Плазмотроны для напыления: Плазменное напыление. Принцип, оборудование плазменного напыления

Плазменное напыление. Принцип, оборудование плазменного напыления

Содержание страницы

Итак, в чем же состоит принцип плазменного напыления? Во всех устройствах плазменного напыления порошок приобретает температуру и скорость в струе горячего газа, создаваемого плазматроном. В свою очередь, плазматрон или плазменный генератор — это устройство, изобретенное в 1920-х годах, в котором электрическая дуга, горящая между катодом и анодом в ограниченном объеме (сопле), раздувается инертным газом и создает факел высокотемпературного восстановительного пламени.

Чем же так привлекателен этот принцип для решения задач термического напыления? Именно тем, что пламя плазматрона очень горячее и всегда строго восстановительное; присутствие кислорода в плазматроне категорически не допускается из-за быстрого, в противном случае, разрушения материалов электродов (парциальное давление кислорода в плазмообразующих газах определяется их чистотой и должно быть не выше 0,004%). Факел пламени плазматрона, при грамотном его применении, может не только восстановить активную металлическую поверхность из оксидных пленок на напыляемых частицах, но даже и очистить от оксидов саму поверхность субстрата. Подобную возможность предоставляет исключительно метод плазменного напыления.

В отношении плазменного напыления существует, в среде теоретиков и практиков термического напыления, ряд предрассудков, которые, в большинстве случаев, связаны не с процессом как таковым, а с недопониманием сути процесса напыления, недостатками конструкций конкретных устройств и с неправильным их применением. Обсудим эти предрассудки:

1. «Пламя плазмы слишком горячее и пригодно поэтому, только для напыления тугоплавких металлических и оксидных керамических материалов. Слишком высокая температура приводит к испарению части порошка и разрушению карбидов хрома и вольфрама».

Действительно, температура плазмы может достигать 20.000°C и более, что много выше, чем, например, температура ацетиленокислородного пламени (около 3000°C). Однако, температура пламени имеет очень мало общего с температурой напыляемых частиц. Не углубляясь в физику взаимодействия горячего газа с твердыми частицами, скажем только, что это взаимодействие очень сложное и зависит от большого количества параметров, в числе которых не только температура газа, его скорость, длина факела и размер частиц, но и химические составы газа и частиц. К тому же, решающее значение для передачи тепла от факела к частицам имеет не абсолютная температура пламени, а его светимость. Так, например, более горячее, но почти невидимое водородно-кислородное пламя нагревает частицы гораздо хуже, чем более холодное, но яркое (из-за светящихся нано частиц углерода) ацетилено-кислородное пламя. Светимость факела плазмы зависит от состава плазмообразующего газа, от размера и состава частиц, проходящих сквозь него. Интересно, что во многих случаях эта светимость меньше, чем у ацетиленокислородного пламени и ее приходится увеличивать разными способами, только чтобы придать частицам хотя бы минимальную необходимую температуру. Так как длина пламени газопламенных устройств также часто превышает длину факела плазмы, получается «парадокс»: грубозернистые металлические порошки нагреваются в устройствах порошкового газопламенного напыления сильнее, чем в более мощных и «горячих» устройствах плазменного напыления.

2. «Скорость частиц при плазменном напылении недостаточна для получения плотных покрытий».

Скорость потока газа и частиц в нем определяется не принципом образования пламени, а исключительно конструкцией устройства. В настоящее время существуют промышленные устройства плазменного напыления с соплом Лаваля, обеспечивающие частицам сверхзвуковую скорость.

3. «Для напыления металлов годятся только дорогостоящие установки вакуумного плазменного напыления, а установки атмосферного плазменного напыления непригодны из-за окисления металлических частиц».

Подобное утверждение приходится, как ни странно, слышать довольно часто, даже от людей, практически занимающихся плазменным напылением, особенно применительно к покрытиям из MCrAlY для лопаток газовых турбин. На самом же деле, в этом утверждении происходит типичная подмена понятий: чисто металлические покрытия из легкоплавких никелевых сплавов, полученные вакуумным плазменным напылением (VPS), действительно лучше атмосферно напыленных (APS), но не из-за окисления частиц в плазме, а совсем по другой причине, о которой будет рассказано в разделе, посвященном вакуумному плазменному напылению. Окисление же металлических частиц в обоих этих способах происходит одинаково.

Устройства атмосферного плазменного напыления ничем не отличаются от устройств вакуумного плазменного напыления. Разница не в самих устройствах, а в способе организации процесса напыления: атмосферное напыление проводится на воздухе, а при вакуумном напылении и плазматрон, и напыляемая деталь находятся в вакуумной камере под разряжением. Понятно, что атмосферное напыление гораздо доступнее и дешевле вакуумного, к тому же для больших деталей вакуумное напыление становится просто невозможным из-за нереального размера вакуумной камеры. Сами же плазматроны могут использоваться как для атмосферного, так и для вакуумного напыления.

Чтобы понятнее объяснить особенности плазменного напыления, перейдем к рассмотрению разных конструкций, существующих на сегодняшний день.

Установки плазменного напыления

Устройства плазменного напыления отличаются большим разнообразием конструкций. Будем рассматривать их от самых «традиционных» до самых «продвинутых».

Наиболее распространенные устройства, — это устройства с одним катодом и одним анодом, и с вводом порошка снаружи короткого сопла, перпендикулярно к оси пламени.

Принцип действия таких устройств показан на схеме (рисунок 28):

Рис. 28. Принцип плазменного напыления.

Как видно из схемы, короткое сопло плазматрона одновременно является анодом. Порошок вводится снаружи сопла перпендикулярно оси пламени, в непосредственной близости от дуги.

Самое популярное устройство этого типа, — плазматрон 3MB фирмы Sulzer Metco, который, с небольшими модификациями, существует уже больше 40 лет. На рисунке 29 представлены актуальные модели этой серии с максимальной мощностью 40 кВт.

Рис. 29. Плазматрон 3MB.

Несколько более новое и мощное (55 кВт) однокатодное устройство, — плазматрон F4, показанный на рисунке 30.

Рис. 30. Плазматрон F4.

Устройство 9MB, — один из самых мощных однокатодных плазматронов традиционного типа (80 кВт при токе 1000 А и напряжении 80 В) производится также фирмой Sulzer Metco (рисунок 31):

Рис. 31. Плазматрон 9MB

Традиционные однокатодные плазматроны других фирм мало отличаются от плазматронов Sulzer Metco: все они работают при относительно малом расходе газов, низком (< 100 В) напряжении и большом (до 1000 А) токе дуги. Ни один из традиционных плазматронов не позволяет достичь частицам скорости звука.

Достоинством плазматронов с небольшим расходом газов является возможность придания частицам очень высокой температуры (> 4000°C) из-за относительно долгого времени их пребывания в горячей зоне пламени рядом с дугой. Столь высокие температуры частиц позволяют расплавить практически любые керамические и металлические материалы.

Развитие техники плазменного напыления в последние двадцать лет идет по пути увеличения скорости частиц. Для придания частицам большей скорости необходимо увеличить давление плазмообразующих газов перед соплом, что автоматически приводит к повышению расхода газов и росту напряжения дуги.

Современное, мощное (до 85 кВт, ток до 379 А, напряжение до 223 В) устройство с одним катодом и анодом — это плазматрон 100HE американской фирмы Progressive Technologies Inc., который, благодаря большому давлению и расходу плазмообразующих газов, позволяет достичь скоростей частиц — близких к скорости звука (рисунок 32):

Рис. 32. Плазматрон 100HE.

Из-за высокой скорости плазмообразующего газа уменьшается время пребывания частиц в горячей зоне пламени и, соответственно, их температура. Для противодействия этому необходимо увеличивать мощность дуги и использовать в плазмообразующем газе большое количество водорода, который, благодаря процессу диссоциации-ассоциации молекул, удлиняет горячую зону пламени. Таким образом, плазматрон 100HE реализует температуру частиц, с размером 20-30 мкм, выше 2300°C при скорости около 250 м/сек, что делает возможным напылять покрытия из Cr₃C₂ — NiCr, Cr₂O₃ и Al₂O₃ с малой пористостью.

Вторым направлением развития, в комбинации с увеличением расхода газов, является деление одной дуги на три части, которое позволяет улучшить стабильность и равномерность факела пламени, уменьшить износ электродов и увеличить суммарную мощность пламени. Типичным примером такого устройства является новейший плазматрон TriplexPro^TM-210 фирмы Sulzer Metco с одним анодом и тремя катодами, максимальной мощностью 100 кВт (рисунок 33):

Рис. 33. Плазматрон TriplexPro^TM.

1 – задняя часть корпуса; 2 – анодный стек; 3 – передняя часть корпуса; 4 – изолятор; 5 – накидная гайка; 6 – три катода в керамическом блоке; 7 – элемент анодного стека; 8 – канал плазмы; 9 – насадка с тремя порошковыми дюзами.

