Наплавка плазменно-дуговым методом (PTA) — это хорошо зарекомендовавшая себя технология обработки поверхностей, используемая для нанесения износостойких, коррозионностойких и высокотемпературных слоев сплавов на промышленные компоненты.

Используя высококонцентрированную плазменную дугу в качестве источника тепла и металлический порошок в качестве основного материала для осаждения, метод PTA создает металлургически связанное покрытие между осажденным сплавом и подложкой.

Этот процесс широко используется в таких отраслях, как производство клапанов, нефтегазовая промышленность, горнодобывающая промышленность, металлургия, сельскохозяйственная техника и тяжелая промышленность , особенно там, где компоненты требуют относительно толстых защитных слоев, прочного сцепления, высокой эффективности нанесения покрытия и экономичной обработки.

По сравнению с такими технологиями, как лазерная наплавка, HVOF/HVAF, холодное напыление и традиционная сварка для упрочнения поверхностей, технология PTA занимает особое место в промышленной обработке поверхностей.

Поэтому понимание принципа работы, архитектуры оборудования, материалов, преимуществ и ограничений имеет важное значение при выборе наиболее подходящей технологии для проекта по защите или восстановлению поверхности.

1. Что такое наплавка PTA?

Наплавка методом плазменно-дугового переноса ( PTA ) — это процесс поверхностного осаждения на основе плавления, при котором перенесенная плазменная дуга расплавляет металлический материал и соединяет его с контролируемым участком поверхности подложки.

Расплавленные материалы образуют сварочную ванну, которая впоследствии затвердевает, образуя плотное покрытие, металлургически связанное с основным материалом.

Металлический порошок является наиболее распространенным сырьем, хотя точная конфигурация системы зависит от области применения.

Технология PTA сочетает в себе характеристики плазменно-дуговой технологии и традиционной наплавки, обеспечивая при этом больший контроль над источником тепла и подачей порошка, чем многие традиционные методы наплавочной сварки.

Его основная цель не обязательно заключается в изготовлении целого компонента из дорогостоящего сплава.

Вместо этого, технология PTA позволяет наносить функциональный сплав только там, где требуются улучшенные свойства поверхности.

Это позволяет комбинировать:

Относительно экономичная структурная основа + высокоэффективный функциональный поверхностный слой.

В зависимости от используемого сплава, качество наплавки, полученной методом термической обработки под давлением, может улучшить следующие показатели:

• Абразивная износостойкость
• Адгезионная износостойкость
• Эрозионная стойкость
• Устойчивость к коррозии
• Износостойкость при высоких температурах
• Устойчивость к заеданию
• Твердость поверхности
• Срок службы компонента

PTA также может использоваться для восстановления изношенных участков, где одновременно требуется восстановление размеров и улучшение эксплуатационных характеристик поверхности.

2. Принцип работы твердого покрытия PTA

Процесс плазменно-дуговой обработки начинается с генерации плазменной дуги между электродом внутри горелки и заготовкой.

Плазменный газ протекает через горелку и ионизируется электрической дугой, образуя высокотемпературную концентрированную плазменную струю.

Перенесенная дуга достигает электропроводящей заготовки и создает локальную зону расплава на ее поверхности.

Одновременно с этим металлический порошок точно подается из порошкового питателя в зону обработки.

Частицы порошка попадают в плазму и расплавленный слой, где они нагреваются и плавятся.

По мере перемещения горелки для термической обработки относительно обрабатываемого компонента расплавленный металл движется по запрограммированной траектории осаждения.

Под воздействием горелки материал быстро затвердевает, образуя сплошное покрытие из сплава.

Упрощенная последовательность процесса выглядит следующим образом:

Генерация плазмы → Плавление подложки → Подача порошка → Формирование расплавленной ванны → Контролируемое движение → Затвердевание → Металлургически связанное наплавление

Поскольку в расплавленной ванне участвуют как осаждаемый материал, так и часть подложки, PTA обеспечивает металлургическое соединение , а не полагается в основном на механическую адгезию.

Однако это также означает, что разбавление субстрата и тепловое воздействие должны тщательно контролироваться.

