Пример нанесенного покрытия: радужно-интерферинционные цвета на поверхности изделия.
                                           Плазменно-порошковая наплавка

Применение наплавки деталей порошком известно уже долгое время и получило новый толчок с развитием плазмы - плазма, полученная перенесённой дугой (ППН-процесс). Принцип процесса был развит и использовался для наплавки деталей с начала 60-х годов. С этого времени и особенно прошлые два десятилетия, ППН-наплавка успешно используется по всему миру, чтобы защитить ответственные места различных деталей при наплавке специальных материалов, которые являются стойкими к интенсивному износу, коррозии, тепловым и ударным нагрузкам.

СХЕМА ПРОЦЕССА
1. Электрод
2. Плазменное сопло
3. Фокусирующее сопло
4. Защитное сопло
5. Деталь
6. Балластный реостат
7. Источник питания
8. Осцилятор


Принцип ППН-процесса следует рассматривать как дальнейшее развитие ТИГ сварки - вольфрамовый электрод в среде инертного газа. В случае ППН-процесса пилотная дуга горит между неплавящимся вольфрамовым электродом и, так называемым, плазмообразующим соплом с помощью генератора ВЧ-поджига (рис.1). Пилотная дуга образуется за счёт подачи газа (плазмообразующий газ), выдуваемого из вышеуказанного сопла и способствует выходу на основную дугу между вольфрамовым электродом и наплавляемой деталью. Основная дуга обжата плазмообразующим соплом, благодаря чему достигаются температуры более чем 2000ºC, высокая стабильность и концентрация дуги. Материал для наплавки, как и для напыления, используется в виде порошка. Подача порошка в плазменную дугу осуществляется путем нагнетания давления в питатель транспортирующего газа. Защитный газ используется для защиты сварочного шва от окружающей атмосферы.
Плазменная дуга расплавляет порошок и поверхность изделия, которую необходимо наплавить. Наплавочный процесс ведётся так, что весь объём подающегося порошка наплавлен, притом, что проплавление металла основы наплавляемого изделия минимально. В результате получается ровный гладкий наплавленный слой. В результате движения плазменной дуги, подачей порошка процесс наплавки происходит немного впереди плазменной дуги, и кристаллизация происходит по мере продвижения дуги по направлению наплавки. В процессе кристаллизации перемешивание наплавленного слоя с материалом основы составляет порядка 3-10%. Несмотря на некую схожесть с плазменным напылением очевидны существенные отличия: наплавленный ППН-процессом слой имеет гомогенную структуру и полное проплавление (образование металлургического сцепления) с материалом основы.
Рабочим газом является аргон, в специальных случаях используется гелий с добавлением водорода, кислорода или углекислого газа для плазмообразующего газа, транспортирующего и защитного в зоне высокотемпературного нагрева. Из-за высоких температур плазматрон должен охлаждаться водой.
Слой толщиной от 0.5 до 6 мм, шириной от 3 до 50 мм могут быть получены за один проход. Для получения более широких слоёв во время наплавки необходимо придать плазматрону колебания. Производительность ППН-процесса составляет порядка 2 - 8 кг/час и зависит от поставленной задачи и типа плазматрона.

Для газопорошковой наплавки применяются самофлюсующиеся порошки на хромбороникелевой основе с добавками кремния, порошок должен иметь форму шариков размерами 40-100 мкм. Хорошо зарекомендовали себя для наплавки на чугун порошки НПЧ, содержащие 5-7% меди. Сам процесс наплавки осуществляется следующим образом: деталь тщательно очищается от грязи и жировых отложений. Затем деталь прогревается до температуры 350-400°С. Напыляется тонкий слой порошка и участок прогревается до момента «схватывания» порошка с деталью. После этого горелка отводится на расстояние, равное 1,5 длины ядра пламени горелки. В пламя начинают плавно подавать порошок и напыляется слой толщиной не более 1 мм. Если требуется получить большую толщину наплавляемого слоя, то уже нанесенный слой расплавляется (но не перегревается)и на него напыляется новый слой. Такой способ многослойной наплавки (с оплавлением предыдущего слоя) может дать качественный наплавленный слой толщиной до 5 мм. Если же предыдущие слои не оплавлять, то возможны шлаковые включения между слоями. Описанный нами процесс по своей производительности не уступает наплавке прутком. Но преимущество газопорошковой наплавки в том, что она позволяет осуществить наплавку в труднодоступных местах и не зависит от пространственного положения детали.
Плазменная наплавка как метод упрочнения поверхности деталей

