Плазменные технологии и оборудование для напыления и наплавки порошковых материалов (лаб. 9)

Разработаны и применяются электродуговые плазмотроны с секционированной межэлектродной вставкой мощностью от 10 до 100 кВт. Плазмотроны оснащены узлом кольцевого ввода порошковых материалов с газодинамической фокусировкой, который обеспечивает прохождение всего обрабатываемого материала через высокотемпературную приосевую область плазменной струи, что увеличивает эффективность процесса напыления.

Области применения:

• 
  Размерное восстановление и упрочнение деталей;
• 
  Коррозионно-, абразивно-, кавитационно- и изностойкие покрытия;
• 
  Термобарьерные и жаростойкие покрытия из керамических материалов с повышенной адгезией;

Плазменное напыление

Характеристика плазмотрона мощностью 50 кВт:

• 
  механизированное и ручное нанесение покрытий;
• 
  стабильное осесимметричное истечение плазменных струй с минимальным уровнем пульсаций параметров;
• 
  среднемассовая температура воздушной плазмы, на срезе сопла плазмотрона, до 7000 К;
• 
  расход плазмообразующего газа (воздух, азот, аргон, их смеси) – 0,8 –3 г/с;
• 
  производительность:
  
  -по керамическим порошкам (Al₂O₃, ZrO₂) – до 10 кг/ч;
  
  -по металлическим – до 30 кг/ч;
• 
  пористость керамических покрытий Al₂O₃ (при использовании узла кольцевого ввода) – менее 1 %

На базе нашего плазмотрона разработана и изготовлена полнокомплектная промышленная установка плазменного напыления «Термоплазма 50–01», которая включает в себя источник питания, пульт управления, промежуточный модуль с блоком запуска, два порошковых дозатора и блок автономного охлаждения плазмотронов. Установка комплектуется двумя плазмотронами, которые могут использоваться как в ручном исполнении, так и в механизированном вариантах.

Плазменная наплавка

Разработаны и применяются электродуговые плазмотроны с двойной (основной и пилотной) дугой мощностью до12 кВт.

Характеристики плазмотрона:

• 
  механизированное и ручное нанесение покрытий;
• 
  расход плазмообразующего газа (аргон) – 0,07 – 0,15 г/с;
• 
  расход транспортирующего газа (аргон) – 0,3 – 0,7 г/с;
• 
  расход защитного газа (аргон) – 0,4 – 0,8 г/с;
• 
  производительность наплавки – до 10 кг/ч.

Примеры технологических приложений плазменного напыления и наплавки

Формы сотрудничества:

• 
  разработка технологий под условия заказчика;
• 
  поставка плазменного оборудования;
• 
  электродуговые плазмотроны мощностью от 10 до 100 кВт;
• 
  установки плазменного напыления порошковых материалов мощностью до 100 кВт;
• 
  установки плазменной наплавки порошковых материалов мощностью до 12 кВт.

Заведующий лабораторией, д.ф.-м.н. Ковалев Олег Борисович тел.: (383) 330-42-73, e-mail: [email protected]

Плазменное напыление

В лаборатории разработаны и прошли промышленные испытания самые
современные, на сегодняшний день, генераторы термической плазмы (плазмотроны), что
позволяет производить нанесение различных покрытий с уникальными свойствами. Например,
пористость керамических покрытий из оксида алюминия составляет менее 1%.

Надо отметить, что стандартные покрытия из оксида алюминия, получаемые
плазменным напылением, имеют, по данным разных источников, пористость 8-15%.

Предварительные исследования характеристик металлических покрытий
показали, что при определенных режимных параметрах напыления происходит
существенное повышение твёрдости покрытия по сравнению с паспортными данными
твёрдости исходного порошкового материала. Экспериментальные данные по двум типам
порошков представлены в таблице (среднемассовые параметры плазменных струй на срезе
сопла при напылении покрытий имели значения: температура — 6000 К, скорость — 2400 м/с).

Для объяснения данного эффекта в настоящее время проводятся более глубокие
исследования полученных материалов.