Такие параметры процесса, как ток, напряжение, скорость перемещения, скорость подачи порошка, поток газа, положение горелки, коэффициент перекрытия и условия охлаждения, могут влиять на конечное качество покрытия.

3. Архитектура оборудования для наплавки PTA

Промышленная система для нанесения твердого покрытия методом PTA — это больше, чем просто плазменный резак.

Как правило, полноценная система объединяет несколько функциональных модулей, которые должны работать совместно и с точной синхронизацией.

Типичная архитектура оборудования PTA может включать в себя:

• Плазменный источник питания
• факел PTA
• Система подачи порошка
• Подача плазменного газа
• Система защитного газа
• Система охлаждения
• Система движения
• Система позиционирования заготовки
• Система управления технологическим процессом
• Системы безопасности и вытяжки
• Дополнительные системы предварительного подогрева или вспомогательные системы

Окончательная архитектура станка в значительной степени зависит от геометрии, размеров, веса, объема производства и требований к покрытию обрабатываемой детали.

По этой причине системы PTA могут варьироваться от относительно простых станций для упрочнения поверхности до многоосевых автоматизированных производственных ячеек.

4. Источник плазменной энергии

Источник плазменной энергии обеспечивает электрическую энергию, необходимую для создания и поддержания плазменной дуги.

Стабильность электрического тока важна, поскольку колебания в характере электрической дуги могут влиять на:

• Устойчивость расплавленного бассейна
• Проникновение
• Раствор
• Стабильность осаждения
• Внешний вид поверхности
• Геометрия покрытия

Подходящий диапазон тока и мощности зависит от горелки, сплава, скорости осаждения, подложки, толщины покрытия и геометрии заготовки.

Увеличение подводимой энергии может повысить способность к плавлению и осаждению, но также может привести к следующим последствиям:

• Зона термического влияния
• Разбавление субстрата
• Термическое искажение
• Остаточный стресс

Следовательно, цель состоит не просто в максимизации мощности.

Правильный уровень мощности должен обеспечивать стабильное осаждение при сохранении требуемых металлургических и размерных свойств.

5. PTA Torch

Горелка для PTA-наплавки является одним из основных компонентов системы упрочнения поверхности.

Его основными функциями являются:

• Сгенерировать и ограничить плазменную дугу
• Направьте тепловую энергию непосредственно на обрабатываемую деталь.
• Подача порошка в зону обработки.
• Поддерживайте газовую защиту.
• Поддерживает стабильное формирование расплавленной ванны.

Конструкция горелки напрямую влияет на концентрацию дуги, использование порошка, геометрию покрытия и стабильность процесса.

В промышленных системах могут потребоваться различные конфигурации горелок в зависимости от того, какой компонент используется:

• Внешние цилиндрические поверхности
• Внутренние поверхности
• Плоские поверхности
• Седла клапана
• Вращающиеся компоненты
• Сложная геометрия

Охлаждение также важно, поскольку горелки для термической обработки работают при значительных тепловых нагрузках, особенно в условиях непрерывного промышленного производства.

6. Система подачи порошка

Для нанесения твердого покрытия методом PTA в качестве материала для осаждения обычно используется металлический порошок.

Устройство подачи порошка обеспечивает непрерывную и равномерную подачу необходимого количества порошка к горелке для термической обработки.

Стабильная подача порошка имеет решающее значение.

Нестабильная скорость подачи может вызывать колебания в:

• Толщина покрытия
• Геометрия бусин
• Химический состав
• Раствор
• Качество поверхности:
• Эффективность осаждения

В зависимости от области применения, системы подачи порошка могут использовать один или несколько контейнеров для порошка.

Многобункерные конфигурации могут быть полезны, когда необходимо обрабатывать различные материалы или когда требуется контролируемое сочетание материалов.

К важным параметрам, связанным с порошком, относятся:

• Распределение частиц порошка по размерам
• Морфология порошка
• текучесть
• Скорость подачи
• Химический состав
• Поток газа-носителя
• стабильность подачи порошка

Поэтому характеристики порошка следует рассматривать как часть всего процесса ПТА, а не просто как расходный материал.