Плазменная наплавка является современным способом нанесения износостойких покрытий на рабочую поверхность при изготовлении и восстановления изношенных деталей машин. Плазмой называется высокотемпературный сильно ионизированный газ, состоящий из молекул, атомов, ионов, электронов, световых квантов и др.При дуговой ионизации газ пропускают через канал и создают дуговой разряд, тепловое влияние которого ионизирует газ, а электрическое поле создает направленную плазменную струю. Газ может ионизироваться также под действием электрического поля высокой частоты. Газ подается при давлении в 2…3 атмосферы, возбуждается электрическая дуга силой 400…500 А и напряжением 120…160 В Ионизированный газ достигает температуры 10…18 тыс. °С, а скорость потока - до 15000 м/сек. Плазменная струя образуется в специальных горелках - плазмотронах. Катодом является неплавящий вольфрамовый электрод.

                                 Схема плазменной наплавки открытой и закрытой плазменной струей.
















В зависимости от компоновки различают:

Открытую плазменную струю (анодом является деталь или пруток). В этом случае происходит повышенный нагрев детали. Используется эта схема для резки металла и для нанесения покрытий.
Закрытую плазменную струю (анодом является сопло или канал горелки). Хотя температура сжатой дуги на 20 …30% в этом случае выше, но интенсивность потока ниже, т.к. увеличивается теплоотдача в окружающую среду. Схема используется для закалки, металлизации и напыливания порошков.
Комбинированная схема (анод подключается к детали и к соплу горелки). В этом случае горят две дуги, Схема используется при наплавке порошком.
Плазменную наплавку металла можно реализовать двумя способами:
струя газа захватывает и подает порошок на поверхность детали;
в плазменную струю вводится присадочный материал в виде проволоки, прутка, ленты.В качестве плазмообразующих газов можно использовать аргон, гелий, азот, кислород, водород и воздух. Наилучшие результаты наплавки получаются с аргоном и гелием.
Достоинствами плазменной наплавки являются:

Высокая концентрация тепловой мощности и минимальная ширина зоны термического влияния.
Возможность получения толщины наплавляемого слоя от 0,1 мм до нескольких миллиметров.
Возможность наплавления различных износостойких материалов (медь, латунь, пластмасса) на стальную деталь.
Возможность выполнения плазменной закалки поверхности детали.
Относительно высокий К. П. Д. Дуги (0.2 …0.45).
Малое (по сравнению с другими видами наплавки) перемешивание наплавляемого материала с основой, что позволяет достичь необходимых характеристик покрытий.
Поверхность детали необходимо готовить к наплавке более тщательно чем при обычной электродуговой или газовой сварке, т.к. при этом соединение происходит без металлургического процесса, поэтому посторонние включения уменьшают прочность наплавленного слоя. Для этого производится механическая обработка поверхности (проточка, шлифование, пескоструйная обработка..) и обезжиривание. Мощность электрической дуги подбирают такой, чтобы сильно не нагревалась деталь, и чтобы основной металл был на грани расплавления.

Плазменная наплавка широко применяется для защиты от высокотемпературного износа формокомплектов стекольной промышленности, для защиты от коррозии и износа деталей запорной и запорно-регулирующей арматуры, для упрочнения поверхности деталей, работающих при высоких нагрузках

Преимущества ППН-процесса

•Минимальное перемешивание с материалом основы
•Высокий уровень вложений наплавляемого материала
•минимальные требования к опыту оператора
•локальные тепловложения
•минимальные деформации наплавленной детали
•минимальные припуски на механическую обработку
•минимальные потери порошка
•получение гладкого ровного наплавленного слоя
•высокая воспроизводимость
•легко поддаются механизации и автоматизации
По сравнению с лазерной наплавкой ППН-процесс намного производительней, гораздо выше качество наплавленного слоя, оборудование значительно ниже по стоимости, также как и издержки производства.

