Защитные покрытия на металлах, получаемые газотермическим напылением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Защитные покрытия на металлах, получаемые газотермическим напылением

Введение

Повышение надёжности современной техники, обеспечение её конкурентоспособности, а также продление ресурса машин и оборудования и их реновация до уровня новых изделий являются весьма актуальной проблемой машиностроения и ремонтного производства.

Одним из наиболее рациональных путей решения этой проблемы является нанесение на поверхности металлических конструкций защитных покрытий, хорошо сопротивляющихся вредным внешним воздействиям и компенсирующих износ поверхностных слоёв металла. Такие покрытия можно получать газотермическим напылением. Используя существующие и разрабатывая новые материалы и технологии напыления, возможно заметно уменьшить или вовсе исключить влияние таких процессов, как изнашивание, эрозия, коррозия, навигация и др. Защитные покрытия могут быть с высоким эффектом использованы для создания термобарьеров, обеспечения электроизоляционных свойств, поглощения радиоактивного излучения, создания биологически совместимых изделий для различных искусственных органов и многого другого.

Газотермическое напыление в последнее время находит всё более широкое распространение для решения экологических проблем современного производства, вытесняя гальванические, сварочные и другие экологически вредные процессы, поскольку этот способ нанесения покрытий совершенно безвредны.

Сверхнормативная изношенность (до 80 %) оборудования отечественных предприятий, возможность техногенных катастроф и другие негативные процессы, связанные с кризисом в народном хозяйстве, во многом могут быть предотвращены в результате использования газотермического напыления, как одной из наиболее эффективных восстанавливающих и упрочняющих технологий, позволяющих обеспечить полное восстановление геометрии и работоспособности большинства изношенных деталей и многократно повысить долговечность машиностроительной и ремонтной продукции.

Разновидности газотермических покрытий, используемых в современном производстве.

Необходимость применения защитных покрытий диктуется исключительно условиями эксплуатации детали. В зависимости от эксплуатационных условий (высокая температура, давление, скорости, химическая агрессивность среды, абразивный износ, излучение или определенная совокупность вышеперечисленных условий) определяется назначение покрытия (термостойкие, жаростойкие, эрозиостойкие, износостойкие, антифрикционные, коррозионно-стойкие, отражающие или поглощающие излучения).

Для более полного выполнения соответствующего назначения покрытие должно удовлетворять определенным требованиям.

Во-первых, материал покрытия должен полностью удовлетворять условиям эксплуатации покрытия по температуре плавления, механическим, теплофизическим и химическим свойствам.

Во-вторых, должна быть обеспечена его химическая и термодинамическая совместимость с материалом напыляемой детали. Это требование имеет существенное значение для обеспечения высокой прочности сцепления покрытия с основой. И в тех случаях, когда его не удается выполнить, прибегают к напылению промежуточных подслоев, позволяющих в значительной мере сгладить «пограничный конфликт» материала покрытия и подложки.

Свойства покрытия в значительной степени зависят от метода нанесения. Установлено, что плотность, механические и многие теплофизические свойства покрытий значительно ниже, чем у монолитного материала, из которого нанесено покрытие, а количественные величины того или иного свойства зависят от метода и режима напыления.

Проанализировав исследования по работоспособности покрытий различного назначения и собрав воедино разрозненные сведения по влиянию отдельных свойств покрытий на работоспособность изделий, можно сформулировать основные требования к материалам и покрытиям различного функционального назначения.

Термостойкие покрытия. Термостойкость (термическая стойкость) - способность хрупких материалов (главным образом огнеупорных) противостоять, не разрушаясь термическим напряжениям. Обычно термостойкость оценивается числом теплосмен (циклов нагрева и охлаждения), выдерживаемых материалом до появления трещин или разрушений. Термостойкость может оцениваться и температурным градиентом, при котором возникают трещины или разрушения.

Материал термостойких покрытий должен обладать: температурой плавления (Т_пл) превышающей температуру эксплуатации (Т_эксп) иметь высокий коэффициент теплопроводности (л_покр) и быть достаточно пластичным; коэффициенты термического расширения (КТР) покрытий (б_покр) должны иметь значения, близкие к коэффициенту термического расширения материала подложки (б_подл). При эксплуатационных температурах покрытие не должно образовывать с материалом подложки легкоплавких эвтектик и быть химически стойким в рабочей среде; в диапазоне рабочих температур иметь минимум фазовых превращений с изменением объема.

Процесс нанесения покрытия должен обеспечить регулируемую в заданных пределах пористость, позволять управлять структурой покрытия, в минимальной степени влиять на фазовый состав и структуру напыляемого материала, иметь высокую прочность сцепления с подложкой.

