Способ плазменного нанесения покрытий

 

Сущность изобретения : предложенный способ включает создание разности потенциалов между электродами плазмотрона и подачу дискретной порции напыляемого материала в виде порошка на торец катода. Затем инициируют электрический разряд между электродами, воздействуя на подложку лучом лазера. При этом электроды плазмотрона располагают по нормали к подложке в контакте с лазерным факелом паров материала подложки. За счет дугового электрического разряда воздействуют на подложку напыляемым материалом при помощи высокоскоростной плазменной струи. 2 ил.

Изобретение относится к технологии поверхностного упрочнения и нанесения покрытий лазерной наплавкой и может быть использовано при нанесении покрытий, повышающих эксплуатационные характеристики поверхностных слоев деталей различных узлов трения, работающих в условиях интенсивного износа. Известен способ лазерного нанесения покрытий, заключающийся в том, что перед лазерным воздействием на обрабатываемую поверхность наносится порошковый материал, например, с помощью метода высокотемпературного плазменного нанесения, а затем полученное покрытие подвергают лазерному оплавлению. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ нанесения покрытий при помощи эрозионного плазмотрона. Указанный способ включает приложение разности потенциалов к электродам, разделеннным диэлектрической вставкой. Между электродами возникает дуговой электрический разряд, вызывающий истечение высокоскоростной плазменной струи. Напыляемым материалом являются продукты эрозии центрального электрода или диэлектрической вставки. Доля участия в покрытии материала электрода и вставки зависит от режима разряда, типа материала и геометрии источника плазмы. Недостатком способа являются недостаточно высокие адгезионная прочность и качество покрытия вследствие того, что покрытие осаждается на поверхность, загрязненную атомами и молекулами, адсорбированными на поверхности подложки из окружающей среды. Предварительные операции по очистке поверхностей, например пескоструйная или другие виды обработки, не позволяют в полной мере устранить этот адсорбированный слой. Поэтому адгезионная прочность покрытий, полученных в известном способе относительно невелика (как правило, не превышает 5 кг/мм²). Цель изобретения повышение адгезионной прочности и качества покрытия за счет синхронизации момента испарения адсорбированного слоя и момента воздействия электрического разряда, что позволяет резко увеличить прочность наносимого покрытия к основе материала в 2 5 раз. В предложенном способе процесс начинается с воздействия лазерного излучения на поверхность подложки, которое поглощается твердыми телами в тонком поверхностном скин-слое толщиной в доли микрометра за весьма малый промежуток времени. Вследствие этого поверхностные участки нагреваются до высоких температур, достаточных для удаления примесей, поглощенных поверхностью. Таким образом реализуется лазерная термодесорбция атомов с поверхности подложки. Более эффективным для очистки поверхности является импульсное периодическое лазерное излучение. При малом времени действия излучения поверхности непрозрачного материала успевают нагреться до высокой температуры, а нагрев всей массы материала за счет теплопроводности незначителен. При этом не успевают произойти диффузные процессы и примеси, находящиеся внутри материала, не диффундируют к поверхности. Таким образом, лазерная десорбция импульсно-периодическим воздействием может оказаться эффективным средством очистки поверхностей. Одним из путей повышения качества является увеличение температуры или энтальпии напыляемых частиц. Прочность сцепления частиц с подложкой определяется температурой, устанавливающейся в контакте напыляемой расплавленной частицы с твердой подложкой. Увеличить температуру контакта Т можно повышением температуры подложки или перегревом напыляемых частиц выше температуры плавления и тем самым интенсифицировать приваривание частиц к подложке. При напылении на подложку, имеющую высокую теплопроводность, перегрев частиц в меньшей степени влияет на температуру контакта T_k, чем подогрев подложки. Таким образом, подогрев подложки является мощным средством повышения прочности и качества слоя покрытия. Поставленная цель достигается тем, что перед воздействием на подложку напыляемый материал подают дискретными порциями в виде порошка на торец катода, а инициирование осуществляют воздействием на подложку лучом лазера и расположением электродов плазмотрона по нормали к подложке с лазерным факелом паров материала подложки. На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства, реализующая способ нанесения покрытий; на фиг. 2 процесс взаимодействия лазерного импульса и электрического разряда во времени. Способ осуществляется следующим образом. Луч лазера 1 фокусируется на обрабатываемой поверхности основы 2 под углом к ней. Начало взаимодействия импульса лазера с основой сопровождается интенсивным испарением материала основы, что определяет порог разрушения материала и его плавление. Пары материала в виде плазменного факела, распространяющегося нормально к обрабатываемой