Недостатки ППН-процесса

•весьма сложная технология
•относительно дорогое оборудование
•перемешивание выше по сравнению с газопламенной наплавкой
•наплавка производится только в горизонтальном положении
Нижеследующие компоненты необходимы для комплекса оборудования ППН-наплавки
•плазматрон
•источник поджига пилотной дуги
•источник переноса плазменной дуги
•блок поджига
•блок охлаждения
•система газового обеспечения
•питатель
•система управления
Типичные применения включают в себя ремонт и предварительную наплавку формокомплектов для производства бутылок, клапанных пар - шаров и сёдел, насосов и уплотнительных колец, штампов, штоков, шнеки экструдеров, детали для нефтяной и газовой промышленности, лезвия ножей, сельскохозяйственных инструментов и т.д

Порошки, применяемые при плазменно-порошковой наплавке

Широкий диапазон порошков на основе никеля, кобальта и железа и специальные порошки, которые были специально разработаны для плазменно-порошковой наплавки.
Сплавы на основе кобальта - самые популярные сплавы высшего качества, стойкие к коррозии, износу и термическим нагрузкам, которые имеют превосходные антизадирные свойства (see figure). СТЕЛЛИТы часто незаменимы, когда две или более из вышеупомянутых факторов износа присутствуют одновременно. Типичные применения: компоненты энергетического машиностроения, промышленные клапаны и фиттинги, автомобильные клапаны ДВС и сёдла, шнеки экструдеров, изнашиваемые кольца, промышленные ножи и т.д..
сплавы на основе никеля - Ni-Cr-B-Si сплавы показывают очень хорошую стойкость к абразивному износу, высокотемпературную стойкость и сопротивление коррозии. Они представляют широкий диапазон от относительно мягких коррозионно-стойких сплавов для наплавки подслоя до чрезвычайно твердых и износостойких сплавов, Типичные применения: стеклоформы, плунжеры насосов, седла и тарелки клапанов дизелей, промышленная запорная арматура, в т.ч. для атомных электростанций.
сплавы на основе никеля с превосходной коррозионной стойкостью. Типовые применения: шиберные задвижки, штоки насосов, бумажные ролики, шаровые клапаны, подшипники / уплотнения, корпуса насосов и крыльчатки.
семейство интерметаллических материалов с выдающейся стойкостью к высокотемпературному износу, задиру и коррозии, идеально подходят для ситуаций трения без смазки. Типовые применения шнеки и гильзы экструдеров, клапаны, поршневые кольца, износостойкие накладки.
нержавеющие стали, обогащенные карбидами с высоким содержанием хрома. Противостоят коррозии и различным видам износа. Типовые применения: плунжеры насосов, лезвия скребков, поршневые кольца, штоки компрессоров, элементы запорно-распределительной арматуры АЭС. И т.д.
сплавы на основе железа, рекомендованы для борьбы с абразивным износом и эрозией при невысоких температурах. Типовые применения: лезвия скребков, головок экструдеров, подающие шнеки, износостойкие накладки
Наплавка оптимального размера должна иметь поперечное сечение по форме близкое к прямоугольнику с минимальным перемешиванием с основой. Чтобы приблизиться к такому идеалу, следует правильно предварительно установить параметры процесса и внимательно следить за ходом процесса.

37 параметров и условий, влияют на качество ППН. Правильный выбор параметров наплавки требует определенной квалификации наплавщика. Однако, выбрав правильный параметр однажды, можно ожидать однородной повторяемости наплавки от детали к детали.

Основные параметры, определяющие ППН-процесс и качество наплавки:

•ток основной дуги
•расход плазмаобразующего газа
•расстояние от плазмотрона до детали
•частота колебаний плазмотрона
•скорость перемешения плазмотрона
•расход порошка
•размер частиц порошка
•температура подогрева детали
Предварительный подогрев и последующая термообработка.
Материал следует предварительно подогреть перед началом наплавки. Подогрев зависит от типа материала и его назначения. Существует простое правило: чем твёрже материал, тем выше температура его нагрева.
Ввиду тепловложений от дуги, температура детали во время наплавки может значительно возрастать. В целях поддержания постоянной геометрии наплавки, в процессе наплавки может потребоваться корректировка параметров.
После наплавки может потребоваться термообработка во избежание появления усадочных трещин и зон термовлияния из-за внутренних напряжений. Меры, которые следует предпринять:
•медленное охлаждение наплавленной детали в вермикулите, сварочном флюсе и т.д.
•выдержка детали в печи при постоянной температуре и затем медленное охлаждение вместе с печью.
1.ППН представляет собой современную надежную технологию, в настоящее время широко применяемую во всем мире.

