Знаменитое термическое плазменное напыление

Когда слышишь 'термическое плазменное напыление', многие представляют лабораторный процесс с идеальными результатами. Но на практике всё иначе — тут и неравномерная адгезия, и проблемы с подбором газовых смесей. Вспоминаю, как в 2015 на одном из заводов в Даляне пытались нанести керамическое покрытие на лопатки турбин без учёта термических деформаций. Результат? Через 200 часов работы появились трещины по границам зёрен.

Технологические нюансы, о которых редко пишут в учебниках

Основная ошибка новичков — думать, что плазменное напыление это просто 'попшикал и готово'. На деле важнее подготовка поверхности, чем сам процесс. Шероховатость Rz 40-60 мкм — не рекомендация, а обязательное условие. И да, состав плазмообразующего газа влияет на структуру покрытия сильнее, чем мощность установки.

У нас в ООО Далянь Синьцзиян Индустрия до 2018 года использовали аргон-водородные смеси 12/88 для всех задач. Пока не столкнулись с пористостью 15% при работе с жаропрочными сплавами. Перешли на гелий-водород — пористость упала до 3-4%, но стоимость выросла на 30%. Пришлось пересчитывать экономику для каждого заказа отдельно.

Кстати, про температуру подложки. Многие гонятся за высокими значениями, но для титановых сплавов лучше держать 150-200°C. Выше — начинается активное окисление, ниже — адгезия падает катастрофически. Проверяли на образцах для авиакомпонентов: при 180°C прочность сцепления была 58 МПа, при 250°C — уже 42 МПа.

Оборудование и его капризы

Наш цех с постоянной температурой в 1000 м2 — не роскошь, а необходимость. Летом 2019 из-за скачка влажности потеряли партию покрытий для судовых клапанов. Пришлось устанавливать дополнительную систему осушения. Сейчас поддерживаем 45±5% — оптимально для большинства порошков.

Из 102 единиц оборудования особенно выделяются два плазмотрона с ЧПУ. Старый немецкий иногда 'капризничает' с мелкодисперсными порошками — забивает сопло при диаметре частиц менее 10 мкм. Приходится делать промывку керосином после каждого часа работы. Новой китайской установке это не нужно, но у неё свой нюанс — неравномерный износ электродов.

Трёхкоординатная измерительная машина — наше спасение. Без неё контроль геометрии покрытия превращается в лотерею. Особенно для деталей типа шестерён, где допустимое отклонение ±0.05 мм. Раньше использовали шаблоны, но погрешность достигала 0.1 мм — неприемлемо для современных стандартов.

Реальные кейсы и провалы

В 2021 работали над покрытием для пресс-форм литья под давлением. Материал — карбид вольфрама-кобальт. Теория обещала стойкость 50000 циклов. На практике после 30000 появились выкрашивания по углам. Причина — локальный перегрев выше 600°C. Пришлось разрабатывать градиентное покрытие с промежуточным никелевым подслоем.

А вот удачный пример — восстановление коленвалов для судовых дизелей. Использовали термическое напыление молибденом с последующей механической обработкой. Ресурс увеличился на 40% compared to стандартной наплавки. Но технология оказалась рентабельной только для крупных заказов — подготовка занимает 70% времени.

Самый болезненный провал — попытка нанести биосовместимое покрытие на медицинские импланты. Требовалась пористость 30-50% для остеоинтеграции. Получили максимум 25% с неравномерным распределением пор. Проект закрыли, но опыт перенесли на фильтры для химической промышленности — там требования к пористости менее жёсткие.

Экономика процесса: что не учитывают при расчётах

Многие забывают, что стоимость плазменного напыления на 60% складывается из подготовки и последующей обработки. Особенно для ответственных деталей — там иногда приходится делать шлифовку до Ra 0.16. На это уходит до 40% времени цикла.

С порошками тоже не всё просто. Дешёвые китайские аналоги экономят 30% стоимости, но дают неравномерное распыление. Для неответственных деталей иногда используем, но всегда предупреждаем заказчика. Кстати, хранение порошков — отдельная головная боль. После вскрытия упаковки срок годности резко падает, особенно для мелких фракций.

Сейчас рассматриваем переход на роботизированные комплексы. Но для нашего сборочного цеха в 2000 м2 это потребует перепланировки. Плюс — снижение брака на 15-20%, минус — инвестиции около 2 млн юаней. Пока считаем окупаемость — для текущего объёма заказов не менее 3 лет.

Перспективы и ограничения технологии

Термическое плазменное напыление постепенно вытесняется холодным для некоторых применений. Но для ремонта и восстановления изношенных деталей альтернатив пока нет. Особенно в условиях, где важна стойкость к термоциклированию.

Новое направление — гибридные покрытия. Например, комбинация плазменного напыления с лазерной обработкой. Пробовали на образцах из жаропрочной стали — плотность покрытия увеличилась на 12%, но стоимость выросла вдвое. Для аэрокосмической отрасли может быть оправдано, для машиностроения — сомнительно.

Главное ограничение — толщина покрытия. Выше 2 мм начинаются проблемы с внутренними напряжениями. Пытались делать 3 мм для бурового инструмента — покрытие отслаивалось при ударных нагрузках. Пришлось разрабатывать многослойную структуру с компенсационными прослойками.

В ООО Далянь Синьцзиян Индустрия сейчас экспериментируем с наноструктурированными порошками. Первые результаты обнадёживают — износостойкость выросла на 25-30%. Но стоимость материалов пока ограничивает применение спецзаказами. Возможно, через год-два ситуация изменится с развитием производства нанопорошков в Китае.