Технология Triplex от Sulzer Metco вошла в практику термического напыления в 90-х годах. Эти устройство обладают, по сравнению с плазматронами с одной дугой, существенно большим ресурсом и стабильностью результатов напыления. Для многих коммерческих порошков плазматроны Triplex позволяют также улучшить производительность и КПД напыления при сохранении качества покрытия.

Фирмой GTV GmbH выпущено, в обход патента Sulzer Metco на трехкатодные плазматроны, устройство GTV Delta с одним катодом и тремя анодами, которое, в принципе, является ухудшенной компиляцией TriplexPro (рисунок 34):

Рис. 34. Плазматрон GTV Delta.

Последнее, третье направление развития — это отказ от радиального ввода порошка в пользу гораздо более рационального — осевого. Ключевой элемент конструкции плазматрона с осевым вводом порошка — Convergens был изобретен в 1994 году американцем Люсьеном Богданом Дэльча (Delcea, Lucian Bogdan).

В настоящее время существует только одно подобное устройство, — плазматрон Axial III, максимальной мощностью 150 кВт, производства канадской фирмы Mettech, которое объединяет собой все три направления развития (большой расход газов, три дуги и осевой ввод порошка). Установки плазменного напыления с плазматроном Axial III производятся и распространяются также немецкой фирмой Thermico GmbH.

На рисунках 35, 36 и 37 изображено само устройство Axial III и его конструктивная схема:

Рис. 35. Плазматрон Axial III.

Рис. 36. Вид на устройство Axial III со стороны сопла.

Рис. 37. Принципиальная схема Axial III.

Все современные установки плазменного напыления являются автоматическими, то есть, управление источниками тока, системой водяного охлаждения и расходом газов регулируется системой ЧПУ с визуализацией и сохранением рецептов на компьютере. Так, например, плазматрон Axial III поставляется фирмой Thermico GmbH в комплекте с компьютеризированной системой управления, самостоятельно проводящей зажигание дуг и выход на рабочий режим, выбор рецептов напыления, и осуществляющей контроль всех основных параметров: расхода трех плазмообразующих газов (аргона, азота и водорода), токов дуг, параметров системы водяного охлаждения. Эта же автоматическая система управляет и порошковым питателем.

О порошковом питателе Thermico нужно сказать особо. Это, наиболее «продвинутое» на сегодняшний день в мире устройство позволяет не только постоянно регулировать массовый расход порошка и расход несущего газа (азота или аргона), но и допускает использование тонкозернистых порошков с плохой сыпучестью, непригодных, например, для питателей фирмы Sulzer Metco.

Автор лично, в течение долгого времени работал с плазматроном Axial III и может из своего опыта сказать, что несмотря на некоторые конструктивные недоработки, этот плазматрон представляет собой самое прогрессивное устройство термического напыления, объединяющее достоинства высокоскоростного напыления с высокой температурой строго восстановительного пламени. Главное же достоинство Axial III состоит в осевом вводе порошка.

Достоинства осевого ввода порошка

Осевой ввод порошка — это качественный скачок в технике плазменного напыления. Дело тут не только в том, что при осевом вводе значительно уменьшаются потери порошка, но и в том, что открываются возможности напыления совсем других порошковых материалов, непригодных для радиального ввода. Так как этот аспект является принципиально важным для понимания следующих разделов, остановимся на нем подробнее.

Итак, что же происходит при радиальном вводе порошка в струю пламени на выходе из сопла? Перечислим недостатки такого ввода:

1. Для радиального ввода пригодны только очень узкофракционные порошки, для которых необходимо точно подбирать давление несущего газа. Что это значит?: При недостаточном давлении несущего газа частицы порошка будут «отскакивать» от струи пламени, при слишком высоком давлении несущего газа они будут «простреливать» это пламя насквозь; если же порошок состоит из частиц разного размера, то подобрать «правильное» давление несущего газа в принципе невозможно: самые мелкие частицы будут всегда «отскакивать», а самые крупные — всегда «простреливать», то есть, ни тех ни других частиц в напыляемом покрытии не будет, а будут только какие-то «средние» частицы. Особенно трудно вводятся мелкозернистые порошки из-за их повышенного рассеяния несущим газом (типичное облако пыли вокруг факела).
2. При радиальном вводе порошка нельзя использовать в порошковой смеси не только частицы разных размеров, но и разных плотностей (разных масс) по той же причине: более тяжелые частицы пролетают сквозь пламя легче более легких. Таким образом, попытка использования сложных порошковых смесей приведет к искажению состава покрытия по сравнению с составом порошковой смеси.
3. Увеличение скорости плазмообразующих газов усложняет радиальный ввод порошка, так как дополнительно сужаются интервалы необходимых давлений несущего газа и распределения частиц по размерам. На практике это означает следующее: чем выше скорость пламени, тем меньше КПД напыления при радиальном вводе порошка. Ввести же весь порошок в пламя без потерь невозможно ни при каких обстоятельствах.
4. Расположение порошковых дюз рядом с горячей зоной пламени вызывает их разогрев, компенсирующийся только охлаждением газом, несущим порошок. Если же скорости охлаждающего газа недостаточно для охлаждения, то частицы порошка могут налипать на края отверстия дюз, образуя натеки. Налипшие куски периодически отрываются от дюзы, попадают в пламя и вызывают характерный дефект — «плевание», приводящий к образованию грубых пористых включений в покрытии. Так как скорость истечения несущего газа строго связана с параметрами пламени (см. пункт 1), то возникает проблема: для некоторых порошков просто не существует параметров, убирающих эффект «плевания», особенно если эти порошки легкоплавкие и/или мелкозернистые.

Переход на осевое введение порошка позволяет полностью избавиться от вышеперечисленных проблем:

1. Давление и скорость несущего газа больше не привязаны к параметрам пламени и порошка. Единственное условие, — давление несущего газа должно быть несколько выше давления плазмообразующего газа в сопле в месте ввода порошка. За счет осевого ввода, любой порошок полностью захватывается пламенем.
2. Всегда можно подобрать такое давление несущего газа, при котором «плевания», связанного с налипанием порошка на край отверстия порошковой дюзы происходить не будет.
3. Возможно использование порошковых смесей любой сложности и фракционного состава. Частицы разных размеров будут приобретать различные скорости и температуры, но все, в итоге, примут участие в образовании покрытия. То, что мелкие частицы при осевом вводе в пламя плазмы становятся значительно горячее крупных, открывает новые возможности для дизайна порошковых смесей. Созданию таких полифракционных композиций посвящена основная часть этой книги.

Автору очень повезло, что в его распоряжении в течение многих лет находился плазматрон Axial III с осевым вводом порошка. Если бы не это, то создание новых многокомпонентных покрытий было бы просто невозможно.

Сводная таблица устройств термического напыления

Для обобщения, прямого сравнения и систематизации всех способов термического напыления сопоставим свойства типичных устройств, а также их примерные цены в одной таблице (таблица 2):

Таблица 2. Сравнение устройств термического напыления.

* Нумерация способов:

1. Газопламенное напыление проволокой
2. Газопламенное напыление порошком
3. Сверхзвуковое газопламенное напыление проволокой
4. Сверхзвуковое газопламенное напыление порошком (HVOF и HVAF)
5. Холодное напыление порошком
6. Детонационное напыление порошком
7. Электродуговое напыление проволокой
8. Плазменное напыление порошком (APS и VPS)

Просмотров: 1 907

Плазменное напыление металла: оборудование, фото, видео

Виды и применение процессов плазменного напыления металлов

Плазменное напыление (или, другими словами – диффузионная металлизация) эффективный способ изменения физико-механических свойств, а также структуры основной поверхности. Поэтому он часто используется с декоративными целями, и для увеличения стойкости конечного продукта.

Плазменное напыление металла

Принцип плазменного напыления

Как и традиционные методы поверхностных покрытий, при диффузионной металлизации происходит осаждение на поверхности металла слоя другого металла или сплава, который обладает необходимыми для последующего применения детали свойствами – нужным цветом, антикоррозионной стойкостью, твёрдостью. Отличия заключаются в следующем:

1. Высокотемпературная (5000 — 6000 °С) плазма значительно ускоряет процесс нанесения покрытий, который может составлять доли секунд.
2. При диффузионной металлизации в струе плазмы в поверхностные слои металла могут диффундировать также химические элементы из газа, где проводится обработка. Таким образом, регулируя химический состав газа, можно добиваться комбинированного поверхностного насыщения металла атомами нужных элементов.
3. Равномерность температуры и давления внутри плазменной струи обеспечивает высокое качество конечных покрытий, чего весьма трудно достичь при традиционных способах металлизации.
4. Плазменное напыление отличается чрезвычайно малой длительностью процесса. В результате не только повышается производительность, но также исключается перегрев, окисление, прочие нежелательные поверхностные явления.

