плазменное напыление суспензий

Когда слышишь ?плазменное напыление суспензий?, первое, что приходит в голову — это тонкие функциональные покрытия, нанокерамика, все эти модные слова из статей. Но на практике часто оказывается, что между красивой теорией и стабильным результатом на детали стоит пропасть, которую заполняют подбор рецептуры суспензии, проблемы с подачей и вечная борьба с засорением форсунок. Многие думают, что это просто ?распылить порошок в жидкости?, но тут-то и кроется главный подвох.

Суспензия — это не просто носитель

Основная ошибка новичков — недооценивать роль дисперсионной среды и стабилизаторов. Брал я как-то стандартный нанопорошок оксида иттрия, диспергировал в изопропаноле по лабораторному протоколу. На стенде вроде всё работает, а при попытке масштабировать процесс на установке плазменного напыления от ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования начались проблемы. Осадок в баке, нестабильный поток. Оказалось, что для их серийных распылительных головок нужна совершенно другая вязкость. Компания, кстати, профессионально занимается не только нанесением, но и разработкой оборудования, так что их инженеры дали ценный совет — добавить специфический диспергатор, который не разлагается в плазменной струе.

Тут важно понимать, что оборудование диктует условия. Универсальных рецептов нет. Для одного типа горелки подойдет водная основа, для другой — только спиртовая, иначе будет каплеобразование и непроплавы. В спецификациях к установкам от Лицзя это всегда подчеркивается, но не все читают техдокументацию до конца.

Еще один нюанс — подготовка поверхности. При напылении суспензий адгезия работает иначе, чем с сухими порошками. Механическое зацепление меньше, больше роль химической активности подложки. Часто приходится использовать не стандартный пескоструй, а более тонкую абразивную обработку или даже химическое травление. Иначе покрытие просто отслоится при термоциклировании.

Подача — сердце процесса

Если с сухим порошком всё более-менее предсказуемо, то с суспензией система подачи — это постоянный источник головной боли. Шприцевые насосы хороши для лаборатории, но для производства непригодны — износ, пульсации. Перистальтические чуть лучше, но тоже не идеал. Мы в свое время экспериментировали с пневматическими системами прямого впрыска, подобными тем, что предлагаются для некоторых моделей плазмотронов от упомянутой компании. Задача — обеспечить стабильный, ламинарный поток без пульсаций при давлении до 5-6 бар.

Самая большая проблема — это начало и конец процесса. При старте часто идет неоднородная струя, обогащенная дисперсионной средой. При остановке — капля, которая образует наплыв. Приходится синхронизировать включение подачи суспензии и розжиг дуги с точностью до доли секунды. На старом оборудовании это делалось вручную, сейчас хорошие установки имеют автоматизированный цикл, но его нужно тонко настраивать под конкретную суспензию.

Засорение канала — это отдельная песня. Даже при идеальной фильтрации (а фильтровать надо до 5 микрон минимум) со временем происходит агломерация частиц прямо в трубке. Особенно если в линии есть ?мертвые зоны? с низкой скоростью потока. Решение — делать максимально короткую и прямую трассу от бака к горелке, без резких изгибов. Конструкция некоторых современных российских и китайских установок, включая те, что разрабатывает Лицзя, уже учитывает этот момент.

Термодинамика в капле

Вот что действительно отличает напыление суспензий от обычного — это поведение частицы в плазме. Это не просто нагрев и плавление. Капля суспензии, влетая в факел, проходит стадии испарения жидкости, разрыва капли на более мелкие фрагменты, спекания наноагломератов и, наконец, удар о подложку. Скорость испарения носителя критически важна. Если она слишком высока, частицы могут не успеть прогреться и дадут пористое покрытие. Если низка — жидкая фаза долетит до детали, что приведет к образованию дефектов.

Эмпирическим путем мы выяснили, что для керамических суспензий на основе этанола оптимальная мощность плазмы часто ниже, чем для аналогичного сухого порошка. Иначе происходит перегрев и испарение самой керамики. Приходится жертвовать производительностью ради качества слоя. Это не всегда очевидно из литературы.