В следующей таблице представлены данные по пористости покрытий из самофлюсующихся сплавов.

Средение значения пористости покрытий ПР-Р77Х15С3Р2-3 в зависимости от тока дуги
Ток дуги, А	140	170	200	230
Средняя пористость, %	0. 96	1.5	2.44	4.02
Количество пор размером менее 5 мкм, %	55.7	34.1	18.9	23.7

Интересные результаты обнаружены при исследовании покрытий из карбида бора, плакированного никелем.
В данном случае получена абсолютно нулевая пористость. На следующих ниже рисунках представлены
структура и распределение твёрдости такого покрытия (30% — никелевая оболочка и 70% — В4С).

Практически все напылительные установки ведущих западных фирм («Метко», «Плазматехник»,
«Кастолинэвтектик», и др.) укомплектованы плазмотронами с самоустанавливающейся длиной дуги.
Канал таких плазмотронов состоит из катода и сопла-анода, где средняя длина дуги определяется
процессами шунтирования дуги стенкой канала. Период пульсаций шунтирования соизмерим со
временем нахождения частиц порошка в струе плазмы при напылении. Таким образом напыляемый
порошок в процессе напыления нагревается и ускоряется по разному (в момент максимальной
длины дуги мощность струи плазмы максимальна, соответственно после пробоя-шунтирования
мощность минимальна). Измерения температуры частиц порошка Al2O3, нагреваемых в потоке
плазмы, генерируемого подобным плазмотроном, показали, что только 30% частиц нагрето до
температуры плавления. Так же серьёзным недостатком таких плазмотронов является то, что
мощность набирается за счёт больших значений тока дуги, а не напряжения, а это вызывает
повышенную эрозию электродов.

Наш плазмотрон выполнен по линейной схеме с секционированной межэлектродной вставкой (МЭВ),
которая обеспечивает, по сравнению с плазмотронами с самоустанавливающейся длиной дуги,
существенно большее рабочее напряжение, хорошую осевую симметрию плазменной струи и минимальный
уровень пульсаций его параметров.

Газоразрядная камера плазмотрона представляет собой расширяющийся от катода к аноду канал,
набранный из электрически изолированных друг от друга и от электродов секций межэлектродной
вставки (МЭВ). Межэлектродная вставка позволяет не только фиксировать длину дугового разряда
в канале плазмотрона, но и менять длину дуги, а соответственно и рабочее напряжение за счёт
варьирования количества секций МЭВ.

Плазмотрон рассчитан на работу в турбулентном, переходном и ламинарном режимах истечения
плазменных струй, что позволяет с высокой эффективностью напылять покрытия из любых материалов
(металлических, керамических, композиционных и т.д.).

Существенной модернизацией плазмотрона явилась разработка узла кольцевого ввода с
газодинамической фокусировкой порошковых материалов. Серийные западные и отечественные установки
плазменного напыления укомплектованы плазмотронами с точечным вводом обрабатываемого материала.

Узел кольцевого ввода с газодинамической фокусировкой обеспечивает получение осесимметричного
высокотемпературного гетерогенного потока. Визуализация гетерогенного потока, выполненная при
помощи лазерного ножа, иллюстрирует чёткую фокусировку и формирование плотного осесимметричного
течения при холодной продувке с подачей порошка, транспортирующего и фокусирующего газов.
На конструкцию узла ввода в 2013 году получен патент РФ.

Осесимметричный радиально-сходящийся поток частиц непосредственно за зоной анодной привязки
дугового разряда позволяет существенно увеличить эффективность взаимодействия потока плазмы
с порошковым материалом, что значительно повышает качество и производительность обработки
материала. Использование узла кольцевого ввода позволяет увеличить, по сравнению с односторонним
точечным, эффективность нагрева частиц и максимальную производительность обработки более чем на порядок.

Лабораторные и производственные испытания нашего плазмотрона, укомплектованного узлом кольцевого ввода,
показали существенное увеличение эффективности нагрева и ускорения частиц порошковых материалов.
Увеличение скорости истечения струи плазмы при напылении металлических порошков составило до 2,7
раз (перешли в сверхзвуковой режим), при напылении керамических порошков — до 3 раз.