Рабочие установки для реализации процесса

Поскольку чаще всего для инициации высокотемпературной плазмы используется электрический разряд – дуговой, искровой или импульсный – то применяемое для такого способа напыления оборудование включает:

• Источник создания разряда: высокочастотный генератор, либо сварочный преобразователь;
• Рабочую герметизированную камеру, где размещается подвергаемая металлизации заготовка;
• Резервуар для газа, в атмосфере которого будет производиться формирование высокотемпературной плазмы;
• Насосной или вакуумной установки, обеспечивающей необходимое давление для прокачки рабочей среды или для создания требуемого разрежения;
• Системы управления за ходом протекания процесса.

Работа плазмотрона, выполняющего плазменное напыление, происходит так. В герметизированной камере закрепляется напыляемая деталь, после чего между поверхностями рабочего электрода (в состав которого входят напыляемые элементы) и заготовкой возбуждается электрический разряд. Одновременно через рабочую зону с требуемым давлением прокачивается жидкая или газообразная среда. Её назначение – сжать зону разряда, повысив тем самым объёмную плотность его тепловой мощности. Высококонцентрированная плазма обеспечивает размерное испарение металла электрода и одновременно инициирует пиролиз окружающей заготовку среды. В результате на поверхности образуется слой нужного химического состава. Изменяя характеристики разряда – ток, напряжение, давление – можно управлять толщиной, а также структурой напыляемого покрытия.

Схема плазменного напыления

Аналогично происходит и процесс диффузионной металлизации в вакууме, за исключением того, что сжатие плазмы происходит вследствие разницы давлений внутри и вне её столба.

Технологическая оснастка, расходные материалы

Выбор материала электродов зависит от назначения напыления и вида обрабатываемого металла. Например, для упрочнения штампов наиболее эффективны электроды из железо-никелевых сплавов, которые дополнительно легируются такими элементами, как хром, бор, кремний. Хром повышает износостойкость покрытия, бор – твёрдость, а кремний – плотность финишного покрытия.

При металлизации с декоративными целями, главным критерием выбора металла рабочего электрода является конфигурация напыляемой поверхности, а также её внешний вид. Напыление медью, например, производят электродами из электротехнической меди М1.

Важной структурной составляющей процесса является состав среды. Например, при необходимости получить в напыляемом слое высокостойкие нитриды и карбиды, в газе должны присутствовать органические среды, содержащие углерод или азот.

Последующая обработка готового покрытия

В силу особенностей процесса плотность напылённого слоя и прочность его сцепления с основным металлом не всегда бывают достаточными для обеспечения долговечности покрытия. Поэтому часто после обработки деталь подвергается последующему поверхностному оплавлению с использованием кислородно-ацетиленового пламени, либо в термических печах. Как следствие, плотность покрытия возрастает в несколько раз. После этого продукцию шлифуют и полируют, применяя твердосплавный инструмент.

С учётом последующей доводки изделия, толщину слоя металла после обработки принимают не менее 0,8 — 0,9 мм.

Для придания детали окончательных прочностных свойств её закаливают и отпускают, применяя технологические режимы, рекомендуемые для основного металла.

Плазменное напыление повышает теплостойкость, износостойкость и твёрдость изделий, увеличивает их способность противодействовать коррозионным процессам, а напыление с декоративными целями значительно улучшает внешний вид деталей.

Ограничениями технологии диффузионного плазменного напыления считаются чрезмерная сложность конфигурации заготовки, а также относительная сложность используемых установок.

При невысоких требованиях к равномерности образующегося слоя можно использовать и более простые установки, конструктивно напоминающие сварочные полуавтоматы. В этом случае плазменное напыление производится в воздушном пузыре, который образуется при обдуве зоны обработки компрессором. Электроды, в составе которых имеется напыляемый металл, последовательно перемещаются по контуру изделия. Для улучшения сцепления напыляемого металла с основой внутрь зоны напыления вводится также присадочный материал.

Процесс напыления металлического порошка на токарном станке

Плазмотрон с водяным охлаждением (плазморез на воде)

Плазмотрон с водяным охлаждением является наиболее распространенным приспособлением для плазменной резки. Теплоемкость воды по сравнению с воздухом или газами намного выше и ее применение в качестве охладителя гораздо эффективнее. Поэтому если вы еще не выбрали оборудование, оптимальным решением будет купить плазморез водяной.

Зачем нужно охлаждение оборудования?

Каждое устройство плазменной резки оборудовано системой охлаждения. Она позволяет предотвратить нагревание и расплавление основных элементов оборудования под воздействием высокотемпературной дуги. Так, аппараты небольшой мощности (с рабочим током до 100 А) могут охлаждаться воздухом, но при более высоких параметрах обязательно применение охлаждающей жидкости.

Основные источники тепла в системе плазмореза на воде или любом другом охлаждающем агенте:

1. Силовые кабели в шланг-пакете – они проводят большое количество тока, а их сечение относительно небольшое. Поэтому провода выделяют просто огромное количество тепла, которое необходимо отводить для предупреждения расплавления.
2. Электрод – с его поверхностью соединяется плазменная дуга. В результате на небольшую металлическую часть воздействует большое количество энергии. Поэтому по задней стороне электрода непрерывно циркулирует охлаждающая жидкость.

Также высоким тепловым нагрузкам подвержены сопло и другие детали плазменного резака на воде. Поэтому правильная работа охлаждающей системы является гарантией более продолжительного эксплуатационного ресурса основных расходных элементов оборудования.

Как охлаждается плазменный резак?

Изначально жидкость внутри плазмотрона с водяным охлаждением контактирует с электродом. Отверстие малого диаметра для потока охладителя способствует высокой скорости его протекания по задней стенке электрода, а значит и более эффективному отведению теплоты.

Затем хладагент протекает обратно в корпус резака и через другой канал к соплу. После жидкость возвращается в охлаждающее устройство. Принципиальная схема этого процесса представлена ниже:

Компания «ПУРМ» является производителем надежных в эксплуатации водяных плазморезов. У нас вы можете подобрать и купить подходящее по цене и рабочим характеристикам устройство с эффективной охлаждающей системой.

Установка ионно-плазменного (магнетронного) напыления. Часть 1 / Хабр

Здравствуйте беспокойные умы. Сегодня речь пойдет об установке магнетронного напыления, полностью спроектированной и изготовленной своими руками.

Для начала я вкратце постараюсь ответить, для чего нужны подобные установки и что же такое, ионно-плазменное распыление.

Мишень — это тот материал, который распыляется.

Подложка — это, то на что происходит напыление.

Установки такого рода позволяют формировать на подложках тончайшие слои токопроводящих материалов (в основном металлов). В качестве подложек может использоваться как токопроводящий, так и диэлектрический материал. А для того чтобы сформировался нанослой, например какого либо металла на подложке, требуется сначала хорошенько атаковать металл плазма-образующими ионами, для этого используют зажжение плазмы тлеющего разряда при пониженном давлении и магнетрон в качестве ловушки для электронов.

Давайте рассмотрим простейшую схему магнетрона и его работу, и вы поймете, почему он является ловушкой (постараюсь без особой научности, но думаю, что многие будут против, так как некоторые моменты без этого не объяснить, но я постараюсь).

Классический тлеющий разряд загорается при постоянном токе, и ток течет от анода к катоду. Катодом является плоская мишень, под которой находится кольцевой магнит. Электроны летящие от катода, ионизируют газ в объеме, ионы которого попадают в мишень, из нее выбивают атомы которые вновь сталкиваются с электронами, тем самым их часть ионизируется… В общем образуется электронная лавина, которая закручивается магнитным полем и не дает им после столкновений улететь, тем самым магнит удерживает электроны и при этом увеличивается образование атомов, которые осаждаются на подложке, тем самым формируя пленку.

А теперь от теории к практики. Так как я занимаюсь различными плазмохимическими технологиями при атмосферном давлении, то через какое-то время возник интерес и к пониженному давлению. Источник питания тлеющего разряда у меня уже имелся в наличии, его я сделал давно. И после покупки вакуумного насоса, начались эксперименты, которые выявили некоторые трудности при работе с пониженным давлением.

Подводя итоги этой части статьи, можно сказать, что работа движется, получается немалый опыт и дополнительные знания. На данный момент, готов корпус в железе, он будет покрашен, после чего начнется сборка.

Статью специально не стал раздувать, потому что в роликах многие вопросы освещены, а если нет, то в комментариях я постараюсь на все ответить.

Плазмотрон. Технология плазменной плавки, плавления, напыления. Плазменное получение порошков.

Газоразрядная плазма создается в специальных устройствах- плазмотронах. Представим основные разновидности этих устройств. Существует две разновидности плазмотронов: 1 — Дуговые плазмотроны постоянного тока. 2 — Высокочастотные плазмотроны.