2.Процесс обеспечивает хорошую управляемость, позволяет получать высококачественные коррозионностойкие и износостойкие покрытия в широком диапазоне материалов и деталей оборудования.

3.Процесс хорошо подходит как для серийного производства, где требуется высокая производительность и хорошая повторяемость покрытий, так и для единичного производства или ремонта при использовании оборудования с ручным управлением.

НАПЛАВКА (восстановление и упрочнение) ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ

Ежегодно в мире из-за коррозии и поверхностного износа 90% деталей машин выходит из строя. Что еще хуже - ремонт требует остановки производства, простой оборудования, монтажные/демонтажные работы стоят во много раз больше самой детали.

В экономически развитых странах на рынке запасных частей восстановленные детали преобладают. Из-за удорожания техники и запасных частей к ней и резкого снижения покупательной способности, восстановление изношенных и упрочнение новых деталей является самым доступным способом поддержания парка машин и промышленного оборудования в работоспособном состоянии.

Предельные износы 85% деталей не превышают 0,3 мм, причем многие из них имеют остаточные ресурсы 60% и более и только 20% деталей тракторов, поступающих в ремонт, подлежат окончательной выбраковке. Остальные можно восстановить, причем себестоимость восстановления составит 15...70% себестоимости изготовления.

Безотказность машин определяется стабильностью ресурсов восстановленных деталей, которая зависит от правильного выбора способа восстановления и строгого соблюдения технологического процесса.

Наплавка - нанесение с помощью сварки плавлением слоя металла на поверхность изделия.

При восстановлении, ремонте наплавку выполняют примерно тем же металлом, из которого изготовлено изделие, однако такое решение не всегда целесообразно. Иногда при изготовлении новых деталей (и даже при ремонте) целесообразней на поверхности получить металл, отличающийся от металла детали.

Действительно, в ряде случаев условия эксплуатации поверхностных слоев значительно отличаются от условий эксплуатации всего остального материала изделия. Так, например, если деталь (изделие) должна определять общую прочность, которая зависит от свойств металла и его сечения, то поверхностные слои часто дополнительно должны работать на абразивный или абразивно-ударный износ (направляющие станин, зубья ковшей землеройных орудий, желоба валков канатно-подъемных устройств и др.). Условия работы могут усложняться повышенной температурой, эрозионно-коррозионным воздействием окружающей среды (морской воды, различных реагентов в химических производствах и др.). В качестве примера можно указать клапаны двигателей, уплотнительные поверхности задвижек, поверхности валков горячей прокатки и т.п.

Иногда такие детали и изделия целиком изготовляют из металла, который обеспечивает и требования к эксплуатационной надежности работы его поверхностей. Однако это не всегда наилучшее и, как правило, не экономичное решение. Часто оказывается целесообразней все изделие изготовлять из более дешевого и достаточно работоспособного металла для конкретных условий эксплуатации и только на поверхностях, работающих в особых условиях, иметь необходимый по толщине слой другого материала. Иногда это достигается применением биметаллов (низкоуглеродистая сталь + коррозионно-стойкая сталь; сталь + титан и др.), а также поверхностным упрочнением (поверхностной закалкой, электроискровой обработкой и др.), нанесением тонких поверхностных слоев (металлизацией, напылением и пр.) или наплавкой слоев значительной толщины на поверхность.

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ

Восстановление геометрии и посадочных мест газотермическим напылением - малозатратный способ возвращения детали первоначальных свойств. Реновация деталей напылением при первых признаках износа, Вы не только продлеваете жизнь всего технологического комплекса, но и сокращаете внеплановые простои, тратите меньше денег, сохраняете окружающую среду.
Газотермическое напыление (ГТН) включает группу методов нанесения покрытий, общей особенностью которых является создание высокотемпературной газовой струи, подачу в нее напыпяемого материала (порошка проволоки, шнуров прутков), его расплавление, ускорение, перенос и осаждение расплавленных частиц на поверхности обрабатываемой детали.
Мы предлагаем полный цикл восстановления, включая суперфиниш.
Наплавка и Напыление - это Решение, которое позволяет предотвратить сбои и существенно сократить затраты на планово-предупредительные ремонты оборудования.

Использование покрытий из карбида вольфрама, наносимых методами газотермического напыления (перспективное направление)
Покрытие карбида вольфрама, как альтернатива гальваническому хромированию.

