RU2449048C2

RU2449048C2 - Laser-plasma spraying method of coatings

Info

Publication number: RU2449048C2
Application number: RU2010120868/02A
Authority: RU
Inventors: Евгений Анатольевич Чащин (RU); Евгений Анатольевич Чащин; Александр Викторович Федин (RU); Александр Викторович Федин; Андрей Анатольевич Митрофанов (RU); Андрей Анатольевич Митрофанов; Светлана Александровна Балашова (RU); Светлана Александровна Балашова; Игорь Вячеславович Шилов (RU); Игорь Вячеславович Шилов; Игорь Александрович Курганов (RU); Игорь Александрович Курганов
Original assignee: ГОУ ВПО "Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева"
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2010-05-24
Publication date: 2012-04-27
Also published as: RU2010120868A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention refers to gas thermal application of coatings, and namely laser-plasma spraying, and can be used for surface treatment of parts in machine-building industry, including specific one, aircraft engineering, rocket and missile engineering and power engineering. According to the method the plasma flow directed to the coated surface is created with plasmotron, particles of sprayed powder are supplied to it, and modulated laser radiation is supplied to plasmotron nozzle outlet perpendicular to plasma flow and focused on side of plasma flow, which is opposite to laser radiation source. At that, laser radiation is supplied prior to supply of particles of sprayed powder and with intensity which is not less than threshold one, at which optical breakdown occurs. Essence of the method consists in the following.

EFFECT: increasing strength of coating adhesion to substrate.

1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области газотермического нанесения покрытий и может быть использовано для поверхностной обработки деталей в машиностроении, в том числе специальном, авиастроении, ракетостроении, энергетике и др.The invention relates to the field of thermal spray coating and can be used for surface treatment of parts in mechanical engineering, including special, aircraft, rocket science, energy, etc.

Известен способ плазменного напыления (Пузряков А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления - М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2003. - 358 с.), включающий создание плазменного потока, подачу частиц напыляемого порошка внутри плазмотрона, и напылении разогретого порошка на поверхность обрабатываемой детали.A known method of plasma spraying (Puzryakov AF Theoretical foundations of plasma spraying technology - M .: MSTU named after NE Bauman, 2003. - 358 S.), including the creation of a plasma stream, the flow of particles of the sprayed powder inside the plasma torch, and spraying heated powder to the surface of the workpiece.

Недостатком такого способа является неоднородный нагрев частиц напыляемого порошка, который приводит к попаданию на поверхность обрабатываемой детали частиц, не достигших температуры плавления, и получение покрытия с низкими эксплуатационными характеристиками из-за низкой прочности вследствие отслаивания и высокой пористости.The disadvantage of this method is the inhomogeneous heating of the particles of the sprayed powder, which leads to the penetration of particles that have not reached the melting temperature onto the surface of the workpiece and the formation of a coating with low performance due to low strength due to peeling and high porosity.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ лазерно-плазменного напыления покрытий (см. RU 75391 U1, 10.08.2008 /D1/), в котором плазмотроном создают плазменный поток, направленный на напыляемую поверхность, и подают в него частицы напыляемого порошка, при этом на выход из сопла плазмотрона перпендикулярно плазменному потоку подают модулированное лазерное излучение и фокусируют его на противоположной от источника лазерного излучения стороне плазменного потока.The closest in technical essence to the present invention is a method of laser-plasma spraying of coatings (see RU 75391 U1, 08/10/2008 / D1 /), in which the plasma torch creates a plasma flow directed to the sprayed surface, and particles of the sprayed powder are fed into it, at the same time, modulated laser radiation is supplied to the exit from the plasma torch nozzle perpendicular to the plasma stream and focused on the opposite side of the plasma stream from the laser radiation source.