Рис. 1.17. Дуговой плазмотрон прямого действия: 1 — электрод, 2 — обрабатываемая деталь, 3 — водоохлаждаемый              корпус, 4 — источник постоянного напряжения, 5 — дуговой разряд, 6 – плазменная струя             

Рис. 1.18 Дуговой плазмотрон  косвенного действия: 1 — электрод, 2 — обрабатываемая деталь, 3 — водоохлаждаемый корпус, 4 — источник постоянного напряжения, 5 — дуговой разряд, 6 — плазменная струя

Дуговой плазмотрон постоянного тока состоит из следующих узлов: внутреннего электрода, разрядной камеры и устройства подачи плазмообразующего вещества. Различают два типа дуговых плазмотронов — для формирования плазменной дуги и для создания плазменной струи. В устройствах первой группы (плазмотроны прямого действия) дуговой разряд горит между внутренним электродом (1) и обрабатываемым материалом, служащим анодом (2) (см. рис. 1.17).

В устройствах второй группы (плазмотроны косвенного действия, см. рис.1.18) плазма, создаваемая в разряде между электродом (1) и корпусом (3), истекает из разрядной камеры в виде струи. Стабилизация разряда в дуговых плазмотронах в большинстве случаев осуществляется с помощью магнитного поля.

Плазмотроны косвенного действия (плазмоструйные) используются при термической обработке как металлов, так и диэлектриков, а также для нанесения покрытий. Плазмотроны прямого действия (плазмодуговые) служат для сварки, резки, плавки электропроводных материалов. Мощности дуговых плазмотронов 10²-10 ⁷Вт. Температура струи на срезе сопла 3000-12000 К.

Комбинированные плазмотроны представляют собой симбиоз плазмодуговых и плазмоструйных плазмотронов. В них дуга зажигается одновременно между электродом (1), корпусом (3) и заготовкой (2).

Высокочастотный плазмотрон (см. рис. 1.19) включает: электромагнитную катушку, индуктор (1) или электроды, подключенные к источнику ВЧ-энергии, корпус плазмотрона (2), разрядную камеру (4),

узел ввода плазмообразующего вещества. Мощность ВЧ-плазмотронов достигает 106 Вт, температура в центре разрядной камеры достигает 10000 К. Частота электромагнитного поля 10-50 МГц.

Рис. 1.19. Схема индукционного высокочастотного плазмотрона: 1 — индуктор, 2 — водоохлаждаемый корпус, 3 — плазменная струя, 4 — разрядная камера, 5 — обрабатываемая деталь

Плазменные технологии

Газоразрядная плазма широко используется в современной технике для реализации следующих электротехнологий:

—              синтез веществ,

—              получение ультрадисперсных порошков,

—              плавка, резка, сварка металлических изделий,

—              травление и очистка поверхности,

—              нанесение покрытий на изделия,

—              плазмохимическое легирование поверхности.

Рассмотрим некоторые из этих технологий более подробно.

Плазменная наплавка. Это процесс нанесения на поверхность заготовки упрочняющих слоев большой толщины. В результате деталь из дешевых материалов приобретает уникальные механические свойства. Для упрочнения металлических деталей используется плазмотроны косвенного действия (см. рис. 1.19), на рисунке по стрелке подается, наряду с газом, наплавляемый металл (как правило, порошок твердого сплава), Обычно толщина наплавленного за один проход слоя металла составляет 1-10 мм.

Примером плазменной наплавки является нанесение инструментальной стали на обычную углеродистую сталь. В результате деталь из дешевого металла приобретает высокие свойства, характерные для дорогих изделий. Кроме того, осуществляют эффективное восстановления коленчатых валов двигателем внутреннего сгорания, а также ремонт дорогостоящих штампов.

Плавление и кристаллизация. Плазменное плавление и кристаллизация материалов, как металлов, так и диэлектриков и полупроводников получило широкое распространение ввиду высокой технологичности процесса. Схема соответствующих устройств приведена на рис. 1.20. Сверху в камеру (2) вмонтирован плазмотрон (1), в плазменную струю (3) которого помещается заготовка, подлежащая расплавлению. Расплавленный материал попадает в кристаллизатор (4), где кристаллизуется, и слиток вынимается из камеры. Для предотвращения окисления плавку ведут в инертной атмосфере. В результате цикла «плавление-кристаллизация», происходит очистка материала от примесей. Данный способ позволяет плавить как металлы, так и оксиды, карбиды, нитриды, при этом температура плавления может достигать 4000 0С.

Рис. 1.20. Схема напыления в плазмотроне: 1 — плазмотрон, 2 — подложки, 3 — тигель с напыляемым материалом, 4 — потоки атомов

Рис. 1.21. Схема технологического процесса плазменного плавления и кристаллизации металлов: 1 — плазмотрон, 2 — корпус установки, 3 — плазменная струя, 4 — кристаллизатор, 5 — заготовка расплавляемого материала

Плазменное напыление. Плазменное напыление является процессом нанесения покрытий с помощью высокотемпературной плазменной струи, которая обеспечивает испарение материала и перенос его атомов на подложку. Напыляемым материалом могут быть металлы, керамика, различные полупроводниковые и диэлектрические соединения. Напыление применяется для нанесения на изделие тонкого слоя другого материала с целью улучшения прочностных, коррозионных, жаропрочных, декоративных и других эксплуатационных свойств материалов и изделий. На рис. 1.21 представлена схема процесса напыления атомов на подложку с использованием плазмотрона. Распыляемый материал (3)

под действием плазменной струи переходит в атомарное состояние, атомы вещества осаждаются на подложке (2), образуя прочную пленку, толщина которой определяется временем экспозиции.

Кроме плазмотронов, для напыления применяются плазменные ускорители. Это устройства для получения потоков плазмы со скоростями (10-1000) км/c, что соответствует кинетической энергии ионов от 10 эВ до 10⁶ эВ. Наибольшее распространение получили плазменные ускорители, в которых для создания и ускорения используется энергия электрического разряда. В отличии от ускорителей заряженных частиц в канале плазменного ускорителя находятся одновременно положительные ионы и электроны, то есть не нарушается квазинейтральность плазмы. Основной механизм ускорения плазмы состоит в следующем. Плазма рассматривается как сплошная среда. Ускорение обусловлено перепадом электронного и ионного давления и действием силы Ампера (пондероматорные силы), возникающей при взаимодействии токов, текущих в плазме с магнитным полем. Для плазменного напыления используются как плазмотроны, так и плазменные ускорители. Последние имеют несомненное преимущество, поскольку ускоренные ионы проникают в материал подложки на большую глубину, тем самым обеспечивая хорошее сцепление напыленной пленки с подложкой.

Получение порошков средней дисперсности

Рис. 1.22. Схема процесса плазменного получения порошков: 1 — плазмотрон, 2 — камера, 3 — вращающийся кристаллизатор, 4 — частицы порошка, 5 — заготовка

Частицы порошков средней дисперсности имеют размеры в пределах (10-1000) мкм. Именно такие порошки наиболее интенсивно применяются в порошковой металлургии для изготовления изделий из металла, ферритов, керамики. Рис. 1.22 иллюстрирует процесс плазменного получения порошков средней дисперсности. Заготовка (5), расплавляясь в струе плазмотрона (1). Капли заготовки достигают вращающегося кристаллизатора, разбрызгиваются и застывают в виде монокристальных частиц размером (10-1000) мкм. Регулируя скорость вращения кристаллизатора, можно получать частицы порошка разной дисперсности. 

Получение ультрадисперсных порошков. Ультрадисперсные порошки имеют размеры частиц меньше 1 мкм, то есть относятся к категории наноразмерных порошков. Дисперсность УДП составляет (10-1000) нм. Одним из самых распространенных химических методов получения высокодисперсных порошков нитридов, карбидов, боридов, оксидов является плазмохимический синтез. Основными условиями получения высокодисперсных порошков этим методом являются: протекание реакции вдали от равновесия и высокая скорость образования зародышей новой фазы при малой скорости их роста. В реальных условиях плазмохимического синтеза получение наночастиц целесообразно осуществлять за счет увеличения скорости охлаждения потока плазмы, в котором происходит конденсация из газовой фазы; благодаря этому уменьшается размер образующихся частиц, а также подавляется рост частиц путем их слияния при столкновениях. При плазмохимическом синтезе используется низкотемпературная (4000-8000) К азотная, аммиачная, углеводородная, аргоновая плазма дугового, тлеющего, высоко- или сверхвысокочастотного разрядов. Главный недостаток плазмохимического синтеза — широкое распределение частиц по размерам, и вследствие этого наличие довольно крупных (до 3 мкм) частиц.

На рис. 1.23 представлена схема получения нанопорошков оксида циркония в плазме ВЧ-разряда. Через дозирующее устройство (1) распыляется водный раствор нитрата циркония, под действием высокой температуры (4000 К) протекает реакция Zr(NO3)4 -> ZrO2+4NO2+O2. Твердый продукт реакции в виде ZrO2 собирается на дне реактора. Нанопорошки используются при приготовлении нанокерамики и других материалов, необходимых для создания материальной базы новой технической отрасли — наноэлектроники.

Рис. 1.23. Схема получения нанопорошков оксида циркония в плазме ВЧ-разряда

Использование газоразрядной плазмы в микроэлектронных технологиях.

Микроэлектроника — это отрасль электронной техники, цель которой состоит в создании устройств в микроминиатюрном исполнении.