7. Система движения и позиционирования

Для получения равномерного покрытия крайне важно обеспечить стабильное относительное перемещение горелки для термической обработки и заготовки.

Архитектура движения зависит от геометрии компонентов.

Типичные конфигурации могут включать в себя:

• Линейные слайды
• Поворотные позиционеры
• Системы ЧПУ
• Многоосевые платформы
• Портальные системы
• Робототехнические системы
• Специализированные автоматизированные станции для нанесения наплавочных покрытий

Например, при изготовлении цилиндрической детали заготовка может вращаться, а горелка перемещаться вдоль оси.

Для клапанов или сложных поверхностей может потребоваться скоординированное многоосевое перемещение.

Для крупных промышленных компонентов может потребоваться совершенно иная архитектура оборудования, чем для мелких прецизионных деталей.

К важным параметрам движения относятся:

• скорость передвижения
• Скорость вращения
• Угол факела
• Дистанция досмотра
• Расстояние между путями
• Коэффициент перекрытия
• Ускорение и замедление
• Повторяемость позиционирования

Автоматизация может значительно повысить повторяемость процессов, особенно в серийном производстве.

8. Плазма, экранирующие и несущие газы

Управление газовым потоком — еще одна важная составляющая процесса обработки ПТА.

Различные потоки газа могут выполнять разные функции в системе.

Плазменный газ

Плазменный газ ионизируется для образования плазменной струи.

Обычно используется аргон, тогда как специфические технологические требования могут предусматривать использование газов другого состава.

Защитный газ

Защитный газ предохраняет расплавленный материал и нагретый материал от нежелательного взаимодействия с окружающей атмосферой.

Это особенно важно для сплавов, чувствительных к окислению.

Газ-носитель

В системах с подачей порошка несущий газ транспортирует металлический порошок от питателя к горелке и зоне осаждения.

Тип газа и скорость потока могут влиять на следующее:

• Характеристики дуги
• Транспортировка порошка
• Поведение расплавленного бассейна
• Окисление
• Стабильность осаждения

Следовательно, параметры газа необходимо согласовывать с параметрами электропитания и подачи порошка.

9. Материалы для упрочнения поверхности на основе ПТА

Одним из преимуществ PTA является его совместимость с широким спектром металлических наплавочных материалов.

Выбор подходящего сплава зависит от механизма разрушения и условий эксплуатации.

К распространенным категориям материалов относятся:

Сплавы на основе никеля

Материалы на основе никеля могут обеспечивать сочетание коррозионной стойкости, износостойкости и способности работать при высоких температурах.

Их часто рассматривают для использования в сложных промышленных условиях.

Сплавы на основе кобальта

Кобальтовые износостойкие сплавы известны своими высокими эксплуатационными характеристиками в условиях износа, коррозии, заедания и высоких температур.

Они широко используются в клапанах и в условиях эксплуатации в тяжелых условиях.

Сплавы на основе железа

Порошки для упрочнения на основе железа могут представлять собой экономичное решение для многих областей применения, связанных с износом.

Более низкая стоимость материалов может быть привлекательной при нанесении покрытий на большие площади или при значительных объемах осаждения.

Материалы, армированные карбидами

Металломатричные системы, содержащие твердые карбидные фазы, могут использоваться там, где требуется высокая стойкость к абразивному износу.

Правильное содержание карбидов, состав матрицы, характеристики частиц и параметры обработки имеют важное значение, поскольку чрезвычайно твердые материалы могут создавать дополнительные проблемы, связанные с растрескиванием и обрабатываемостью.

Поэтому выбор материала следует начинать с определения фактического механизма разрушения, а не просто с выбора сплава с наибольшей номинальной твердостью.

10. Типичная толщина покрытия PTA

PTA особенно подходит для применений, требующих относительно значительной толщины покрытия.

