Порошки для газотермического покрытия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Порошки для газотермических покрытий

Введение

Наноструктурированные покрытия - следующий шаг в развитии функциональных покрытий, наносимых методами газотермического напыления. Напыляемые покрытия давно перестали быть чем-то новым или экзотическим. Сейчас вопрос состоит не в том, не отвалится ли покрытие и не в том, обеспечит ли оно износостойкость. Все эти вопросы решены разработкой специализированных установок, методов и техник напыления.

Газотермическое напыление (англ. ThermalSpraying) - это процесс нагрева, диспергирования и переноса конденсированных частиц распыляемого материала газовым или плазменным потоком для формирования на подложке слоя нужного материала. Под общим названием газотермическое напыление (ГТН) объединяют следующие методы: газопламенное напыление, высокоскоростное газопламенное напыление, детонационное напыление, плазменное напыление, напыление с оплавлением, электродуговая металлизация и активированная электродуговая металлизация.

По своей сути газотермическое напыление очень похоже на сварку, отличие заключается в функциональном назначении переносимого материала. Цель сварки - соединение конструкционных элементов сооружений, цель газотермического напыления - защита поверхности от корррозии, износа.

Применение

Как правило, ГТН применяют для создания на поверхности деталей и оборудования функциональных покрытий - износостойких, коррозионностойких, антифрикционных, антизадирных, теплостойких, термобарьерных, электроизоляционных, электропроводных, и т.д. Материалами для напыления служат порошки, шнуры и проволоки из металлов, металлокерамики и керамики. Некоторые из методов газотермического напыления являются альтернативой методам гальванической, химико-термической обработки металлов, плакирования, другие - методам покраски, полимерным покрытиям. Ещё одно распространенное применение ГТН - ремонт и восстановление деталей и оборудования. С помощью напыления можно восстановить от десятков микрон до миллиметров металла. Особенностями технологии являются:

? Возможность нанесения покрытий из различных материалов (практически любой плавящийся материал, который можно подать как порошок или проволоку);

? Отсутствие перемешивания материала основы и материала покрытия;

? Невысокий (не более 150°С) нагрев поверхности при нанесении покрытия;

? Возможность нанесения нескольких слоев, каждый из которых несет свою функцию (например, стойкий к высокотемпературной коррозии + термобарьерный);

? Легкость обеспечения защиты работников и окружающей среды при нанесении (с помощью воздушных фильтров).

Сравнение методов

? Высокоскоростное газопламенное напыление широко применяется для создания плотных металлических и металлокерамических покрытий;

? Детонационное напыление - в силу дисперсного характера напыления и малой производительности наиболее подходит для напыления покрытий для защиты и восстановления небольших участков поверхности;

? Распыление с помощью плазмы обычно называют плазменным напылением. Энергозатратный метод, наиболее оправдано его применение для создания керамических покрытий из тугоплавких материалов;

? Электродуговая металлизация энергетически более выгодна, однако позволяет напылять только металлические материалы. Как правило, используется для напыления антикоррозионных металлических покрытий на больших площадях;

? Газопламенное напыление - недорогой во внедрении и эксплуатации метод, широко используемый для восстановления геометрии деталей;

? Напыление с оплавлением - метод, обеспечивающий металлургическую связь покрытия с основой. Применяется, если высокий нагрев при оплавлении не ведет к риску термических поводок детали либо такой риск считается оправданным.

Порошки для газотермического напыления

газотермический напыление диспергирование порошок

Развитие газотермических методов нанесения покрытий (электродугового, газопламенного, плазменного, детонационного) основано на создании высокопроизводительного автоматизированного оборудования, и прогрессивных технологических процессов. Однако на современном этапе особую актуальность приобретает создание новых порошковых материалов, обеспечивающих комплекс защитных покрытий при эксплуатации узлов и деталей, а также восстановление изношенных поверхностей.

