Karakteristike APS i VPS plazma sprej procesa

Sažetak

Plazma je električno provodljiv gas koji sadrži jone, elektrone i neutralne molekule. Takvo stanje materije stvara se preko električnog pražnjenja i može da se održava u stabilnom stanju uvođenjem naizmenične ili jednosmerne struje. U radu je opisana struktura plazme, termodinamičke karakteristike i način stvaranja plazme koji omogućuju primenu plazme kao izvora energije za plazma sprej procese. Generalno, svi postojeći materijali u obliku praha mogu se plazmom deponovati kao prevlake na podlogama od različitih materijala. U plazma provodljivi gas na visokoj temperaturi uvode se čestice praha materijala koje se tope i ubrzavaju do podloge na kojoj formiraju prevlake. Masovna primena plazma sprej prevlaka u svim industrijskim oblastima je od posebnog značaja, jer se sa različitim kombinacijama površinskih slojeva može znatno povećati otpornost mašinskih delova na: habanje, abraziju, eroziju, kavitaciju, koroziju i otpornost na zamor na niskim i povišenim temperaturama, uz povećani resurs i pouzdanost rada delova u eksploataciji.

Uvod

Plazma je električno provodljiv gas čija se struktura sastoji od jona, elektrona i neutralnih molekula. Stanje i strukturu plazme godinama su proučavali fizičari i hemičari, a inženjeri koristili za primene koje se kreću od neonskog svetla do termonuklearne fuzije. Termalne plazme se sve više koriste za disocijaciju sirovina kao što su karbonati, oksidi, sulfidi i razne polimetalne rude (Dembovsky, 1985). Pretapanje legura plazmom sa visokim temperaturama topljenja i prečišćavanje pomoću čistih plazma gasova argona ili helijuma dokazala se korisnim u industriji metala. Plazma spreing je gasna plazma i može se smatrati kao ravnotežna ili termalna plazma. Razvoj plazma sprej procesa bio je rezultat objektivnog pokušaja da se podigne temperaturni nivo iznad onog kod oksiacetilenskog plamena. Mlaz plazme omogućuje selekciju inertnih ili nereaktivnih gasova za medijum, tako da se hemijska reakcija oksidacije može kontrolisati za vreme depozicije praha. Termalna plazma ili plazma spreing je tehnološki proces koji se odvija na atmosferskom pritisku (APS) ili na niskom pritisku (VPS) ili (LPPS) procesu. Plazma sprej procesi su našli široku primenu u svim industrijskim oblastima, što je opisano u objavljenim radovima autora (Mrdak, et al., 2013, pp.559-567), (Mrdak, 2013, pp.68-88), (Mrdak, 2013, pp.26-47), (Vencl, et al., 2009, pp.398-405), (Vencl, et al., 2011, pp.1281-1288). Različitie kombinacije površinskih slojeva znatno povećavaju otpornost radnim delovima na: habanje, abraziju, eroziju, kavitaciju, koroziju i otpornost na zamor na niskim i povišenim temperaturama. Značajno mesto među tehnologijama dvadeset prvog veka koje će se intenzivno razvijati imaju plazma sprej procesi, zahvaljujući razvoju nano materijala koji čine osnov za razvoj mnogih tehnologija. Plazma spreing je jedna od tehnologija obrade površina i sa drugim tehnološkim postupcima čini jednu celinu koja je u svetu poznata pod nazivom inženjerstvo površina. Danas se plazma sprej koristi u masovnoj proizvodnji, ali i u laboratorijskim istraživanjima novih nano materijala za tehnologije budućnosti (Herman, 1988, pp.13-21).

Cilj rada bio je da se opiše struktura plazme, termodinamičke karakteristike i način na koji nastaje. Zahvaljujući svojim karakteristikama plazma se primenjuje kao izvor energije za plazma sprej procese (APS i VPS), koji se koriste za zaštitu površina osnovnog materijala od habanja, abrazije, erozije, kavitacije, korozije i otpornosti na zamor na niskim i povišenim temperaturama uz povećani resurs i pouzdanost rada delova u eksploataciji.

