Plazmatron a jeho využití ve strojírenském průmyslu

Plazmat je řada typů – některá z nich (např. tzv. horké termické plazma) může významně ovlivnit i pevné látky. Tento fakt lze využít k úpravě stávajících materiálů nebo k přípravě materiálu zcela nového typu. Přestože plazma tvoří přes 99,9 % známé hmoty vesmíru, na Zemi se vyskytuje zřídka – nicméně je pro své mimořádné vlastnosti stálým objektem vědeckého zájmu.

Jak už samotný název instituce napoví, jedním z hlavních pracovišť zabývajících se u nás výzkumem plazmatu a jeho aplikacemi je Ústav fyziky plazmatu (dále jen ÚFP), jež je jedním z ústavů Akademie věd ČR. Je nasnadě, že oddělení materiálového inženýrství (MI) v ÚFP se zabývá studiem procesů probíhajících mezi plazmatem a materiály. Při interakci plazmatu s pevnou (či kapalnou) fází nastávají v materiálech významné změny, které na jedné straně vedou např. k obtížím při hledání vhodných konstrukčních prvků dlouhodobě vystavených účinkům plazmatu u fúzních zařízení, na druhé straně může být tento fakt využit k výrazné modifikaci stávajících materiálů nebo k přípravě materiálů zcela nového typu. Oddělení MI je jedním z mála pracovišť na světě, které se zabývá jak plazmovými nástřiky, resp. modifikací povrchů termickým plazmatem, tak i studiem materiálů vystavených vysokoteplotnímu plazmatu v tokamacích. K plazmovému stříkání jsou s výhodou využívány světově unikátní plazmatrony WSP, resp. WSP H, vyvinuté v již zmíněném ústavu. Vytvářeny jsou buď ochranné povlaky z různých kovových i keramických materiálů nebo jejich směsí, včetně funkčně gradovaných materiálů (FGM), nebo jsou patentovaným postupem vytvářeny tenkostěnné keramické prvky obtížně připravitelné jinými postupy.

Zdrojem horkého termického plazmatu jsou obloukové generátory plazmatu, tzv. plazmatrony. Ke stabilizaci jejich elektrického oblouku slouží obvykle plyn, proudící kolem obloukového sloupce ve stabilizační komoře. Ve světě se vyrábí celá řada takových zařízení – obloukový výboj je v nich stabilizován nejčastěji proudem argonu nebo směsi argonu s vodíkem a heliem.

V ÚFP ale již před několika desítkami let vyvinuli jiný typ generátoru plazmatu – unikátní plazmatron WSP s vodní stabilizací elektrického oblouku. Do technické praxe tak byl přiveden princip, který si nechala patentovat společnost Siemens již ve 20. letech minulého století. Díky vysokému elektrickému výkonu zdroje a konstrukčnímu řešení, kdy jsou vnitřní stěny komory chráněny před účinky plazmatu vrstvou vody, lze v tomto případě pracovat s plazmatem o výrazně vyšších teplotách a rychlosti, což s sebou nese i jiné možnosti nanášení. Vodou stabilizovaný plazmatron má až o řád vyšší výkon nanášení povlaku, téměř dvakrát vyšší teplotu plazmatu a několikanásobně vyšší rychlost proudění plazmatu oproti běžným plazmatronům stabilizovaným plynem. Je proto velmi vhodný pro nanášení vysokotavitelných keramických materiálů a velkoplošné nástřiky. Tímto hořákem však samozřejmě lze nanášet i kovové materiály. Interakce taveniny s kyslíkem může vést ke vzniku oxidů a nitridů, čemuž se dá do značné míry zabránit použitím ochranného plynu, avšak v některých případech je naopak výskyt nově vzniklých fází žádoucí.

V plazmatronu typu WSP hoří elektrický oblouk mezi tyčovou katodou z grafitu a rotující anodou z mědi či oceli. Oblouk je stlačován vodním vírem ve stabilizačním kanálu, kde přetlak vzniklých ionizovaných vodních par vytvořené plazma urychluje směrem k ústí plazmatronu. Plazma je tryskou vyfukováno jako horký proud, který je pak schopen s sebou strhnout a roztavit vnášený prášek. Grafitová katoda postupně odhořívá a musí tak být kontinuálně přisouvána do oblouku. Anoda, aby se vysokou teplotou na oblouku neroztavila, rotuje vně stabilizačního kanálu, a navíc je vnitřně chlazena vodou.

Teploty plazmatu na výstupu z čelní trysky se u tohoto plazmatronu pohybují okolo 29 000 K (ve vzdálenosti 50 mm ještě cca 14 000 K) a výstupní rychlost plazmatu je okolo 7 000 m.s^-1. Plazmatron této konstrukce je schopen natavit až 50 kg.h^-1 práškového korundu Al2O3 (teplota tání 2 050 °C). Vodou stabilizovaný plazmatron má výrazně vyšší výkon nanášení povlaku (v některých případech až o řád) oproti běžným plazmatronům stabilizovaným plynem. Má rovněž výrazně (přibližně dvakrát) vyšší teplotu plazmatu, proto je velmi vhodný pro nanášení vysokotavitelných keramických materiálů. Pokud je třeba pokrýt velkou plochu takovým materiálem anebo z něj vytvořit silnou vrstvu (řádově milimetry), dochází ke kombinaci obou uvedených výhod.

