Plazma paudar spaying characteristics and application георги Томов, Христо Скулев

В последните 10 години в световен мащаб намаляват запасите на стратегически метали (Ti, W, V, Co), което от своя страна прави изработването на изделия от тези метали или техните сплави много скъпо[1-5]. За да се постигне ефекта, който целим с използването на тези елементи върху технологичните свойства на изделията, е възможно вместо да изработваме целия детайл от скъпоструващите метали (сплави) да го изработим от по-достъпни суровини (конструкционна стомана или сив чугун) и в последствие върху него да нанесем тънък слой (0,5-2,0 мм) притежаващ съответните технологични свойства. Нанасянето на покрития е непрекъснато развиващ се метод за повърхностно обработване на металите[6-10,19-23]. Изобретяването на първия процес на термично напластяване се приписва на M. Шооп в Швейцария през 1911г. и е познат като пламъчно напластяване. Като метод за повърхностна обработка плазменото напластяване е изобретено значително по-късно – през 1962г. и е патентовано от Р.Гейдж, O.Нестор и Д.Иени [8,11]. Благодарение на постоянно развиващите се технологии и модернизация на оборудването, плазменото напластяване се утвърждава като високо технологичен метод и се вмества във все по-широк диапазон на приложение.

Плазменото напластяване е високотехнологичен метод за повърхностно обработване на материалите[6,7,11,16], осигуряващ получаването на износоустойчиви, корозионноустойчиви, електроизолационни и други видове покрития, съчетано с рязко съкращаване загубата на материали и технологично време, както и даващ възможност да се повиши надеждността и качеството на машините и съоръженията. Тази универсалност се обуславя от следното :

- Сравнително голям диапазон на дебелината на напластените слоеве 0.5-2,5mm;

- Практически без ограничение на използваните материали;

- Възможност за нанасяне на слоеве върху всякакви основи;

- Добра връзка между основата и покритието;

- Липса на деформации и структурни промени в основния материал;

- Възможност за контролиране на микроструктурата и механичните свойства на покритията чрез промяна на технологичните параметри на режима.

Изследванията показват, че смесени кристални и аморфни структори могат да бъдат получени чрез плазмено напластяване при определени условия. Тези структури определят механичните свойства и термичната стабилност на покритието. За покритията на никелова основа кристалната фаза има стенно центрирана кубична структура (fcc). Известно е, че смесената аморфна и кристална структура на никеловата основа има добри механични, физични и химични свойства. Поради тези причини никеловите сплави са често използвани за напластяване върху различни видове основи като например стомана, сив чугун и други, с цел подобряване на повърхностната им твърдост, износо и корозионна устойчивост[10-15].

В практиката Ni-Cr-B-Si сплави обикновено се използват като съставни материали при напластяване с добавки от C, Fe, W и други химични елементи и съединения. Знае се, че добавките от W и WC осигуряват добра износоустойчивост на покритията, CuAlZn осигурява добра пластична и корозионна устойчивост и NiCr и NiAl повишават силата на сцепление и твърдостта при високи температури[7-18].

Микроструктурата показана на фигура 1 е типична за плазменото напластяване.

Фиг1. Микроструктура на плазмено прахово покритие на NiCrBSi
Праховите частици са напластени под формата на светли и тъмни слоеве. Наблюдават се и неразтопените или частично стопени частици. В някои зони по дължината на границите на отделните слоеве се наблюдават пори и шупли с размер до 8 μm. Връзката между основния материал и покритието е много добра, без пукнатини и други дефекти. Все повече се търсят нови възможности за подобряване на процеса и свойствата на получените покрития. Една от възможностите в това направление е оптимизиране на технологичните параметри - силата на тока, количеството на плазмo-образуващите газове, процентното съотношение между основния и допълнителният плазмо-образуващ газ водещо до промяна на мощноста за напластяване. Изменението на тези параметри е лесно, но често води до съществени промени в микроструктурата, фазовия състав и свойствата на покритията[16-20].

