Способ металлизации изделий

 

Изобретение относится к технике нанесения покрытий напылением и может быть использовано в машиностроении для получения покрытий на поверхности металлических и неметаллических деталей. Способ металлизации изделий включает напыление покрытия на основу путем подачи проволок, подключенных к источнику питания, в направлении их пересечения, нагрева и плавления их электрической дугой, возбуждаемой между концами проволок, и распыления полученного расплавленного металла струей транспортирующего газа. Запуск дугового разряда осуществляют бесконтактным пробоем газового промежутка между концами проволок высоковольтным напряжением. Нагрев и плавление проволок производят прерывистым знакопеременным дуговым разрядом со стабилизированной величиной тока, длительностью и частотой импульсов. Изобретение позволяет повысить прочность сцепления покрытия с основой и снизить шероховатость получаемых покрытий. 1 ил.

Способ относятся к технике нанесения покрытий напылением, в частности путем электродугового расплавления проволоки и распыления частиц струей сжатого газа, и может быть использован в машиностроении для получения покрытий на поверхности металлических деталей.

Известен способ электродуговой металлизации, заключающийся в подаче изолированных друг от друга проволок, подключенных к источнику питания постоянного тока с жесткой вольт-амперной характеристикой, до их пересечения, зажигании дугового разряда замыканием проволок, расплавлении металла в точке пересечения проволок тепловым действием разряда и распылением расплавленного металла газодинамическим воздействием струи транспортирующего газа (см. SU 1123744 A, кл. В 05 В 7/22, 15.11.1984).

Известный способ напыления имеет ряд характерных недостатков, заключающихся в неравномерности физико-химических свойств наносимых покрытий, высокой шероховатости поверхности, низкой прочности сцепления покрытия с основой, являющихся в целом следствием несовершенства достигаемых электрических параметров дугового разряда.

Электрический режим известного способа напыления носит прерывистый характер с многократными отклонениями от среднего значения показателей величины тока, длительности горения разряда и перерыва между отдельными зажиганиями разряда. Прерывистость процесса распыления характерна для всех режимов распыления, реализуемых установкой известного способа. Процесс распыления носит взрывной характер, выбросы металла происходят порциями различной величины, дисперсности и температуры в зависимости от величины тока и длительности горения разряда. Среднестатистическая величина частоты импульсов определяется, в основном, величиной рабочего напряжения, скоростью подачи проволоки, ее геометрическими и физическими характеристиками и газодинамическими характеристиками распыляющего газа.

Прерывистость рабочего тока является следствием газодинамического воздействия струи распыляющего газа на шнур тока дуги между концами проволок, который после запуска подхватывается высокоскоростным потоком газа, вытягивается в направлении его движения и разрывается из-за несоответствия уровня рабочего напряжения условиям горения дуги. Произвольность величины тока единичного импульса является характерной особенностью известного способа и является следствием комплексного влияния на зону распыления ряда непрерывно изменяющихся факторов. Ток разряда, запускаемого контактным способом от источника с жесткой вольт-амперной характеристикой в условиях интенсивного газодинамического воздействия струи распыляющего газа, является функцией множества изменяющихся параметров, в том числе состояния окисной пленки на поверхностях электродов в момент замыкания рабочего промежутка, формы поверхности контакта электродов, положения точки контакта, состояния рабочей поверхности токосъемных пластин и т.д. При относительно низких рабочих напряжениях, характерных для известного способа, действие перечисленных факторов приводит к многократным отклонениям от среднего значения силы тока и длительности горения разряда.

Неравномерность горения дуги является одной из основных причин неравномерности гранулометрического состава частиц и нестабильности свойств покрытий, получаемых известным способом.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение прочности сцепления покрытия с основой и снижение шероховатости получаемых покрытий.

Технический результат достигается тем, что согласно способу металлизации изделий, включающему напыление покрытия на основу путем подачи проволок, подключенных к источнику питания, нагрева и плавления их электрической дугой, возбуждаемой между концами проволок, и распылении полученного расплавленного металла струей транспортирующего газа, запуск дугового разряда осуществляют бесконтактным пробоем газового промежутка между концами проволок высоковольтным напряжением, нагрев и плавление проволок производят прерывистым знакопеременным дуговым разрядом со стабилизированной величиной тока, длительностью и частотой импульсов.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена схема источника электропитания для реализации предлагаемого способа напыления. Источник питания представляет собой генератор знакопеременных импульсов и включает в себя устройства генерации единичных импульсов 1 и 2, цепи питания распыляемых электродов 3 и 4, ключи 5 и 6, осциллятор 7, устройство управления 8, цепи управления 9, 10, 11, 12, 13, конденсаторы фильтра 14 и 15. Генераторы единичных импульсов 1 и 2 подключены к распыляемым электродам 3 и 4 через ключи 5 и 6, осциллятор 7 индуктивно связан с цепью питания дугового разряда на электродах 3 и 4. Устройство управления 8 предназначено для согласования работы элементов источника питания, что осуществляется соответствующими цепями управления 9-13. Конденсаторы фильтра 14 и 15 служат для защиты элементов источника питания от высокого напряжения осциллятора.

