плазменное напыление износостойких покрытий

Когда говорят про плазменное напыление износостойких покрытий, многие сразу представляют себе что-то вроде волшебной серебряной краски, которую нанёс — и деталь вечная. На деле же всё упирается в десятки параметров, и сама плазма — только инструмент. Главное — что и как в эту плазму подаёшь, и на какую поверхность ложится напыл. Часто сталкиваюсь с тем, что заказчики хотят просто ?напылить что-то твёрдое?, не вдаваясь в детали основы, режимов, или того, как покрытие будет работать в конкретной паре трения. Вот с этого, пожалуй, и начну.

Не просто порошок в факеле: выбор материала и подготовка

Возьмём, к примеру, банальный карбид вольфрама в кобальтовой связке (WC-Co). Казалось бы, классика для износа. Но если взять порошок с неподходящим гранулометрическим составом, часть частиц в плазме просто перегреется и улетучится, а часть не успеет расплавиться. Получится неоднородное, ?шероховатое? покрытие с включениями непроплавленных зёрен. Я как-то видел результаты, где из-за этого на валу экструдера появились локальные выкрашивания — нагрузка-то ударная. Пришлось переделывать, подобрав другую фракцию и изменив скорость подачи.

А подготовка поверхности — это отдельная песня. Пескоструйка алюминиевой дробью или электрокорундом? Где-то достаточно Ra 3,2–4,0, а для ответственных узлов с высокими касательными напряжениями нужна более агрессивная анкерная насечка. Была история с ротором насоса: напылили отличный слой никель-хром-борида, а он через 50 часов работы стал отслаиваться пластами. Оказалось, технолог сэкономил время и не сделал контроль шероховатости после очистки — поверхность была ?заглажена?, адгезия критически упала.

Здесь, кстати, часто выручает оборудование, где можно гибко управлять параметрами. На том же сайте ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования видно, что они как раз делают ставку на исследования и разработку установок. Это важно, потому что универсальных рецептов нет — иногда для сложной геометрии нужна особая кинематика факела относительно детали, которую старые машины не обеспечивают.

Плазма: не температура, а энтальпия

Многие операторы гонятся за максимальной температурой в факеле, думая, что чем горячее, тем лучше проплав. Это опасное заблуждение. Важна не столько пиковая температура, сколько общая энергия, передаваемая частице — та самая энтальпия. Если перегреть, например, оксид алюминия, он может диссоциировать или дать непредсказуемые фазы при резком охлаждении на подложке.

На практике регулируешь ток дуги, расход газа-носителя и состав плазмообразующей смеси (аргон+водород или аргон+гелий). Добавка водорода резко повышает теплопередачу, но может привести к наводороживанию основы, если та стальная. Для износостойких покрытий на ответственных стальных деталях иногда предпочтительнее гелий — энергия высокая, но без активных химических эффектов.

Запоминается случай с напылением хромоксида на направляющие горячего пресса. Первые испытания показали низкую стойкость к термоциклированию. Стали разбираться. Оказалось, в стандартном режиме с аргоном-водородом формировалась преимущественно аморфная фаза Cr?O?, которая при циклическом нагреве трескалась. Сменили газовую среду, снизили скорость охлаждения — получили мелкокристаллическую структуру, и стойкость выросла в разы. Вот где нужна именно исследовательская база, как у упомянутой компании, которая не просто продаёт аппараты, а профессионально занимается разработкой.

Толщина — друг или враг?

Ещё один частый запрос: ?сделайте потолще, чтобы дольше служило?. Логика простая, но ошибочная. С увеличением толщины растут внутренние напряжения. Для хрупких керамических покрытий типа оксида алюминия или циркония это смертельно — они могут отойти от основы ещё в процессе напыления или при первом же механическом воздействии.

Поэтому для толстых износостойких покрытий (скажем, больше 0,5 мм) почти всегда идёт многослойная или градиентная структура. Сначала наносится подслой — часто никель-алюминиевый или молибденовый, который хорошо ?сцепляется? и с основой, и с керамикой. Потом слой с промежуточными свойствами, и только потом рабочий. Иногда вводят металлическую прослойку между керамическими для снятия напряжений.

Наблюдал, как пытались одним проходом нанести 1 мм карбида хрома на торец заслонки. Деталь при остывании дала трещину с характерным звонким щелчком. Пришлось разрабатывать технологию с тремя разными порошками и межслойными проковками факелом. Трудоёмко, но результат стабильный.

Контроль качества: не только твёрдость по Роквеллу

Приёмка по твёрдости — это must have, но далеко не всё. Микротвёрдость по Виккерсу, конечно, показывает, но она не скажет о пористости, степени окисления частиц или наличии непроплавов. Самый наглядный метод — это металлография. Спил, шлифовка, травление. Под микроскопом видно всё: как легли ламели, есть ли границы между проходами, как ведёт себя подслой.

Обязательно нужно смотреть на адгезию. Метод отрыва (испытание на скалывание) или, что чаще в цеху, тест на простукивание — но это субъективно. Для ответственных изделий мы всегда делали контроль ультразвуком или термографией, чтобы выявить скрытые расслоения.

Был у меня неприятный опыт, когда партия уплотнительных колец для гидравлики прошла все проверки по твёрдости и внешнему осмотру, но в полевых условиях начала сыпаться. При детальном анализе обнаружили, что виной всему стала партия порошка с повышенным содержанием кислорода — частицы окислялись ещё в полёте в плазме, и покрытие получилось хрупким. С тех пор химический анализ исходного порошка — обязательный пункт.

Где это работает, а где — пустая трата денег

Плазменное напыление — не панацея. Идеально оно ложится там, где есть абразивный износ, эрозия, кавитация, умеренные ударные нагрузки в сочетании с трением. Классика: шнеки, лопатки насосов, валы, уплотнительные поверхности, элементы арматуры.

А вот для чистого ударного износа, особенно высокоэнергетического (молоты, дробилки), часто лучше показывает наплавка или HVOF. Плазменное покрытие, будучи слоистой структурой, может не выдержать такой ударной вязкости. Пробовали усиливать бойки отбойного молотка — не пошло, покрытие выкрашивалось. Перешли на порошковую наплавку с карбидами в матрице.

Или ещё нюанс — температурный предел. Большинство стандартных износостойких покрытий на металлической связке стабильно работают до 500-600°C. Выше — начинаются диффузионные процессы, окисление связки, и покрытие деградирует. Для горячих зон турбин уже нужны совсем другие материалы и, часто, другие методы, например, EB-PVD. Это к вопросу о том, почему важно чётко понимать условия эксплуатации до начала работ, а не после.

Вместо заключения: про оборудование и подход

В конце концов, успех технологии упирается в два кита: материалы и аппаратуру. Можно быть гениальным технологом, но если установка не даёт стабильного факела или не может воспроизводить заданные параметры от цикла к циклу, о серийном качестве можно забыть. Поэтому выбор поставщика оборудования — это надолго. Видно, что такие производители, как ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования, которые сами погружены в тему термообработки и разработки, предлагают не просто ?железо?, а скорее технологический комплекс. Это важно.

Самое главное, что я вынес за годы работы: не бывает ?просто напылить?. Каждая деталь — это отдельная задача, требующая подбора режима, материала, подготовки. Иногда приходится идти методом проб и ошибок, делать тестовые образцы. Но когда после всех тонкостей покрытие отрабатывает свой ресурс и даже больше — это и есть та самая профессиональная удача, ради которой всё и затевается. Плазменное напыление износостойких покрытий — это не магия, а ремесло, где опыт и внимание к деталям решают всё.