плазменное напыление порошков

Когда слышишь ?плазменное напыление?, многие сразу представляют себе просто факел, плавящий порошок и бросающий его на деталь. Но если вникнуть, всё куда тоньше. Самый частый прокол — думать, что главное — температура плазмы, а остальное как-нибудь приложится. На деле, от выбора порошка и режимов до подготовки поверхности — каждый этап может свести на нет всю операцию. Вот, к примеру, пытались мы нанести карбид вольфрама на стальной вал без должного барьерного подслоя. Казалось бы, адгезия должна быть... но нет, через пару циклов нагрузки покрытие начало отслаиваться чешуйками. Именно такие моменты и заставляют вникать в детали, а не просто жать на кнопку.

Суть процесса: что мы на самом деле делаем

Если отбросить красивые формулировки, плазменное напыление порошков — это управляемый перенос частиц в высокоэнергетической струе. Ключевое слово — ?управляемый?. Плазма — не просто огненный шар, это ионизированный газ с температурой, доходящей до 15000 °C, но суть не в пирометрии, а в том, как частица проходит через этот поток. Она должна не просто расплавиться, а перейти в состояние, близкое к вязко-текучему, и удариться о подложку с определённой скоростью, чтобы произошло растекание и механическое сцепление.

Многое упирается в оборудование. Не каждый генератор плазмы обеспечит стабильный факел. Помнится, работали мы с одной установкой, где были постоянные скачки напряжения в дуге. В итоге покрытие ложилось неравномерно, с непроплавами. Пришлось копаться в схеме питания, менять осциллятор. Это к вопросу о том, что технология — это не только горелка в руках, но и вся обвязка вокруг.

И вот здесь стоит упомянуть тех, кто глубоко занимается именно этой ?обвязкой?. Компания ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования (сайт: https://www.lijiacoating.ru) как раз из таких. Они профессионально занимаются не только самой обработкой, но и исследованиями, разработкой и производством соответствующего оборудования. То есть они видят процесс с обеих сторон: и как технологи, и как создатели инструмента. Это важная синергия, потому что часто проблемы наладки и эксплуатации закладываются ещё на стадии проектирования установки.

Порошок: сердце процесса

Всё начинается с порошка. Можно иметь самую совершенную плазмотронную установку, но если сырьё некондиционное, результат будет плачевным. Фракционный состав — это святое. Допустим, берёшь порошок карбида хрома для износостойкого покрытия. Если в партии есть пересорт — частицы размером, скажем, не 40-60 мкм, а от 20 до 100 — они в плазменной струе будут вести себя абсолютно по-разному. Мелкие — перегорят или унесутся потоком, крупные — не успеют полноценно расплавиться. На выходе получишь неоднородный, хрупкий слой.

Ещё один нюанс — форма частиц. Сферические порошки лучше текут в дозаторе, но иногда для лучшего сцепления предпочтительнее неправильная форма. Например, для некоторых керамических покрытий. Это уже вопрос экспериментов. Мы как-то закупили якобы сферический порошок оксида алюминия, а при микроскопии увидели, что половина — агломераты неправильной формы. Расход увеличился на 15%, а качество покрытия упало. Пришлось срочно менять поставщика.

Хранение и подготовка — тоже часть технологии. Гигроскопичные порошки, те же некоторые металлические сплавы, перед засыпкой в бункер обязательно нужно прокаливать. Иначе влага, попав в факел, вызовет неконтролируемое разбрызгивание и поры в покрытии. Мелочь? Нет, стандартная причина брака.

Подготовка поверхности: та самая ?химия и физика?

Здесь многие расслабляются, мол, главное — обезжирить и заабразировать. Но адгезия покрытия рождается здесь. Простая абразивно-струйная обработка корундом — это базовый уровень. Для ответственных деталей, особенно работающих под ударной нагрузкой или в условиях термоциклирования, этого мало.

Часто необходимо нанесение подслоя (bond coat). Обычно это никель-алюминиевые или никель-хромовые составы. Их задача — создать переходный слой с хорошим сцеплением и к основе, и к основному покрытию. Но и тут есть подводные камни. Толщина подслоя критична. Слишком тонкий — не выполнит функцию; слишком толстый — может стать источником внутренних напряжений. По опыту, для большинства сталей оптимально 80-120 мкм. Но это не догма, нужно смотреть на конкретный материал основы.

Одна из самых коварных ошибок — недостаточная очистка после абразивной обработки. Остатки абразива, пыль, окислы. Даже если поверхность выглядит чистой, микроскопические включения убивают адгезию. Обязательный этап — продувка чистыми сжатым воздухом, а лучше — обдувка непосредственно перед напылением в той же камере. Пропустил этот шаг — и всё, ресурс покрытия падает в разы.