Parametry provozu vodou stabilizovaného hořáku WSP 500 jsou: el. proud na oblouku 300 až 600 A, napětí na oblouku cca 300 V, výkon na oblouku 80 až 170 kW
Standardně se hořák provozuje při úrovni proudu 500 A, což odpovídá cca 150 kW výstupního výkonu.

Idea stříkat ne barvu, ale roztavený kov na jiný kov je poměrně stará, nicméně do praxe ji zavedl až počátkem 20. stol. Dr. M. U. Schoop, který roztavený kov stříkal stlačeným vzduchem (princip fixírky). Ve čtyřicátých letech minulého století byla objevena možnost využít ke stříkání horké termické plazma, a to současně jako zdroj tepla k roztavení materiálu i jako zdroj kinetické energie zajišťující let a dopad na podložku. První komerčně dostupné systémy pro plazmové stříkání se však objevily až za dalších deset let.

Základním principem stříkacích technologií je urychlení částečně natavených nebo plně roztavených kapek nejčastěji práškového materiálu a jejich depozice na aktivovaný povrch jiného materiálu, kde vytvářejí tzv. splaty, tj. základní prvky architektury nástřiků. Tekuté kapky jsou naneseny na podložku, kde po rychle probíhajícím zchladnutí (až 106 °C.s-1) vytváří požadovaný povlak. Práškový materiál je z vnějšku podáván stlačeným vzduchem (nebo jiným plynem) do proudu plazmatu tak, aby v oblasti vhodné teploty došlo k roztavení, ale nikoli odpaření prášku.

Plazmové stříkání je metoda k vytváření kovových, keramických nebo kompozitních vrstev na površích jiných materiálů nebo k přípravě samonosných skořepin, jako jsou desky, trubky, kelímky či různé tvarovky – viz obr 4. Tyto prvky je možné vytvářet z jednoho nebo více keramických materiálů, ze směsí keramických materiálů nebo ze směsí keramiky a kovu. Metoda plazmového nanášení umožňuje také prokládat keramiku kovovými mezivrstvami. Vytvářet je možné prvky značných rozměrů, s vysokou geometrickou přesností a řízenými funkčními vlastnostmi. Základní myšlenkou žárového stříkání je, že se využije dobrých vlastnosti podložního materiálu (tzv. substrátu), jakou jsou cena, obrobitelnost, pevnost, lomová houževnatost apod. a pouze povrch součásti se opatří tzv. funkční vrstvou, jejímž úkolem je chránit substrát proti povrchovému namáhání (koroze, opotřebení, špičky napětí apod.).

Při pohledu na strukturu plazmového nástřiku keramiky (např. korundového) – viz obr. 5b, tvořeného mnoha vrstvami výše zmíněných splatů, jsou viditelné drobné trhliny, které však nejsou v tomto případě na škodu, nýbrž naopak zvyšují odolnost takového nástřiku proti mechanickému a tepelnému namáhání. Tuto odolnost mají nástřiky díky krátkým trhlinám a inkluzím podél hranic jednotlivých splatů, které při rozdílné tepelné roztažnosti podložky a nástřiku umožní vzájemný mikropohyb vrstev bez makroskopického porušení, což v konečném důsledku vede u uchování celistvosti nástřiku. Těchto vlastností se využívá zejména při aplikaci vrstev nástřiku coby tepelných bariér. Časté praktické využití nacházejí takto ošetřené povrchy či samonosná tenkostěnná keramická tělesa např. při výrobě pecních komponentů či pouzder pecních sond, ochraně proti korozi a opotřebení.

Pracoviště Ústavu fyziky plazmatu AV ČR se zabývá již několik desetiletí jak základním výzkumem plazmového stříkání, tak i vývojem této technologie pro konkrétní aplikace. Díky této ojedinělé technologii – výše popisovanému plazmatronu WSP 500 – máme oproti běžným plazmovým stříkacím pracovištím výhodu možnosti vysokovýkonného nanášení keramických prášků. Pro podrobnější informace o plazmatronu a technologiích nástřiků keramických a kovových prášků je možné navštívit laboratoř plazmových technologií Ústavu fyziky plazmatu AV ČR v Letňanech.

Ing. Marek Janata, IWE
prof. Ing. Dr. Pavel Chráska, DrSc.
Ing. Radek Mušálek, Ph.D.

Použitá literatura:
M. Hrabovský: Generation of thermal plasmas in liquid stabilized and hybrid dc-arc torches. Pure Appl. Chem. Vol. 74, No. 3, s. 429–433, 2002.

Ústav fyziky plazmatu AV ČR
www.ipp.cas.cz
janata@ipp.cas.cz

Článek byl zveřejněn v monotematické příloze strojírenského měsíčníku MM Průmyslové spektrum SPOJOVÁNÍ A DĚLENÍ MATERIÁLŮ na straně VI.