CC BY
50
УДК 621.824.004.67
Р. А. Лиджи-Горяев, А. В. Кораблин, В. Д. Евдокимов, А. А. Манцуров Астраханский государственный технический университет
ПОВЫШЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПУТЕМ ДОБАВЛЕНИЯ В ПЛАЗМЕННУЮ СТРУЮ ГЕЛИЯ
Существующие методы восстановления поверхностей изношенных деталей весьма разнообразны: газотермические методы, наплавка, электрометаллизация и т. д. Выбор каждого из них для восстановления деталей основан на различных критериях. Наиболее широкое применение в настоящее время в отраслях промышленности получили газотермические методы и восстановления: плазменное напыление, ионно-плазменное напыление, детонационно-газовое напыление. Во всех случаях частицы материала, напыляемого на восстанавливаемую поверхность, получают два вида энергии: тепловую - от источника нагрева и кинетическую - от газового потока. Оба вида энергии участвуют в формировании покрытия и определяют его свойства и структуру. Кинетическая энергия частиц невелика по сравнению с тепловой во всех методах, за исключением детонационно-газового, и характер соединения частиц с подложкой и между собой определяются термическими процессами: плавлением, кристаллизацией, диффузией, фазовыми превращениями и т. д.
Покрытия, полученные данными методами, обычно характеризуются хорошей прочностью сцепления с подложкой и, к сожалению, низкой однородностью, поскольку велик разброс параметров по сечению потока газа.
Несколько особняком стоит детонационно-газовый метод. При взрыве скорость частиц достигает 1 500 м/с, поэтому основным фактором, определяющим качество покрытия, становится их кинетическая энергия. Покрытия отличаются высокой адгезией и низкой пористостью, но взрывными процессами крайне сложно управлять, и стабильность результатов гарантировать практически невозможно. Кроме того, при детонационном сгорании происходит образование продуктов сгорания С02, СО, Н2, К2, 02, а также радикалов и атомов, таких как ОН, N0, Н, К, О, что заставляет ограничивать применение метода и применять определенные контрмеры [1].
Анализ вышеизложенного позволяет утверждать, что при восстановлении поверхностей различных форм необходимо учесть следующее:
- во-первых, покрытия должны формироваться в основном за счет кинетической энергии частиц металла (нельзя допускать избыточного плавления частиц: это предотвратит нагрев восстанавливаемой детали и окисление подложки и частиц покрытия);
- во-вторых, частицы должны приобретать высокую скорость не за счет энергии взрыва, как в детонационно-газовом методе, а в струе сжатого воздуха.
Опираясь на приведенные выводы, инженеры ЗАО «ССЗ им. В. И. Ленина» г. Астрахани и сотрудники Астраханского государственного технического университета (АГТУ) проводят исследования по поиску усовершенствованной, наиболее перспективной технологии восстановления.
Предварительные исследования показали, что эффективность плазменного напыления увеличивается при добавлении в плазменную струю инертного газа гелия.
Гелий - инертный газ, без цвета и запаха, не ядовит, хорошо диффундирует через твердые тела, значительно легче воздуха. Гелий применяют в основном при сварке химически чистых и активных материалов и сплавов. Благодаря способности обеспечивать повышение проплавления (в связи с высоким значением потенциала ионизации) гелий применяют иногда в тех случаях, когда требуется получить большую глубину проплавления или специальную форму шва. Транспортируют и хранят гелий в газообразном состоянии в стальных баллонах при давлении Р = 15 МПа.
Именно гелий ускоряет металлические частицы до высоких скоростей, сообщая им кинетическую энергию, достаточную для закрепления на поверхности детали и создания плотных поверхностей. При выборе газа учитывались следующие характеристики (табл.).
Некоторые физико-химические характеристики плазмообразующих газов
Характеристика Газ
Аргон Азот Водород Гелий
Относительная атомная или молекулярная масса 33,94 28,016 2,016 2,04
Энтальпия плазмы, ккал/кг 4 670 9 950 76 600 57 100
Температура плазмы, К 14 000 7 300 5 100 20 000
Напряжение дуги, В 30 60 62 47
Энергия, подаваемая к дуге, кВт 48 65 120 50
Коэффициент использования энергии для нагрева газов, % 40 60 80 48
При выборе газа учитывались и технологические составляющие.
Так, аргон - инертный газ, позволяет уменьшить окисление частиц при напылении, обеспечивает минимальное изнашивание электрода, легкое зажигание и устойчивое горение дуги.
Азот дешевле аргона, но имеет ряд недостатков: даже при небольшом количестве кислорода быстро разрушает вольфрамовый электрод; на расщепление азота требуется больше энергии, чем на расщепление аргона.
Водород для нанесения покрытия практически не применяется ввиду большой взрывоопасности.
Гелий, наряду с перечисленными выше достоинствами, имеет ряд и недостатков. Основными из них являются высокая стоимость и необходимость обеспечивать предприятия специализированным оборудованием и создавать магистрали со сжатым гелием (такие магистрали применяются в основном на тех предприятиях, которые выпускают продукцию на основе высоких технологий [2]).
Учитывая обобщенный опыт работы инженеров ЗАО «ССЗ им. В. И. Ленина» г. Астрахани и сотрудников АГТУ, можно предположить, что на следующих этапах работы удастся создать усовершенствованную технологию плазменного напыления, которая позволит избежать ряда его существенных недостатков и повысить качество восстановления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хокинг М., Васантасри В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия: получения свойства и применение. - М.: Мир, 2000. - 518 с.
2. Пленки и покрытия // Тр. 5-й Междунар. конф. «Пленки и Покрытия-98» / Под ред. проф. В. С. Клубникина. - СПб.: Полиплазма, 1998. - 505 с.
Получено 12.10.2006
INCREASE OF KINETIC ENERGY OF PLASMA SPRAY BY ADDING HELIUM INTO A PLASMA JET
R. A. Lidzhi-Goryaev, A. V. Korablin, V. D. Evdokimov, A. A. Mantsurov
The right choice of a gas, which is added into a plasma jet, influences the quality of a restorable surface. The preliminary researches show that the efficiency of a plasma spraying increases with adding an inert gas, Helium, into a plasma jet. Helium accelerates metallic particles up to high speeds, giving them kinetic energy, sufficient for fixing on a detail surface and for creating dense surfaces.