Жаростойкие покрытия. Жаростойкость (окалиностойкость, жаропрочность) - способность материалов выдерживать без существенных деформаций механические нагрузки при высоких температурах. Жаростойкость определяется комплексом свойств: сопротивлением ползучести; длительной прочностью; способностью противостоять химическому разрушению поверхности под действием окислительной газовой среды при высоких температурах.

Материалы, применяемые в качестве жаростойких покрытии, должны иметь температуру плавления значительно выше рабочей температуры, коэффициент теплопроводности должен иметь минимальное значение при максимальных значениях механических свойств материала (прочность, пластичность и др.). Материал должен иметь минимальную ползучесть при рабочих температурах и высокий коэффициент теплового излучения, коэффициент термического расширения (б_покр) покрытия должен быть близок к КТР основы. металл газотермическое напыление защитное покрытие

Процесс нанесения жаростойких покрытий должен обеспечивать получение покрытий достаточной толщины с заданной величиной пористости, минимальными структурными и фазовыми превращениями, с высокими механическими свойствами и прочностью сцепления.

Эрозиостойкие покрытия. Эрозионная стойкость - разрушение поверхностных слоев материала в результате воздействия потоков газа, жидкости, твердых частиц, а также при кавитационных явлениях или под влиянием электрических разрядов.

К материалам этого класса покрытий предъявляются следующие требования: рабочие температуры должны быть значительно ниже Тпл, иметь высокие механические свойства, большую твердость, обладать коррозионной стойкостью, не иметь фазовых переходов со значительным изменением объема, не должен образовывать легкоплавких эвтектик с материалом подложки и иметь близкие коэффициенты термического расширения.

Процесс нанесения покрытия должен обеспечивать: минимальную пористость, высокую прочность покрытия, создание управляемых стабильных в пространстве структур для композиционных материалов, иметь высокую прочность сцепления с подложкой.

ИЗНОСОСТОЙКИЕ ПОКРЫТИЯ. Износостойкость - сопротив-ление материала деталей машин и других трущихся изделий изменению размеров, формы, или состояния его поверхности вследствие остаточной деформации от действующих нагрузок либо из-за разрушения поверхностного слоя при трении.

К материалам для этих покрытий предъявляется главное требование - высокая твердость, большая величина модуля упругости (Е), высокий уровень механических свойств, малое значение коэффициента трения, структура покрытия должна обеспечивать антисхватывание и возможность быстрой приработки к контртелу.

Процесс нанесения покрытия должен обеспечивать напыление покрытий больших толщин с минимальным припуском, волнистостью и шероховатостью, возможностью получать регламентированный уровень пористости; метод нанесения должен обеспечивать получение стабильных, управляемых структур поверхности, покрытие должно иметь минимум остаточных напряжений и максимальную прочность сцепления с подложкой.

АНТИФРИКЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ. К антифрикционным относятся покрытия, обладающие низким коэффициентом трения, применяемые для уменьшения износа и снижения трения скольжения в механизмах.

Основными требованиями к антифрикционным материалам являются: минимальный коэффициент трения, структура материала должна обеспечивать антисхватывание и хорошую прирабатываемость с материалом контртела, механические характеристики материала должны удовлетворять эксплуатационным нагрузкам, материал должен быть достаточно износостоек и пластичен.

Требования к процессу нанесения антифрикционных покрытий те же, что и для износостойких покрытий, с той лишь разницей, что предъявляются менее строгие требования к равномерности толщины покрытия.

КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ ПОКРЫТИЯ. Коррозионная стойкость - способность материала сопротивляться химическому и электрохимическому воздействию внешней среды. Определяется скоростью коррозии, т.е. массой материала, превращенной в продукты коррозии с единицы площади поверхности в единицу времени, либо толщиной разрушенного слоя в мм за год.

До последнего времени считалось, что газотермические покрытия в качестве коррозионностойких не применяются в связи с наличием открытой пористости. Последние разработки отечественных и зарубежных исследователей по методам уплотнения покрытий химическими и физическими методами открыли возможности по использованию газотермических покрытий в качестве коррозионностойких.

Материалы для коррозионностойких покрытий должны быть химически инертны к рабочей среде, иметь повышенную термодинамическую стабильность, способствовать торможению катодных и анодных процессов, обеспечивать стабильность структуры во времени и пространстве.

Процесс нанесения покрытия должен обеспечить минимум механических напряжений в напыленном слое, иметь минимальную открытую пористость и высокую прочность сцепления.