Struktura plazme i njene termodinamičke karakteristike

Da bi se razumeo plazma sprej proces, potrebno je, pre svega, poznavati strukturu plazme. Naučnici su naziv plazma koristili da bi opisali pare materijala koje se podižu na viši energetski nivo. Zagrejani gasovi slede klasične zakone fizike i termodinamike. Međutim, plazma ne sledi klasične zakone fizike i zbog toga se smatra četvrtim agregatnim stanjem materije. Da bi se objasnila plazma, moraju se pojasniti promene stanja koje se dešavaju u atomima i molekulima. Jedan neutralan atom He ima jezgro sa dva električna naboja i neutralan je kada se nalazi u nepobuđenom stanju. Oko jezgra atoma kruže dva elektrona. Svaki elektron ima –1 električni naboj. Ako se atomu dovede dovoljno energije, ona će pobuditi atom i izbaciti bar jedan elektron iz orbite. Iznos energije potreban da bi se izbacio elektron iz orbite zove se energija jonizacije. Pobuđivanjem atoma dobijaju se dve čestice. Jedna čestica je jonizovani atom, a druga slobodan elektron. Jonizovani atom ima električni naboj +1, a slobodni elektron električni naboj –1. Molekul koji je spoj dva ili više neutralnih atoma može se smatrati jednom česticom. Molekuli predstavljaju gasove kao što su N₂ i H_2, koji su formirani od dva atoma i zato se nazivaju dvoatomski gasovi. Ako je dovedeno dovoljno energije, molekuli se razlažu na atome. Odvojeni atomi mogu predstavljati jednoatomski gas kao što je Ar, He ili disocirani dvoatomski gas N₂ ili H₂. Daljim dovođenjem energije atomima izbija se bar jedan elektron iz svakog atoma. Ako svi elektroni napuste svoje atome dobija se potpuna jonizacija – stanje zvezda sa približnom temperaturom od 100 miliona °C. U procesu plazma spreja radi se sa delimičnom jonizacijom i temperaturama do 30.000°C. Treba naznačiti da je plazma kao celina elektroneutralna, pošto ima isti broj plus i minus električnih naboja. Prednost plazme nad običnim gasovima je što ima višu temperaturu i bolji prenos toplote. Dvoatomski gasovi sa stanovišta promene entalpije su superiorniji od jednoatomskih gasova. Plazma ima visoku elektroprovodljivost koja je povezana sa veoma visokim temperaturama. Električna provodljivost plazme je u velikom opsegu uslovljena stepenom jonizacije, tj. pokretljivošću elektrona, koja je oko 100 puta veća od jona. Jonizacija može biti parcijalna ili višestepena. Energija jonozacije gasa kreće se od 10 do 50eV, a disocijacije od 4 do 10eV. Disocijacija i jonizacija gasa odvija se u određenom periodu, a energije jonizacije i disocijacije se rekombinuju, kako je prikazano za gas N₂.

Kod jednoatomskih gasova nema disocijacije i rekombinacije, koja se za dvoatomske gasove odvija na nižoj temperaturi. Zbog toga su za istu snagu napajanja mlazevi plazme Ar i He kraći u odnosu na mlazeve plazme N₂ i H₂. Plazmu je najjednostavnije formirati pomoću gasova Ar, He, H₂, N₂ ili njihovih mešavina. Ar ima najveću prednost pošto se lako jonizuje. Entalpije Ar i He su mnogo niže od dvoatomskih gasova, kako je prikazano na slici 5. Sa druge strane, temperature inertnih gasova mnogo su više od N₂ i H₂ pri istoj entalpiji. Plazma se razlikuje od plamena sagorevanja gasova zbog činjenice da se hemijska reakcija sagorevanja gasova javlja na odstojanju od 100 do 200 mm i ima nižu temperaturu od plazme. Plazma je svetli jonizovani gas kod kojeg ne postoji sagorevanje, a ima visoku temperaturu i brži pad temperature nakon napuštanja mlaznice.

