Плазменная наплавка

Лекция 12

Плазменная наплавка

Плазменная наплавка - это процесс нанесения покрытий плазменной струей, когда деталь включена в цепь тока нагрузки. В этом случае с помощью плазменной струи нагреваются поверхность восстанавливаемой детали и наносимый материал. Материал перемещается плазменной струей. Температура ее может превышать 20 ООО К.

При плазменной наплавке в отличие от аргоиодуговой наплавки электрическая дуга сжимается стенками водоохлаждаемого сопла. Газ, продуваемый сквозь эту дугу, приобретает свойства плазмы - становится ионизированным и электропроводящим. Слой газа, соприкасающийся со стенками сопла, интенсивно охлаждается, утрачивает электропроводность и выполняет функции электрической и тепловой изоляции, что приводит к уменьшению диаметра плазменной струи, который составляет 0,7 диаметра сопла.

В качестве плазмообразующего газа чаще применяется аргон (табл. 3.55). Наплавка с заменой аргона воздухом (до 90%) значительно снижает стоимость восстановления деталей. Для плазменной наплавки в воздушной среде разработаны порошковые сплавы на железной основе, в состав которых входят сильные раскислители и нитридообразующие элементы.

Плазменную струю получают с помощью плазмотронов, которые по различным классификационным признакам образуют следующие группы:

• по способу взаимодействия дугового разряда с изделием (прямого действия, косвенного, комбинированного);
• по способу сжатия дугового разряда (стенками канала сопла, газовым потоком и комбинированный);
• по числу дуг (одно- и многодуговые);
• по составу плазмообраэующих газов (работающие на инертных газах, нейтральных и кислородсодержащих);
• по способу подачи плазмообразующего газа (с тангенциальной и аксиальной подачей);
• по виду сварочного тока (переменного и постоянного прямой и обратной полярности);
• по способу дополнительного сжатия дуги (с системой каналов, выходящих на торец сопловой части; с системой каналов, выходящих внутрь канала сопла и комбинированной системой каналов);
• по способу подачи наносимого материала (радиальной боковой подачей, осевой подачей через вольфрамовый электрод);
• по величине тока (для микроплазменной наплавки - ток 0,1... 15 А, для плазменной наплавки - ток 10... 100 А и для наплавки с глубоким про- плавлением - ток > 100 А).

Наибольшее применение нашли плазмотроны: прямого действия, с комбинированным способом сжатия дугового разряда, однодуговые с тангенциальной подачей инертного газа, работающие на постоянном токе прямой полярности и с радиальной подачей материала. У плазмотрона различают основную дугу - между анодом и деталью и вспомогательную - между анодом и соплом. Токи обеих дуг регулируются балластными реостатами, включенными в соответствующие цепи.

Самые теплонапряженные детали плазмотрона - это электрод и сопло. Материал электрода определяется составом плазмообразующей среды. В плазмотронах, работающих с применением инертных и нейтральных газов (аргон, азот, гелий, смеси: аргон и азот, аргон и водород, азот и водород), используют электроды из вольфрама. В плазмотронах, работающих в кислородсодержащих средах, применяют катоды из гафния и циркония. Водоохлаждаемое сопло выполнено из меди. Сопло, рассчитанное на ток силой 260...310 А, имеет диаметр отверстия для выхода плазмы 3...4 мм. Диаметр насадки для подачи защитного газа 10...13 мм.

Преимущества плазменной наплавки по сравнению с другими способами нанесения покрытий сводятся к следующему. Гладкая и ровная поверхность покрытий позволяет оставлять припуск на обработку 0,4...0,9 мм. Малая глубина проплавления (0,3...3,5 мм) и небольшая зона термического влияния (3...6 мм) обусловливают долю основного металла в покрытии < 5 %.

Малое вложение тепла в обрабатываемую деталь обеспечивает небольшие деформации и термические воздействия на структуру основы. При восстановлении обеспечивается высокая износостойкость наплавленных поверхностей. Наблюдается снижение усталостной прочности деталей на 10... 15 %, что намного меньше, чем при использовании некоторых других видов наплавки.

Плазменная наплавка нашла применение при восстановлении ответственных деталей, к которым, например, относятся: коленчатые, кулачковые и распределительные валы, валы турбокомпрессоров, оси, крестовины карданных шарниров, направляющие оборудования, щеки и седла задвижек, шнеки экструдеров и др. Область применения способа - нанесение тонкослойных покрытий на нагруженные детали с малым износом. Плазменная наплавка тонкослойных покрытий составляет конкуренцию процессам нанесения гальванических покрытий.

При плазменной наплавке получают покрытия толщиной 0,2...6,5 мм и шириной 1,2...45 мм. Если наносится легкоплавкий материал, то возможно нанесение покрытия с проплавлением очень тонких поверхностных слоев без оплавления поверхности.