Расширение сферы применения газотермического напыления привело к необходимости разрабатывать десятки наименований порошков металлов, сплавов, карбидов, оксидов и т.д. Но, как показал опыт, необходимые технические характеристики обычно достигаются при использовании смесей металлических и керамических порошков. Современная технология и оборудование для газотермического напыления зачастую не дают возможности получать высококачественные покрытия напылением смесей порошков, имеющих различные температуру плавления, плотность и т.д. Поэтому в последнее время стало развиваться новое направление - газотермическое напыление композиционных порошков, представляющий собой не механические смеси, а интегрированные комплексы исходных компонентов в каждой порошковой частице. Такое интегрирование исходных компонентов развивалось в двух направлениях: создание плакированных порошков путем получения на исходной частице одного или нескольких слоев других материалов и получение порошка путем конгломерации (конгломерирования) тонкодисперсных исходных компонентов в более крупную частицу.

Применение плакированных порошков дало возможность ввести в покрытие материалы, которые не поддаются напылению (не пластифицируются или возгоняются), создать целую гамму различных композиций, обеспечивающих получение высококачественных покрытий. Конгломерирование (агломерирование) исходных порошков на связках спеканием, прессованием с последующим дроблением обеспечило еще более широкие возможности получения газотермических покрытий за счет реализации межфазных и химических процессов в частицах при их нагреве и нанесении на подложку.

Однако самой плодотворной идеей, связанной с разработкой и напылением композиционных порошков, явилось использование при нанесении покрытий эффекта экзотермического взаимодействия компонентов частицы с образованием новых соединений при значительном тепловыделении, обеспечивающем в условиях напыления дополнительный разогрев порошка в момент формирования покрытий. С 1963 г. за рубежом начался промышленный выпуск основного композиционного экзотермически реагируемого порошка Ni-А1, в настоящее время выпускаемого в виде плакированных никелем частиц алюминия (порошок А1 - 80% Ni) и никелевых частиц, конгломерированных алюминием (порошок Ni - 5% А1). Другой тип порошков - металлотермитные порошки, которые начали разрабатываться авторами с 1970 г. Кроме того, проведено значительное количество исследований в области получения плакированных и конгломерированных порошков различных состава и назначения, изучения процесса их напыления и анализа свойств покрытий различного назначения.

Композиционные порошки

Одной из существенных особенностей газотермического напыления порошков является возможность управления составом, структурой и соответственно свойствами покрытий за счет применения различных порошковых композиций с широким интервалом соотношения компонентов, в качестве которых могут выступать металлы, сплавы, оксиды, карбиды, бориды, нитриды, сульфиды, графит (алмаз), твердые смазки и т.д.

Применение для этих целей механических смесей имеет ряд существенных недостатков, главным из которых является сегрегация компонентов при смешивании, транспортировании их смеси из дозирующих устройств в струю, а также в процессе самого напыления. Сегрегация приводит к неравномерности формирования структуры, пористости, снижению прочности, и в ряде случаев эксплуатационных характеристик покрытий. Кроме того, при напылении механических смесей происходит окисление некоторых компонентов. Наличие в смеси порошков с различными гранулометрическим составом, формой, плотностью, теплопроводностью, температурой плавления приводит к неравномерности нагрева отдельных частиц в полете, ускорения, затвердевания, кристаллизации и в конечном счете не способствует достижению положительных результатов. В связи с этим и начали развиваться методы изготовления порошков, обеспечивающие наличие в каждой частице комплекса всех исходных компонентов. При этом все частицы порошка имеют одинаковые массу, химический состав, плотность, теплопроводность и т.д. Для достижения этого применяемые способы дают возможность получать порошки плакированного и конгломератного строения. Такие порошки будем называть композиционными порошками.

Общие сведения

В литературе распространены несколько терминов для обозначения композиционных материалов: плакированные порошки, экзотермически реагируемые порошки (для интерметаллидныхкомпозиций с экзотермическим эффектом при их взаимодействии), композитные порошки, агломерированные порошки (для порошков, получаемых спеканием, прокаткой, дроблением или перемешиванием со связкой и последующей сушкой при перемешивании или распылении) и т.д.

Термины «плакированный порошок», «конгломерированный порошок» являются двумя частными случаями общего названия «композиционный материал», который должен удовлетворять следующим требованиям:

1. изготовляться человеком;

2. представлять собой сочетание хотя бы двух химическиразнородных материалов с четкой границей раздела между компонентами;

3. образовывать этот материал сочетанием компонентов;

4. характеризоваться свойствами, которыми не может обладать никакой из компонентов, взятый в отдельности.