Режимы напыления: поиск баланса

Тут нет универсального рецепта. Мощность дуги, расход плазмообразующего газа (обычно аргон с добавкой водорода или гелия), расстояние от сопла до детали, скорость перемещения горелки — всё взаимосвязано. И настройки под каждый порошок и каждую деталь свои.

Скажем, для тугоплавких керамик типа циркония, стабилизированного иттрием (YSZ), нужна высокая энергия — большой ток и добавка водорода в плазму для повышения энтальпии. Но переборщить с водородом — получишь повышенный износ электродов и сопла, да и перегрев порошка, ведущий к испарению и изменению стехиометрии.

Расстояние — отдельная тема. Слишком маленькое — перегрев подложки, коробление, высокие остаточные напряжения. Слишком большое — частицы остывают в полёте, долетают в твёрдом состоянии, плохо сцепляются. Для металлических порошков это обычно 100-150 мм, для керамических — 70-120. Но опять же, нужно смотреть на конкретную установку и геометрию детали. Для напыления внутренних поверхностей, например, труб малого диаметра, приходится идти на компромиссы, уменьшая расстояние и мощность, чтобы не спалить всё.

Скорость подачи порошка — параметр, который часто недооценивают. Если подавать слишком много, часть частиц не успевает получить достаточную энергию, и они становятся балластом, ухудшая качество покрытия. Малая подача ведёт к низкой производительности и возможному перегреву основы. Нужно найти ту золотую середину, когда факел стабилен, а слой наращивается с оптимальной скоростью.

Контроль качества и типичные дефекты

Визуальный контроль — это только начало. Основная диагностика — микроструктурный анализ шлифа. Смотрим на пористость, наличие оксидов, непроплавленных частиц, адгезию. Хорошее покрытие должно иметь минимальную пористость (для разных задач разная, но обычно стремятся к 1-3%), равномерную структуру и чёткую границу с подслоем без трещин.

Частый дефект — ламельная структура, когда покрытие состоит из плохо связанных между собой чешуек. Это признак того, что частицы долетали в слишком вязком или уже остывшем состоянии. Лечится повышением энергии плазмы или уменьшением расстояния напыления.

Другой бич — трещины. Они могут возникать из-за высоких остаточных напряжений при быстром охлаждении или из-за несовместимости коэффициентов термического расширения материала основы и покрытия. С этим борются, подбирая материалы, используя градиентные покрытия (когда состав плавно меняется от основы к поверхности) и контролируя температуру детали во время процесса, иногда даже подогревая её.

Адгезионную прочность проверяют не только на глаз по шлифу, но и методами отрыва (например, по ГОСТ или ASTM). Бывали случаи, когда визуально всё идеально, а при испытании на отрыв покрытие отделяется на низких значениях. Частая причина — та самая плохая подготовка поверхности или неверно выбранный подслой.

Практические кейсы и выводы

Вот, например, восстановление посадочных мест под подшипники на валах экструдеров. Материал — сталь 40Х. Задача — получить износостойкое, с хорошим сцеплением покрытие. Использовали порошок Fe-Cr-B-Si (железо-хром-бор-кремний) с никелевым подслоем. Сложность была в том, что вал длинный, и нужно было избежать коробления. Пришлось жёстко контролировать температуру, вести напыление секциями с паузами для остывания, использовать медные теплоотводящие экраны. Результат — ресурс вала увеличился втрое по сравнению с новым.

Или другой случай — нанесение барьерного слоя из оксида алюминия на лопатки газовой турбины. Здесь критична была беспористость и термостойкость. Стандартные режимы не давали нужной плотности. После серии экспериментов пришли к использованию вакуумного плазменного напыления (хотя это уже другая история, но родственная), что позволило резко снизить окисление и получить более плотную структуру.

Что в сухом остатке? Плазменное напыление порошков — это не магия, а совокупность множества правильно подобранных и отлаженных параметров. Это постоянный поиск баланса между энергией, материалом и желаемым результатом. Ошибки неизбежны, но именно они и учат. И хорошо, когда есть не только своя практика, но и возможность опереться на опыт и разработки компаний, которые погружены в тему целиком, как та же ООО Чжэнчжоу Лицзя, которая смотрит на процесс и со стороны оборудования. Это позволяет не изобретать велосипед, а решать конкретные производственные задачи, от мелкого ремонта до создания новых функциональных покрытий. Главное — не бояться вникать в детали и помнить, что даже самая совершенная технология упирается в квалификацию и внимание человека у пульта.