Plasma spray processing/uk
Обробка плазмовим розпиленням — це метод надання матеріалу захисного покриття за допомогою плазмового розпилення. Широкий діапазон температур процесу дозволяє використовувати багато різних матеріалів і сполук, від високих до низьких температур плавлення. Сам процес може бути досить складним через усі взаємодіючі параметри. Застосування цього процесу збільшується з кожним роком і буде продовжувати збільшуватися через можливість варіювати покриття для різних матеріалів. Потенціал для цього процесу майже необмежений для покриттів підкладки.
Зміст
Теорія
Теорія, що лежить в основі цього процесу, називається «Теорією плазмового струменя» або «Теорією плазмового полум’я», хоча в процесі не бере участь полум’я.
Плазма - це електропровідний газ, який містить заряджені частинки. Коли гази досягають високого збудженого стану, вони можуть втратити частину своїх електронів і стати іонізованими, у результаті чого утворюється плазма, електрично заряджена іонами та електронами. [1] У цій плазмі є чотири гази, які беруть участь у процесі:
Процес плазмового розпилення може створювати температури приблизно від 7 000 К до 20 000 К. Ці температури значно перевищують температуру плавлення будь-якого відомого матеріалу. Така екстремальна температура не є єдиною причиною ефективних нагрівальних властивостей. Плазма здатна виробляти велику кількість енергії завдяки енергетичним змінам, які можуть відбуватися з дисоціацією молекулярних газів на атомарні гази та іонізації з дуже незначною зміною температури.
Це дає два вільні атоми Нітрогену
Це дає два іони Нітрогену та два електрони
Зворотний процес дасть найбільше енергії для опалення без великої втрати температури
Азот і водень є двохатомними газами, тоді як гелій і аргон є одноатомними газами. Двоатомні гази, як правило, мають високий вміст енергії для встановленої температури, ніж одноатомні гази. Одноатомні гази зазвичай мають нижчу енергію, але вищу температуру, ніж двоатомні гази.
Аргон
Найбільш сприятливий первинний газ у цьому процесі, він зазвичай використовується разом із вторинним газом. Це один із трьох інших газів, які можна використовувати в цьому процесі. При використанні з вторинним газом аргон хоче збільшити свою енергію. Аргон — найпростіший газ для утворення плазми, і він не такий важкий для використовуваного обладнання.
Гелій
В основному використовується як допоміжний газ з аргоном. Гелій здатний забезпечити більш високу чутливість до контролю енергії плазми. В основному використовується для високошвидкісного плазмового розпилення карбідних матеріалів, коли умови процесу критичні. [2]
Азот
Зазвичай використовується як основний газ окремо або з воднем. Цей газ сприяє процесу, оскільки він є найдешевшим плазмовим газом. Азот зазвичай інертний для більшості матеріалів, за винятком титану.
водень
В основному використовується як вторинний газ. Він здатний різко впливати на теплообмінні властивості матеріалу і може діяти як антиоксидант. Лише додавання дуже невеликих кількостей водню до плазмового газу може значно змінити властивості плазми та рівні енергії. [2] Тому він використовується як один із елементів керування для налаштування напруги та енергії.
Як це працює
Процес плазмового розпилення найчастіше використовується в атмосферних умовах, але є деякі винятки. Деяке розпилення виконується в захисних вакуумних середовищах, які мають заповнений газом під низьким тиском для захисту процесу.
Плазмове напилення — це процес термічного розпилення W , у якому розплавлений або розм’якшений нагріванням матеріал розпилюється на поверхню для створення покриття. Матеріал, який має форму порошку, впорскується під час високотемпературного плазмового полум’я (фактично вогню в цьому процесі немає). Потім цей матеріал швидко нагрівається і розганяється до дуже високої швидкості. Гарячий матеріал потрапляє на поверхні та дуже швидко охолоджується, утворюючи покриття. Якщо процес завершено правильно, його можна назвати «холодним процесом», оскільки температура об’єкта, на який наноситься покриття, може підтримуватися на дуже низькому рівні, що дозволяє уникнути пошкодження під час обробки, металургійних ефектів і спотворення. [2]
Плазмова гармата складається з вольфрамового катода та мідного анода, які охолоджуються водою. Плазмовий газ, що складається з азоту, аргону, гелію та водню, обтікає катод і крізь анод, маючи форму звужувального сопла. Розряд високої напруги ініціює плазму, яка викликає локальну іонізацію та провідну дугу постійного струму між катодом і анодом. Дуга викликає резистивне нагрівання, що дозволяє газу досягати екстремальних температур, щоб дисоціювати та іонізуватися з утворенням плазми. Коли плазма виходить із сопла, вона є нейтральним елементом (через нього не переноситься заряд). Використовуваний порошок настільки швидко нагрівається та прискорюється, що відстань розпилення може бути від 25 до 150 мм. [2]
Властивості покриттів, нанесених плазмовим напиленням
Існує чотири властивості, на які впливає плазмове напилення, зокрема структура, пористість, міцність і адгезія, а також якість поверхні. [3]
Структура
Розмір частинок спрею залежить від ступеня плавлення. Ці частинки спрею мають сферичну форму для мінімізації поверхневого натягу. При контакті з поверхнею ці краплі розтікаються в плоску або шарувату форму. Швидкість частинок спрею при контакті з поверхнею є головним визначальним фактором для потоку. Різна якість покриття спричинена різницею в ступені плавлення та кількості кінетичної енергії, яка знаходиться в частинках спрею. [3]
Під час нанесення напилювального покриття шари ламінату накладаються один на одного. Коли ламінат утворюється на поверхні, частинки твердіють за рахунок швидкої теплопровідності. Якщо поверхню об'єкта охолоджувати струменем стисненого повітря або вуглекислого газу, можна досягти швидкості охолодження 10^6 К/с; хоча залишкова напруга, спричинена таким швидким охолодженням, може призвести до втрати міцності основної маси матеріалу. Поряд з охолодженням на напружений стан також може впливати невідповідність коефіцієнта теплового розширення W між покриттям і поверхнею. [3] Це, у свою чергу, може вплинути на міцність і властивості напиленого покриття.