Типичный слой твердого покрытия из ПТА может иметь приблизительный размер:

от 1 мм до нескольких миллиметров на слой

в зависимости от:

• сплав
• факел PTA
• Ток и мощность
• Скорость подачи порошка
• скорость передвижения
• Геометрия заготовки
• Запечатываемый материал
• Требования к разбавлению
• Количество слоев

При необходимости большей толщины покрытия можно наносить несколько слоев.

Однако увеличение толщины покрытия — это не просто вопрос нанесения большего количества материала.

По мере увеличения общего объема накопившихся отложений инженерам необходимо учитывать следующее:

• Накопление тепла
• Остаточный стресс
• Риск растрескивания
• Качество межслойного соединения
• Контроль размеров
• Последующий припуск на механическую обработку

При ремонтных работах необходимо учитывать требуемые конечные размеры, а также стратегию нанесения покрытия и последующей обработки.

11. Типичные промышленные применения упрочняющего покрытия из ПТА.

Технология PTA особенно ценна в отраслях, где компоненты подвергаются сильному износу, а простои или частая замена компонентов приводят к значительным эксплуатационным расходам.

11.1 Клапанная промышленность

Клапаны — одна из наиболее распространенных областей применения упрочняющей обработки PTA.

К потенциальным областям нанесения твердого покрытия относятся:

• Седла клапана
• Клапанные диски
• Уплотнительные поверхности
• Стебли
• Другие зоны, подверженные износу

Эти компоненты могут работать в условиях сочетания давления, температуры, коррозии, эрозии и многократного механического контакта.

Технология PTA позволяет избирательно наносить специальные сплавы на критически важную поверхность, вместо того чтобы изготавливать весь компонент клапана из дорогостоящего износостойкого материала.

11.2 Нефть и газ

Оборудование нефтегазовой отрасли может подвергаться серьезным сочетаниям следующих факторов:

• Истирание
• Эрозия
• Коррозия
• Давление
• Износ при скольжении
• Жидкости, содержащие частицы

Таким образом, ПТА может быть рассмотрена для отдельных случаев:

• Компоненты клапана
• Компоненты для бурения и добычи
• Компоненты насоса
• Износостойкие поверхности
• Компоненты регулирования потока
• Другие детали, предназначенные для эксплуатации в тяжелых условиях.

Выбор системы покрытия должен осуществляться с учетом рабочей температуры, давления, среды, подложки и механизма износа.

11.3 Горнодобывающая промышленность

Горнодобывающее оборудование часто работает в условиях сильного абразивного воздействия, включающего горные породы, минеральные частицы, удары и сильные механические нагрузки.

В число типичных компонентов-кандидатов могут входить:

• Изнашиваемые детали
• Компоненты, связанные с дроблением
• Компоненты для погрузочно-разгрузочных работ
• Компоненты земляных работ
• Прочные механические детали

Для крупных и прочных компонентов, способных выдерживать тепловое воздействие, технология PTA позволяет получать толстые, металлургически связанные износостойкие слои при привлекательных скоростях осаждения.

11.4 Сталелитейная промышленность

Оборудование для производства стали работает непрерывно в условиях сочетания высоких температур, механических нагрузок, окалины, трения и износа.

В зависимости от компонента, наплавка из ПТА может использоваться для:

• Компоненты, связанные с прокатными валами
• Руководящие компоненты
• Износостойкие поверхности
• Компоненты для погрузочно-разгрузочных работ
• Механические детали для производственной линии

Поскольку компоненты сталелитейной промышленности могут быть относительно большими, сочетание эффективности нанесения покрытия и возможности упрочнения толстых слоев может сделать технологию PTA экономически привлекательной.

11.5 Сельскохозяйственная техника

В сельскохозяйственной технике часто встречаются следующие элементы:

• Истирание почвы
• Песочный
• Stone
• Влияние
• Износ при скольжении

Примерами потенциальных компонентов являются:

• почвообрабатывающие орудия
• Режущие компоненты
• Носить пластины
• Детали, взаимодействующие с грунтом
• Другие изнашиваемые компоненты сельскохозяйственной техники

В этой отрасли стоимость имеет особое значение.

Для некоторых применений с большим объемом производства или интенсивным износом, применение ПТХ в сочетании с соответствующими материалами на основе железа или карбидов может обеспечить полезный баланс между износостойкостью и стоимостью обработки.