Термический КПД наплавки в 2...3 раза выше, чем при электродуговом процессе. Производительность процесса 0,4...5,5 кг/ч.

Различают наплавку по винтовой линии с непрерывной подачей плазмотрона и широкослойную наплавку с его гармоническими колебаниями относительно оси вращающейся детали. Для нанесения покрытий толщиной > 4 мм применяют многослойную наплавку.

Материалы для плазменной наплавки весьма разнообразны, включая железоуглеродистые высоколегированные сплавы, колмоной, стеллиты, инструментальные и быстрорежущие стали. Применяют прутки, проволоку, порошки и комбинации материалов.

При наплавке седел клапанов (в том числе и при изготовлении двигателей) Россия, Великобритания, Германия, США и Япония применяют хромокобальтовые сплавы - стеллиты, которые обладают более высокой жаростойкостью при температуре 600...650 °С, чем самофлюсующиеся хромоникелевые сплавы, легированные бором и кремнием.

Произошел переход с индукционной наплавки и наплавки намораживанием этого материала на плазменную наплавку. Это связано с тем, что железо является вредной примесью в наплавочных сплавах Co-Cr-W-C. Разбавление наплавленного металла железом приводит к снижению жаропрочности и коррозионной стойкости покрытий. При этом твердость сплавов при комнатной температуре остается практически постоянной, но при высоких температурах она резко снижается. Скорость коррозии в растворах соляной и азотной кислот у стеллитов с добавкой железа увеличивается примерно в 10 раз.

Прочные и вязкие покрытия получаются из сталей, легированных ванадием. Ванадий обладает высоким сродством к углероду; его карбиды сохраняют стехиометрическое строение и высокую твердость в процессе наплавки. Нерасплавленные частицы карбида ванадия стимулируют образование из расплава мелкозернистой структуры. Высокая твердость карбидов ванадия (2900...2940 HV0,2) обеспечивает высокую износостойкость покрытия.

Хорошие результаты при восстановлении деталей плазменной наплавкой дает применение порошковых материалов. В этом случае:

возможно изменение в широких пределах толщины покрытия (0,1...7 мм), скорости (0,5...25 м/мин) и производительности наплавки (0,6... 15 кг/ч), ширины шва (1...45 мм) и состава наплавляемого металла за счет изменения применяемых материалов и режимов процесса;

обеспечивается простота управления вводом тепла в материал детали и глубиной его проплавления независимо от подачи материала;

облегчается выбор присадочного материала для получения покрытий (в том числе композиционных) различных составов и структур с заданными свойствами путем смешения разных порошков;

Оптимальный размер частиц порошка 60... 100 мкм. Лучше подавать присадочный порошок вдоль оси плазменной струи через отверстие анода, в этом случае и полностью расплавляются частицы размером 200...250 мкм, и создаются наилучшие условия для расплавления и формирования покрытия.

Высокое значение термического КПД (до 0,44) плазменной наплавки и уменьшение вложения тепла в материал детали достигаются при выполнении двух требований. Во-первых, частицы должны расплавляться в плазменной дуге и попадать на поверхность детали в жидком состоянии. Если частицы попадают на поверхность в твердом состоянии, то требуется время для их расплавления непосредственно в сварочной ванне, что приводит к увеличению ее размеров и, соответственно, глубины проплавления. Во-вторых, частицы должны перемещаться близко к оси плазменной струи. Движение частиц по периферии струи и вне ее приводит не только к потерям порошка, но и к дефектам покрытия. Этим объясняется наибольшая тепловая эффективность плазмотронов с аксиальным вводом порошка.

Температура наплавляемой поверхности детали изменяется под действием тепла предварительного подогрева, тепла от предыдущих валиков Н тепла от валика, наносимого в рассматриваемый момент времени. Спустя некоторое время отвод тепла уравнивается с его подводом, что приводит к достижению материалом детали теплового насыщения. Повышение термического КПД плазменной наплавки и исключение перегрева детали обеспечиваются предварительным нагревом детали и ограничением мощности плазмотрона примерно на 40% непосредственно в процессе наплавки. Это относится и к плазменно-порошковой наплавке, тепловая мощность которой может регулироваться независимо от расхода подаваемого порошка.

Электромагнитная наплавка

Сущность электромагнитной наплавки заключается в нанесении покрытия из порошка на поверхность заготовки в магнитном поле при пропускании постоянного тока большой силы через зоны контакта частиц порошка между собой и с заготовкой.

Магнитное поле создают в зазоре между заготовкой и полюсным наконечником. Оно выстраивает мостики частиц ферромагнитного порошка между указанными элементами. На магнитное поле, в свою очередь, налагают электрическое поле путем приложения напряжения к заготовке и полюсному наконечнику. Восстановительное покрытие получается за счет нагрева частиц порошка в зазоре, их оплавления и закрепления на восстанавливаемой поверхности.