Таким образом, композиционный порошковый материал - это порошок сложного состава, у которого каждая гранулометрически самостоятельная частица состоит из макрообъемов нескольких компонентов, отличающихся по химическому составу, и идентична по качественному составу всем остальным частицам. В объеме этого определения композиционный порошок отличается от порошков сплава из дисперсноупрочненного материала (по размеру объемов компонентов) и механической смеси различных порошковых материалов (по характеру состава). Не следует также подменять указанный термин термином «порошковая композиция», которым в его точном смысле определяют компактный композиционный материал, полученный из порошковых материалов.

Композиционные порошки могут быть классифицированы на основе следующих принципов: по конструкции частицы (строению, морфологии); способу получения; характеру взаимодействия компонентов при нагреве и назначению покрытия.

Конструкции частиц композиционного порошка обусловлены способом их получения и разделяются на две группы (класса): плакированные и конгломерированные частицы. Кроме того, можно рассматривать частицу, полученную с применением двух указанных способов (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Конструкции композиционных порошков

При плакировании исходной частицы (ядра) на ее поверхности формируются один или несколько слоев других материалов (рис. 1.1, а). Конгломерированием можно достичь большего разнообразия в строении частиц (рис, 1.1б, в). При использовании исходных порошков с частицами одинаковых размеров (отношение диаметров 1/3) образуются гомодисперсные конгломератные частицы (рис. 1.1, б). Если одна частица служит ядром, на поверхности которого размещены мелкодисперсные частицы остальных компонентов, то формируются гетеродисперсные конгломератные частицы (рис. 1.1, в). Комбинации двух основных типов частиц (плакированных и конгломератных) позволяют получать порошки смешанного типа (рис. 1.1, г-е). Причем одни и те же компоненты могут присутствовать как в виде плакирующей оболочки, так и в составе конгломератов. Число получаемых частиц для трехкомпонентной системы 34 и для двухкомпонентной - 7.

аг

«2 Ј

в

I

&

U

I ⁰⁰ '8

5-

ее ф

Б*

я

в

X X

г

С

х

о

X V

Z

XА

В зависимости от характера взаимодействия компонентов при их нагреве порошки можно разделить на две большие группы (табл. 1.1.): термонейтральные и экзотермическии реагирующие. В последнихпри нагреве протекают химические реакции, обусловленные взаимодействием компонентов, с образованием покрытий, состав которых резко отличается от исходного состава. В термонейтральных композициях также возможно взаимодействие в результате плавления компонентов (в особенности, в системе металл-металлоподобное соединение). В отдельную группу следует выделить порошки на основе оксидов, при плавлении интенсивно диссоциирующих и образующих новые соединения с компонентами порошка. Наиболее известные композиционные порошки для газотермического напыления приведены в табл. 1.1. Из таблицы следует, что среди всех плакированных порошков преобладают порошки, плакированные никелем (кобальтом), а порошки с нанесенным на их поверхность алюминием являются самыми распространенными среди порошков конгломератного типа.

Композиционные порошки при напылении обеспечивают достижение следующих основных преимуществ по сравнению с напылением механических смесей:

? защиту основного материала ядра частицы от взаимодействия с газовой струей (WC-Ni, алмаз-Ni, Ti-Ni);

? получение гетерогенных мелкодисперсных структур с равномерным распределением компонентов в покрытии А1₂О₃-Ni_, А1-ZrО₂, WC-BN-Ni;

? экзотермическое взаимодействие, способствующее нагреву порошка и улучшению условий формирования покрытий (Ni - Al, Ti - Si₃N_4,Al - NiO);

? образование принципиально новых фазовых и структурных составляющих из диссоциируемых материалов (NiMo-Fe₃О₄, W-CuO);

? образование покрытий из материалов, самостоятельно не формируемых покрытий (графит-Ni, алмаз-Ni, Си-SiC);

? повышение прочности капсулированных порошков (WC-BN-Ni, Al-WО₃-Ni); повышение плотности (M₈O-Ni), теплопроводности (Al - ZrО₂-Си), текучести порошков;

? повышение коэффициента использования порошка; расширение номенклатуры порошков.

