Износ деталей — частая проблема для любой отрасли промышленности, от горнодобывающей до энергетики и транспорта. Потери от простоев оборудования, замены вышедших из строя компонентов и снижения производительности исчисляются миллиардами рублей. Используемые в таких случаях технологии восстановления и упрочнения поверхностей, например, плазменная наплавка, считаются стратегически важными для импортозамещения и снижения эксплуатационных расходов. Они позволяют продлить жизнь дорогостоящих деталей (клапаны, лезвия, диски) и придать им особые свойства, например, повышенную износостойкость.
Например, в судостроении и морской технике, где металл постоянно контактирует с соленой водой, возникают коррозия (ржавчина) и износ. Однако с помощью наплавки самые нагруженные участки можно восстановить и защитить. Так, корпус корабля у самой воды постоянно страдает от трения о волны, ударов льда и ржавчины. Наплавка позволяет создать дополнительный защитный слой, действующий как прочная броня от истирания и коррозии.
Основной инструмент процесса наплавки — плазмотрон. Его можно сравнить с мощной горелкой, внутри которой создается плазма — раскаленный ионизированный газ. При использовании он выполняет сразу две задачи: разогревает поверхность детали и плавит присадочный материал (порошок или проволока). В итоге создается прочное соединение однородных или разнородных материалов. Поэтому восстановленная поверхность не отслаивается и служит так же долго, как новая деталь.
Существует два основных типа плазмотронов по способу подачи материала. В одних системах используется проволока, которая автоматически подается в зону наплавки. В других применяется металлический порошок, позволяющий создавать более сложные покрытия и точно дозировать материал. Именно этот метод открывает возможности для восстановления ответственных деталей в авиакосмической, нефтегазовой и энергетической отраслях.
Современная технология плазменной наплавки порошковыми материалами реализуется преимущественно двумя методами. Первый — подача порошка сбоку, в отверстие насадки инструмента или рядом с ним. Такие установки работают надежно и редко засоряются, но почти половина порошка не попадает в зону нагрева и улетает впустую. Второй — подача прямо в плазменную струю. В этом случае порошок хорошо нагревается, но частицы налипают на внутренние детали плазмотрона, что приводит к поломкам оборудования и дефектам.
Низкая эффективность существующих плазмотронов напрямую влияет на себестоимость процесса, делая восстановление деталей экономически невыгодным. Разработка нового решения — ключ к широкому внедрению высококачественной плазменной наплавки на отечественных предприятиях.
Ученые ПНИПУ предложили принципиально новое строение плазмотрона для наплавки порошкового материала без использования иностранных компонентов. В отличие от традиционных отечественных систем, эта конструкция обеспечивает и максимальный нагрев порошка, и защиту от налипания. На сегодняшний день у разработки нет аналогов в России. На изобретение выдан патент.
Основу инструмента составляют два ключевых элемента. Центральная трубка служит одновременно для подачи металлического порошка и оказывается первым нагревательным элементом. Через нее под давлением подается газопорошковая смесь. Второй важный компонент — кольцевое сопло (отверстие насадки), расположенное на расстоянии от одного до полутора миллиметров от центральной трубки. Оно выполняет функцию второго нагревательного элемента. При включении они создают две плазменные дуги, работающие вместе как один мощный поток.
Чтобы порошок не прилипал к стенкам и равномерно нагревался, ученые использовали специальную систему подачи газа. Он поступает закрученным вихрем, который удерживает частицы материала в центре потока и не даёт им рассеиваться.
— Весь процесс работы плазмотрона начинается с подачи порошка через центральный канал инструмента. Частицы сразу попадают в зону действия двух дуг, где моментально нагреваются и переносятся в зону наплавки. Параллельно с этим происходит подготовка поверхности детали. Плазменные потоки эффективно очищают металл от окислов, загрязнений и следов коррозии, создавая идеально чистую основу для наплавки. В результате формируется однородный слой без пустот и дефектов, — отметил Сергей Неулыбин, кандидат технических наук , научный руководитель лаборатории методов создания и проектирования систем «Материал-технология-конструкция» ПНИПУ.
Испытания новой технологии проводились на специализированном исследовательском стенде, который включал современное оборудование для точного контроля всех параметров процесса. В состав испытательного комплекса входил роботизированный комплекс, обеспечивающий крепление плазмотрона, а также система подачи порошка для равномерной подачи.
— В качестве пробной детали мы использовали пластины из конструкционной стали — это стандартный тестовый материал для таких испытаний. После наплавки образцы изучили под микроскопом: смотрели, как наплавленный слой соединился с основой, нет ли внутри пор, трещин или непроваров. Далее пластины подвергали комплексному исследованию с использованием различных методов контроля качества. Например, химический анализ, который включал подготовку образцов путем шлифовки, полировки и дальнейшее исследование на специальном оборудовании, — дополнил Юрий Щицын, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Сварочное производство, метрология и технология материалов» ПНИПУ.
Дополнительно ученые оценили прочность соединения и однородность структуры по всей поверхности наплавленного слоя. Все эти испытания подтвердили, что покрытие получается качественным и надежным.
Важное преимущество разработанного плазмотрона — более широкий диапазон рабочих параметров по сравнению с аналогами. Устройство работает при силе тока от 30 до 200 ампер, что более чем в два раза больше, чем у стандартных решений. Такой диапазон обеспечивает универсальность: один инструмент можно гибко настраивать для деликатной наплавки на мелкие детали (30-50 ампер) или восстановления крупных конструкций (150-200 ампер). При этом показатель напряжения составляет всего 32-38 вольт. Это в 2,5–3 раза ниже, чем у существующих аналогов, что обеспечивает существенную экономию энергопотребления.
Такая гибкость настроек позволяет адаптировать процесс для различных материалов и типов изделий, делая плазмотрон универсальным решением для промышленного применения.
Машиностроительные предприятия смогут использовать разработку для упрочнения новых деталей специального назначения — пресс-форм, штампов, режущего инструмента. В транспортной сфере технология позволит продлевать ресурс деталей ходовой части, элементов трансмиссии и других изнашиваемых компонентов.