Процесс разработан и совершенствуется в Беларуси. В настоящее время плодотворные исследования ведет научная школа БАТУ (Минск) под руководством проф. Л.М. Кожуро.

Хорошую обрабатываемость и износостойкость имеют покрытия из высокохромистого чугуна С-300 эвтектического состава и из быстрорежущих сталей Р6М5К5 и Р6М5ФЗ. Плотность мощности достигает значений 5104... 5105 Вт/см2.

Процесс характеризуется некоторой нестабильностью из-за хаотического формирования многоэлектродной системы и дискретного расплавления цепочек-электродов из зерен порошка в рабочем зазоре. Устранить этот недостаток можно подачей в рабочий зазор присадочного материала в виде непрерывно поступающего слоя пасты и последующим ее расплавлением изолированным неплавящимся электродом. Основой паст служат легированные порошки на железной основе (Fe-V, Fe-Ti, Fe-Cr, С-300, ПЖРВ2) зернистостью 150...300 мкм, которые перемешиваются со связующим (жидким стеклом) непосредственно перед наплавкой в объемном соотношении 2:1. Это позволяет повысить производительность за счет увеличения плотности тока до 3 А/мм2. Можно получить покрытие

толщиной ~ 2 мм. Стабильность наплавки еще больше повышается, если

ферромагнитный порошок подают в рабочую зону в потоке рабочей жидкости.

Устройства для реализации электромагнитной наплавки могут быть выполнены по одно- или двухполюсной схеме. Двухполюсная схема при прочих равных условиях дает более высокую стабильность и производительность наплавки, но однополюсная более универсальна. Наплавка в пульсирующем магнитном поле за счет вибрации полюсного наконечника исключает короткое замыкание в цепи разрядного тока, что позволяет использовать неимпульсные источники тока и стабилизировать процесс. Можно восстанавливать как цилиндрические, так и плоские поверхности.

Способ позволяет совмещать во времени процессы нанесения покрытия и поверхностного пластического деформирования. Совмещение обеспечивает получение сжимающих остаточных напряжений в наплавленном слое (усталостная прочность увеличивается в 1,2...1,4 раза), повышение его износостойкости в 1,8...2,7 раза, Электромагнитную наплавку можно совмещать со шлифованием абразивными частицами наносимого материала.

Область применения процесса - восстановление и упрочнение деталей с износом до 0,6 мм в мелко- и среднесерийном производствах с одновременным их поверхностным пластическим деформированием.

Лазерная наплавка

Лазерная наплавка использует в качестве источника тепла концентрированный луч лазера.

С помощью лазеров выполняют: наплавку, оплавление напыленных поверхностей, поверхностное легирование, поверхностную закалку и аморфизацию материала. Лазерный вид нагрева позволяет также устранять повреждения в виде трещин в высоконагруженных деталях с нерегулярным режимом нагружения, , соединять детали в труднодоступных местах После лазерной обработки деталей с трещинами по режиму, обеспечивающему их частичное оплавление, с последующей нормализацией детали работа разрушения детали на 30% выше по сравнению с образцами, имеющими начальные трещины.

Исключительная локальность воздействия луча за счет высокой плотности энергии определяет область применения лазерной наплавки. Она применяется при восстановлении ответственных деталей (гладких млов и деталей со сложным профилем) с местным износом. Способ наиболее эффективен при восстановлении поверхностей площадью 5...50 мм и величиной износа 0,1...1,0 мм, при этом расход порошков невелик, глубина термического влияния обычно не превышает 0,5...0,6 мм, а деформации детали отсутствуют. С помощью лазерной наплавки восстанавливают, например, кулачки распределительных валов, поверхности ротора турбокомпрессора, оси фильтров тонкой очистки масла, фаски клапанов.

В качестве оборудования чаще применяют установки ЛГН-702, УЛГН-502 и ЛОК-ЗМ.

При лазерной наплавке реализуют следующие преимущества этого вида нагрева:

большую скорость выполнения операции;

широкие технологические возможности;

высокое качество поверхности после обработки;

возможность местной обработки;

легкость автоматизации;

обработку внутренних поверхностей больших и малых диаметров с помощью Важным параметром является направление подачи порошка относительно движения детали при лазерной наплавке. Подача порошка в направлении движущейся детали обеспечивает хорошее формирование наплавленных валиков. Процесс формирования при такой схеме стабилен: колебания высоты и ширины валика незначительны (10... 15%). При подаче порошка навстречу движущейся поверхности детали газопорошковая струя оттесняет жидкий металл от закристаллизовавшейся части, вследствие чего он несколько растекается по поверхности, увеличивая площадь ванны плавления. При этом растет количество частиц порошка, попадающих в расплав, и немного увеличиваются размеры валиков по сравнению со случаем подачи порошка вслед движущейся детали. Однако геометрические размеры отличаются нестабильностью, разброс высоты и ширины валика достигают 50...60 %.