На фиг. 2 са показани фотоси на покритията напластени при различни мощности.

а/ b/
Фиг. 2.Плазмено мултифазово покритие Ni-Cr-B-Si-C-Fe a/ P – 25kW; b/ P - 40kW

При плазмено прахово напластяване обикновенно се формират три зони – покритие, междинна или дифузионна зона и основен метал.

Твърдостта на плазмено напластените покрития показва стойности от 420 до 1900 HV като например при напластяване на прахове на никелова основа върху чугун стойностите на твърдостта на покритията са в рамките от 650 до 920 HV, а при напластяване на същите прахове върху стомана стойностите на твърдостта са в границите от 600-689HV(фиг.3).

Фиг. 3. Микротвърдост на напластеното покритие а/ P – 17kW b/ P – 25kW
В някои точки от напластеното покритието са измерени микротвърдости от порядъка на 1500-1700HV. Тези стойности на микротвърдостта показват че след напластяване в покритието има наличие и на карбидни, нитридни и боридни фази.

Резултатите от тестовете за износоустойчивост на плазмено праховите покрития в зависимост от основния материал, върху който те са напластени показват, че основата за напластяване е важен фактор влияещ върху износоустойчивостта. Изследванията показват още, че с повишаване на натоварването износоустойчивостта на плазмено напластените покрития намалява. Установено е че при плазмено напластени покрития на никелова основа има наличие на карбиди и бориди в повърхностите като по време на тестовете за износоустойчивоста концентрацията на тези карбиди и бориди намалява с повишаване на натоварването. Наличието на карбиди и бориди не означава, че фрикционните сили са малки, а че има по-малко повърхностни дефекти и че самите бориди и карбиди определят коефициента на триене ( фиг.4).

От посочените колянови вала, 39 бр. са възстановени за фирма БМФ, 13 от тях са калянови валове от дизел генератори с диаметър на шийките над 180 mm. Средният отработен ресурс на всеки един от тях надхвърля 15 000 часа, а монтирани горивонагнетателните помпи високо налягане ГНП 800 са показали висока работоспособност – над 25000 работни часа [24,25].

и колянов вал 5АL 25/30.

Плазменото напластяване е високотехнологичен метод за повърхностно обработване на материалите, осигуряващ получаването на износоустойчиви, корозионноустойчиви, електроизолационни и други видове покрития. Това е икономична технология водеща до съкращаване на загубата на материали и технологично време. Високата температура на плазмената струя – 18,000-25,000 ºC позволява напластяване на широка гама материали. Този метод вече се е наложил като един от основните методи както в ремонтно-възстановителните дейности, така и в превантивните повърхностни обработки на детайлите с цeл повишаване на експлоатационния им ресурс.

[1] F. M. Kustas and M. S. Misra, Friction and wear of titanium alloys, ASM Handbook, Vol. 18, ASM International, Metals Park, OH, (1992).

[2] V. M. Fedirko and I. M. Pogrelyuk, Nitriding of titanium and titanium alloys, Naukova Dumka, Kiev, 1995.

[3] B. Bhushan, Principles and Applications of Tribology,Wiley-IEEE, 1999, pp. 904–905.

[4] J. Rodr´ıguez, A. Mart´ın, R. Fern´andez, J.E. Fern´andez, An experimental study of the wear performance of NiCrBSi thermal spray coatings, Wear 255 (2003) 950–955.

[5] C. Navas, R. Colao, J. De Damborenea, R. Vilar, Abrasive wear behavior of laser clad and flame sprayed-melted NiCrBSi coatings, Surf. Coat. Technol. 200 (2006) 6854–6862.

[6] H. Kim, S. Hwang, C. Lee, P. Juvanon, Assessment of wear performance of flame sprayed and fused Ni-based coatings, Surf. Coat. Technol. 172 (2003) 262–269.

