способ плазменного напыления покрытий деталей, имеющих форму тел вращения

Формула изобретения

Способ плазменного напыления покрытий деталей, имеющих форму тел вращения, включающий откачку газа в направлении, соосном с плазменной струей, и охлаждение, отличающийся тем, что перед напылением и в процессе напыления детали ее противоположную сторону обдувают аргоном, нагретым до 60 100^oС при расходе газа 0,5 1,2 м³/ч, а охлаждение напыленного слоя осуществляют при вращении детали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение предназначено для восстановления деталей машин преимущественно плазменным напылением.

Известен способ плазменного напыления покрытий на детали, имеющие форму тел вращения, включающий откачку газа из зоны напыления в направлении, соосном с плазменной струей на расстоянии, равном или меньшем дистанции напыления, причем сечение газового потока составляет 0,25-0,5 сечения плазменной струи в зоне ее контакта с напыленной поверхностью, а количество отсасываемого газа составляет 1,1-1,5 суммарного расхода плазмообразующего и транспортирующего газов [1]

Недостатком данного способа является низкая прочность сцепления покрытия на основе порошка ПН85Ю15 с подложкой ввиду образования на границе раздела хрупких окислов алюминия Al₂O₃, выявленных рентгенофазовым анализом (фиг. 1), и высокой скорости образования напряжений ввиду быстрой скорости охлаждения покрытия.

Причиной образования Al₂O₃ является то, что к моменту напыления на поверхности детали находятся атомы кислорода, которые способствуют образованию окислов алюминия при столкновении с поверхностью горячих расплавленных алюминиевых частиц. Кроме того, напыленные частицы порошка, выходя из зоны плазменной среды, при вращении детали сразу же абсорбирует атомы кислорода, которые приводят к образованию Al₂O₃.

Прием газов в газозаборник, равный 1,1-1,5 суммарного расхода плазмообразующего и транспортирующего газов, способствует ускорению и увеличению скорости охлаждения газов, которые в свою очередь приводят к более быстрому охлаждению стороны детали, противоположной напыляемой тыльной стороны. Поэтому в процессе напыления при вращении детали покрытие подвергают попеременному быстрому нагреву и охлаждению. В результате этого напряжения образуются быстрее образования диффузионной связи покрытия с подложкой. В связи с этим на границе раздела возникают трещины (фиг. 2) и покрытие уже при механической обработке отслаивается.

Изобретение направлено на повышение прочности сцепления плазменного покрытия с подложкой.

Это достигается тем, что в процессе напыления детали ее противоположную сторону обдувают аргоном, нагретым до 60-100^oC, а полное остывание напыленного покрытия слоя осуществляют при вращении детали.

Существенным отличием от прототипа является то, что в процессе напыления вместе с откачкой газа из зоны напыления тыльную сторону детали обдувают аргоном, нагретым до 60-100^oC с расходом 0,5-1,2 м³/ч, и полное остывание покрытия проходит вместе со средой, ограниченной насадками при вращающейся детали.

На фиг. 1 показана рентгендифрактограмма границы раздела между подложкой (шейки коленвала двигателя ЗИЛ-130) и покрытием, напыленным по способу, описанном в прототипе; на фиг. 2 структура границы раздела в системе подложка покрытие, напыленное по способу, описанному в прототипе, шлиф не травлен, Х300; на фиг. 3 рентгендифрактограмма границы раздела между подложкой (шейка коленвала двигателя ЗИЛ-130) и покрытием, напыленным предлагаемым способом; на фиг. 4 структура границы раздела в системе подложка покрытие, напыленное предлагаемым способом, шлиф травлен, Х300; на фиг. 5 схема осуществления способа.

Согласно способу напыляемая деталь 1 помещается между насадком плазмотрона 2 и насадком для обдува противоположной стороны детали 3, находящимся в газозаборнике 4 и содержащим электрическую спираль 5 для нагрева газа.

Перед началом напыления с включением вращателя детали включается подача плазмообразующего газа, зажигается дуга плазмотрона, включается подача аргона с насадок 3, подается электропитание на спираль 5 и осуществляется отсос газов из газозаборника. В течение 5-10 с аргон совместно с плазмообразующим газом вытесняет кислород с поверхности детали, насадки 3 и газозаборника 4. После этого включается подача порошка и осуществляется напыление покрытия.

При вращении детали напыленный слой, выходя из зоны действия плазменной струи, входит в зону обдува аргоном, нагретым электроспиралью до 60-100^oC, где происходит его остывание.

После напыления покрытия требуемой толщины отключаются подача порошка, плазмотрон, подача плазмообразующего газа, электропитание спирали и выключается газ для обдува тыльной стороны детали. Далее в течение 10-30 с деталь продолжает вращаться, окончательно остывая вместе с атмосферой, ограниченной насадками 2 и 3.

Так как перед напылением поверхность детали свободна от кислорода, напыление покрытия и его остывание происходит без доступа кислорода, Al₂O₃, а также другие окислы металлов не образуются. Условия для образования химических связей частиц первого слоя с подложкой и частиц последующих слоев с предыдущими улучшаются. Граница раздела и структура покрытия становятся плотными.

Так как остывание каждого напыленного слоя осуществляется в среде аргона, нагретого до 60-100^oC, и полностью напыленное покрытие остывает совместно со средой аргона, то напряжения, возникающие на границе раздела, возникают медленнее образования диффузионной связи покрытия с подложкой.

Пример реализации способа. Производилось восстановление изношенных шеек коленвала двигателя ЗИЛ-130. Вместе с этим напыляли образцы-свидетели, вырезаемые из шеек коленвала.

Для удаления с напыляемой поверхности шеек и образцов продуктов масляной среды их пропекали в печи при температуре 190^oC в течение 2 ч. После этого шейки и напыляемая поверхность образцов подвергались абразивно-струйной обработке с использованием в качестве абразива дроби ДСК (ГОСТ 11964-81).

Напыление порошковой композиции, состоящей из смеси порошков ПИ851015. ПРНД42СР и ПР-Х4Г2РЧС2Р в соотношении 2:0,5:1, производили на установке плазменного напыления УПУ-3Д на следующих режимах: сила тока дуги плазматрона 350 А; напряжение дуги 60 В; расход плазмообразующего газа аргона -5 м³/ч; расход транспортирующего газа азота 1,5 м³/ч; расход газа аргона для обдува тыльной стороны детали 1 м³/ч; температура газа для обдува 70^oC; дистанция напыления 120 мм.

После напыления покрытия граница раздела подвергалась металлографическому и рентгенофазному анализу. Напыленное покрытие подвергали испытанию на адгезионную прочность.

Рентгенофазовым анализом присутствие на границе раздела Al₂O₃ не обнаружено. Металлографическим анализом обнаружена плотная граница раздела без трещин.

Испытаниями покрытия на прочность сцепления с основой установлено, что прочность сцепления покрытия, напыленного по предлагаемому способу в 2-2,5 раза выше прочности сцепления покрытия, напыленного по способу, описанному в прототипе.