Недостатки газотермических покрытий из композиционных порошков проявляются в основном при наличии реагирующих в струе композиций и состоят в высокой гетерогенности по сравнению с покрытиями из сплавов. Завершение взаимодействия в покрытии из композиционных порошков при эксплуатации покрытия может привести к объемным изменениям и нарушениям сплошности покрытий и отколам.

Рассмотренные типы композиционных порошков (плакированные, конгломерированные) можно классифицировать (рис. 1.2) с учетом технологии формирования структуры частиц различными физическими, физико-механическими и физико-химическими способами

Плакирование порошков

Среди существующих методов плакирования дисперсных материалов, используемых для получения напыляемых композиционных порошков, первым был использован метод восстановления никеля или кобальта из их солей водородом. Этот метод в настоящее время используется зарубежными фирмами-изготовителями порошков для напыления. Однако при использовании взрывоопасного водорода необходимо соблюдать особые требования к оборудованию, что осложняет эксплуатацию, а очистка сливов требует дополнительных затрат.

В отечественной практике для получения никель-алюминиевого композиционного порошка разработан метод контактного никелирования, основанный на реакции восстановления никеля алюминием,

3NiCl₂ + 2А1 = 2А1С1₃ + 3Ni.

К его недостаткам относятся возможность получения только одного вида композиционного порошка (Ni-А1), потребность в чистых реактивах (NiCl₂), наличие HF в сливах производства (HF используется для удаления оксидной пленки с частиц алюминия).

Нанесение металлических покрытий на частицы порошков методом испарения или конденсации в вакууме находитсяв настоящее время на стадии лабораторных испытаний. Существующее оборудование пока малопроизводительно, довольно сложно по устройству и в эксплуатации.

Порошковые материалы, частицы которых плакированы никелем, кобальтом, медью, оловом, а также оболочками сложного состава - никель-фосфор, кобальт-фосфор, могут быть получены методом химического восстановления. Наиболее простым вариантом данного метода получения плакированных порошков является восстановление с помощью гипофосфита натрия. Средняя скорость осаждения никель-фосфорных покрытий достаточно высока - 10-13 мкм/ч. Отличительной особенностью является параллельное с металлом восстановление фосфора, также осаждающегося в объеме плакирующей оболочки, поэтому получить оболочку из чистого никеля таким путем практически невозможно.

Процесс химическогокобальтирования аналогичен химическому никелированию. При осаждении на поверхность частиц покрытий из меди в качестве восстановителя необходимо использовать гидразин солянокислый, из олова - тиомочевину.

Электролитический методс точки зренияпромышленного применения является одним из наиболее простых идоступных. К его недостаткам относятся невысокая удельная производительность (табл. 1.2), невозможностьнепосредственного плакирования неэлектропроводных порошковых материалов (требуется предварительная металлизация частиц иными).

Метод диффузионного насыщения достаточноширокоприменяется длялегирования различныхметаллическихпорошков, используемых втехнологии порошковой металлургии. Обширный переченьвариантов химико-термической обработки металлов и сплавов, применяемых при создании композиционных порошков, открывает широкие возможности разработок в этом направлении.

Конгломерирование порошков

Методы плакирования и конгломерирования в технологии получения композиционных порошков для газотермического напыления во многих случаях должны сравниваться по их технико-экономическим показателям. В этом случае конгломерирование часто оказывается в более предпочтительном положении.

Из общего числа существующих методов конгломерирования (см. рис. 1.2) в практике получения композиционных порошков для напыления покрытий использованы методы формирования конгломератов с использованием неорганических и органических связок, прокатки порошковых смесей, предварительного спекания и дробления полученных спеков, а также метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Метод получения композиционных порошков для газотермического напыления с применением связующих веществ в настоящее время приобретает все более преимущественное развитие. Это связано в первую очередь с возможностью создавать таким путем композиции на основе комбинации любых компонентов. Кроме того, технологические варианты его осуществления отличаются простотой и экономичностью. Принцип работы смесителей для конгломерации состоит в совмещении непрерывного перемешивания объема, заполненного смесью исходных порошков и связующего вещества, с удалением растворителя связки сушкой.