[7] R. Gonzalez, M. Cadenas, R. Fern´andez, J.L. Cortizo, E. Rodr´ıguez,Wear behaviour of flame sprayed NiCrBSi coating remelted by flame or by laser, Wear 262 (2007) 301–307.

[8] A. Conde, F. Zubiri, J. de Damborenea, Cladding of NiCrBSi coatings with a high power diode laser, Mater. Sci. Eng. A334 (2002) 233–238.

[9] Q. Li, D. Zhang, T. Lei, C. Chen, W. Chen, Comparison of laser-clad and furnace-melted Ni-based alloy microstructures, Surf. Coat. Technol. 137 (2001) 122–135.

[10] Q. Ming, L.C. Lim, Z.D. Chen, Laser cladding of nickel-based hardfacing alloys, Surf. Coat. Technol. 106 (1998) 174–182.

[11] E. Fern´andez, M. Cadenas, R. Gonz´alez, C. Navas, R. Fern´andez, J. De Damborenea, Wear behaviour of laser clad NiCrBSi coating, Wear 259 (2005) 870–875.

[12] J.M. Miguel, J.M. Guilemany, S. Vizcaino, Tribological study of NiCrBSi coating obtained by different processes, Tribol. Int. 36 (2003) 181– 187.

[13] I. Iliuc, Tribology of Thin Layers, Elsevier, 1980.

[14] I.I. Garbar, Gradiation of oxidational wear of metals, Tribol. Int. 35 (2002) 749–755.

[15] S.C. Lim, The relevance of wear-mechanism maps to mild-oxidational wear, Tribol. Int. 35 (2002) 717–723.

[16] T.F.J. Quinn, Oxidational wear modelling Part III. The effects of speed and elevated temperatures, Wear 216 (1998) 262–275

[17] H. Skulev, S. Malinov, Investigation of phase composition and microstructure of Ti-10V 2Fe-3Al after surface plasma gas nitriding Union of Scientists, Varna, 2005, pp. 31-35.

[18] H. Skulev, A.Rafailov, P. Dichev, Morfology and roughness of Ti-5Al-2Sn-4Zr-2Mo after surface plasma gas nitriding, Acta Universitatis Pontica Euxinus,2007, pp 59-64.

[19] H-J Spies, B. Reinhold and K. Wilsdorf, Gas nitriding-process control and nitriding non-ferrous alloys, Surface Engineering, Vol. 17, pp. 41-54, 2001.

[20] C. Schuh, Modeling gas diffusion into metals with a moving-boundary phase transformation, Metall. Mater. Trans. A 31 A (2000) 2411-2421.

[21] E. Metin, O.T. Inal, Kinetics of layer growth and multiphase diffusion in ion-nitrided titanium Metall. Trans. A 20 A (1989) 1819-1832.

[22] G. Stachowiak, A.W. Batchelor, Engineering Tribology, Elsevier, 2000, p. 433.

[23] H. Skulev, S. Malinov, Investigation of phase composition and microstructure of Ti-8Al-1Mo-1V after surface plasma gas nitriding Union of Scientists, Varna, 2005, pp. 24-30.

[24] H.Skulev, S.Malinov, W.Sha, P.A.M. Basheer, Microstructural and Mechanical Properties of Nickel-base Plasma Sprayed Coatings on Steel and Cast Iron Substrates, Surface & Coatings Technology, Vol. 197, n. 2-3, (2005), pp. 177-184.

[25] H.Skulev, S. Malinov, P. A. M. Basheer, W. Sha, Modifications of Phases, Microstructure and Hardness of Ni-based Alloy Plasma Coatings due to Thermal Treatment, Surface & Coatings Technology, Vol. 185, n. 1, (2004), pp. 18-29.

Георги Томов, студент спец „Корабостроене и морска техника” при МТФ на ТУ-Варна , ул. „Студентска” №1, e-mail: george.tomov@gmail.com