Возможность использования в качестве плазмообразующего газа, помимо любых технически чистых газов,
обычного воздуха существенно удешевляет технологию и сокращает срок окупаемости оборудования
(установки ведущих западных фирм используют только особо чистые аргон, азот, водород и гелий).

Обычно из-за высоких внутренних механических напряжений, как показывает обзор литературных данных,
толщина твёрдых покрытий не превышает 1 мм. При большей толщине напылённого слоя отмечаются
случаи самопроизвольного отслоения покрытий.

На нашем плазмотроне, при использовании узла кольцевого ввода, реализованы режимы напыления твёрдых
покрытий большой толщины. На рисунке представлена фотография образца (стальная труба диаметром 160 мм)
с твёрдым (HRC > 60) покрытием из сплава Ni-Cr-B-Si-C толщиной более 12 мм.

Другим, относительно новым, технологическим приложением плазменного напыления порошковых материалов
является формирование так называемых корковых изделий.

В этом случае, на оправку требуемой формы и размеров производится напыление слоя порошкового материала
заданной толщины, а затем сформированное таким образом изделие снимается с оправки. При этом для возможности
снятия готового изделия, на оправку предварительно наносится определённый антиадгезионный слой. Также, в
ряде случаев, используются удаляемые оправки.

Особый интерес представляет изготовление таким образом керамических крупногабаритных изделий. Причём,
в ряде случаев, данная технология является практически единственно возможным вариантом изготовления
изделий требуемых габаритов, заданной прочности и точности.

Высокотемпературные керамические изделия производятся из химически чистых оксида алюминия или диоксида
циркония методом плазменного напыления – плазмокерамики.

Основным эксплуатационным достоинством плазмокерамики является его высокая огнеупорность — до
1900 ⁰С, стойкость к термоударам, воздействию металлических и стекольных расплавов, кислот,
а также высокая точность геометрических размеров керамических изделий.

Структура корундовой плазмокерамики и традиционной корундовой жаропрочной керамики.

Хорошо видны преимущества структуры плазмокерамического изделия (существенно более мелкозернистая и
плотная), что подтверждается и проведёнными термомеханическими испытаниями (механическая прочность и
стойкость к термоударам у плазмокерамики значительно выше).

При этом габаритные размеры плазмокерамических изделий ограничены только геометрией камер для напыления.
Точность выполнения геометрических размеров превосходит получаемую при традиционных способах изготовления
керамики. Толщина стенок варьируется в самых широких пределах (от 0,3 до 30 мм и более) и зависит только
от конструкции изделия.

Как это началось и как VON ARDENNE стал пионером в области технологий

ФОН АРДЕНН

ФОН АРДЕНН

Решение глобальных проблем сегодня
с передовым оборудованием для нанесения покрытий

Опубликовано 1 сентября 2021 г.

+ Подписаться

Что очень тонкое, почти невидимое и превращает кусок стекла в поверхность сенсорного экрана, которую легко чистить? Или в лобовое стекло, которое не пропускает тепло в машину и помогает экономить энергию? Ответ: функциональные вакуумные покрытия, созданные методом магнетронного напыления.

Магнетронное напыление стало незаменимой технологией вакуумного нанесения покрытий во многих отраслях промышленности и областях применения. Этот метод осаждения используется для получения множества материалов и подложек с оптическими, механическими или электрическими свойствами для желаемого применения.

Научно-исследовательский институт Манфреда фон Арденна и его преемник VON ARDENNE GmbH сыграли важную роль в развитии этой технологии на протяжении последних десятилетий.

В этой короткой серии статей мы хотели бы представить вам наиболее важные вехи, а также наш вклад в достижения в области магнетронного распыления.

Первые дни распыления  

Впервые явление распыления было упомянуто в 1852 году сэром Уильямом Робертом Гроувом. Он заметил, что металлические отложения возникают внутри разрядной трубки, когда исследовал проводимость газов с помощью тлеющего разряда постоянного тока.