ПОГЛОЩАЮЩИЕ И ОТРАЖАЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ. Покрытия этого класса могут использоваться в оптическом и радио - диапазоне. Вне зависимости от назначения покрытия, общими требованиями к материалам являются следующие: высокий уровень механических свойств, необходимый уровень оптических коэффициентов (отражения, поглощения, степень черноты), а также диэлектрической и магнитной проницаемости; иметь стабильные характеристики в зависимости от температуры и воздействия атмосферы.

Процесс нанесения покрытия должен обеспечивать минимальную пористость напыленного покрытия, возможность управления структурой, стабильность свойств покрытия во времени и пространстве, а также обеспечивать высокую прочность сцепления покрытия с основой.

Во многих случаях условия эксплуатации деталей таковы, что необходимо удовлетворение требований одновременно нескольких назначений покрытий. Например, в соплах РДТТ необходимо выполнение требований термостойкости и эрозионной стойкости (термоэрозионностойкие материалы), для узлов трения поворотных сопел необходимы покрытия, сочетающие жаростойкие и износостойкие свойства и т.д. В этих случаях выбор материала становится особо сложной задачей, требующей учета большого количества факторов. Подобные задачи не могут быть правильно решены без использования методов многофакторной оптимизации, т.к. выполнение большинства свойств вступает в противоречие друг с другом. Необходимо выбрать варианты, наилучшим образом удовлетворяющие многим противоречивым требованиям, когда улучшение одних параметров приводит к ухудшению других. В этом случае задача многофакторного оптимального проектирования покрытия сводится к отысканию субоптимального (наиболее предпочтительного) варианта.

Как видно из проведенного анализа основных требований к материалам и технологическим процессам, только незначительная часть требований (температура плавления, твердость, модуль упругости, механическая прочность) являются детерминированными (заданными конкретным числом) значениями, остальные задаются, как правило, нечеткими множествами требований.

Анализ опыта применения теории нечетких множеств для проектирования изделий показывает, что использование этой теории позволяет вводить в математические модели задач оптимального проектирования детерминированные и нечеткие требования в однородной форме, а для многофакторной оптимизации получать эффективные компромиссные решения.

Однако для проектирования покрытий аппарат теории нечетких множеств пока не достаточно разработан, а выбор материалов и методов нанесения защитных покрытий до сих пор осуществляется априорно и в основном зиждется на опыте конструкторов, материаловедов и технологов.

Таким образом, проведенный анализ требований к материалам и технологическим методам позволил сформулировать основные требования к покрытиям различного назначения, указать пути решения задачи оптимального проектирования покрытия (исходя из условий эксплуатации) и методы выбора наиболее рационального технологического процесса напыления защитных покрытий.

1. Материалы, используемы для нанесения покрытий, полученных газотермическим напылением

Необходимость и целесообразность применения защитных покрытий диктуется исключительно условиями эксплуатации деталей. В зависимости от этих условий определяется назначение покрытий - термостойкие, жаростойкие, эрозиостойкие, износостойкие и др. Применение защитных покрытий, воспринимающих эксплуатационные нагрузки и неблагоприятные факторы позволяет значительно повысить эксплуатационные характеристики деталей при одновременном снижении требований к материалу основы.

Классификация газотермических покрытий, разработанная по данным указанных литературных источников, представлена на рис. 1.

Значительно место среди известных методов получения защитных покрытий в настоящее время занимают газотермические процессы, которые при использовании современных напыляемых материалов позволяют кардинальном образом решать возникающие проблемы упрочнения и восстановления деталей. Используя существующие и разрабатывая новые прогрессивные технологии газотермического напыления и новые материалы, возможно полностью исключить или значительно уменьшить влияние таких процессов как изнашивание, эрозия, коррозия, кавитация и др. защитные покрытия могут быть с эффектом использованы также и для создания термобарьеров, обеспечения заданных оптических свойств, поглощения продуктов радиоактивного распада, обеспечения электроизоляционных свойств, создания искусственных биологических органов и много другого.

Как видно из этой классификации, все газотермические покрытия, наносимые на металлические детали и изделия, можно разделить на три основные группы:

*защитные, обеспечивающие более длительную работу деталей в рабочих условиях;

*технологические, обеспечивающие защиту поверхности деталей при технологическом переделе; *конструкционные, с помощью которых восстанавливаются размер и форма детали, придаются новые свойства ее поверхности или когда покрытие выполняет роль конструкционных материалов.

Среди защитных покрытий наибольшее применение нашли износостойкие покрытия, которые успешно сопротивляются поверхностному разрушению при трении в самых разнообразных условиях нагружения.