Планарная технология является наиболее перспективным методом получения подобных устройств. Основные операции планарной технологии: нанесение тонких диэлектрических и металлических пленок на поверхность полупроводниковой пластины; создание методами литографии и травления необходимой топологии будущей микросхемы; образование электронно-дырочных переходов при легировании кристалла донорами и акцепторами. В результате этих операций отдельным участкам полупроводниковой пластины придаются свойства различных элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т.д., что в итоге и формирует интегральную микросхему.

Высокочастотная плазма широко используется в планарной технологии для проведения операций получения и травления диэлектрических и, особенно, резистивных пленок.

Топология будущей микросхемы формируется методами литографии, обеспечивающими перенос рисунка шаблона на поверхность полупроводниковой пластины. Главным элементом литографического процесса является резист, представляющий собой полимерную пленку, растворимость которой в проявителе зависит от вида и длительности облучения. В зависимости от вида радиации различают фото-, электрон- или рентгенорезисты. В литографии наибольшее распространение получили фоторезисты. В зависимости от природы полимера, в нем под действием облучения развиваются либо деструкция (разрыв химических связей), либо сшивание макромолекул (образуется объемная полимерная сетка). Это приводит к тому, что деструктирующие при облучении резисты увеличивают растворимость в проявителе, а сшивающиеся резисты, наоборот, становятся нерастворимыми. Указанные свойства полимерных резистов изменять свою растворимость после экспонирования и используются в литографии для формирования рисунка микросхемы.

Литографический процесс включает следующие этапы:

—              нанесение пленки на полупроводниковую пластину,

—              облучение пластины через шаблон (экспонирование),

—              после облучения пластину помещают в раствор — проявитель.

В зависимости от типа используемого полимера при проявлении удаляются экспонированные или неэкспонированные области пленки. В соответствии с этим резисты делятся на позитивные и негативные. К позитивным (деструктирующим) резистам относятся полиметилметакрилат (ПММА), полибутен-1, сульфин (ПБС). Представителем сшивающихся при облучении полимеров-резистов является полиглицилметакрилатэтилакрилат.

—              термическое задубливание резиста для увеличения его адгезионных свойств.

—              удаление резиста хим. или плазмохимическим способами. 

Наиболее эффективно травление диэлектрических пленок и удаление резиста с полупроводниковых пластин осуществляется в плазме высокочастотного разряда. Рассмотрим устройство установки «Плазма- 600», широко используемой в микроэлектронике.

Рис. 1.24. Установка «Плазма — 600»: 1 — вакуумная камера для плазменной обработки материалов, 2 — образец, 3 — нижний электрод, 4 — верхний электрод, 5 — генератор высокочастотного поля, 6 — форвакуумный насос  

Установка «Плазма-600» предназначена для получения и травления диэлектрических пленок, а также для обработки поверхности материалов в плазме высокочастотного газового разряда.

Основные параметры установки: частота ВЧ-генератора — 13.56 МГц, рабочее давление в газоразрядной камере — (10³ -10⁵ ) Па, в качестве рабочего газа может использоваться воздух, кислород, аргон, пары летучих жидкостей.

Основные особенности высокочастотного разряда. Под действием ВЧ — поля электроны приобретают энергии порядка (10-100) эВ и оказываются способными эффективно ионизовать атомы и молекулы газа при соударениях. Распределение электронов по энергиям имеет сложный характер, отличный от распределения Максвелла. При давлениях газа близких к атмосферному между электродами возникает высокочастотная корона, которая при соответствующей мощности генератора переходит в высокочастотную дугу. При низких давления газа режим ВЧ-разряда близок к режиму тлеющего разряда. Высокочастотный разряд используется для образования плазмы в ионных источниках, в молекулярных лазерах для создания однородной активной среды, для осуществления плазмохимических процессов.

Плазменное напыление: описание технологии, назначение

Плазменное напыление – технологический процесс диффузионной металлизации, с помощью которого можно эффективно формировать защитное покрытие и проводить восстановление изношенных частей металлических изделий. Рассмотрим сущность процесса.

Несущая поверхность детали иногда требует доработки: изменения структуры или свойств механических и физических параметров. Провести такое преобразование можно, используя плазменное напыление. Процесс является одним из видов диффузии, при которой происходит металлизация внешнего слоя изделия. Для осуществления такой обработки применяют специальное оборудование, способное превращать металлические частички в плазму и с высокой точностью переносить ее на объект.

Свойство покрытий, полученных путем диффузионной металлизации, отличается высоким качеством. Они имеют хорошую адгезию к основанию и практически составляют с последним единое целое. Универсальность метода заключается в том, что нанести можно абсолютно любые металлы, а также другие материалы, например полимеры.

Получить напыление способом плазменного переноса частиц можно только в условиях производственных цехов на заводах и фабриках.

Сущность и назначение плазменного напыления металлов

Суть процесса плазменного напыления заключается в том, что в струю из плазмы, которая имеет сверхвысокие температуры и направлена на обрабатываемый объект, подают дозированное количество частиц металла. Последние расплавляются и, увлекаемые струей, оседают на поверхности детали. К плазменному напылению прибегают в следующих случаях:

1. Создание защитного слоя на изделии. Это может быть механическое усиление, когда на менее прочное основание наносят более прочный металл. С помощью диффузионной металлизации также можно увеличить сопротивляемость детали коррозионному воздействию, если наносить пленку из оксидов или металлов, мало подверженных окислению.
2. Восстановление изношенных деталей. В этом случае за счет нового слоя покрытия можно убрать дефекты разрушения поверхности, чтобы придать изделию первоначальное состояние. В качестве материала напыления здесь используют металл, идентичный материалу основания.

Плазменное напыление отличается от других видов напыления рядом особенностей:

1. Благодаря тому что плазма воздействует на исходное основание при помощи сверхвысоких температур (5000–6000 градусов по Цельсию), процесс протекает в ускоренном режиме. Иногда достаточно долей секунд, чтобы получить заданную толщину напыления.
2. Диффузионная металлизация позволяет наносить как монослой на поверхность, так и делать комбинированное напыление. При помощи плазменной струи можно дополнять диффундируемый металл элементами газа, необходимыми для насыщения слоя элементарными частицами нужных химических элементов.
3. При плазменном напылении практически отсутствует эффект дополнительного окисления основного металла. Это связано с тем, что реакция протекает в среде инертных газов без привлечения кислорода.
4. Финальное покрытие обладает высоким качеством за счет идеальной однородности и равномерности проникновения атомов напыляемого металла в слой основания.

Методом диффузионной металлизации плазменного типа можно получать слои толщиной от нескольких миллиметров до микрон.

Технология и процесс напыления

При газоплазменном напылении металлов основой рабочей газовой среды являются инертные газы азот или аргон. Дополнительно по необходимости технологического процесса к основным газам может быть добавлен водород. Между катодом, в качестве которого выступает электрод в виде остроконечного стержня внутри горелки, и анодом, коим является подвергаемое водяному охлаждению сопло из меди, в процессе работы возникает дуга. Она прогревает до необходимой температуры рабочий газ, который обретает состояние плазменной струи.

Одновременно в сопло подается металлический материал в виде порошка. Этот металл под воздействием плазмы превращается в субстанцию с высокой способностью к проникновению в поверхностный слой обрабатываемого изделия. Распыляемый под давлением расплавочный материал оседает на основании.

Современные плазменные горелки имеют КПД в пределах 50–70 %. Они позволяют работать с любыми металлами, в том числе и тугоплавкими сплавами. Плазменное напыление – полностью управляемый процесс, позволяющий регулировать скорость подачи плазмы, мощность и форму струи.

В случае восстановления формы детали путем плазменного напыления технологический процесс имеет следующие этапы:

1. Подготовка напыляемого материала. Суть процесса заключается в сушке порошка в специальных шкафах при температуре 150–200 градусов по Цельсию. При необходимости порошок также просеивают через сито для получения однородных по размеру гранул.
2. Подготовка подложки или основания. На этом этапе с поверхности детали удаляют все посторонние включения. Это могут быть окислы либо различные загрязнения масляными веществами. Для лучшего сцепления основание может быть подвергнуто дополнительному процессу образования шероховатости. Если на изделии имеются участки, которые не следует подвергать напылению, их закрывают специальными экранами.
3. Напыление слоя металла и операции по заключительной обработке полученной поверхности.

К подложке напыляемый материал может доходить в твердом состоянии, в пластичной форме либо в жидком виде. Это определяется режимом технологического процесса.