Функционирование устройства электропитания осуществляется следующим образом. При включении подачи проволоки в металлизаторе и сближении распыляемых электродов 3 и 4 до величины пробойного расстояния осциллятор 7 пробивает межэлектродный зазор и запускает ток генератора импульса 1, подключенного через ключ 5 к распыляемым электродам. Генератор 1 вырабатывает на распыляемых электродах импульс тока заданной устройством управления величины и длительности. После прекращения тока ключ 5 закрывается, затем по команде устройства управления 8 открывается ключ 6, подключающий генератор импульса 2 к распыляемым электродам. После этого осциллятор 7 вновь пробивает межэлектродный зазор и запускает ток генератора импульса 2, который вырабатывает на распыляемых электродах импульс тока другой полярности. После прохождения импульса тока от генератора 2 закрывается ключ 6 и цикл повторяется. Таким образом, на распыляемых электродах формируется знакопеременный импульсный дуговой разряд.

При отключении одного из генераторов (1 или 2) устройство вырабатывает импульсы тока одной полярности.

Величина пробойного напряжения осциллятора определяет величину зазора между электродами. Частота импульсов тока при зажигании разряда пробоем межэлектродного зазора не зависит, в отличии от прототипа, от скорости подачи проволоки, ее геометрических характеристик, давления газа, напряжения питания и др. параметров и может задаваться в широких пределах электрическим режимом генератора вплоть до высоких частот.

Предлагаемый способ металлизации реализован следующим образом. Производилось напыление алюминиевого покрытия на полимерные композиционные панели, выполненные из стекловолокна и волокна из ароматических полиамидов на эпоксидном связующем, на поверхности которых имеются ленты из алюминиевых и титановых сплавов. Подача проволоки осуществлялась аппаратом ЭМ-14М. Для повышения безопасности и надежности функционирования произведено частичное изменение конструкции аппарата с целью повышения электрической и механической прочности отдельных узлов и повышения стабильности скорости подачи проволоки. Произведенные доработки не вносят принципиальных изменений в порядок работы распылителя и его основные характеристики.

Перед началом распыления заправляют в аппарат ЭМ-14М распыляемую проволоку диаметром 2 мм. Между концами проволок оставляют зазор, заведомо превышающий величину, задаваемую величиной пробойного напряжения осциллятора, и составляющий для реализуемого режима распыления 0,4 мм. После установки в аппарате распыляемых проволок подают давление распыляющего газа (8 ати) и подключают источник питания (генератор знакопеременных импульсов). При этом источник питания находится в режиме холостого хода, так как величина межэлектродного зазора значительно превышает заданную режимом распыления 0,4 мм и запуск разряда невозможен. После осуществления перечисленных действий включают подачу распыляемых проволок, при этом происходит постепенное уменьшение зазора между ними и при достижении величины 0,4 мм происходит пробой межэлектродного зазора и запуск источника питания, который переходит в режим рабочего хода, при этом на электродах осуществляется запуск и гашение импульсного дугового разряда. Тепловым действием дугового разряда осуществляют плавление металла электродов и подогревают струю распыляющего газа, газодинамическим действием которой осуществляют распыление расплавленного металла, его транспортировку к поверхности подложки и формирование покрытия. Распыление осуществляют при следующих электрических характеристиках - напряжение холостого хода источника питания 320 В, частота следования импульсов 200 Гц, ток импульса 40 А. Величина пробойного напряжения осциллятора около 1200 В высокочастотного напряжения. В результате реализации способа получено сплошное электропроводящее покрытие с шероховатостью Rz 450 и удельной массой 35 г/м. Электрический контакт между панелями выполнен установкой металлических крепежных элементов. Достигнута электрическая сплошность покрытия на собранной конструкции.

Полученный результат обеспечивается тем, что прочное сцепление частиц при напылении достигается только в результате термически активизируемого процесса химического взаимодействия материалов подложки и частицы в контакте. Температура подложки при образовании покрытия определяется воздействием как нагретых частиц распыляемого материала, так и воздействием струи транспортирующего газа, подогрев которого при известном способе незначителен, что приводит к охлаждению распыленных частиц в процессе транспортировки и снижению температуры подложки.