В зависимости от этих условий следует выбирать те материалы, которые в каждом конкретном случае имеют большее сопротивление изнашиванию. В качестве износостойких в условиях пленочной жидкой смазки применяют антифрикционные материалы (баббиты, бронзы). При сухом трении до 500°С - сочетание твердых материалов и мягкой связки (карбид вольфрама - кобальт или никель). При повышенных температурах (до 900°С) - карбид хрома - нихром. При высоких температурах - материалы, дающие устойчивые оксиды: алюминид никеля, нихром, или покрытия, содержащие твердые смазки (графит, дисульфид молибдена, нитрид бора). При возможности возникновения в зоне трения абразивного изнашивания применяют материалы повышенной твёрдости - самофлюсующиеся порошки, содержащие бориды, карбиды. При эрозионном пылевом изнашивании помимо самофлюсующихся покрытий хорошо себя зарекомендовали плотные пленки на основе карбидов вольфрама и хрома, полученные при напылении высокоскоростным способом.

При жидкостном трении используются газотермические покрытия пористостью 5-15%, которые в этих условиях обладают более высокой износостойкостью, чем новые детали. Это связано с тем, что смазка задерживается в порах покрытия и обеспечивает лучшие условия работы с напылением по сравнению с деталью, имеющей плотную поверхность.

Эксперименты показывают, что у стального коленчатого вала двигатель внутреннего сгорания после прекращения подачи моторной смазки заедание наступает через 2,5 … 3 ч. Заедание вала с напылённым стальным покрытием происходит через 22,5 ч. после прекращения подачи смазки при постепенном повышении коэффициента трения. Если в качестве смазочного материала использовали графитизированное масло, то заедание вала с напылённым покрытием не наблюдалось даже после 190 ч с момента прекращения подачи смазки.

Жаростойкие защитные покрытия образуют плотную окалину, которая защищает покрытие и подложку от окисления. Оксиды алюминия, хрома, кремния имеют плотное строение и высокую прочность сцепления. Жаростойкими являются сплавы в системах Ni-Al, Ni-Cr, Ni-Cr-Al, Ni-Co-Cr-Al-Y, MoSi₂ и др.

Теплозащитные покрытия (ТЗП) имеют низкое значение коэффициента теплопроводности и высокую температуру плавления. На рис. 2 представлена теплопроводность оксидов, используемых для напыления таких покрытий. Как видно, наиболее подходящим материалом для ТЗП является оксид циркония. На рис. 3 представлена зависимость теплопроводности оксида циркония от плотности. Газотермические теплозащитные покрытия на основе ZrO₂ имеет пористость 155 %, при которой коэффициент теплопроводности снижается до 0,8 Вт/м?С и менее.

Из представленных рисунков следует, что в качестве теплозащиты в зависимости покрытия работают в условиях резких изменений температуры, двуокись циркония стабилизируют оксидами иттрия, кальция, церия, лантана и других элементов, обеспечивающими неизменность структуры покрытий в широком интервале температур.

При выборе материалов для коррозионностойких покрытий необходимо иметь в виду, что коррозия может проходить по различным механизмам. Различают коррозию атмосферную, в морской воде, в агрессивных средах (кислотную, щелочную и т.д.). По характеру поражения различают питтинговую (язвенную), когда на поверхности образуются язвы и полости, фреттинг-коррозию (износ в условиях малых перемещений, когда поверхности не выходят из зоны контакта и продукты износа и коррозии не имеют возможности выхода из зоны образования), коррозию под напряжением (коррозионное растрескивание), коррозионное расслаивание и др.

Для защиты от атмосферной, морской, подземной коррозии стальных конструкций, трубопроводов, судов и т.д. широко применяют металлы-протекторы, имеющие более отрицательный потенциал, чем железо (анодные покрытия) - Zn, А1. В качестве защитных покрытий катодного типа применяют коррозионно-стойкие металлы - РЬ, Сг, Сu, Тi. Главное требование к катодным покрытиям - это их сплошность, исключающая попадание жидкости (электролита) между подложкой и покрытием, так как в этом случае будет разрушаться подложка, т.е. защищаемый металл, имеющий положительный потенциал по отношению к покрытию. Коррозионно-стойкие покрытия при соблюдении названных условий являются изолирующими, что обеспечивается их плотностью и химическим составом, весьма эффективно защищающими стальные детали в самых неблагоприятных условиях.

Высокотемпературная коррозия связана с образованием легкоплавких сульфидов (и других соединений) с никелем и железом, которые растворяют металл подложки, вызывая быстрое разрушение детали. В этих условиях наибольший защитный эффект проявляют покрытия на основе кобальта и хрома, которые химически более устойчивы и не образуют легкоплавких соединений.

Эффект от нанесения на поверхности конкретных изделий газотермических покрытий из различных материалов можно выделить из следующих примеров из практики.