Недостатками данного способа являются низкая прочность сцепления покрытия с подложкой, поскольку подводимая энергия лазерного излучения поглощается плазменным потоком лишь на 15-20%, что и приводит к недостаточному нагреву частиц напыляемого материала.The disadvantages of this method are the low adhesion strength of the coating to the substrate, since the input energy of the laser radiation is absorbed by the plasma stream by only 15-20%, which leads to insufficient heating of the particles of the sprayed material.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение прочности сцепления покрытий с подложкой.The task of the invention is to increase the adhesion of coatings to the substrate.

Это достигается тем, что в способе, заключающемся в создании плазмотроном плазменного потока, направленного на напыляемую поверхность, подаче на выход из сопла плазмотрона перпендикулярно плазменному потоку модулированного лазерного излучения и фокусировке его на противоположной от источника лазерного излучения стороне плазменного потока, лазерное излучение подают перед подачей частиц напыляемого порошка. Интенсивность лазерного излучения при этом должна быть не менее пороговой, при которой происходит оптический пробой.This is achieved by the fact that in the method consisting in creating a plasma stream by a plasmatron directed to a sprayed surface, applying modulated laser radiation perpendicular to the plasma stream and exiting from the plasma torch nozzle and focusing it on the opposite side of the plasma stream from the laser radiation source, the laser radiation is supplied before particles of sprayed powder. In this case, the laser radiation intensity should be no less than the threshold at which optical breakdown occurs.

Использование модулированного лазерного излучения с интенсивностью не менее пороговой позволяет подводить энергию высокой плотности мощности, что дает возможность образования области оптического пробоя, в которой поглощается до 90-95% энергии лазерного излучения.The use of modulated laser radiation with an intensity of at least threshold allows energy of a high power density to be supplied, which makes it possible to form an optical breakdown region in which up to 90-95% of the laser radiation energy is absorbed.

Ведение лазерного излучения перпендикулярно плазменному потоку, после его выхода из сопла плазмотрона обеспечивает повышение температуры плазменного потока за счет распространения волны поглощения в области оптического пробоя навстречу лазерному лучу, возникающей при фокусировке лазерного излучения на противоположной от источника лазерного излучения стороне плазменного потока. Это дает равномерный нагрев плазменного потока по всему поперечному сечению, а не только в ядре плазмы, что повышает температуру плазменного потока в 2-3 раза. Подача частиц напыляемого материала после введения лазерного излучения в плазменный поток, то есть после образования равномерно нагретой области оптического пробоя, обеспечивает их нагрев значительно сильнее, что в конечном итоге приводит к повышению прочности сцепления покрытия с подложкой в 2 раза по сравнению с прототипом.Keeping the laser radiation perpendicular to the plasma stream, after it leaves the nozzle of the plasma torch, it increases the temperature of the plasma stream due to the propagation of the absorption wave in the optical breakdown region towards the laser beam, which occurs when the laser radiation is focused on the opposite side of the plasma stream from the laser radiation source. This gives uniform heating of the plasma stream over the entire cross section, and not only in the plasma core, which increases the temperature of the plasma stream by a factor of 2–3. The supply of particles of the sprayed material after the introduction of laser radiation into the plasma stream, that is, after the formation of a uniformly heated region of optical breakdown, ensures their heating is much stronger, which ultimately leads to a 2-fold increase in the adhesion strength of the coating to the substrate compared to the prototype.

На рисунке представлена принципиальная схема реализации предлагаемого способа.The figure shows a schematic diagram of the implementation of the proposed method.

Схема включает внешний блок управления установки плазменного напыления 1, блок электропитания установки плазменного напыления 2, плазмотрон 3, источник модулированного лазерного излучения 4, поворотное устройство комбинированного узла для лазерно-плазменного напыления 5, кронштейн 6, связанный с системой фокусировки лазерного излучения 7, переходник 8, предметный стол 9, систему датчиков 10 и компьютер 11.The circuit includes an external control unit for the plasma spraying unit 1, a power supply unit for the plasma spraying unit 2, a plasma torch 3, a modulated laser radiation source 4, a rotary device of the combined unit for laser-plasma spraying 5, an arm 6 connected to the laser focusing system 7, an adapter 8 , subject table 9, a system of sensors 10 and a computer 11.