Само магнетронное распыление, то есть распыление твердых катодов или материала мишени путем бомбардировки их ионами газа в вакууме, восходит к голландцу Ф. М. Пеннинг. В 1936 году он первым описал устройство для нанесения покрытий с катодом и анодом, поддерживаемыми магнитным полем.

Между концом 1960-х и началом 70-х годов П.Дж.Кларк и Дж.С. Чапин почти одновременно разработал первые источники распыления. Кларк расположил катод вокруг анода в форме кольца, тогда как Чапин выбрал планарную установку и таким образом изобрел планарный магнетрон. Однако эти источники не подходили для промышленного использования из-за их низкой скорости ионизации и покрытия. ЯВЛЯЮСЬ. Дороднов пошел другим путем и ввел замкнутую кольцеобразную магнитную схему для плазменных ускорителей для металлизации поверхностей.

Первое зажигание магнетрона на ФОН-АРДЕННЕ

В 1974 г. почти в то же время и без какого-либо знания работы Дороднова группа ученых Исследовательского института Манфреда фон Арденна в Дрездене выбрала аналогичную установку: магнетрон с закрытым кольцевым щелевым разрядом вблизи катода. Такая компоновка позволила значительно повысить ионизацию технологического газа и значительно повысить скорость нанесения покрытия. На видео показана репликация этой установки.

Не прошло и года, как институт представил первый коммерческий магнетрон: плазмотрон ППС-5А (см. рисунок), который мог работать с мощностью пять киловатт при напряжении 500 вольт. Он мог достигать замечательной скорости распыления 0,7 грамма в минуту, когда в качестве материала мишени использовалась медь.

Эта разработка стала для VON ARDENNE первым шагом на пути к промышленному вакуумному покрытию, поскольку она позволила компании стать одним из ведущих поставщиков технологии магнетронного напыления.

В следующей статье вы узнаете, как микроэлектроника способствовала прорыву в технологии напыления в 1980-х годах и какой вклад в это внесла ФОН АРДЕННЕ.

Плоский магнетронный распылительный разряд, усиленный радиочастотной или микроволновой магнитоактивной плазмой | Журнал вакуумной науки и техники A

Пропустить пункт назначения навигации

Исследовательская статья|
01 июля 1997 г.

Дж. Мусил;

М. Мишина;

Д. Ховорка

Journal of Vacuum Science & Technology A 15, 1999–2006 (1997)

https://doi.org/10.1116/1.580670

История статьи

Получено:

22 ноября 1996 г.

Принято:

28 марта 1997 г.

• Взгляды

  • Содержание артикула
  • Рисунки и таблицы
  • Видео
  • Аудио
  • Дополнительные данные
  • Экспертная оценка

• Делиться

  • Твиттер
  • Фейсбук
  • Reddit
  • LinkedIn

• Инструменты

  • Перепечатки и разрешения

  • 
    Иконка Цитировать
    
    Цитировать

• Поиск по сайту

Цитата

Ю. Мусил, М. Мишина, Д. Ховорка; Разряд планарного магнетронного распыления, усиленный радиочастотной или микроволновой магнитоактивной плазмой. Journal of Vacuum Science & Technology A 1 июля 1997 г.; 15 (4): 1999–2006 гг. https://doi.org/10.1116/1.580670

Скачать файл цитаты:

• Рис (Зотеро)
• Менеджер ссылок
• EasyBib
• Подставки для книг
• Менделей
• Бумаги
• Конечная примечание
• РефВоркс
• Бибтекс

панель инструментов поиска

Расширенный поиск
|Поиск по цитированию

Разряд постоянного тока неуравновешенного планарного магнетрона усиливался радиочастотной или микроволновой плазмой, генерируемой спиральной антенной. Для удержания плазмы использовался массив постоянных магнитов вокруг разрядной камеры. Приведены вольт-амперные характеристики разряда, плотности ионного тока подложки и ионизированная доля потока распыленных атомов металла.