1. При прямом прессовании титанового профиля заготовка предварительно нагревалась до 1150°С. В момент прессования титан образовывал с металлом матрицы эвтектику, которая разрушала калибрующую поверхность инструмента. Толщина полки профиля в начале прессования была 5мм, в конце - 15мм. Инструмент выходил из строя. Нанесение оксида циркония в качестве разделительного слоя на рабочую поверхность матрицы обеспечило ее сохранность. Покрытие наносилось перед каждым прессованием.

2. При нагреве заготовки из стали ЗОХГСА перед штамповкой до 1200°С в открытой печи на поверхности заготовки в течение 2 ч образовывалась окалина толщиной 3...4 мм. Твердый слой окалины вызывал повышенное сопротивление деформированию, что исключало формообразование глубоких отверстий, которые впоследствии изготавливались механической обработкой. Нанесение на поверхность заготовки жаростойкого сплава Н80Х20 толщиной 0,2 мм обеспечило ее защиту от окисления. Покрытие одновременно выполняло роль твердой смазки при формировании глубоких отверстий. Коэффициент использования материала (КИМ) увеличился на 30%.

3. Для предотвращения попадания неметаллических включений в отливку проводили упрочнение поверхности шамотной литниковой чаши оксидом алюминия. Покрытие имело более плотную структуру, что позволило укрепить рыхлую поверхность чаши и обеспечить получение более качественной отливки.

4. Индуктор вакуумной электропечи для приготовления жидкого металла является ответственной деталью и требует тщательной изоляции, выдерживающей очень высокую температуру. Процесс изоляции индуктора занимает много времени, так как связан с многослойной обмоткой витков индуктора стеклотканью с промежуточным проклеиванием и сушкой слоев. Нанесение электроизоляционного слоя из корунда или корундовой шпинели по подслою из нихрома позволяет сократить время изоляции в десятки раз со значительным повышением качества. Покрытие выдерживает манипуляции, связанные с растягиванием и сжатием спирали индуктора и служит гораздо дольше традиционной изоляции из стеклоткани.

5. При пайке в печи припои в виде фольги прокладывают между соединяемыми деталями. Затем детали помещают в печь. Толщина зазора между деталями должна быть 0,1...0,2 мм. Вставить фольгу в такой зазор весьма затруднительно. Многократно ускорить и облегчить эту операцию можно путём нанесения припоя газотермическим методом. Причём тонкая плёнка припая (0,05 мм) может быть нанесена за очень короткое время.

Приведённые примеры использования различных материалов в конкретной производственной практике показывают широкие возможности газотермических методов нанесения покрытий.

В ряде случаев покрытия служат для восстановления формы деталей, которые работают при высоких температурах и плохо поддаются механической обработке. В качестве материала используют жаростойкие сплавы.

Покрытия оптического назначения применяют для корректировки теплового баланса в космосе, где основной механизм теплопередачи - лучевой. Покрытия, обладающие высоким интегральным коэффициентом черноты, формируемые из оксидов и сульфидов кобальта, хрома и молибдена (Co₃O ₄ , Co₂O₃ , Cr₂O₃, MoSi₂) имеют степень черноты ? = 0,9 … 0,98 при температуре до 350?С и 0,8 … 0,9 при температуре 350 … 900?С. Эти покрытия, обладающие высоким интегральным коэффициентом черноты, интенсивно поглощают лучистую энергию и способствуют нагреванию объекта. Алюминиевые покрытия, наоборот, обладают высокой отражающей способностью a_s = 0,98 (солнечные отражатели) и способствуют отдаче тепла. Знание таких оптических покрытий для регулирования тепла на космических аппаратах весьма велико, поскольку они заменяют конструкцию системы терморегулирования и, таким образом, конструктивными.

Электропроводные (медь), электроизоляционные (оксид алюминия, алюмомагнезиальная шпинель), нейтронно-поглощающие (гафний и оксид гафния) покрытия эффективно выполняют роль проводников, изоляторов, защитных экранов в ядерных установках, значительно удешевляя и повышая надёжность этих ответственных и дорогих агрегатов.

Напыляемые материалы успешно применяются в качестве уплотнительных покрытий в газогенераторах. Их назначение - уменьшение зазора между статором и ротором газогенератора (компрессором и турбиной). В таких покрытиях используется графит и нитрид бора в качестве твёрдой смазки алюминий, никель, алюминид никеля, оксид цирония (в порядке увеличения рабочей температуры) в качестве матрицы, удерживающей эту смазку. Особенностью таких уплотняющих покрытий является их податливость (кромка лопатки или лабиринт легко врезается в напылённый слой), в то же время покрытие является достаточно прочным, чтобы выдержать напор газового потока при повышенных температурах. Такое покрытие с успехом заменяет дорогостоящие вставки из уплотнительных материалов.

