Размещено на http://www.allbest.ru/

Казанский (Приволжский) федеральный университет

МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ С ПОМОЩЬЮ УСТАНОВКИ «ТЕРМОПЛАЗМА-50»

Мамонтов Г.А.

Аннотация

Произведен анализ статей научных работ с установкой «Термоплазма-50». Исследованы возможности применения установки для модификации различных поверхностей, в частности металлических и керамических.

Ключевые слова: плазма, «Термоплазма-50», воздушно-плазменное напыление, керамика.

Annotation

MODIFICATION OF THE SURFACE WITH THE "THERMOPLASMA-50" Mamontov G.A.

The analysis of articles of scientific works with the installation of "Thermoplasma-50" was made. The possibilities of using the plant for the modification of various surfaces, in particular metal and ceramic, have been investigated.

Keywords: Plasma, "Thermoplasma-50", air-plasma spraying, ceramics.

Введение

В современном мире невозможно создать цельные изделия, обладающие высокой прочностью, малым весом и низкой стоимостью. Применение метода плазменного напыления позволяет производить изделия из композитов (например, ООО «Уралтех » использует материалы на основе платины Pt-Al2O3[1]). Методом плазменного напыления можно получать слои из любых материалов, не диссациирующих при нагреве, с толщиной от десятков микрон до десятков миллиметров, в различных послойных или композиционных сочетаниях. В результате открываются широчайшие возможности в получении изделий с гаммой уникальных эксплуатационных свойств, которые невозможно получить традиционными методами. Также при нанесении покрытий на керамику можно получить различные оттенки цветов и дополнительную звуко и теплоизоляцию.

Данная работа посвящена оценке возможностей установки «Термоплазма 50-01». Какие материалы можно модифицировать с помощью данной установки. Долговечны ли покрытия, нанесенные на установке. Кузьмин В.И. анализировал возможности установки, но уделял внимание только металлическим порошкам [2]. В данной работе была затронута тема нанесение керамических порошков, а также нанесение покрытий на керамику.

Установка «Термоплазма 50-01»

В Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук разработана и запущена в производство полнокомплектная промышленная установка воздушно-плазменного напыления покрытий «ТЕРМОПЛАЗМА 50-01» (далее ТП-50). В установке имеется двума плазмотронами для нанесения металлических и керамических покрытий, что позволяет использовать установку для нанесения большинства покрытий.

Таблица 1

Основные характеристики ТП-50

Установки зарубежных аналогов используют в качестве плазмообразующего газа: аргон, азот, водород и гелий. Данная же установка имеет возможность работать при обычном воздухе, что существенно удешевляет технологию модификаций поверхностей.

Существенным же отличием от аналогов у ТП-50 можно считать использование узла кольцевого ввода порошка с газодинамической фокусировкой. [3]

Использование этого узла в установке приводит к тому, что сформированные покрытия обладают низкой пористостью, высокой износостойкостью, твердостью и адгезией.

В статье «Плазменное напыление износостойких покрытий из порошков самофлюсующихся сплавов» проверили эффективность данной установки на трубе из низкоуглеродистой стали. Напыление производили с использованием порошка самофлюсующегося сплава марки ПР-НХ16СР3 фракции 40…100 мкм, применяемого для создания износостойких, коррозионностойких, жаропрочных покрытий.

В качестве плазмообразующего газа был использован воздух. В качестве защитного (завеса анода), транспортирующего и фокусирующего газов использовали смесь воздуха и пропан-бутана. Расход плазмообразующего газа составлял 3 г/с, защитного - 0,45 г/с, транспортирующего и фокусирующего газов - по 0,9 г/с. Непосредственно перед напылением проводили пескоструйную обработку поверхности основного металла. Для снятия внутренних напряжений, возникающих в покрытиях, после напыления выполняли отжиг при температуре 350 єС в течение 4 часов. Толщина нанесенных покрытий составляла 350-450 мкм. Результаты сравнительных испытаний покрытий на износостойкость при трении о не жестко закрепленные абразивные частицы показали, что триботехнические свойства покрытий незначительно снижаются с увеличением силы тока при напылении, что хорошо коррелирует с результатами измерения пористости. Износостойкость сформированных покрытий на 70 % выше износостойкости образцов из стали 20 после цементации. [2]

Нанесение керамических порошков

Оксидную керамику очень часто используют для модернизация поверхностей. Благодаря таким свойствам как низкая теплопроводность и высокая жаропрочность, а также плохая электропроводность, керамику используют в качестве электроизоляционных и термобарьерных покрытий. Материалы с покрытием из металлокерамики обладают повышенной стойкостью к абразивному износу и к износу в условиях трения скольжения.