Энергия дугового разряда, горящего между концами проволок в струе распыляющего газа, передается как на нагрев электродов, так и на нагрев газа, продуваемого через шнур тока разряда. Доля энергии, передаваемая на нагрев газа, зависит от длины дугового промежутка и резко падает с уменьшением длины последнего, при этом резко возрастает доля тепловой энергии, выделяемой в электродах. Т. о. , величина нагрева распыляющего газа является функцией не только силы тока, но и длины дуги. Скорость движения дуги между электродами при дуговой металлизации достигает скорости потока распыляющего газа, т.е. длина дуги непрерывно увеличивается от момента возникновения до разрыва. Управление величиной нагрева распыляющего газа (пропорциональной величине тока и длине дуги) достигается путем управления длительностью дугового разряда и величиной тока импульса. Температура распыляющего газа и температура распыляемого материала в совокупности определяют температуру поверхности в точке контакта.

Известный способ напыления из-за хаотичности электрического режима не дает возможности эффективно управлять температурным режимом процесса напыления, что является одной из причин низких показателей адгезии наносимых покрытий.

Прочность сцепления покрытия с подложкой и шероховатость поверхности определяются в числе других факторов газодинамическими характеристиками распыляющего газа и достигаемыми при этом скоростями напыляемых частиц. Скорость частиц при напылении известным способом 30-150 м/с, что недостаточно для обеспечения прочности покрытия. Повышение динамических характеристик потока распыляющего газа (увеличение рабочего давления свыше 6 ати) приводит при известном способе наряду с улучшением характеристик шероховатости и прочности сцепления с подложкой к снижению устойчивости дугообразования и в конечном итоге к срыву процесса.

При повышенных давлениях распыляющего газа более отчетливо проявляются неравномерность расхода материала электродов, что приводит (в условиях интенсивного охлаждения потоком распыляющего газа) к короткому замыканию проволок, их свариванию и прекращению процесса распыления. Неравномерность расхода материала электродов является следствием того, что электрический режим известного способа напыления обеспечивается источником питания постоянного тока, при этом одна из проволок является катодом, а другая - анодом, что приводит к существенным различиям тепловых потоков в электроды. Для решения данной проблемы в предлагаемом способе напыления предлагается осуществлять нагрев распыляемых электродов знакопеременным дуговым разрядом, что позволяет выровнять температуру частиц и обеспечить равномерность расхода материала электродов.

Наличие газового зазора между электродами (при запуске разряда пробоем газового промежутка) облегчает обдув зоны плавления металла струей распыляющего газа, чем достигается меньшая дисперсность распыленного металла. Нагрев металла электродов до плавления осуществляется не единичными импульсами, которым соответствуют порции распыленного металла, а совокупным тепловым действием серии маломощных импульсов, не оказывающих существенного влияния на газодинамические характеристики струи распыляющего газа. Таким образом реализуется непрерывный процесс распыления в отличие от известного процесса, характеризующегося значительными перерывами между импульсами разряда и неравномерностью процесса распыления. Для обеспечения непрерывности процесса распыления величина скважности импульсов должна приближаться к 1, а частота и, соответственно, длительность импульсов должны определяться из задачи обеспечения оптимального качества в каждом конкретном случае. Для решения задачи подогрева распыляющего газа и обеспечения высокой температуры торможения напыляемых частиц необходим режим напыления длительными импульсами тока меньшей частоты. Для решения задачи нанесения покрытия на основу низкой температурной стойкости необходим режим напыления короткими импульсами и, соответственно, высокой частоты.

Величина тока импульса и напряжение холостого хода являются независимо задаваемыми параметрами (в отличии от известного способа при использовании источника питания с жесткой вольт-амперной характеристикой). Это дает возможность путем увеличения рабочего напряжения повысить надежность запуска импульсов тока и снизить влияние на ток разряда сопротивления разрядной цепи, определяемой соотношением множества случайных факторов (состояние токосъемных пластин, геометрических характеристик проволоки, состояния окисной пленки на проволоке и др.).

Предложенный способ может быть использован для создания электропроводящего покрытия на наружных поверхностях летательных аппаратов, выполненных с применением полимерных композиционных материалов.

Использование предлагаемого способа напыления обеспечивает по сравнению с существующим способом следующие преимущества.

Стабилизация электрического режима повышает устойчивость процесса распыления, вследствие этого характеризуется лучшей воспроизводимостью характеристик напыления, что позволяет решить проблему нанесения покрытия с заданными свойствами на неоднородную по своим характеристикам поверхность подложки, например полимерную поверхность с металлическими фрагментами.

Расширение области электрических режимов и давлений распыляющего газа позволяет обеспечить снижение шероховатости и повышение прочности наносимых покрытий.

Формула изобретения

Способ металлизации изделий, включающий напыление покрытия на основу путем подачи проволок, подключенных к источнику питания, в направлении их пересечения, нагрева и плавления их электрической дугой, возбуждаемой между концами проволок, и распыления полученного расплавленного металла струей транспортирующего газа, отличающийся тем, что запуск дугового разряда осуществляют бесконтактным пробоем газового промежутка между концами проволок высоковольтным напряжением, нагрев и плавление проволок производят прерывистым знакопеременным дуговым разрядом со стабилизированной величиной тока, длительностью и частотой импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1