Бронзовые покрытия на изделиях из алюминиевых сплавах служат декоративным целям, и позволяет значительно экономить дорогие медные сплавы при изготовлении скульптур и подобных изделий. Напылением медной проволокой была восстановлена скульптурная группа «Квадрига» на фонтане Большого театра. Значительно толщина стенки скульптуры составляла 4 мм, но за долгие годы из-за неблагоприятных условий уменьшилась во многих местах до 2 мм, что грозило ей разрушением. С помощью напыления толщина стенки была доведена до начального размера, другими методами восстановить скульптуру было бы практически невозможно.

Напыление бронзой может быть с успехом использовано и в технике. Например, бронзовый цилиндр гидросистемы самолётного шасси был заменён деталью из алюминиевого сплава с покрытием из бронзы, нанесённым на внутреннюю поверхность цилиндра.

2. Технические и технологические возможности газотермических методов нанесения металлических покрытий

К настоящему времени и более или менее широко используется в промышленности и ремонтном производстве большое количество методов напыления металлических покрытий. Эти методы различаются по источникам получения тепла (электрическая дуга или газовое пламя); по виду распыляемого материала (порошок, проволока и др.); по скорости распыляемых частиц и по среде, в которой происходит процесс нанесения покрытия (воздух, вакуум, контролируемая атмосфера и др.). На рис. 4 представлена классификация всего разнообразия методов газотермического напыления.

Газопламенное напыление производится с использованием в качестве источника тепла кислородно-ацетиленового пламени. Скорость сгорания ацетилена в кислороде составляет 10 … 12 м/с, что позволяет получать достаточно высокую производительность процесса. В последнее время всё шире стали применяться заменители ацетилена: пропан, этилен, метан, водород и др.

Распыление расплавленного газовым пламенем материала (присадочной проволоки) производится струёй воздуха, подаваемого под давлением в распылительную головку. Воздух ускоряет и дополнительно дробит частицы (капли) напыляемого материала и переносит их на подложку. Дистанция напыления при газопламенном процессе составляет примерно 50 мм.

Современные проволочные газопламенные распылители (например, типа MDP) имеют электропровод для подачи проволоки работают на проволоке диаметром 3 … 3,17 мм из различных материалов: алюминия, меди, цинка, молибдена, олова, свинца, углеродистых и легированных (коррозионностойких) сталей, латуни, бронзы, баббитов, сплавов на никелевой и кобальтовой основах. Производительность газопламенного напыления по цветным металлам достигает 15 кг/г, по сталям и сплавам - до 9 кг/г. Плотность напылённых покрытий достигает 85 … 95 % от плотности соответствующего материала, полученного традиционным металлургическим путём.

Газопламенное напыление порошков было достаточно широко распространено в прежние годы, однако оно не всегда обеспечивало приемлемое количество покрытий, особенно их связь с основой. В порошковых распылителях струя порошка перемешивается в воздушном потоке кольцевым факелом пламени и происходит теплообмен в газопорошковой смеси. Частицы порошка нагреваются до температуры плавления и переносятся на подложку.

Порошкове установки предназначались, в основном, для нанесения самофлюсующихся порошков, хотя были распылители и для нанесения легкоплавких покрытий, для ныпыления тугоплавких материалов и даже пластмасс.

В настоящее время на смену устаревшим технологиям порошкового напыления приходит шнуровое газопламенное напыление, при котором в качестве материала для покрытия используются специальные гибкие шнуровые материалы (ГШМ) вместо присадочной головки. Эти материалы представляют собой спрессованные на органической связке порошки, заключённые в оболочку из органического материала.

Преимущество этого метода перед непосредственной подачей порошков заключается в создании условий для гарантированного расплавления порошка и в равномерности процесса напыления. Чистоту и защиту от окисления воздухом напыляемого материала обеспечивает возгоняющееся полимерное связующее.

Для напыления ГШМ может быть использовано стандартное оборудование, предназначенное для проволочного напыления (Metco - 12E, МГИ - 4, МДР - 155 и др.). Наиболее современной является установка «Техникорд - ТОП - ЖЕТ/2» (Россия), которая предназначена для распыления ГШМ диаметром от 3 до 5 мм.

Для увеличения прочности и плотности напылённых покрытий фирмой Union Carbide (UC) США в 50-х годах был разработан высокоскоростной метод нанесения покрытий, который получил название детонационное напыление. Скорость истечения газов на срезе ствола установки для детонационного напыления достигла 1300 м/с, что позволило получить покрытия плотностью до 98 %. Главным недостатком этого процесса была низкая производительность, связанная с дискретным режимом работы.