Самым очевидным выбором материала керамического порошка для функционального покрытия может считаться оксид алюминия (Al2O3). Керамика на основе оксида алюминия обладает высокой твердостью, огнеупорностью и антифрикционными свойствами, а также является хорошим изолятором. Она используется в горелках газоразрядных ламп, подложек интегральных схем, в запорных элементах керамических трубопроводных кранов, в зубных протезах и т. д.

Для нанесения покрытий часто используют плазменный метод нанесения. Для этого прекрасно подойдет ТП-50. Плазмотрон выполнен по линейной схеме с секционированной межэлектродной вставкой [4] и рассчитан на работу в турбулентном, переходном и ламинарном режимах истечения плазменных струй, что позволяет с высокой эффективностью напылять как металлические, так и керамические порошки. Основная доля керамического порошка проходит через высокотемпературную и высокоскоростную осевую область плазменной струи [5]. Поэтому при достаточной доле расплавленных частиц увеличение их скорости вед?т к снижению пористости покрытий и толщины составляющих его микрослоев [6].

На производстве компания «УРАЛТЕХ» занимается производством тиглей методом плазменного напыления. Изделия обладают открытой канальной пористостью, проницаемость которых для жидкостей и газов лежит в широком диапазоне значений. Проницаемые изделия могут использоваться в качестве фильтрующих элементов, носителей катализаторов, диафрагм и т.д.

Рис. 1 Пористость керамического покрытия Al2O3 толщиной 500 мкм менее 1%. Обычно пористость плазменных покрытий составляет 8-15%

Таблица 2

Пористость материалов

термоплазма модификация металлический керамический

Проведенные промышленные испытания электролизеров с пористой керамической диафрагмой показали существенный его выигрыш по сравнению с традиционным биполярным электролизером, при одинаковой токовой нагрузке и близких плотностях анодного и катодного тока:

• количество электролита уменьшается в 100 раз;

• удельный расход электроэнергии более чем в 10 раз;

• количество затраченного тепла почти в 40 раз[7,8,9,10].

Глазурирование керамического кирпича

В статье «Технология глазурования керамического кирпича методом плазм обработки» описывается метод нанесения глазури на кирпич с помощью электродугового плазмотрона УПУ8М. В заключение эксперимента получили слой глазури 200-400 мкм [11].

Таблица 3

Параметры плазмотрона

По всем параметрам установка ТП-50 подходит для нанесения глазури на керамические кирпичи.

Термическая обработка лицевой поверхности стеновых строительных материалов, в частности факелом низкотемпературной плазмы, позволяет получить защитно-декоративные покрытия с высокими эксплуатационными и эстетическими показателями [12, 13].

Глазурный слой, нанесенный низкотемпературной плазмой на лицевую поверхность керамических строительных материалов, обладает относительно низкими эксплуатационными показателями, а также невысокой надежностью и долговечностью. Дифференциальнотермический анализ глазурного силикатного кирпича показал, что в нем есть зона, состоящая в основном из продуктов дегидратации, что и является причиной плохой прочности сцепления с глазурного слоя с основой [14].

Заключение

«Термоплазма-50» имеет довольно обширную область применения. Установка хорошо себя показывает при нанесении металлического порошка самофлюсующегося сплава марки ПРНХ16СР3, используемого для нанесения жаропрочных покрытий. Благодаря особенной конструкции установки, прочность покрытия повышается на 70%, по сравнению с аналогами установки. Также при нанесении керамического порошка на основе Al2O3 на металлическую поверхность. Из-за того, что порошок проходит в установке через высокотемпературную и высокоскоростную осевую область плазменной струи, на покрытии значительно сильно уменьшается пористость. Например, пористость керамического покрытия Al2O3 нанесенного установкой ТП-50 толщиной 500 мкм менее 1%, а у аналогов, в среднем, обычно пористость плазменных покрытий составляет 8-15%.