В течение более чем 70 лет хромированные покрытия оставались незаменимыми для защиты компонентов авиации, промышленных и потребительских изделий от износа, ударной нагрузки и коррозии. Однако в последние годы недостатки хромированных поверхностей заставили инженерное сообщество искать более дешевые и эффективные способы защиты поверхностей как в военном и гражданском авиационном секторе, так и в промышленности. Наилучшей альтернативой хромированию сегодня считается высокоскоростное газопламенное напыление (HVOF) карбида вольфрама. Оценочные испытания и увеличение количества успешных промышленных применений HVOF покрытий карбида вольфрама для различных компонентов авиационных двигателей и планера доказывают их преимущество. Эти покрытия применяются на шасси самолетов, гидравлических цилиндрах, подшипниках реактивных двигателей и корпусах подшипников, валах турбин и даже на таких элементах, как цепь привода вертолета и узлах пропеллера. Обеспечивающие лучшую защиту от износа, ударной нагрузки и усталости, лучшую или аналогичную защиту от коррозии, эти покрытия постепенно заменяют хромирование.
Помимо того, что HVOF покрытия карбида вольфрама имеют преимущество при работе в тяжелых условиях, эти покрытия гораздо легче наносятся по сравнению с традиционными электролитическими ваннами с хромом. Действительно, большое количество опубликованных технологических оценок (как военной так и гражданской направленности) доказывают состоятельность HVOF покрытий для замены хромирования. На сегодняшний день большое количество лабораторных и опытных испытаний, коммерческой эксплуатации продемонстрировали преимущества HVOF покрытий в защите от износа, коррозии и перегрева; трудоемкости нанесения; родолжительности жизненного цикла; экономической эффективности.
Лучший метод нанесения

HVOF покрытия наносятся с помощью газотермического напыления. В ходе этого процесса горючий газ и кислород перемешиваются и под высоким давлением подаются в камеру сгорания, где происходит горение и образуется газовый поток высокого давления. Частицы порошка карбида вольфрама автоматически подаются непосредственно в область горения. Высокоскоростной газовый поток, содержащий расплавленные частицы порошка, направляется в сторону подложки, удар и осаждение частиц на поверхности образуют плотное покрытие с пористостью меньше чем 1% , содержанием оксидов меньше чем 1% и прочностью сцепления больше чем 80 МПа. HVOF покрытия наносятся в специальных роботизированных шумозащитных камерах.

Нанесение HVOF покрытия происходит быстрее по сравнению со стандартным хромированием. Обычно процесс напыления карбида вольфрама на шток занимает 1-2 часа, в то время как хромирование - более суток. К тому же, в отличие от хромирования, HVOF покрытия карбида вольфрама не подвержены водородному охрупчиванию. Все эти рабочие факторы в тандеме с уменьшением частоты ремонта и сокращением времени на восстановление позволяют сократить время простоя деталей в эксплуатации и увеличить жизненный цикл важных компонентов промышленных двигателей и элементов авиации.

Как видно из таблицы 1, значение микротвердости покрытий карбида вольфрама превышает 70 Rc, в то время как хромированные покрытия дают твердость 60-70 Rc. Значения микротвердости HVOF покрытия карбида вольфрама и хромированного покрытия по Виккерсу составляют соответственно 1050 для HVOF и 750-850 для хромирования. Как замечено выше, высокие показатели прочности сцепления и низкая пористость так же доказывают преимущество HVOF покрытий. Из таблицы 1 можно заметить превосходство HVOF покрытия по сравнению с хромированием по антикоррозионным свойствам температурной выносливости.

Коммерческая эксплуатация

HVOF покрытия карбида вольфрама уже наносятся на различный элементы самолетов и шасси. К примеру, компания Engelhard применяет HVOF покрытия на самолетах как гражданской так и военной авиации, включая шасси и силовые приводы. Министерство обороны, военно-воздушные силы и флот Сооединенных Штатов, а так же растущий частный сектор авиастоения и производства реактивных двигателей признают превосходство HVOF покрытий карбида вольфрама над гальваническим хромированием по параметрам защиты от износа, усталости и коррозии.

Питер Ф. Руджерио,Engelhard Corp. Иселин, Нью Джерси Advanced Materials and processes, July 2005Перевод: Краснов Денис ООО "Технологические системы защитных покрытий"