Сущность процесса детонационного напыления заключается в следующем. В канал ствола детонационной пушки подаются горючая смесь и порошковый материал, который распространяется в газовой смеси. С помощью искровой свечи смесь поджигается. Скорость горения в длинном канале ствола увеличивается до скорости детонации, что вызывает её взрыв. Детонационная волна ускоряет порошок до 800 м/с и больше (скорость пули). Выносимые продуктами детонации на поверхность подложки частицы соударяются с ней, образуя плотное покрытие. Толщина покрытия составляет 3 … 5 мкм.

Ствол и камера смешения газов продуваются азотом, затем они наполняются новой порцией взрывчатой смеси (ацетилен + кислород) и порошка и цикл повторяется. В зависимости от конструкции установки чистота циклов составляет 3 … 10 Гц. Нагрев частиц напыляемых частиц до пластичного состояния в сочетании с приобретаемой значительной кинетической энергией позволяет получать покрытия с высокой прочностью сцепления (до 110 МПа) и низкой пористостью (~ 2 %), что является главным преимуществом процесса.

В русле тенденции увеличения прочности и плотности напыляемых покрытий в начале 20-х годов появились установки для высокоскоростного напыления покрытий более производительные и простые по устройству по сравнению с детонационными пушками. Работа их освоена на классической схеме ЖРД, при этом скорость газового потока достигает 2000 м/с, что обеспечивает плотность покрытий до 99,9 %. В качестве наносимого материала при высокоскоростном напылении (ВСН)могут быть использованы порошки различных карбидов, металл карбидов, сплавов на основе Ni, Cu и др.

Установки ВСН считаются перспективными устройствами и постоянно модернизируются с целью увеличения скорости напыляемых частиц. Для этого повышают давление в камере сгорания до 1 … 1,5 МПа, усовершенствуют конструкцию соплового аппарата (сопло Лаваля) и др. Для ВСН используют установки т. н. третьего поколения типа JP - 500; DJ 2600/2700; OSK Carbide Jet; Top Gun K и др. Расход порошка при высокоскоростном газотермическим напылении составляет до 18 кг/ч.

Другая группа методов напыления металлических покрытий основана на использовании для расплавления напыляемого материала не газового пламени, а электрической энергии.

Электродуговая металлизация (ЭДМ) заключается в нагреве сходящихся в распылителе присадочных проволок до расплавления сварочной дугой и переносе расплавленных капель металла газовым потоком на подложку. Первые распылители работали на переменном токе от сварочных трансформаторов, что не обеспечивало высокого качества покрытий. Впоследствии, на основании ряда исследований, был разработан источник постоянного тока для установки КДМ - 4, что позволило поднять качество покрытий.

В настоящее время всё шире применяется метод совмещения в одном процессе электродуговой металлизации и газового напыления, при котором капли расплавленного электрической дугой металла распыляются не холодным газом, а продуктами сгорания пропана в кислороде (или в воздухе). Этот метод, получивший название «Combustion», позволяет получать более плотные и менее окисленные покрытия, тем традиционней метод ЭДМ.

Плазменное напыление (ПН) производится струёй инертного газа, который под действием электрической дуги в плазматроне (распылителе) переводится в ионизированное состояние. Порошковые распылители, использованные в настоящее время, имеют разнообразные типы конструкций: с подачей порошка в плазменную струю, под углом навстречу потоку, в сопло в за анодную или до анодную зону.

Тенденция развития плазменных распылителей - увеличение эффективности процесса, главным образом за счёт повышения скорости газопорошковой струи. Разработаны установки мощностью до 200 кВт, работающие не только на аргоне, но и на воздухе, аммиаке, пропане, водороде и др. Применение специальных сопел на плазменных распылителях позволяет получить сверхзвуковое истечение струи двухфазного потока, которое обеспечивает получение плотного покрытия.

Плазменное напыление позволяет наносить покрытия на детали небольших размеров (стоматологические колонки, бандажные полки лопаток ГТД в авиастроении и т.п.), для чего были разработаны микроплазменные горелки мощностью до 2 кВт.

Современная автоматическая установка плазменного напыления MF - P - 1000 работает на смеси газов аргона, при соответствующем расходе 100, 50 и 20 л/мин. Производительность этой установки по металлическим - до 5 кг/ч, плотность покрытия - 92 … 99 %, прочность сцепления - 30 … 80 МПа. Установка комплектуется различными плазмотронами и снабжена роботом KUKA KR - 15/2 грузоподъёмностью 15 кг. Установка разработана и поставляется ООО «ТСЗП» (Россия).

