавления. Однако чрезмерно низкие значения степени разбавления, например, ниже 3%, могут затруднить обеспечение равномерного контакта при наплавке обычных компонентов и могут нести риск дефектов неполного сплавления.
Эффективность осаждения при плазменной порошковой наплавке определяется как процент осажденного металла по отношению к массе порошкового материала, использованного в процессе наплавки. Она отражает коэффициент использования наплавляемого материала. Величина эффективности осаждения напрямую связана с себестоимостью плазменной наплавки, особенно при использовании дорогостоящих порошковых сплавов. Эффективность осаждения при плазменной наплавке обычно составляет от 80% до 95%, а при определенных условиях может превышать 95%. Скорость осаждения обозначает массу эффективного наплавляемого сплава, осаждаемого за единицу времени; последние данные показывают, что скорость осаждения при плазменной порошковой наплавке может достигать 12,5 кг/ч и выше.
2. Применение технологии плазменной наплавки
Технология плазменной наплавки находит применение в различных отраслях промышленности благодаря своим уникальным преимуществам. Вот некоторые ключевые области применения:
1. Строительная техника: Плазменное напыление используется для повышения износостойкости таких компонентов, как кирпичи, плитка, лопасти смесителей и молотки. Оно также применяется к деталям, например, к компонентам цементных заводов, включая лотки башен, футеровку и дробильные машины.
2. Горнодобывающая техника: В горнодобывающей промышленности плазменная наплавка используется для повышения долговечности оборудования, работающего в суровых условиях, такого как экскаваторы, погрузчики и дробильные установки. Повышенная износостойкость и коррозионная стойкость наплавленных компонентов приводят к увеличению срока службы и снижению затрат на техническое обслуживание.
3. Нефтехимическая промышленность: Плазменное напыление используется для защиты оборудования от коррозии и износа в нефтехимической промышленности. Такие компоненты, как трубопроводы, клапаны и насосы, выигрывают от улучшенных свойств, обеспечиваемых плазменным напылением, что гарантирует надежную работу в сложных условиях.
4. Аэрокосмическая и оборонная промышленность: В аэрокосмической отрасли плазменное напыление используется для повышения характеристик критически важных компонентов, подверженных воздействию экстремальных температур и агрессивных сред. Эта технология также применяется в оборонной промышленности, где улучшенные свойства материалов имеют важное значение для надежности и долговечности оборудования.
5. Изготовление инструментов: Плазменная наплавка используется для повышения производительности режущих инструментов и штампов. Улучшенная твердость и износостойкость наплавленных инструментов приводят к увеличению производительности и снижению износа инструмента, что, в свою очередь, позволяет производителям экономить средства.
6. Восстановление: Технология плазменного напыления широко используется при восстановлении изношенных компонентов. Нанесение напыляемого слоя позволяет восстановить первоначальные размеры и свойства компонентов, продлевая срок их службы и сокращая количество отходов.
7. Исследования и разработки: Плазменное напыление также используется в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах для изучения новых материалов и покрытий. Возможность регулировать состав и свойства напыляемого слоя позволяет исследователям изучать инновационные решения для различных применений.
Заключение
Технология плазменной наплавки представляет собой значительный шаг вперед в методах обработки поверхностей, предлагая ряд преимуществ, включая высокую производительность, превосходные свойства материалов и потенциал для автоматизации. Ее универсальность позволяет применять ее в различных отраслях промышленности, от строительства и горнодобывающей промышленности до аэрокосмической отрасли и инструментального производства. По мере дальнейшего развития технологий ожидается, что плазменная наплавка будет играть все более важную роль в повышении производительности и долговечности компонентов в сложных условиях эксплуатации. Возможность точного контроля параметров наплавки и использования широкого спектра материалов делает плазменную наплавку ценным решением для современных задач производства и восстановления.