пористість
Пористість W є типовою властивістю покриття плазмового розпилення. Можна використовувати різні процеси плазмового розпилення, і з різними параметрами пористість може становити менше 1% або, навпаки, пористість може бути дуже високою для пористих покриттів. Пористість напиленого покриття можна контролювати за допомогою дуже грубого порошку для розпилення. Введення порошку далеко за потоком у плазмовому струмені або за допомогою низькоенергетичної плазми може забезпечити такий грубий розпилений порошок. [3]
Міцність і адгезія
У порівнянні з сипучими матеріалами покриття плазмовим напиленням мають інші фізико-механічні властивості. Більша частина міцності плазми формується в межах зв’язків між частинками. Адгезія поширюється лише на шорсткість поверхні основи. Збільшити здатність до адгезії можна здійснити шляхом чорнової або фінішної обробки основи шляхом пескоструминної обробки та видалення поверхневої іржі. Значення адгезії та міцності покриття можуть сильно відрізнятися (у випадку кераміки з повітряно-плазмовим напиленням ми можемо отримати 50 МПа та 100 МПа у металі, напиленому вакуумним напиленням). [3] Позитивна поляризація — це процес, у якому будь-який газ, який був поглинений через шари, і тонкі оксидні плівки, які з’являються на поверхні, видаляються.
Якість поверхні
In many engineering cases a plasma coating of 0.5 mm is sufficient to protect the surface. The high residual stress in thick plasma coatings can reduce secure the bonds to the substrate with the increasing thickness. For thicker coatings it is optimal to minimize the residual stress that is in the coatings, this can be modified with changing the spray parameters and cooling conditions for the thin coatings.[3]Powder size plays an effect in the roughness of the surface work piece, because the grit blasting before the spraying has roughened it up. To lower the magnitude of surface roughness on the substrate, there are finishing processes such as grinding to smoothen up the surface before plasma spraying is started.
Advantages vs. Disadvantages
An advantage of this process is the range of temperatures that can be used to make coatings on materials. This allows the range of high to low melting materials to be used. Also, the plasma coatings are generally denser, stronger, and much cleaner than a thermal spray process. The plasma spray process accounts for a large amount of the thermal spray processes, which makes it the most versatile.[2]
The major disadvantage to the plasma spray process is that the process itself can be quite complex due to the amount of interacting parameters. Also, the cost of this process could make it not as feasible as a cheap process which can grant almost the same results.[4]Vortex gas flow can create a helical motion on the plasma jet as the gas is heated and accelerated. This can create a strong negative effect on the particle trajectory and the particle heating; this is due to the powder being dragged off by the jet axis when injected into the plasma jet.[5]
Process Efficiency
For the process of plasma spraying, a concern would be to create the greatest efficiency of spray on the substrate surface. This isn't only a concern for the process in itself but also for the tools used to complete the process. The quality of the coating is highly dependent on the gun. Designing the tools for the process is a form of art in the fact that it can greatly increase the productivity, efficiency, and profit for a company.[4]
To increase the efficiency of the deposition and coating quality would be to introduce a anti-vortex at the shroud gas flow area created by the argon gas.[4]This is to counter the effects made by the vortex plasma flow, which in turn can be used to stabilize the cathode arc attachment and increase the life of the anode. This process keeps the particles closer to the torch axis and also reduces the amount of cold air entering the area. Due to this the deposition efficiency and coating quality is able to increase greatly.
Правильне введення порошку в плазму є дуже важливим для ефективності та якості покриття. Цей порошок потрібно подавати газом-носієм із заданою швидкістю подачі за допомогою пристрою подачі порошку, щоб отримати належні результати. Неправильне введення та занадто висока швидкість подачі призведуть до зниження ефективності осадження, і якщо ми маємо надто низьку швидкість подачі, у порошку буде занадто багато часу для окислення, що, у свою чергу, дасть дуже погану якість покриття.
Процес плазмового розпилення для підвищення ефективності, ми впроваджуємо високошвидкісне кисневе паливо для розпилення, воно включає камеру згоряння, яка створює тепловий потік до сопла, розташованого нижче за течією камери. Сопло та/або камера складається з першого шару матеріалу з потоку та другого шару, який контактує з першим, щоб надати першому шару нижчу теплопровідність. При використанні в процесі нанесення покриття на основу цей процес зменшує втрати тепла разом із збільшенням довговічності. Це призводить до збільшення ефективності осадження.
Список літератури
- ↑ http://www.freepatentsonline.com/5220150.html , (17 листопада 2008)
- ↑Перейти до:2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 Процес плазмового розпилення, http://www.gordonengland.co.uk/ps.htm (11 листопада 2008 р.).
- ↑Перейти до:3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 Плазмове напилення: інноваційна техніка покриття, http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=00061511 (11 листопада 2008 р.).
- ↑Перейти до:4,0 4,1 4,2 http://thermalsprayedcoatings.blogspot.com/2008/04/thermal-spray-tooling-efficiency.html , (14 листопада 2008 р.)
- ↑ http://www.springerlink.com/content/942q7p036n353574/fulltext.pdf?page=1 , (17 листопада 2008)