Plazma sprej procesi

Zavisno od okolne sredine, razvijeni su atmosferski plazma sprej – APS i vakuumu plazma sprej – VPS proces za koji se još koristi naziv LPPS (Low preassure plasma deposition). Izbor procesa u velikoj meri određuju osobine deponovanih prevlaka, ali i njihovo ponašanje u eksploataciji, kako je opisano u radovima autora (Mrdak, 2013, pp.7-25), (Mrdak, 2013, pp.26-47), (Mrdak, 2014, pp.7-22). APS proces je najjednostavniji za izvođenje i ima limitiran opseg upotrebe zbog inkorporiranja znatne količine vazduha u mlaz plazme. Vazduh hladi i usporava plazmu, a poseban problem predstavlja oksidacija čestica, što ima za posledicu povećan sadržaj produkata oksidacije u deponovanom sloju (Mrdak, 2010, pp.5-16), (Mrdak, 2012, pp.182-201), (Vencl, et al., 2010, pp.591-604). Prskanje plazmom vrši se pomoću plazma pištolja iz kojeg izlaze fokusirane čestice plazme inertnog gasa sa brzinom od 240 do 600 m/s i temperaturom mlaza od 4.500 do 20.000C. Mlaz plazme koji napušta mlaznicu nije homogena sredina, zbog velike razlike u temperaturi i brzini čestica plazme (Vardelle, et al., 1983, p.88). Zona jezgra plazme ima relativno konstantnu temperaturu od 12.500 do 12.000C i rasprostire se svega 10 do 12 mm od otvora mlaznice. Druga zona predstavlja prelaznu oblast u kojoj temperatura plazme naglo opada do 3000C i postiže dužinu oko 100 mm od otvora mlaznice. Treća zona predstavlja oblast u kojoj dolazi do intenzivnog mešanja plazme sa okolnim vazduhom, što dovodi do pada temperature i pada brzine čestica plazme. Kvalitet deponovanih slojeva zavisi od: karakteristika upotrebljenog praha, međusobne reakcije između plazme i praha, reakcija između plazme i okoline i uticaja podloge. Prahovi koji se koriste za depoziciju karakterišu se hemijskim sastavom, gustinom, temperaturom topljenja, veličinom zrna, raspodelom veličine zrna, oblikom zrna, ponašanjem pri kretanju kroz plazmu, čistoćom itd. Parametri procesa moraju se podesiti tako da se za konkretan prah postigne optimalni efekat topljenja praha u plazmi i transport istopljenih čestica praha sa optimalnim brzinama do površine podloge. Postupak izrade prevlake sastoji se od pripreme površine podloge pre procesa depozicije i procesa depozicije na pripremljenim površinama. Priprema površine podloge jedan je od najvažnijih faktora koji utiče na kvalitet spoja između metalne podloge i deponovane prevlake. Priprema površine izvodi se radi čišćenja oksidnog sloja sa površine metalne podloge, čineći je reaktivnom sa prevlakom i radi povećanja površine između metalne podloge i prevlake. APS proces izvodi se tako što se kroz otvor gas injektora propušta inertni gas Ar između katode i anode. Da bi se inicirala plazma, između elektroda propušta se jednosmerna struja koja stvara električni impuls uzrokujući proboj kroz tekući gas. Uspostavljanjem strujnog luka – lučne plazme, kroz otvor gas injektora propušta se sekundarni gas (He, H₂ ili N₂) koji se jonizuje. Priroda geometrije elektrode kao i tehničkih gasova, sada plazme, istiskuje vruć i delimično provodan gas kroz kružni otvor anode. U tako formiran mlaz plazme uvodi se prah pomoću nosećeg gasa. Čestice praha se ubrzavaju, tope i velikom brzinom deponuju na podlogu. Energija mlaza plazme podešava se za svaku vrstu praha, uzimajući u obzir: temperaturu topljenja, toplotnu provodljivost, oblik, veličinu i raspodelu veličine čestica. Kao dodatak karakteristikama praha postoje i uslovi njegovog injektiranja u mlaz plazme.To su mesta ubrizgavanja praha i ugao u odnosu na smer mlaza i brzine dotoka praha. Protok nosećeg gasa podešava se za svaki tip praha na osnovu srednje veličine čestica praha, njegove gustine i gustine mlaza plazme, tako da su čestice praha ubrizgane u osu mlaza plazme sa najvećom temperaturom. Protok sekundarnog gasa, amperaža, voltaža i odstojanje mlaza plazme podešavaju se za svaki tip praha, tako da čestice koje se deponuju imaju optimalnu kinetičku energiju i stepen istopljenosti.