Применяемое оборудование

Стандартный комплект установки плазменного напыления включает в себя:

1. Источник электрического питания. Его назначение – питать схему формирования высоковольтного разряда и всех систем.
2. Блок формирования разряда. В зависимости от устройства схемы может генерировать искровые разряды, импульсные высокочастотные напряжения либо сплошную электрическую дугу.
3. Резервуары хранения газа – это чаще всего обычные газовые баллоны.
4. Камеру, где непосредственно происходит напыление. Внутрь такого герметичного резервуара помещают обрабатываемую заготовку и плазмотрон.
5. Установку вакуумного типа с насосом. В задачи этого агрегата входит создание требуемого разряжения в камере и образование тягового потока для подачи рабочей среды.
6. Плазмотрон – устройство, которое снабжено соплом для подачи рабочей среды и системой приводов для перемещения сопла в пространстве.
7. Систему дозирования напыляемого порошка. Служит для точной подачи необходимого количества напыляемого материала в единицу времени.
8. Охлаждающую систему. В задачу этого элемента входит отвод лишнего тепла от области сопла, через которое проходит раскаленная плазма.
9. Аппаратную часть. Она включает в себя компьютер, который управляет всем процессом плазменного напыления.
10. Систему вентиляции. Она служит для отвода отработанных газов из рабочей камеры.

Современные установки диффузионной металлизации имеют специальное программное обеспечение, позволяющее путем введения заданных параметров проводить полностью автономную операцию обработки изделия. В задачи оператора входит установка детали в камеру и задание точных условий проведения процесса.

Уважаемые посетители сайта: специалисты и технологи по плазменному напылению! Поддержите тему статьи в комментариях. Будем благодарны за конструктивные замечания и дополнения, которые расширят обсуждаемый вопрос.

Лучшее соотношение цены и качества ЧПУ для плазменных резаков — Отличные предложения на ЧПУ для плазменных резаков от мировых производителей ЧПУ для плазменных резаков

Отличные новости !!! Вы находитесь в нужном месте для чпу для плазменных резаков. К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях. Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

Вы найдете официальные магазины торговых марок наряду с небольшими независимыми продавцами со скидками, каждый из которых предлагает быструю доставку и надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене.Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, так как этот лучший ЧПУ для плазменных резаков в кратчайшие сроки станет одним из самых популярных бестселлеров. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что приобрели свой чпу для плазменной резки на AliExpress. Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.

Если вы все еще не уверены в чпу для плазменных горелок и думаете о выборе аналогичного продукта, AliExpress — отличное место для сравнения цен и продавцов.Мы поможем вам решить, стоит ли доплачивать за высококлассную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь. А если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе.Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца. Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово — просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет. Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны — и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, вы сможете приобрести плазменный фонарик cnc по самой выгодной цене.

У нас всегда есть новейшие технологии, новейшие тенденции и самые обсуждаемые лейблы. На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните самый лучший шоппинг прямо здесь.

Горелка для плазменного распыления

| Продукты и поставщики

Продукты и услуги

• Все
• Новости и аналитика
• Продукты и услуги
• Библиотека стандартов
• Справочная библиотека
• Сообщество

ПОДПИСАТЬСЯ

АВТОРИЗОВАТЬСЯ

Я забыл свой пароль.

Нет учетной записи?

Зарегистрируйтесь здесь.

Дом

Новости и аналитика

Последние новости и аналитика
Аэрокосмическая промышленность и оборона
Автомобильная промышленность
Строительство и Строительство
Потребитель
Электроника
Энергия и природные ресурсы
Окружающая среда, здоровье и безопасность
Еда и напитки
Естественные науки
Морской
Материалы и химикаты
Цепочка поставок
Пульс360
При поддержке AWS Welding Digest

Товары

Строительство и Строительство
Сбор данных и обработка сигналов
Электрика и электроника
Контроль потока и передача жидкости
Жидкая сила
Оборудование для обработки изображений и видео
Промышленное и инженерное программное обеспечение
Промышленные компьютеры и встраиваемые системы
Лабораторное оборудование и научные инструменты
Производственное и технологическое оборудование
Погрузочно-разгрузочное и упаковочное оборудование
Материалы и химикаты
Механические компоненты
Движение и управление
Сетевое и коммуникационное оборудование
Оптические компоненты и оптика

Расходные материалы для плазмы, плазменные резаки, плазменные горелки, станки с ЧПУ, Мумбаи, Индия

Покрытие плазменным распылением — Научно-учебный центр

Процесс плазменного напыления включает в себя создание плазменной струи, впрыскивание и обработку частиц внутри плазменной струи и, наконец, формирование покрытия.

Для создания плазменной струи рабочий газ, такой как смесь аргона и водорода, пропускается через мощный электрический дуговый разряд, образованный в зазоре между катодом и анодом. Выделяющаяся энергия быстро нагревает газовую смесь, превращая ее в высокотемпературную плазму при температуре около 14 000 К. Происходит быстрое расширение, увеличивая скорость струи, что обеспечивает очень высокую скорость сопла до 800 м / с. Материал покрытия в виде мелкодисперсного порошка (в диапазоне 20–90 мм) затем вводится в плазменную струю.Формируются расплавленные капли, которые с высокой скоростью движутся к покрываемому объекту (субстрату).

Покрытие подложки

При ударе о подложку каждая расплавленная капля разбрызгивается на поверхность, образуя блиноподобную структуру, которая быстро затвердевает. Важно, чтобы капля тщательно «смачивала» поверхность подложки, и необходимо обратить внимание на состав материала покрытия, чтобы гарантировать, что это произойдет.

Каждая планка имеет толщину в диапазоне микрометров и длину, которая варьируется в диапазоне от нескольких до более 100 микрометров.Зубцы перекрывают друг друга по мере того, как отложение достигает необходимой толщины. Часто присутствуют небольшие пустоты, а также включения посторонних материалов, таких как оксиды металлов. Это может повлиять на механическую прочность покрытия и привести к плохой адгезии к основанию.

Также необходимо учитывать свойства поверхности основы. В большинстве промышленных предприятий детали, поступающие в распылительную установку, являются новыми или имеют старое покрытие.Каждую деталь необходимо тщательно очистить, а затем придать шероховатость поверхности абразивно-струйной очисткой. Тщательная подготовка поверхности гарантирует хорошее механическое соединение между покрытием и основой.

Еще одним фактором, который следует учитывать, является температура на границе раздела частицы с подложкой при ударе. Эта температура контакта влияет на адгезию брызг, а также на адгезию покрытия к основе.

Недавние исследования показали, что если расплавленная капля при ударе о поверхность подложки образует пятно в форме диска, а не разбрызгиваемое пятно, сформированное покрытие имеет тенденцию иметь Know

Сегодня покрытия с термическим напылением используются в различных отраслях промышленности.Эти покрытия состоят из проволоки и расплавленного порошка, которые подвергаются плазменному или кислородному горению. Огонь распылительного устройства питает нагретую смесь, и после того, как она будет распылена на металл, смесь сохранит прочное покрытие.

Покрытия, наносимые методом термического напыления, используются в широком спектре многих полезных применений, включая защиту самолетов, зданий и других конструкций от экстремальных температур, химикатов или условий окружающей среды, таких как влажность и дождь.Вот 5 наиболее распространенных сегодня процессов для создания покрытий термическим напылением:

HVOF (высокоскоростное кислородно-топливное напыление)

HVOF — это процесс, в котором используется горелка, которая позволяет распространять пламя всякий раз, когда используется сопло. . Это создает быстрое ускорение, которое ускоряет частицы в смеси. Конечным результатом является исключительно тонкое покрытие, которое наносится равномерно. Несмотря на свою тонкость, это покрытие прочное и хорошо держится. Его устойчивость к коррозии лучше, чем у плазменных покрытий, но он не очень хорошо подходит для высоких температур.

Распыление пламенем сгорания

Распыление пламенем сгорания — отличный вариант для поверхностей, которые не предназначены для выдерживания экстремальных нагрузок. Покрытие, получаемое в результате этого процесса, не сильно прикрепляется к поверхности, поскольку распылительный механизм приводится в действие за счет более низкой скорости пламени. Пламя будет генерироваться за счет кислорода, который смешался с топливом, и это расплавит смесь. Распыление пламенем сгорания популярно для применений с низкой интенсивностью из-за своей низкой стоимости.

Плазменное напыление

Плазменное напыление использует плазменную горелку в качестве основного инструмента для нагрева и напыления покрытия. После того, как порошковый материал расплавлен, его наносят на продукт аналогично распылению пламенем горения. Покрытия, получаемые в результате плазменного напыления, могут иметь толщину от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Хотя порошок является наиболее широко используемым материалом, также используются металлы и керамика. Процесс плазменного напыления пользуется большой популярностью из-за его адаптируемости.

Вакуумное плазменное напыление

Вакуумное плазменное напыление выполняется в контролируемой среде, но при низких температурах. Это поддерживает вакуум, а также снижает повреждение материала. Для получения необходимого давления для распыления можно использовать различные комбинации газов. Вакуумно-плазменное напыление используется для таких элементов, как автомобильные бамперы, приборная панель или корпуса для наружных зеркал заднего вида. Этот процесс также может использоваться для предварительной обработки полиэтиленовых формованных изделий, которая обеспечивает адгезию эпоксидных клеев на водной основе.

