Технология плазменного или, как его иногда называют, газоплазменного напыления в основном применяется для создания износостойких, теплоизоляционных, термобарьерных, электроизоляционных, пористых, изнашиваемых покрытий. Часто используются для создания керамических покрытий, сочетающих свойства износостойкости с изоляцией тепла и/или электричества. Плазменное напыление с успехом заменило вакуумные технологии в создании термобарьерных покрытий лопаток газотурбинных двигателей, пламенных труб, активно используется для электроизоляции деталей геофизики, атомной энергетики. Существуют установки плазменного напыления и универсальные комплексы сверхзвукового и плазменного напыления. Материалы для термобарьерных покрытий – McrAlY, оксид циркония стабилизированный иттрием Z₇Y.

Плазменные аппараты в основном применяются для создания теплоизоляционных, электроизоляционных, пористых, изнашиваемых покрытий. Часто используются для создания керамических покрытий, сочетающих свойства износостойкости с изоляцией тепла и/или электричества.

Плазменный распылитель (Плазмотрон) был разработан в 1956 г. фирмами Gianini Corp. и UC на основе работ Смита (пат. 2157498, 1939 г.), предложившего устройство для нанесения покрытий, содержащее катод в форме стержня и анод в форме сопла.

Рис. 1.
Схема плазменного распылителя:
1 - катодный узел;
2 - анодный узел;
3 - катод;
4 - анод;
5 - анодное пятно.

Плазменный распылитель (рис. 1) состоит из катодного 1 и анодного 2 узлов. Между катодом 3 и анодом 4 возбуждается электрическая дуга 5. Дуга в сопле анода отжимается газовым потоком от стенок охлаждаемого сопла, что увеличивает плотность ее энергии и повышает температуру столба дуги (рис. 2).

Рис. 2.
Зависимость энтальпии газов от температуры

Рис. 3.
Плазменные распылители:
а - с самоустанавливающейся дугой;
б - с фиксированной дугой.

Плазмотроны постоянного тока бывают с самоустанавливающейся (рис. 3, а) и фиксированной длиной дуги, когда дуга удлиняется за счет последовательного переключения на аноды, разделенные между собой электрически нейтральными межэлектродными вставками (рис. 3, б).

При использовании аргона в качестве плазмообразующего газа на плазмотроне с самоустанавливающейся дугой падение напряжения составляет 30 В, а с фиксированной дугой - 100 В и более. На рис. 4 представлены схемы пруткового и проволочного плазменных распылителей. Радиальная подача материала (см. рис. 4, а) используется и для подачи порошковых материалов для нанесения покрытий.

Рис. 4.
Схемы плазменных распылителей:
а - пруткового;
б - проволочного ("проволока - анод")

Схема проволочного распыления "проволока - анод" была разработана В.В. Кудиновым в конце 50-х годов. Тогда удалось получить невиданную производительность - 15 кг/ч вольфрама при мощности 12 кВт. Порошковые распылители (рис. 5) в зависимости от свойств и размеров частиц создавались с подачей в плазменную струю 1, под углом навстречу потоку 2, в сопло в заанодную зону дуги 3 или в доанодную зону, как в плазмотроне М8-27 конструкции В.М. Иванова (рис. 6).

Рис. 5.
Схемы подачи порошка в плазмотрон:
1, 2 - в плазменную струю;
3 - в сопло.

Рис. 6.
Распылитель М8-27:
1 - подача охлаждающей воды;
2 - подача плазмообразующего газа;
3 - подача порошка;
4 - слив воды;
5 - анодный узел;
6 - анод;
7 - изолятор;
8 - катодный узел;
9 - катод.

В настоящее время плазмотроны большой мощности спроектированы с подачей порошка в плазменную струю 1 (рис. 6). Такая схема не влияет на дугу. Плазмотроны имеют завышенную мощность, чтобы тепла плазменной струи хватило на нагрев порошка.

Следует отметить, что подача порошка в доанодную зону была выгоднейшей с точки зрения теплообмена, но сопряжена с перегревом частиц в сопле и забиванием сопла расплавленными частицами из-за высоких требований к равномерности подачи порошка. Рассредоточенность подачи порошка в плазмотроне М8-27 обеспечивала устойчивую работу плазмотрона, который эксплуатируется уже 40 лет.

Тенденции развития плазменных распылителей - увеличение эффективности процесса. Разработаны установки мощностью до 160…200 кВт, работающие на воздухе, аммиаке, пропане, водороде, в динамическом вакууме, в воде. Применение специальных сопл позволило получить сверхзвуковое истечение струи двухфазного потока, которое, в свою очередь, обеспечило получение плотного покрытия. С другой стороны, для нанесения покрытий на малые детали (поверхности), например, коронки в стоматологии, бандажные полки лопаток ГТД в авиастроении были разработаны микроплазменные горелки, работающие на токах 15…20 А при мощности до 2 кВт.

Увеличение ресурса соплового аппарата (катод - анод) плазменного распылителя повышенной мощности (50…80 кВт) тормозилось из-за низкой эрозионной стойкости медного сопла в зоне анодного пятна. С целью увеличения стойкости сопла были разработаны вольфрамовые вставки, запрессованные в медное сопло таким образом, чтобы теплота эффективно отводилась медной оболочкой и удалялась охлаждающей водой. Наиболее удачной была конструкция плазмотрона типа F-4, разработанного фирмой Plasma-Technik AG (рис. 7), работающего длительное время на токе до 800 А при мощности 55 кВт.

Рис. 7.
Распылитель F-4

Современная автоматическая установка плазменного напыления ТСЗП-MF-P-1000 работает на смеси газов аргона, азота, водорода при расходе аргона до 100 л/мин, азота - до 50 л/мин, водорода - до 20 л/мин, транспортирующего газа - до 30 л/мин.

Производительность напыления по металлическим сплавам - до 5 кг/ч.

Плотность порошковых покрытий - 92 - 99%, прочность сцепления - 30…80 МПа.

Установка комплектуется плазмотронами F-4 мощностью 55 кВт или F-1, для нанесения покрытий на внутренние поверхности диаметром от 90 мм при мощности 25 кВт, плазмотроном SG-100 мощностью 80 кВт и комплектуется роботом KUKA KR-16 грузоподъемностью на руке 16 кг, роботом KUKA KR-6 грузоподъемностью на руке 6 кг.

Установка разработана и поставляется ООО "Технологические Системы Защитных Покрытий" (Россия).