Razvoj VPS tehnologije doveo je do značajnog poboljšanja kvaliteta prevlaka u poređenju sa prevlakama proizvedenim na atmosferskom pritisku. VPS je relativno nova tehnologija u kojoj se istopljene čestice praha, veličine od 10 do 100 µm, ubrzavaju ka podlozi, gde se spljošnjavaju i očvršćavaju. VPS prevlake generalno pokazuju veću gustinu od prevlaka deponovanih atmosferskim plazma sprej procesom, čije se lamele sastoje od stubastih zrna. Čestice očvršćavaju veoma velikom brzinom hlađenja od ~ 10 ⁴ do 10 ⁸ ºC/s. Radni vakuum je u rasponu od 30 i 200 mbara, koji omogućava deponovanje prevlaka debljine od 20 do 2 mm. Smanjen pritisak u odnosu na atmosferske uslove povećava dužinu mlaza plazme od 50 do 600 mm i prečnik od 10 do 40 mm. Brzine i temperature čestica u mlazu plazme su ujednačenije, što omogućava proizvodnju homogenijih prevlaka ujednačene debljine na delovima sa složenim geometrijama (Gindrat, et al., 2002, pp.459-464). Na niskom pritisku temperatura mlaza plazme postepeno opada i u funkciji je pritiska. Za isto odstojanje od otvora mlaznice manji je pad temperature što je pritisak niži. VPS proces izvodi se na niskom pritisku Ar u veoma čistim uslovima i uz primenu transferovanog luka za čišćenje i predgrevanje podloge. Kao plazma gasovi mogu se koristiti: Ar, He, H₂, N₂ i mešavine gasova visoke čistoće. Depozicija praha najčešće se izvodi sa mešavinom plazma gasova Ar-H₂ na niskom pritisku u vakuumu. U vakuum-komori nalazi se: obrtni sto, planetarni sistem sa 48 alata, šestoosni robot i veštačka ruka. Sistem manipulacije projektovan je tako da istovremeno rotiraju alat i radni delovi oko svoje ose. Ovako složeno kretanje omogućava ravnomerno čišćenje transferovanim lukom i ravnomerno deponovanje praha po celoj površini podloge. Svi postupci kao delovi ciklusa VPS procesa površinske zaštite moraju se izvršiti što je moguće brže. Da bi se postiglo brzo vakuumiranje komore potreban je visok kapacitet pumpanja. Za postizanje pritiska u komori od 1000 do 0,1 bar potrebno je vreme od 5 min. Unošenje i iznošenje radnih komada treba da se obavlja što je moguće brže nakon ventilacije komore. Sve unutrašnje površine vakuum- komore postaju zaštićene plazma gasovima za vreme procesa VPS zaštite. Jedino se atomi neutralnog gasa vezuju za površine komore usled Vander-Valsovih sila, što znači da se nakon unošenja i iznošenja radnih komada može uštedeti na vremenu vakumiranja komore. Izbor plazma gasa, brzina toka i struja luka određuju sadržaj energije mlaza plazme. Karakteristike mlaza plazme unutar i izvan pištolja su pod uticajem pritiska u komori. Kako pritisak opada mlaz plazme postaje duži, srazmerno povećanju brzine gasa. Pritisak u komori mora se održavati konstantnim za vreme depozicije. Depozicija na niskom pritisku od 30 do 70 mbara omogućava primenu transferovanog luka i veće brzine čestica plazme. Sa transferovanim lukom omogućeno je čišćenje površine podloge i njeno predgrevanje pre depozicije praha, kao i dodatno zagrevanje u toku depozicije. Mogu se koristiti različiti nivoi pritisaka za transferovani luk, zavisno od karakteristika osnovnog materijala i praha. Da bi se formirao mlaz plazme optimalanih karakteristika, protok gasa može da varira između 1,5 i 20 m³, zavisno od vrste praha koji se deponuje. Depozicija prevlake na podlogama izvodi se na sledeći način: radni delovi se montiraju u noseće alate koji se nalaze na planetarnom sistemu koji se okreće oko svoje ose, a nakon montaže radnih delova vakuum-komora se zatvara. Ceo sistem je automatizovan i programiran na mikroprocesorskoj jedinici robota. U program se ubacuju svi parametri procesa. Proces vakuumiranja komore, protok plazma gasova, čišćenje substrata, protok praha, depozicija, hlađenje substrata i ventilacija vakuum-komore potpuno su vremenski sinhronizovani programom. U VPS – komori, veštačka ruka koja se nalazi na drugoj strani otvora komore, i ne vidi se na slici, prihvata alat sa radnim delom sa planetarnog sistema i postavlja ga na obrtni sto. Nakon montaže alata sa radnim delom vrši se vakuumiranje komore u kojoj se za 5 min postiže pritisak od 10^–3 mbara. Kada se završi proces vakumiranja, u komoru se kroz anodu ubacuje Ar do nivoa pritiska od 25 mbara. Na ovom pritisku izvodi se čišćenje površina radnih delova transferovanim lukom. Odstojanje plazma pištolja od površine radnih delova najčešće je 270 mm. Plazma pištolj se u procesu čišćenja površine postavlja na + pol, a radni deo na – pol. Ova veza se zove ditrektni polaritet i omogućava usmerenim jonima sekundarnog gasa He da velikom brzinom i energijom očiste površinu radnog dela od nečistoće, čineći površinu reaktivnom. Nakon izvršenog čišćenja površine radnog dela izvodi se deponovanje praha na površini dela. Primarnom gasu Ar dodaje se plazma sekundarni gas H₂ . Pritisak u komori raste do nivoa radnog pritiska od 70 do120 mbara, zavisno od vrste praha koji se deponuje. Konstantan pritisak u toku depozicije obezbeđuje vakuum-pumpa. Kada se postigne radni pritisak, u plazma pištolj se ubacuje prah. Brzina depozicije je konstantna i ne menja se u toku depozicije. Za približno jedan minut deponuje se sloj prevlake od 0,1 mm. Kada se završi proces depozicije, radni deo se hladi u komori do temperature od 300°C sa argonom koji teče iz otvora anode plazma pištolja F4. Ohlađen radni deo sa alatom prihvata veštačka ruka i vraća na svoje prvobitno mesto. Planetarni sistem se zaokreće za jedan korak, kako bi veštačka ruka prihvatila drugi alat sa radnim delom. Ciklus depozicije praha se ponavlja, dok se na svim radnim delovima ne izvede depozicija praha.