Двухпроводное электродуговое напыление

В этом методе напыления используется точка дуги, которая создается между двумя электропроводящими проводами. Таяние произойдет в месте соединения проводов. Дуга позволяет нагревать, что, в свою очередь, вызывает осаждение и плавление, подобно распылению пламенем горения, которое используется с горелкой. Для напыления покрытий будет использоваться сжатый воздух. Эта процедура популярна из-за ее экономической эффективности и, как правило, в качестве основного материала используется алюминий или цинк.

Если у вас есть потребность в специализированном применении, поговорите с нами в A&A Coatings, чтобы узнать, какой процесс мы рекомендуем для необходимых вам покрытий. Наши инженеры и технические специалисты по материалам имеют большой опыт, поэтому мы гарантируем, что независимо от того, какой процесс вы выберете, покрытия на ваших продуктах будут обеспечивать отличное качество обслуживания ваших потребностей.

Исследования нанокристаллических покрытий TiN, полученных методом реактивного плазменного напыления

Наноструктурные покрытия из нитрида титана (TiN) были приготовлены на поверхности стали 45 (Fe-0.45% C) путем реактивного плазменного напыления (обозначается как RPS) порошков Ti с использованием пистолета-распылителя с реактивной камерой собственного изготовления. Систематически исследованы микроструктурные характеристики, состав фаз, размер зерна, микротвердость и износостойкость покрытий TiN. Размер зерна был получен расчетом по формуле Шеррера и измерен с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Результаты дифракции рентгеновских лучей и дифракции электронов показали, что TiN является основной фазой покрытия TiN. Механизм формирования нано-TiN был охарактеризован путем анализа морфологии поверхности покрытия TiN и капель TiN, распыленных на поверхность стекла, а также наблюдения за температурой и скоростью плазменной струи с помощью Spray Watch.Трибологические свойства покрытия в условиях отсутствия смазки были протестированы и сопоставлены со свойствами быстрорежущей стали и покрытия AISI M2. Результаты показали, что покрытие RPS TiN имеет лучшую износостойкость, чем быстрорежущая сталь M2 и покрытие в условиях, не содержащих смазки. Проверяли микротвердость поперечного и продольного сечения покрытия TiN. Наибольшая твердость поперечного сечения покрытия TiN составляет 1735,43HV _{100 г} .

1.Введение

Титан
Нитридные (TiN) покрытия широко применяются в машиностроении из-за их высокой
твердость, низкий коэффициент трения, красивый цвет, отличные химические свойства
стабильность и износостойкость [1–6]. TiN имеет
были произведены несколькими методами, включая прямое азотирование
металлический титан, восстановительное азотирование TiCl ₄ , плазменный синтез,
и лазерный синтез. Прямое азотирование порошка металлического титана азотом
хорошо изучен [5, 6].Образование TiN очень
экзотермический и азотирование может продолжаться до завершения даже при
относительно низкое давление азота. Химическое осаждение из паровой фазы и плазма
синтез нитрида титана включает использование TiCl с использованием аммиака в качестве
азотирующий агент. Парофазный химический путь с использованием тетрахлорида титана,
магний или натрий и азот в интервале температур 750–1050 ^° C имеет
использовался во многих исследованиях [7–10]. Плазменная обработка в плазменных горелках RF также использовалась для получения титана.
нитрид [11–13].В
процесс включает использование галогенида титана или порошка металлического титана с
аммиак или азот в качестве реактивного газа. Эти покрытия смертельно опасны.
недостаток тоже. А именно, эффективность осаждения низкая (около 2 ~ 10 м / ч), что приводит к сложной структурной
деталь очень сложная, а износостойкость при большой нагрузке не
приемлемо, поэтому применение TiN ограничено.

Как известно, насыпной TiN
обладает такой отличной коррозионной стойкостью, что большинство кислот и щелочей
растворы не могут его разъединить [14].Однако тонкие покрытия TiN не
коррозионностойкий к водным или газообразным средам из-за наличия мелких отверстий
в покрытии [10, 11, 14, 15]. Рикерби
и Бернетт обнаружили, что износостойкость покрытия
улучшается по мере увеличения толщины покрытия [16].

Недостаток этих
покрытия можно преодолеть, если TiN
покрытие готовится методом плазменного напыления. Поскольку депонированная эффективность
плазменное напыление выше, чем у других способов, а толщина
Покрытия, полученные плазменным напылением, больше, чем у других способов.Реактивное плазменное напыление
(RPS) технология была представлена ​​в последние годы как многообещающий способ
разработать плотные композитные покрытия с металлической или интерметаллической матрицей и
мелкодисперсные керамические фазы [17–19]. Износостойкость покрытий, нанесенных плазменным напылением, можно повысить за счет
методик RPS. Покрытия из нитрида титана, разработанные с помощью RPS:
характеризуется значительной твердостью, более 1500 HV, без
характерная хрупкость покрытий TiN, полученных физическим паром
осаждение (PVD) или химическое осаждение из паровой фазы (CVD) [20, 21].В
В этой бумаге нанокристаллическое покрытие TiN получают распылением
Порошок Ti размером 30 ~ 40 мкм с помощью плазменного распылителя с самодельной
реактивная камера, заполненная N ₂ . Микроструктура и
В данной работе исследуются свойства покрытия нано-TiN.

2. Эксперименты

2.1. Материалы

распылительное оборудование типа LP-50B производства Цзюцзян, Китай,
и его стандартная мощность 50 кВт. Пистолет-распылитель собран с использованием BT-G3.
плазменный распылитель и реактивная камера собственной разработки и
подготовлен [22].Показан эскиз реактивного плазменного распылителя.
на рисунке 1. Чистый порошок титана, используемый в настоящей работе, является коммерчески доступным.
доступен и произведен Пекинским научно-исследовательским институтом горного дела и
Металлургия, Китай. Средний гранулометрический состав титана
порошок составляет около 30 ~ 40 мкм. Материалом подложки является сталь 45 (Fe-0,45 мас.% C), из которой механически формируются образцы размером 30 мм, 25 мм, 10 мм и шлифуются до шероховатой поверхности. Перед нанесением TiN
покрытие, Ni-10 мас.% Al
напыляется связующий слой из самоплавкого сплава толщиной около 100 мкм
на поверхности образцов для увеличения прочности сцепления между TiN
покрытие и подложка.

2.2. Изготовление и определение характеристик покрытия TiN

Во время
напыления титановые порошки, микрофотография которых представлена ​​на рисунке 2,
были перенесены азотом в реактивную камеру пушки РПС, где
был также введен чистый газообразный азот.Ti и N ₂ прореагировали в
В реакционной камере продукт, которым был TiN, нанесен на подложку. Таким образом,
покрытие толщиной не менее 400 мкм было изготовлено за несколько
минут. Морфологию напыленного покрытия TiN наблюдали с помощью
растровый электронный микроскоп (СЭМ) PHILIPS XL30 / TMP и трансмиссия PHILIPS TECNAI F20
электронный микроскоп (ПЭМ). Рентгеновский дифрактометр JEOL Rigaku 2500 / PC
Для анализа фазовой
состав открытой поверхности и поперечного сечения покрытия.Размер зерна
покрытия TiN рассчитывали по формуле Шеррера [23]:

где
« D _hkl » — средний диаметр в нм, « k » — форма
коэффициент (0,9), « B » — уширение измеренной дифракционной линии.
половина его максимальной интенсивности в «радианах», « B ₁ »
это
ширина половины пика дифракционной линии исследуемого образца: « B ₂ »
половина
ширина пика дифракционной линии образца микронного кристалла TiN, полученного
в противном случае « » — длина волны рентгеновского излучения, а « » — длина волны Брэгга.
угол дифракции.

Часы с распылителем
во время распыления используется система наблюдения за термическим напылением, изготовленная Oseir Co., Ltd.,
Финляндия.

2.3. Тест на твердость

Микротвердость
поперечного и продольного сечения покрытия TiN измеряли с помощью
цифровой измеритель микротвердости по Виккерсу, произведенный в Shanghai Taiming Optical
Instrument Co., Ltd., Китай. Нагрузки от 25 до 1000 г и время выдержки
было выбрано 15 секунд. Приблизительно для каждой нагрузки делалось 10 вдавливаний.В
расстояние между каждыми двумя отпечатками контролировалось в три раза больше, чем
диагонали отпечатка, поэтому эффект поля напряжений вблизи отпечатка может
быть устраненным. Средняя микротвердость выбрана для обсуждения в данном
бумага.