Классификация порошков

Различные методы газотермического напыления и наплавки все более широко используются для нанесения защитных покрытий, обеспечивающих повышение износостойкости, жаростойкости и коррозионной стойкости деталей машин и конструкций, инструмента. Напыление и наплавку можно использовать не только с целью поверхностного упрочнения, но и для восстановления размеров изделий, утраченных в результате естественного изнашивания или коррозии. Наибольший эффект защитные покрытия обеспечивают в случае эксплуатации объекта в особо тяжелых условиях изнашивания при воздействии агрессивных сред и высоких температур. По этой причине главной областью применения технологии газотермического напыления и наплавки являются основные и ремонтные производства по выпуску химического, нефтехимического, металлургического, атомноэнергетического, кузнечно-прессового, штамповочного оборудования и т.д.

Помимо упрочнения и восстановления покрытия наносятся и с другими целями. Например, при изготовлении газотурбинных двигателей на поверхности статоров компрессоров напыляют покрытия в виде срабатываемых уплотнений, которые играют роль конструкционного элемента. Специальные покрытия наносятся и для упрощения основного технологического процесса, что довольно часто используется при пайке или сварке.

Применять газотермические покрытия выгодно при любых масштабах производства - от единичного до высокопроизводительного автоматизированного. Высокая эффективность газотермической технологии напыления и наплавки обусловлена: низким расходом материалов и энергии; относительно высокой производительностью, достигающей в отдельных случаях 10-25 кг/ч; возможностью получения покрытий на любых материалах: при наплавке - металлических, при напылении - металлических, керамических, полимерных, древесных, бумажных и других; отсутствием ограничений по размерам поверхностей напыляемых и наплавляемых изделий; простотой и небольшой трудоёмкостью технологических операций; возможностью гибко управлять формированием структуры и свойств покрытия за счёт использования большой гаммы напыляемых и наплавочных материалов. Одними из самых распространенных напыляемых и наплавочных материалов являются порошки. Порошки используются при плазменной и индукционной наплавке, импульсной электроконтактной приварке; газопламенном, плазменном и детонационном напылении, дуговой металлизации. Из них делают порошковые электроды для дуговой наплавки.

ГОСТ 28377-89 распространяется на порошки металлов, сплавов, соединений, предназначенные для газотермического (термического) напыления и наплавки различных покрытий: жаростойких, износостойких, коррозионно-стойких, теплозащитных, электроизоляционных и других, а также для восстановления изношенных деталей.

Стандарт устанавливает типы порошков для газотермического напыления, классифицированные по следующим параметрам: методам получения, размеру частиц, химическому составу.

В соответствии с ГОСТ 28377-89 по методу получения порошки подразделяют на следующие типы: распылённый (ПР), восстановленный (ПВ), карбонильный (ПК), автоклавный (ПА), электролитический (ПЭ), механически измельченный (ПМ), плакированный (ПП), конгломерированный (ПГ), аморфный (ПФ), осажденный (ПО), порошковая смесь (ПС). В скобках дано условное обозначение типа порошка, где буква П означает «порошок», а следующая за ней буква - первую букву метода получения (за исключением порошков конгломерированного и аморфного типов).

Распылённые порошки получают распылением расплава плазменной струей, водой или воздухом (газом) высокого давления. Частицы распылённого порошка имеют сферическую форму и отличаются наличием повышенного количества оксидных плёнок на поверхности, что снижает их качество. Распылённые порошки дешевые. Другим важным преимуществом метода распыления является возможность регулирования степени дисперсности структуры гранул изменением скорости кристаллизации частиц при их охлаждении.

Наиболее распространенным и экономичным методом получения металлических порошков, отличающимся высокой производительностью, является восстановление металлов из оксидов. Восстановленные порошки отличаются низкой стоимостью. Размеры частиц, имеющих губчатую структуру в виде многогранников, зависят от температуры восстановления - по мере понижения температуры степень дисперсности порошка возрастает.

Карбонильные порошки получают в виде частиц сфероидальной формы размером 1-10 мкм, образующихся при диссоциации карбонильных соединений соответствующего металла и оксида углерода. Порошки карбонила железа, никеля и кобальта являются ценными материалами для специальных областей техники.