Zaključak

U radu je opisana struktura plazme, način njenog stvaranja i termodinamičke karakteristike: entalpija, temperatura, specifične toplote i toplotne provodljivosti gasova, kao i plazma sprej procesi na atmosferskom pritisku i u vakuumu na niskom pritisku inertnog gasa. Plazma sprej procesi razvijeni su za depoziciju istopljenih ili poluistopljenih čestica praha na površinu osnovog materijala na kojoj deponovane čestice formiraju prevlake.

Prednost plazma sprej procesa je mogućnost primene velikoga broja različitih materijala u obliku praha različite granulacije i morfologije, koji su pogodni za formiranje prevlaka radi zaštite površine osnovnog materijala od habanja, abrazije, erozije, kavitacije, korozije i otpornosti na zamor na niskim i povišenim temperaturama. Plazma sprej procesi takođe omogućuju modifikaciju prahova, kao što je sferoidizacija prahova sa oštrim ivicama, zgušnjavanje poroznih čestica, a u novije vreme i formiranje nanoprahova. Prednost procesa je što istopljene čestice praha sa visokom tačkom topljenja ne prenose veliku količinu toplote u osnovni materijal i ne narušavaju strukturu osnovnog materijala. U procesu depozicije najbitnije je kontrolisati prenos toplote sa prevlake na podlogu, koji je u funkciji sastava plazma gasa, snage napajanja i vremena boravka čestica u mlaz plazme.

APS i VPS plazma sprej procesi imaju široku primenu u proizvodnji novih delova radi zaštite radnih površina i reparacije pohabanih delova u procesu remonta primenom adekvatnih prevlaka koje znatno poboljšavaju funkcionalnost i povećavaju radni vek delovima.