11.6 Тяжелая промышленность

PTA также может использоваться в тяжелой промышленности для компонентов, где локальные поверхности требуют свойств, существенно отличающихся от свойств основного материала.

Потенциальные приложения включают в себя:

• Большие валы
• Носить пластины
• Ролики
• Компоненты механической трансмиссии
• Промышленная оснастка
• Компоненты тяжелой техники
• Оборудование для обработки материалов

В таких областях применения PTA особенно актуальна, когда компонент достаточно прочен, чтобы выдерживать термические циклы, а требуемое покрытие имеет относительно большую толщину.

12. Преимущества наплавки из ПТА

Технология PTA по-прежнему широко используется, поскольку сочетает в себе ряд важных технических и экономических преимуществ.

Металлургическая связь

Поскольку осаждаемый сплав и подложка участвуют в расплавленной ванне, термическая обработка под давлением обеспечивает прочное металлургическое соединение.

Относительно толстые отложения

Метод PTA позволяет эффективно создавать наплавляемые слои миллиметрового масштаба и многослойные покрытия.

Высокая эффективность осаждения

Для нанесения толстых слоев упрочняющей стали метод PTA может обеспечить привлекательную производительность осаждения.

Широкий выбор материалов

В зависимости от системы и области применения, могут быть обработаны материалы на основе никеля, кобальта, железа и карбидов.

Хороший потенциал автоматизации

Система PTA может быть интегрирована с платформами ЧПУ, позиционерами, линейными системами и промышленными роботами.

Экономичный вариант для нанесения толстых слоев твердого покрытия.

Когда необходимо нанести большое количество упрочняющего материала и допустима тепловая нагрузка, технология PTA может обеспечить выгодную экономическую эффективность процесса.

13. Ограничения применения PTA-упрочняющих покрытий

PTA не является идеальным решением для каждого компонента.

Его ограничения следует оценивать так же тщательно, как и его преимущества.

Более высокий подвод тепла, чем при лазерной наплавке.

Как правило, технология PTA передает в подложку больше тепловой энергии, чем лазерная наплавка.

Это может привести к:

• Более обширные зоны теплового воздействия
• Более сильная тепловая деформация
• Более высокое остаточное напряжение
• Повышенная чувствительность в тонких или прецизионных компонентах.

Более высокое разбавление

Поскольку в расплавленную ванну может попадать больше материала подложки, процесс PTA обычно обеспечивает большее разбавление, чем хорошо контролируемый процесс лазерной наплавки.

Это может повлиять на конечный химический состав и свойства осажденного слоя.

Менее подходит для очень тонких или термочувствительных компонентов.

Для тонкостенных или чувствительных к размерам компонентов может потребоваться процесс с более локальным подводом тепла.

Ограничения точности

Для высоколокализованного осаждения, мелких элементов, сложных путей ремонта или применений, требующих жесткого контроля над геометрией осажденного материала, лазерное осаждение может обеспечить большую гибкость.

Может потребоваться последующая механическая обработка.

Наплавка методом PTA позволяет получить довольно толстый слой покрытия, и для достижения требуемых размеров и качества поверхности часто необходима окончательная механическая обработка или шлифовка.

14. Наплавка PTA против лазерной наплавки

Технологии PTA и лазерной наплавки иногда рассматриваются как конкурирующие, но такое сравнение может вводить в заблуждение.

Оба процесса позволяют получать металлургически связанные покрытия , однако они находятся в разных технологических диапазонах.

Поэтому решение не должно основываться на том, какой метод нанесения покрытия — PTA или лазерная наплавка — является универсально «лучше».

Для крупных горнодобывающих компонентов, требующих экономичного и толстого износостойкого покрытия, PTA может быть более рациональным решением.

Для прецизионных компонентов, требующих низкого разбавления, контролируемого подвода тепла, локального ремонта или сложной геометрии нанесения покрытия, лазерная наплавка может обеспечить значительные преимущества.

В некоторых производственных условиях обе технологии могут сосуществовать.