Способ реализуется следующим образом: создается плазменный поток, направленный на напыляемую поверхность, в который после выхода из сопла плазмотрона перпендикулярно подается модулированное лазерное излучение с интенсивностью, не менее пороговой. Лазерное излучение фокусируется системой фокусировки 7 на противоположной от источника лазерного излучения стороне плазменного потока. Температура плазменного потока повышается, что фиксируется с помощью датчиков 10, и после этого в разогретый плазменный поток подаются частицы напыляемого материала. Достаточность нагрева частиц напыляемого порошка в плазменном потоке оценивается с помощью программного обеспечения, установленного на компьютере 11.The method is implemented as follows: a plasma stream is created, directed to the sprayed surface, into which, after exiting the plasma torch nozzle, modulated laser radiation with an intensity not less than threshold is perpendicularly supplied. Laser radiation is focused by the focusing system 7 on the opposite side of the plasma stream from the laser radiation source. The temperature of the plasma stream rises, which is recorded using sensors 10, and then particles of the sprayed material are fed into the heated plasma stream. The sufficiency of heating the particles of the sprayed powder in the plasma stream is evaluated using software installed on the computer 11.

Пример.Example.

Предлагаемым способом наносили керамическое покрытие оксида алюминия Аl₂O₃ на предварительно напыленный металлический слой на основе никель-хромового сплава. Для формирования плазменного потока и переноса с его помощью частиц порошка напыляемого покрытия использовали установку для плазменной обработки «Киев - 7», обеспечивающую мощность плазмотрона 60 кВт. Источник модулированного лазерного излучения включал в себя излучатель со средней мощностью 50 Вт, источник питания типа ЛТИ - 130 Вт, систему транспортировки, наведения и фокусировки, параметры лазерного излучения - длительность импульсов 100 нc, плотность мощности 2,5 ГВт/см² и длина волны 1,06 мкм. Расстояние до напыляемой поверхности составило 150 мм, напряжение на плазмотроне - 300 В, ток - 200 А. В качестве плазмообразующего газа использовалась смесь углеродосодержащих газов с давлением 3 атм. Дисперсность частиц напыляемого порошка составила 40-60 мкм.The proposed method applied a ceramic coating of aluminum oxide Al ₂ O ₃ on a pre-sprayed metal layer based on a nickel-chromium alloy. To form the plasma stream and transfer particles of the powder of the sprayed coating with it, we used the Kiev-7 plasma treatment unit, providing a plasma torch power of 60 kW. The modulated laser radiation source included an emitter with an average power of 50 W, an LTI power source of 130 W, a transportation, guidance and focusing system, laser radiation parameters — pulse duration of 100 ns, power density of 2.5 GW / cm ² and wavelength 1.06 μm. The distance to the sprayed surface was 150 mm, the voltage on the plasmatron was 300 V, and the current was 200 A. A mixture of carbon-containing gases with a pressure of 3 atm was used as a plasma-forming gas. The dispersion of the particles of the sprayed powder was 40-60 microns.

Для получения сравнительных данных проводилось нанесение покрытий по известному способу. Результаты сведены в таблицу.To obtain comparative data, coating was carried out by a known method. The results are tabulated.

Известный способKnown method Лазерно-плазменное напылениеLaser-plasma spraying Прочность сцепления, МПаAdhesion Strength, MPa 30-4030-40 60-8060-80

Claims

The method of laser-plasma spraying, in which the plasma torch creates a plasma stream directed to the sprayed surface, particles of the sprayed powder are fed into it, the modulated laser radiation is fed to the exit of the plasma torch nozzle perpendicular to the plasma stream, and it is focused on the opposite side of the plasma stream from the laser radiation source, characterized in that the laser radiation is supplied before feeding the particles of the sprayed powder and with an intensity not less than the threshold at which optical shy.