Сущность процесса. При плазменном напылении для расплавления порошка, подаваемого в горелку-распылитель (плазмотрон), используется теплота сжатой электрической дуги (плазменной дуги). Расплавленные частицы порошка выносятся потоком горячего газа из сопла и напыляются на поверхность детали, на которую направлено пламя горелки.
Преимущества плазменного напыления перед газопламенным следующие: возможно напыление материалов, температура плавления которых превышает температуру ацетилено-кислородного пламени; производительность напыления керамических материалов увеличивается в 6-10 раз; не требуется применения кислорода и ацетилена. По сравнению с электродуговым способом напыления преимущество плазменного способа состоит в возможности напыления порошковых материалов, в том числе керамических, в то время как для электродугового способа требуется применение проволоки из напыляемого металла.
По составу, строению и свойствам (прочность, степень окисленности, тепло- и электропроводность и др.) плазменные покрытия не имеют преимуществ перед нанесенными газопламенным и электродуговым способами.
Области применения. Плазменные покрытия применяются, как правило, для нанесения жаростойких покрытий, необходимых в реактивной технике. Этим способом можно кэпылять-также поршни дизелей, рабочие лопатки дымососов, дроссельные заслонки и фурмы доменных печей и другие изделия, требующие повышенной жаростойкости. При нанесении покрытий на внутренние поверхности деталей диаметр отверстия должен быть не менее 100 мм. С увеличением толщины слоя покрытия их прочность снижается. Так, например, при покрытии окисью алюминия прочность слоя резко падает при толщине слоя свыше 0,8 мм. Обычно применяют покрытия с толщиной слоя 0,2-0,3 мм.
Для повышения прочности сцепления керамических покрытий с основным металлом их напыляют на подслой. При напылении окиси алюминия лучшим для подслоя является нихром или коррозионностойкая сталь. Толщина подслоя равна 0,05 мм. Менее пригодны для подслоя, с точки зрения термостойкости, - молибден и вольфрам, образующие окислы с недостаточной величиной прочности.
Плазменные покрытия используют также в качестве электроизоляционных, например при изготовлении деталей МГД-генераторов, теплообменников, тензодатчиков, дисков электропил, индукторов для высокочастотной пайки и других деталей в электротехнике, радиоэлектронике, приборостроении. Пористость покрытий, в том числе керамических, не препятствует применению их в качестве электроизоляционных материалов, если они защищены от попадания влаги.
Плазменные покрытия для защиты деталей от коррозии и износа менее эффективны, так как имеют высокую пористость. Для уменьшения пористости они нуждаются в дополнительной пропитке (органическими полимерными материалами - смолами и лаками) или оплавлении. Свойства пропиточных материалов определяют рабочую температуру детали. Пропитка особенно эффективна, когда деталь подвержена одновременно коррозии и абразивному или эрозионному износу. Обычно для пропитки применяют фенолформальдегидную смолу. Для высоких рабочих температур применяют пропитку покрытий из напыленного вольфрама медью и серебром.

Применяемые материалы. Для плазменного напыления используют порошки с размером частиц 20-150 мкм. Для окиси алюминия и двуокиси циркония размер частиц должен быть равным 40-70 мкм, для вольфрама 20-100 мкм. Для покрытий повышенной плотности размер частиц должен быть меньше и не превышать 10-40 мкм; для получения оптимального гранулометрического состава порошков их перед использованием следует просеивать.
Для получения жаростойких покрытий применяют следующие порошки: окись алюминия (глинозем) марок ГА85 или ГА8; двуокись циркония (90% ZrO2); вольфрам с частицами 40-100 мкм в виде порошка марки В или В-1. В качестве плазмообразующего газа используют азот концентрации 99,5% или водород чистотой 99,7% (марки А), или аргон.
Аппаратура. Для плазменного напыления используют специальные установки, выпускаемые промышленностью, например установки типа УМП-4-64 (рис. 77). Данная установка предназначена для напыления тугоплавких материалов: вольфрама, двуокиси циркония, окиси алюминия. При наличии камеры с защитной атмосферой можно также напылять карбиды, бориды, нитриды, силициды и другие соединения тугоплавких материалов. Установка состоит из плазменной горелки, порошкового питателя и пульта управления.
Для питания установки током используют сварочные преобразователи ПСО-500 (2 шт.) или полупроводниковые выпрямители ИПН-160/600 Рабочий газ - азот или смеси азотз, аргона или гелия с водородом Производитечьность установки по напьияемой окиси алюминия 3 кг/ч, напряжение при работе на азоте 85-90В, при смеси азота и водорода 100-120 В, рабочая сила тока на азоте 320-340 А, на смеси азота и водорода 270-300 А Устройство горелки для плазменного напыления показано на рис. 78.




Технология плазменного напыления. Перед напылением поверхность детали подвергают пескоструйной обработке, желательно непосредственно перед процессом покрытия Помимо создания шероховатой поверхности, при опескоструивании удаляется пленка адсорбированного воздуха и влаги, препятствующая контакту между напыляемыми частицами и деталью Вместо кварцевого песка, который вреден, так как вызывает силикоз, применяют порошок корунда, карбида кремния и крошку белого чугуна При коррозионностойких материалах крошку белого чугуна применять не следует, так как его частицы, остающиеся на поверхности изделия, могут вызывать местную коррозию.
Перед напылением основного покрытия напыляют подслой из соответствующих материалов, указанных выше Наносить подслой можно любым способом - газопламенным, электродуговым.
При плазменном напылении поверхность не следует перегревать свыше температуры 300°С, так как при этом возникают внутренние напряжения, которые могут привести к разрушению покрытия Для предупреждения перегрева поверхность около места напыления охлаждают сжатым воздухом, поток которого направляют на покрытие с помощью дополнительного кольцевого сопла, окружающего мундштук горелки.
Применение охлаждающего сопла позволяет уменьшить расстояние от горелки до поверхности со 120 мм до 70 мм. Это повышает производительность оборудования, увеличивает коэффициент использования порошка, повышает прочность и снижает пористость покрытия Чрезмерное охлаждение недопустимо, так как ухудшает свойства покрытия. Охлаждение не требуется, если толщина слояпокрытия менее 0,1 мм или скорость перемещения горелки относительно поверхности достаточно велика, а нанесенный слой успевает охладиться до следующего прохода горелки. Это обеспечивается при массивных деталях в которых происходит интенсивный отвод теплоты.
Угол напыления, т.е. угол между осью сопла горелки и поверхностью, должен составлять 90-60°. При угле, меньшем 60°, энергия удара частиц о поверхность снижается, что ухудшает прочность покрьтия.
Дтя получения равномерного по толщине и однородного по качеству покрытия применяют различные средства механизации процесса. Наиболее простой и доступный из них - токарный станок, в патрон которого устанавливают напыляемую деталь, а в суппорт – горелку.
В качестве плазмообразующего газа рекомендуется применять азот. Добавление к азоту 5-10% водорода повышает производительность процесса, но требует источника тока с рабочим напряжением 110-120 В вместо 85-95 В при одном азоте. Аргон можно использовать только в смеси с водородом или азотом, так как при одном аргоне рабочее напряжение не превышает 35 В, что резко снижает тепловую мощность горелки и ее производительность.