поверхности, заполняют объем 3 плазмотрона, между электродами которого создана разность потенциалов, и инициируют между ними дуговой электрический разряд, накопленный в электрической цепи разряда, состоящей из батарей конденсаторов, выпрямителя, измерительных безындукционнных шунтов, соединительных шин. Емкость батареи конденсаторов составляет 50 1000 мкФ и плавно заряжается до 0,3 2,5 кВ. Плазмотрон состоит из центрального электрода 4 (катода), на торце которого располагается рабочее тело 5 (порошковый материал), кольцевого электрода 6 (анода). Электроды разделены корпусом 7 разрядной камеры из диэлектрического материала, их устанавливают нормально к обрабатываемой поверхности основы 2. Конфигурация разрядного объема 3 может иметь цилиндрическую или коническую геометрию. Центральный электрод 4 с помощью кулачкового механизма 8 имеет возможность осевого продольного перемещения. Порошковый материал через наклонный канал 9, выполненный в корпусе разрядной камеры 7, дозированными порциями поступает на торец центрального электрода 4, находящегося в нижнем крайнем положении, затем с помощью кулачкового механизма 8 в рабочую зону разрядного объема (верхнее крайнее положение). При импульсном разряде происходит сильное возрастание давления в разрядном объеме по сравнению с давлением окружающей среды (атмосферы). Одной из причин этого теплового давления является омический нагрев образующейся плазмы разрядным током. Вследствие высокой плотности тока (средняя плотность тока 10⁴ 10⁷ A/см²) на катоде 4 реализуются большие тепловые потоки и вызванное ими тепловое давление приводит к интенсивному разрушению рабочего тела 5 (порошкового материала), расположенного на торце центрального электрода 4 (катода) и выносу его из разрядной камеры. В результате взрывообразного процесса испарения рабочего тела после пробойной стадии формируется эрозионная плазменная струя, в которой образуется волновая структура, связанная со сверхзвуковым истечением паров и расплавленных частиц рабочего тела из разрядного объема плазмотрона. Расплавленные частицы и пары рабочего тела с огромной скоростью внедряются в расплавленную уже лазером обрабатываемую поверхность основы. После завершения воздействия разряда на обрабатываемую поверхность основы центральный электрод 4 отводится кулачковым механизмом 8 в нижнее крайнее положение, на его торец подается очередная порция порошкового материала, и цикл повторяется. Так как процессы взаимодействия импульсного дугового разряда и лазерного излучения с обрабатываемым материалом протекают одновременно, а длительность электрического разряда 10 меньше длительности воздействия лазерного луча 11, то нанесенный материал дополнительно подвергается расплавлению лучом лазера, что позволяет снизить микронеровности поверхности и получить более равновесную структуру покрытия. В процессе лабораторных исследований были проведены испытания с положительными результатами следующих порошковых материалов: ПН55Т45, ПТ88Н12, ПХ7ОЮ30, ПХ8ОХ20, П4-3, ПР-Н67Х18С5Р4, ПС-12НВК-01, ПГ-104-01, ПГСР-2, A₂O₃. Порции порошкового материала перечисленных порошков, подаваемых на катод, варьировались в диапазоне от 0,5 до 3,5 г. Размер порции определяется геометрическими и электрическими параметрами генератора и может быть увеличен с увеличением мощности электрического разряда. В процессе лабораторных исследований испытаниям были подвержены подложки из следующих материалов: ст. 45, Д16Т, Сч 21-40, 1Х18Н9Т. Катоды были изготовлены из вольфрама и углерода. Качество покрытия при этом по сравнению с аналогичными техническими решениями выражаются в резком повышении (в 2-5 раз) адгезионной прочности (адгезионная прочность определялась по штифтовой методике на отрыв) за счет синхронизации момента испарения адсорбированного слоя и момента воздействия электрического разряда. Дополнительным преимуществом способа является возможность использования порошковых ультрадисперсных материалов (менее 1 мкм), что невозможно в других газотермических методах. В данном способе за один импульс лазерного излучения происходит объединение в едином технологическом процессе нескольких операций по химико-механической очистке поверхности детали, нагреву (расплавлению) обрабатываемой поверхности подложки и нанесению материала покрытия.

Формула изобретения

Способ плазменного нанесения покрытий, включающий создание разности потенциалов между электродами плазмотрона, инициирование электрического разряда между ними и нанесение на подложку напыляемого материала при помощи высокоскоростной плазменной струи за счет дугового электрического разряда между электродами, отличающийся тем, что, с целью повышения адгезионной прочности и качества покрытий, электроды плазмотрона располагают по нормали к подложке, напыляемый материал используют в виде порошка и подают его дискретными порциями на торец катода, а перед нанесением на подложку напыляемого материала на нее воздействуют лучом лазера с образованием факела паров материала подложки и одновременным инициированием электрического разряда между электродами плазмотрона.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000        

---