Высококачественное плазменное напыление керамики

Когда слышишь про высококачественное плазменное напыление керамики, половина заказчиков сразу ждёт зеркальной поверхности и нулевой пористости. Но на практике даже 5% микропор в покрытии — иногда оптимальный вариант для термоциклирования, чего в учебниках не напишут. У нас в ООО Далянь Синьцзиян Индустрия с 1993 года через цеха прошли сотни образцов — от алюмооксидных слоёв до стабилизированного циркония, и каждый раз параметры напыления приходится подбирать почти заново.

Оборудование и 'подводные камни' подготовки поверхности

В нашем сборочном цехе 2000 м2 стоит установка плазменного напыления с камерой двойного охлаждения — без этого при толщине слоя свыше 300 мкм появляются трещины от перегрева. Но даже с дорогим оборудованием 70% брака возникает на этапе пескоструйки. Однажды для детали турбины использовали корунд с фракцией 0,3 мм вместо 0,5 — адгезия упала на 40%, пришлось переделывать всю партию.

Важно не только очистить поверхность, но и сохранить шероховатость Rz 60–80 мкм. Для нержавейки иногда добавляем фосфатирование перед абразивной обработкой — особенно если деталь будет работать в морской воде. Кстати, наш сайт https://www.xinjiyangongye.ru часто обновляется техкартами по подготовке, там есть live-фото микроструктур после разных методов активации.

Трёхкоординатная измерительная машина в цехе с постоянной температурой — спасение для контроля геометрии до и после напыления. Запомнился случай с ротором насоса: без подогрева станины измерения 'уплывали' на 0,1 мм из-за перепада между цехом и лабораторией.

Выбор керамических порошков: между теорией и реальностью

ZrO2 с 8% Y2O3 даёт стабильное покрытие до 1400°C, но если в системе есть сера — лучше переплатить за CeO2-стабилизированный вариант. Хотя его плотность ниже, зато сопротивление коррозии выше. Мы тестировали оба на стенде с горячими выхлопными газами — разница в ресурсе составила 2,3 раза.

Фракция порошка 15–45 мкм считается стандартной, но для тонких краёв лопаток иногда дробим до 5–25 мкм. Плазменная струя 'съедает' мелкие фракции, зато облицовка получается без сколов. Потери материала при этом растут на 12–15%, что многие технологы не учитывают в калькуляциях.

Гидратированный аллюминий в составе порошков — частая скрытая проблема. При напылении вода испаряется и создаёт микрокаверны. Сейчас работаем с поставщиком, который сушит материал в вакууме сразу после синтеза — дефектность снизили с 8% до 1,5%.

Параметры напыления: где можно отступать от нормативов

Сила тока плазмы 600А — золотая середина для большинства оксидов. Но для Cr2O3 лучше снижать до 550А, иначе частицы переплавляются в струе и не формируют слоистую структуру. Это заметили случайно, когда заменили катоды и не откалибровали источник питания.

Расстояние сопла до детали 120 мм прописано в ТУ, но для сложных профилей (например, зубчатых валов) иногда сокращаем до 80 мм с одновременным увеличением скорости подачи газа. Рискуем получить перегрев, зато в пазах толщина покрытия выравнивается.

Скорость вращения детали — параметр, который редко обсуждают. При 50 об/мин Al2O3 ложится ровно, но для композитов с TiO2 нужны 80 об/мин, иначе появляются 'полосы Маха' из-за разной скорости остывания.

Контроль качества: от макро- до микроуровня

Ультразвуковой контроль выявляет отслоения от 0,5 мм, но для керамики важнее микротрещины. Мы дополняем УЗИ акустической эмиссией при термоциклировании — метод дорогой, зато показывает зарождение дефектов до их видимого появления.

Металлография — главный инструмент анализа. Шлифуем образцы алмазными пастами 1 мкм, но перед этим пропитываем эпоксидкой под вакуумом. Без пропитки керамика выкрашивается по границам зёрен, и микроструктуру не оценить.

Твёрдость по Виккерсу HV0.3 — стандарт, но для тонких покрытий (менее 100 мкм) перешли на HV0.1. Погрешность выше, зато нет влияния подложки. Кстати, разброс твёрдости по площади — индикатор неравномерности нагрева. Если разница превышает 10%, стоит проверить охлаждающие форсунки.

Практические кейсы и неочевидные решения

Для теплообменника химического реактора сделали комбинированное покрытие: сначала 50 мкм NiCr для адгезии, потом 200 мкм ZrO2. Через полгода эксплуатации в среде хлора обнаружили, что защита держится, но в местах контакта с прокладками появились точечные отслоения. Пришлось разрабатывать переходный слой с градиентом коэффициента теплового расширения.

Восстановление изношенных валов — частая задача. Основная ошибка — напыление без учёта остаточных напряжений. Теперь всегда проводим отжиг при 300°C до обработки, снимаем около 70% напряжений. Ресурс увеличился в 1,8 раза.

Сейчас экспериментируем с напылением на алюминиевые сплавы. Проблема не в адгезии, а в разнице ТКР. Попробовали добавить промежуточный слой из металлического стекла на основе циркония — пока держится при 300 циклах ?50°C/+250°C. Но стоимость покрытия выросла на 200%, так что для серийных изделий невыгодно.

Экономика процесса: что не учитывают в расчётах

Стоимость высококачественного плазменного напыления керамики на 40% складывается из подготовки и контроля. Многие цеха экономят на диагностике, но один бракованный узел в сборке может обойтись дороже, чем годовые затраты на металлографию.

Электроэнергия — вторая статья расходов. Наш цех с постоянной температурой потребляет 90 кВт/ч только на вентиляцию. Перешли на рекуперацию — снизили затраты на 18%, но первоначальные вложения окупались 3 года.

Обучение операторов — ключевой момент. Опытный техник по звуку плазмы определяет стабильность потока порошка. Два года назад внедрили систему видеофиксации процесса с ИИ-анализом — теперь ошибки новичков ловим на этапе тренировок, а не по браку.

Перспективы и ограничения технологии

Гибридные методы — например, плазменное напыление с лазерной пропиткой — дают плотность до 99,5%. Но стоимость оборудования сопоставима с годовым оборотом среднего цеха. Для большинства применений хватает и стандартных 94–96%.

Наноразмерные порошки обещают улучшенные свойства, но их подача в струю — отдельная challenge. Агломераты забивают сопла, а индивидуальные частицы уносятся газом. Пока удаётся работать только с модифицированными порошками с контролируемой агрегацией.

Экология: фильтры улавливают 99,9% частиц, но утилизация отработанных абразивов и порошков становится проблемой. В ООО Далянь Синьцзиян Индустрия часть отходов перерабатываем в шлифовальные составы — не идеально, но лучше, чем захоронение.