Еще один момент — размер первичных частиц в суспензии. Логично думать: чем мельче, тем лучше. Но нет. Слишком мелкие частицы (менее 50 нм) в составе капли могут не долететь до подложки, уносясь потоком плазмы, или образовать крайне хрупкий столбчатый слой. Иногда лучше использовать суспензию с частицами 100-200 нм — покрытие получается плотнее и прочнее на отрыв. Это противоречит многим учебным пособиям, но практика это подтверждает.

Случай из практики: термобарьер для лопатки

Был у нас заказ на пробное нанесение TBC (термобарьерного покрытия) из суспензии цирконата иттрия на опытную лопатку турбины. Использовали установку с системой подачи, концептуально похожей на ту, что можно увидеть в каталоге ООО Чжэнчжоу Лицзя. Задача — получить столбчатую структуру для улучшения термоциклической стойкости. По книжкам всё просто: наносишь, и структура формируется сама.

На деле первые образцы дали не столбцы, а мелкозернистую, почти стекловидную структуру. Адгезия была слабой. Стали разбираться. Оказалось, проблема в скорости перемещения горелки. Мы вели её слишком быстро, пытаясь избежать перегрева. В итоге каждая капля суспензии не успевала создать устойчивый островок роста. Снизили скорость в полтора раза, увеличили расстояние ?факел-подложка? на 15 мм — и пошла характерная столбчатая текстура. Но при этом выросла пористость. Пришлось искать компромисс, варьируя параметры в течение нескольких дней. Это типичная ситуация: настройка процесса под конкретную геометрию детали — это всегда итеративный поиск.

Второй проблемой на той же лопатке оказались кромки. На острых кромках покрытие стремилось ?свернуться?, образуя утолщения. Стандартный прием — маскировка или снижение энтальпии плазмы на краях за счет изменения ориентации факела. Но с суспензией это не сработало, так как капли летели по инерции. Помогло только механическое скругление самой кромки перед напылением, о чем в ТЗ изначально не было сказано. Клиент потом долго согласовывал это изменение конструкции.

Оборудование и его капризы

Работая с разными установками, пришел к выводу, что для плазменного напыления суспензий критически важна не столько максимальная мощность, сколько стабильность и управляемость факела. Плазматрон с большим разбросом параметров по мощности заведомо даст неоднородное покрытие. Хорошо показывают себя системы с аксиальной подачей суспензии прямо в ядро плазмы, а не с периферии. Это позволяет лучше контролировать тепловую историю частиц.

Упомянутая компания Лицзя в своих исследованиях делает акцент на управляемости процесса, что для суспензионных технологий правильно. Потому что здесь, в отличие от порошков, окно технологических параметров гораздо уже. Перегрев на 50 градусов — и покрытие уже не то. Недостаточная скорость — и получится шероховатый, слабо связанный слой.

Износ элементов тоже специфический. Сопло, через которое впрыскивается суспензия, подвержено эрозии не только от плазмы, но и от абразивного действия самих частиц в потоке. Материал сопла должен быть стойким, но не любой карбид вольфрама подойдет. Некоторые сплавы вызывают каталитическое разложение органических стабилизаторов в суспензии прямо в канале. Приходится подбирать пары ?материал сопла — состав суспензии? практически вслепую, методом проб и ошибок. Это та деталь, которую редко обсуждают на конференциях.

Вместо заключения: мысль вслух

Так что плазменное напыление суспензий — это не просто подраздел термического напыления. Это отдельная дисциплина, где успех на 30% зависит от оборудования, на 30% — от рецептуры суспензии, а остальные 40% — это опыт и чутье оператора, умение читать не цифры на экране, а сам факел и образующееся покрытие. Технология перспективная, особенно для тонких, наноструктурированных или композитных слоев, где традиционные порошки бессильны.

Но внедрять её в серию нужно с оглядкой. Не стоит гнаться за максимальной производительностью. Лучше медленно, но стабильно. И всегда, всегда иметь запасные варианты рецептур суспензии и режимов на случай, что первая же партия сырья окажется с другими реологическими свойствами. Потому что в этом процессе, как ни в каком другом, дьявол кроется в деталях — в буквальном смысле, в каждой микроскопической капле.

И да, сотрудничество с производителями оборудования, которые сами погружены в исследования, как та же Лицзя, часто полезнее, чем чтение десятков статей. Потому что они знают не только, как заставить установку работать, но и почему она иногда не работает. А это в нашей практике — самая ценная информация.