2.4. Испытания на износ

Испытания на трение и износ образцов с покрытием TiN проводились с использованием
устройство скольжения с блокировкой по кольцу без смазки.
Машина для испытания на износ MM-200 производства Xuanhua Material Test Machine Co., ООО,
China, работала со скоростью скольжения 0,4 мс ⁻¹ .
Образцы для испытаний фиксировались держателем образцов; компенсационные кольца были размещены
под экземплярами; нагрузки от 100 до 1470 Н были
вертикально наносится на верхнюю часть образцов. Для каждой загрузки были взяты три образца.
были взяты средние объемные потери при износе. Используемое компенсационное кольцо было AISI.
Сталь E52100 (0,95–1,05C, 0,2–0,4 Mn, 0,15–0,35 Si, 1,3–1,65 Cr, 0,3 Ni,
0,25 Cu и бал. Fe) (в мас.%). Кольцо имеет внешний диаметр 38 мм и толщину 10 мм, которое подвергалось термообработке до
средняя твердость около 60 HRC. Каждое испытание на износ проводилось в течение 60 минут.
Износ покрытия TiN, покрытия Al ₂ O ₃ и покрытия AISI M2
образцы стали были получены путем измерения объемной потери после каждого испытания
согласно (2). Коэффициент трения
(FC) образцов было дано по (3):

где Δ V — объемная потеря образцов; B и r — толщина и радиус кольца соответственно; b есть
ширина потертых рубцов; T — момент износа; P — нагрузка
занятые; α — контактный
угол, согласно, и — коэффициент трения.

3. Результаты

3.1. Фазы, составляющие покрытие TiN

Рисунок 3 представляет собой рентгенограмму покрытия TiN, напыленного на поверхность
подложка и чистые порошки Ti. Покрытие в основном состоит из двух фаз:
TiN и небольшие количества Ti ₃ O, без чистого Ti. Наблюдая за
в спектре появились пять острых дифракционных пиков TiN, а плоскости дифракции
— это (111), (200), (220), (311) и (222). Интенсивности Ti ₃ O являются
очень низко дифракционные плоскости фазы Ti ₃ O имеют вид (103), (113),
(116) и (223).Согласно формуле Шеррера размер зерна
Было оценено покрытие TiN, которое показано в таблице 1. Размер зерна
толщина покрытия TiN составляла 78 ~ 97 нм, что соответствует
с тем, что наблюдается с помощью ПЭМ (см. рисунок 5). Дифракция чистого Ti не
появляются в покрытии, что доказывает, что Ti и N ₂ полностью реагируют
в процессе RPS. Это согласуется с литературой [9]. Ti ₃ O есть
метастабильный твердый раствор, образующийся в результате недостаточного окисления Ti при
температура 650 ~ 750 ^° C и разлагается, когда температура превышает 750 ^° C
[24].Ti ₃ O в покрытии является продуктом
окисление TiN и присутствует в покрытии для ударного охлаждения в плазме.
состояние распыления.

3.2. Микроструктурные характеристики покрытия TiN

. СЭМ-фотография поперечного сечения покрытия TiN показана на рисунке 4. Морфология всего поперечного сечения покрытия
Покрытие RPS TiN на Рисунке 4 (а) показывает, что его толщина составляет 420 м, что составляет
примерно в 100 раз больше, чем у пленок TiN, полученных методом CVD или PVD. Покрытие представляет собой слоистую структуру, плотно уложенную. Структура
с небольшим количеством пор следует отнести к газу, который существует между каплями жидкости TiN и не успевает высвободиться во время формирования покрытия.В многослойной структуре покрытия появляются небольшие трещины (см. Рис.
4 (б)). В дальнейшем
необходимо исследование, чтобы уменьшить поры и трещины, а также улучшить структуру
покрытие.

ТЕМ — это
незаменимый аналитический инструмент при исследовании микроструктуры покрытий. На рисунке 5 показан ПЭМ.
морфология и электронограмма выбранной области (SAED)
покрытие TiN, напыляемое реактивной плазмой. Из рисунка 5 (а) видно, что
большая часть размера зерен покрытия меньше 100 нм.Образец SAED
покрытие приведено на рисунке 5 (б). Размер зерна 82 ± 10 нм измерен линейным
перехват, который приближен к результату, полученному расчетным путем, и меньше
чем у исходных порошков Ti, который составляет 30 ~ 40 мкм. В
дифракционные кольца картины SAED на рисунке 5 (b) сплошные, плотные и
шире, что указывает на ориентацию (111), (200) и (220). (311)
ориентация не ясна. Дифракционные кольца показывают, что ориентация
Кристаллические зерна TiN случайны.Слабые дифракционные пятна распределяются при дифракции
кольца, потому что размер небольшого количества кристаллических зерен больше чем
100 нм. XRD
и исследования SAED показали, что покрытие TiN имеет кубическую структуру
Тип NaCl ( a = 0,42 нм).

3.3. Микротвердость покрытия TiN

Хорошо известно, что
кажущаяся микротвердость твердых материалов зависит от применяемого испытания на вдавливание
нагрузка. Это явление известно как эффект размера вдавливания (ISE).Рисунок 6
представлена ​​зависимость микротвердости для поперечного и продольно-поперечного сечения.
Покрытие RPS TiN на вдавливании. Поскольку прилагаемая нагрузка составляет от 100
до 1000 г, Виккерс
микротвердость снижается с 1735,43 до 1125,27 HV ​​и с 1267,78 до 962,26 HV соответственно,
что является очевидным феноменом ISE. При стандартной нагрузке 100 г микротвердость составляет 1189,36 HV.

3.4. Объемная потеря износа образцов покрытия TiN

In
Для исследования износостойкости покрытия TiN испытательная нагрузка изменяется
от 100 ~ 1470 Н.Для Al ₂ O ₃ керамическое покрытие не выдерживает
износ высокой нагрузки, когда испытательная нагрузка превышает 500 Н, трение
коэффициент заметно увеличивается, а шум трения высокий. М2 быстрорежущая сталь
выбирается в качестве образцов для сравнения при испытательной нагрузке выше 500 Н. Рисунок 7 (а)
показаны объемные потери от износа покрытия Al ₂ O ₃ и
Покрытие TiN при нагрузках от 100 до 500 Н и при 0,4 мс ^-1 ; Рисунок 7 (б)
показаны объемные потери износа покрытия TiN и быстрорежущей стали М2 при нагрузках.
между 500 и 1470 Н.Объемные потери на износ покрытия Al ₂ O ₃ , покрытия TiN и стали М2 возрастают с увеличением нагрузок. Под
При низких нагрузках (100 ~ 500 Н) объемные потери на износ покрытия Al ₂ O ₃ больше, чем у покрытия TiN. Когда нагрузка меняется с
490 ~ 980 Н, покрытие TiN и быстрорежущая сталь M2 близки по износостойкости. С участием
при непрерывном увеличении нагрузок покрытие TiN оставалось небольшим увеличением
в потере износа и достигла 6.86 мм ³ при нагрузке до 1470 Н, при этом изгиб стали М2 объемный
потеря износа в зависимости от нагрузок имеет явную тенденцию к увеличению. Объемный износ
потеря покрытия TiN составляет примерно половину менее 1225 Н и две пятых от
соответственно, из быстрорежущей стали М2 до 1470 Н. На рисунке 7 указано
что износостойкость покрытия TiN лучше, чем у покрытия Al ₂ O ₃ и быстрорежущей стали М2.

3.5. Коэффициент трения покрытия TiN и быстрорежущей стали М2

На рисунке 8 представлена ​​зависимость трения.
коэффициент нагрузок как покрытия TiN, так и стали М2 при сухом скольжении
носить.Из графиков видно, что с увеличением нагрузок ТЧ
покрытие TiN и сталь AISI M2 обычно изменяется в небольшом диапазоне примерно 0,372 ~ 0,412
и 0,331 ~ 0,375 соответственно. Эти два близки по коэффициенту трения, когда
нагрузка 1470 Н. Следовательно, антифрикционные свойства покрытия TiN близки к
сталь AISI M2 при сухом скольжении при больших нагрузках.

3,6. Анализ и обсуждение

Рисунок 9
показывает морфологию поверхностного слоя нескольких капель TiN, распыленных на поверхность.
стекла и покрытия TiN при одинаковых условиях напыления.Очевидно, что
Топография капель TiN на поверхности стекла имеет характер
высокотемпературное разбрызгивание расплавленных капель. Указывается, что покрытие нанесено
с расплавленными каплями. В
Процесс формирования покрытия TiN заключается в том, что расплавленные реагенты остаются в жидком состоянии в
плазменная струя разбрызгивается, растекается, деформируется и застывает на поверхности образца. Из-за того, что градиент температуры от плазменной струи к поверхности образца настолько велик, что расплавленный
капли зарождаются быстро, но зародыши не успевают расти, поэтому зерно
TiN уточняется.

твердый
Частицы Ti плавятся в струе высокотемпературной плазмы и остро реагируют с
N ₂ ионный газ и N ₂ газ в реакционной камере, в то время как большой
выделяется много тепла реакции. Реакция относится к горению
синтез [25]. В результате температура жидкой частицы увеличивается.
Когда режим распыления устойчив, скорость и температура
частицы в плазменной струе измеряются с помощью Spray Watch. На рисунке 10 показан
температура и скорость частиц, летящих в плазменной струе.Может быть
видно, что скорость частицы уменьшается с расстоянием полета до
реактивный выход камеры увеличивается, в то время как температура частиц остается постоянной, что
отличается от обычного плазменного распылителя. Для обычного плазменного напыления температура
частица уменьшается с увеличением расстояния.