Для нанесения покрытий на керамические строительные изделия установка не подходит, так как при экспериментах изделия обладали низкой прочностью и долговечностью.

Список литературы

1. Бочегов А.А., Ермаков А.В., Вандышева И.В. ОПЫТ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ PT-AL2O3 // XIX Международной Черняевской конференции по химии, аналитике и технологии платиновых металлов. Новосибирск: 2010.

2. Кузьмин В.И., Ващенко С.П., Гуляев И.П., Картаев Е.В., Сергачёв Д.В., Корниенко Е.Е., Долматов А.В. Вестник Югорского государственного университета. 2015. № 2 (37). С. 45-52.

3. Кузьмин В. И. Узел кольцевого ввода порошкового материала электродугового плазмотрона [Текст] / В. И. Кузьмин, А. А. Михальченко, Е. В. Картаев. Патент РФ № 2474983. БИМП № 4. 10.02.2013.

4. Comparison of Thermophisical and Optical Methods of Temperature Distribution Measurements in Flow of Plasmatron with Interelectrode Inserts / V. I. Kuzmin et al // Изв. вузов. Физика. 2007. Т. 50, № 9. С. 85-88.

5. Михальченко А.А. Исследования динамики нагрева и ускорения частиц Al2O3 в осесимметричном гетерогенном потоке плазмотрона с межэлектродными вставками / Михальченко А.А., Кузьмин В.И., Сергачев Д.В., Картаев Е.В., Иванчик И.С., Иванчик С.Н. Теплофизика и аэромеханика. 2014. Т. 21. № 4. С. 537-549.

6. В. И. Кузьмин Повышение эффективности плазменного напыления порошковых покрытий. / В. И. Кузьмин, Е. В. Картаев, С.П. Ващенко Д.В. Сергачев Вестник Югорского государственного университета. 2014. № 2 (33). С. 7-14.

7. Проницаемая высокотемпературная корундовая плазмокерамика // УРАЛТЕХ URL: http://uralinteh.com/ru/catalog (дата обращения: 19.05.2017).

8. Гуляев И.П., Долматов А.В., Каратаев Е.В., Кориненко Е.Е., Кузьмин В.И., Сергачев Д.В. Нанесение жаропрочных и теплозащитных с использованием оптических систем контроля параметров // «Аэродинамика, термодинамика, горение в ГТД и ПВРД». 2015.

9. Gulyaev I. P., Ermakov K. A., Gulyaev P. Yu. New high-speed combination of spectroscopic and brightness pyrometry for studying particles temperature distribution in plasma jets // European Researcher. 2014. № 3-2 (71). P. 564-570.

10. Григорьев, С. Н. Новые возможности технологии плазменного напыления износостойких покрытий [Текст] / С. Н. Григорьев [и др]. // Трение и износ. Т. 34, № 3. 2013. С. 221-226.

11. Бессмертный В.С. Технология глазурования керамического кирпича методом плазменной обработки [Текст] / Бессмертный В.С. Бахмутская О.Н. Выскребенец Л.Н. Зимовина Н.Н. // Современные наукоемкие технологии. №4. 2008. С. 51-54

12. Бондаренко Н.И., Бессмертный В.С., Ильина И.А., Гащенко Э.О. Глазурование изделий из бетона с использованием факела низкотемпературной плазмы // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. №4. С. 140 - 141.

13. Бондаренко Н.И., Бессмертный В.С., Стадничук В.И., Вдовина С.Ю. Получение защитно-декоративных покрытий на изделиях из бетона методом плазменного напыления // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. №2. С. 121 - 123.

14. Ильина И.А. Локальная термическая обработка стеновых материалов [Текст] / Ильина И.А., Минько Н.И., Борисов И.Н., Бондаренко Д.О., Скрипченко П.В. // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 3. С. 165.

Размещено на Allbest.ru