Качество покрытий зависит также от толщины наплавляемого слоя и перекрытия валиков. Зависимость высоты наплавки от угла ввода порошка носит экстремальный характер.

Один из видов лазерной наплавки - это оплавление шликерных покрытий. Наплавка шликерных обмазок целесообразна при восстановле- иии плоских поверхностей или локально изношенных участков деталей в труднодоступных местах. Наносимый материал готовят в виде коллоидной смеси порошка в растворе целлюлозы. В этом случае наплавочный материал используется полностью. Для получения качественных покрытий хорошего качества лазером киловаттной мощности толщина обмазки не должна превышать 1 мм, а для лазера мощностью 2,5 кВт быть < 2 мм. Коэффициент перекрытия при этом должен составлять не менее половины диаметра рабочего пятна.

Твердость покрытий из самофлюсующихся порошков составляет 35...60 HRC для подложки из стали и 45...60 HRC для подложки из чугуна. Толщина нанесенного слоя достигает 40...50 мкм. Прочность соединения покрытия с материалом подложки > 250 МПа.

Лазерное оплавление напыленных покрытий - один из способов улучшения их свойств. Структура оплавленных лазером слоев характеризуется чрезвычайной дисперсностью, отсутствием оксидных включений и пор. Содержание легирующих элементов в оплавленных участках мало отличается от исходного. При лазерном оплавлении покрытий на оптимальном режиме, полученных напылением, можно добиться такого состояния поверхности, при котором последующая механическая обработка представляет собой отделку (например, шлифование). Поверхностное легирование - это введение в оплавленный слой практически любых легирующих элементов и даже карбидов. Продолжительность процесса измеряется секундами, в то время как при химико-термической обработке (ХТО) - часами. Регулируя мощность лазерного луча, продолжительность нагрева, скорость вращения изделия и шаг перемещения луча, можно достичь различной ширины оплавления: 0,05...5 мм.

Порошок на поверхность детали наносят как пасту, замешанную на жидком стекле, в виде наплавленного слоя или фольги нужного состава. Имеется способ легирования вдуванием порошка в оплавляемый слой. Углерод вводят в виде графита, а легирующие элементы - в элементном виде или как ферросплавы. Аналогично вводят релит, сплавы типа ВК и др. Твердость и глубина легированного слоя зависят от мощности луча и числа импульсов.

Особенность поверхностной закалки заключается в нагреве и охлаждении поверхности со скоростями, достигающими 105 К/с, при этом нагрев проводится по режиму, не дающему оплавления поверхности. Вследствие высокой скорости охлаждения металл не перегревается, имеет место полная гомогенизация структуры. При охлаждении образуется бесструктурный мартенсит, что способствует повышению твердости и износостойкости (> 1000 HV).

Остеклование поверхности (аморфизация) получается при нагреве детали с оплавлением. Твердость поверхности достигает 2000 HV, долговечность при этом повышается. Слои укладываются плотными рядами или с перекрытием. В обоих случаях на границе слоя будет мягкая зона или на участке теплового влияния, или в зоне перекрытия. На износостойкость эти мягкие участки не влияют, скорее даже имеют положительное значение, так как после небольшого износа они станут местом для задержания смазки и для отвода продуктов изнашивания. несложных оптических устройств.

Порошковая лазерная наплавка заключается в получении покрытий путем принудительной подачи порошка газовым потоком непосредственно в зону лазерного излучения. Частицы порошка начинают нагреваться в лазерном луче и расплавляются в поверхностном слое. Этот вид наплавки определяется следующими параметрами (интервалы оптимальных значений приведены в скобках):

мощностью лазерного излучения (I ...3 кВт);

скоростью перемещения восстанавливаемой поверхности под облучением (16,7...33,3 мм/с);

диаметром пятна нагрева, определяемым условиями фокусировки излучения (10... 15 мм);

- массовым расходом порошка, подаваемого в зону обработки (2,1...3,2 кг/ч);

-углом ввода порошка (30...35°).

Увеличение мощности лазера приводит к увеличению количества расплавляемого порошка, вследствие чего возрастает ширина и высота наплавленных валиков.

Повышение скорости обработки приводит к существенному уменьшению геометрических размеров наплавленных валиков. Это связано с тем, что с увеличением скорости обработки при постоянной мощности уменьшается удельная погонная энергия, а также массовый расход порошка.

Влияние степени фокусировки на геометрические параметры наплавляемых валиков неоднозначно. С уменьшением степени фокусировки при постоянной мощности снижается плотность мощности излучения, что приводит к уменьшению количества расплавленного порошка и высоты расплавленного валика.

Плазменная наплавка