Электролитические порошки отличаются повышенной чистотой и высокой стоимостью. Как следствие, такие порошки применяют только для изделий ответственного назначения. Электрокристаллизация металла приводит к формированию частиц дендритной формы размером 10-100 мкм. Размер частиц порошка в указанном диапазоне регулируется плотностью тока в электролите.

Механически измельченные порошки получают вразличного рода мельницах и инерционных дробилках. Форма частиц порошков, полученных механическим измельчением, отличается многообразием, а размеры частиц находятся в широких пределах (например, размеры частиц, полученных в шаровых мельницах, составляют 40-300 мкм).

Если однокомпонентные порошки не обеспечивают получение защитных покрытий с требуемым комплексом свойств, то используют композиционные порошки.

Композиционные порошки состоят из двух или более различных по свойствам компонентов, разделенных между собой поверхностями раздела. Композиционные порошки производят плакированием и конгломерированием.

Плакированные порошки наиболее часто получают поверхностным осаждением металлов или сплавов в вакууме; диффузионным насыщением порошков металлов с получением на поверхности частиц твёрдых растворов, боридов, интерметаллидов и других соединений; электролитическим осаждением и другими методами.

Конгломерированные порошки производят с применением связующих органических веществ.

Прокатка смесей порошков с последующим дроблением и размолом позволяет с наивысшей производительностью получать композиционные порошковые смеси.

Размеры и гранулометрический состав порошков также оказывают существенное влияние на технологические процессы напыления и наплавки, на качество и свойства покрытий. По размеру частиц порошки подразделяют на классы.

Для напыления предпочтительно использовать порошки с 1-го по 9-й класс, а для наплавки - с 8-го по 18-й. Применение более мелкодисперсного порошка при напылении обычно сопровождается улучшением заполнения покрытия, что приводит к увеличению плотности и уменьшению пористости. Строение покрытия становится более однородным. Однако на практике минимальный размер частиц при газотермическом напылении должен быть не менее 10 мкм, что обусловлено рядом причин. в распылитель. Затрудняется их подготовка и выравнивание по размерам (фракциям). Дисперсные частицы более склонны к образованию конгломератов при подаче их потоком транспортирующего газа. Такие частицы могут испаряться при напылении в плазме, быстро теряют скорость и не достигаютнапыляемой поверхности. Лучшие результаты обеспечивают порошки с размером частиц 40-70 мкм. В динамическом вакууме можно наносить покрытия, используя частицы размером несколько микрометров. Плотность таких покрытий приближается к 100%.

Напыление порошка с различным гранулометрическим составом вызывает нарушение однородности покрытия из-за неодинаковой скорости движения и расплавления находящихся в высокотемпературном потоке мелких и крупных частиц.

Условные обозначения и области применения порошков

В условном обозначении порошка сначала указывают его тип, затем через тире марку (или подгруппу) по химическому составу и обозначение класса или минимальный и максимальный размеры частиц (в микрометрах), разделенные дробью.

В обозначение марки порошка по химическому составу включают буквенные обозначения элементов (компонентов) и номинальное содержание одного-трёх легирующих элементов в процентах, указанное после соответствующей буквы. Обозначение и содержание углерода, а также содержание основного элемента (компонента) допускается не указывать. Например:

порошок распылённый хромоникелевой стали, размер частиц 40-100 мкм: ПР-Х18Н9-7 или ПР-Х18Н9-40/100;

порошок распыленный бронзы, размер частиц 20-63 мкм;
ПР-БрЮ8Ж4НГ-5 или ПР-БрЮ8Ж4НГ-20/63.

Цифры, обозначающие содержание компонентов в порошковых смесях, следует указывать перед обозначением компонентов, отделяя интервалом от обозначения. Например, порошковая смесь 65% карбида вольфрама размером частиц 5-45 мкм и 35% никельхромовогосамофлюсующего сплава размером частиц менее 45 мкм: ПС-65 КдВ-2+35НХ16СРЗ-4.

Химический состав порошков во многом определяет их назначение.

Размещено на Allbest.ru