15. PTA против HVOF/HVAF и холодного напыления

Технология PTA также принципиально отличается от HVOF/HVAF и холодного напыления.

Метод PTA целенаправленно создает расплавленную ванну и металлургическое сплавление с подложкой.

Технология HVOF/HVAF ускоряет нагретые частицы по направлению к подложке, образуя плотное термонапыленное покрытие без преднамеренного создания зоны плавления подложки.

Метод холодного напыления основан, главным образом, на чрезвычайно высокой скорости частиц и деформации в твердом состоянии, что приводит к очень низкому тепловому воздействию.

Это означает, что выбор технологического процесса должен зависеть от инженерной цели.

Если требуется толстое металлургическое упрочняющее покрытие и допустимая тепловая нагрузка, то технология PTA может быть весьма эффективной.

Если требуется плотное, относительно тонкое карбидное покрытие с низким термическим воздействием на подложку, то предпочтительнее может быть использование методов HVOF/HVAF.

Если компонент очень чувствителен к нагреву, а материал подходит для нанесения методом твердофазного осаждения, то холодное напыление может оказаться лучшим решением.

16. Как определить, подходит ли вам процедура PTA?

Перед выбором твердого покрытия из ПТА инженерам следует оценить несколько вопросов:

Из какого материала изготовлена ​​подложка?

Подложка должна быть совместима с термическим циклом и выбранным упрочняющим сплавом.

Каков основной механизм отказа?

Для защиты от истирания, коррозии, эрозии, ударов, заедания и износа при высоких температурах могут потребоваться совершенно другие материалы.

Какой должна быть толщина покрытия?

Технология PTA становится все более привлекательной в тех случаях, когда требуется значительная толщина твердого покрытия.

Какой максимальный тепловой импульс может выдержать компонент?

Это позволяет определить, какой метод нанесения покрытия – PTA, лазерная наплавка, термическое напыление или холодное напыление – будет более подходящим.

Какой уровень разбавления считается допустимым?

Если крайне важна минимальная степень разбавления, то другие технологии нанесения могут обеспечить преимущества.

Каковы размеры компонента?

Габариты и вес компонентов определяют подходящую систему перемещения и архитектуру оборудования.

Какой требуемый темп производства?

Серийное производство, ремонтные работы и изготовление единичных крупных компонентов могут потребовать совершенно разных стратегий автоматизации.

Какова общая стоимость обработки?

Необходимо учитывать расход материалов, скорость осаждения, расход газа, энергию, механическую обработку, автоматизацию, трудозатраты и срок службы компонентов.

17. Индивидуальные решения по наплавке и обработке поверхностей с использованием PTA.

Современная обработка поверхностей не должна начинаться с принудительного применения к каждому промышленному компоненту заранее определенного процесса.

Правильный подход заключается в том, чтобы сначала понять особенности заготовки, материала подложки, механизма разрушения, требований к покрытию, объема производства, тепловых ограничений, геометрии и экономической целесообразности.

Наплавка методом термической обработки под давлением может обеспечить значительные преимущества при необходимости эффективного нанесения относительно толстых, металлургически связанных, износостойких покрытий.

Однако для других областей применения лазерная наплавка, высокоскоростное газопламенное/высоковольтное напыление, холодное напыление, лазерная закалка или другие технологии обработки поверхности могут быть более подходящими.

В компании GREENSTONE лазерная наплавка и направленное энергетическое осаждение остаются ключевыми технологиями для передовой обработки поверхностей, ремонта, восстановления и аддитивного производства металлов.

В то же время, компания GREENSTONE может интегрировать упрочняющее покрытие из терефталевой кислоты (PTA) в индивидуальные решения по обработке поверхностей, где этот процесс предлагает технические или экономические преимущества.

Вместо того чтобы сначала выбирать технологию и адаптировать к ней компоненты, цель состоит в том, чтобы определить наиболее подходящую архитектуру материалов, процессов, оборудования и автоматизации для конкретного промышленного применения.

Такой подход позволяет выбирать технологии обработки поверхностей в зависимости от задачи, которую они должны решать.