В противоположность горячим способам нанесения покрытий в середине 80-х годов в Институте теоретической и прикладной механике СО АН СССР был разработан метод формирования покрытий из «холодных» частиц, скорость которых превышает некоторое пороговое значение. Этот метод получил название «газодинамического напыления» (ГДН).

Установки ГДН снабжены нагревателем, в котором распыляющий газ (сжатый воздух) нагревается до 350 … 600 ?С и подаётся в сверхзвуковое сопло. Сюда же подаётся напыляемый порошок, который захватывается сверхзвуковой струёй и с большой силой наносится на подложку. Плотность покрытий из материалов на основе AC, Zn, Cu, Ti и других металлов достигает 98 %.

Отличие напылённых покрытий их меди или алюминия, полученных газодинамическим способом, от аналогичных покрытий, полученных другими способами, заключается в том, что в них отсутствуют оксиды, растворённые газы в первую очередь водорода. В этом - главное преимущество ГДН.

Названный метод с большим успехом применяется для защиты сварных швов при производстве кузовов дорогих автомобилей. Покрытие из смеси порошков различных размеров (алюминия и карборунда) позволяет наносить покрытие на неподготовленную поверхность стальных листов. Карборунд (более крупная фракция), имея больший размер и меньшую скорость играет роль абразива, очищая её от загрязнений, а алюминий, имея больший размер и меньшую скорость, оседает на активной ювенильной поверхности при максимальной прочности сцепления.

Для ГДН выпускается отечественная установка «Димет» (Обнинский центр порошкового напыления), мощностью 2 кВт с рабочим давлением воздуха 0,6 … 1,0 МПа. Производительность установки - 15 г/мин; прочность сцепления - 30 … 80 МПа, пористость покрытия - 1 … 7 %.

Как видно из приведённого анализа технических и технологических аспектов газотермического напыления покрытий реализовать более высокий уровень когезионных характеристик и обеспечить низкую пористость покрытий можно за счёт повышения температуры и скорости газопорошковой струи. В плазменной технологии вместо инертных газов применялись воздух, углеводороды и вода; в высокоскоростном напылении менялись горючие газы - ацетилен, пропан, перосин и водород. Для формирования скоростного потока разрабатывались специальные конструкции сопл (например, сопло Лаваля), позволяющие получать ламинарные газовые потоки и, как следствие, повышать качество напыляемого покрытия.

Существующее в настоящее время многообразие технологий и установок для нанесения защитных газотермических покрытий вызывает затруднение в выборе того или иного процесса для конкретных изделий. Все разработанные отечественные и зарубежный установки и технологии имеют право на реализацию, однако целесообразность применения того или иного технологического процесса определяется его оригинальностью, а прежде всего качеством получаемой продукции и экономическими показателями.

Таблица 1 - характеристика основных коммерческих методов напыления металлических покрытий

В таблице 1 приведена характеристика основных коммерчески значимых методов газотермического напыления, которые наиболее широко используются в настоящее время в промышленности и ремонтном производстве. Из этой таблицы видно, что наилучшие показатели качества напыляемых покрытий (сцепляемость с основой и плотностью) обеспечивают высокоскоростные методы напыления с использованием порошковых материалов.

Реализовать более высокий уровень адгезионных, когезионных характеристик и обеспечить низкую пористость покрытий можно за счёт повышения температуры (для более полного проплавления напыляемого материала) и скорости газовой струи, взаимодействующей с частицами материала покрытия. Выбор того или иного процесса определяется, в первую очередь, назначением покрытия, а выбор оборудования, кроме того определяется экономической целесообразностью. Среди экономических показателей, определяющих выбор технологического оборудования, важную роль играет наряду с его стоимостью и производительностью надёжность, возможность сервисного обслуживания, а также наличие и доступность на рынке используемых газов и порошков.

Вывод

Проведённый анализ отечественных и зарубежных разработок в области газотермического напыления защитных покрытий различного назначения приводит к выводу, что для упрочнения и восстановления деталей машин и оборудования применимость конкретных материалов и газотермических методов определяется оптимизацией структурно-фазовых параметров получаемых покрытий, а также прочностью сцепления покрытий с основой и остаточными напряжениями в них.

Научное обоснование и разработка технологических процессов нанесения защитных газотермических покрытий различного назначения позволяет решить проблему упрочнения и восстановления широкой номенклатуры деталей машин и различных изделий и этим внести существенный вклад в модернизацию отечественного народного хозяйства.

Библиографический список

1. Газотермическое напыление / Под общей редакцией Л.Х. Балдаева. - М.: Маркет ДС, 2007. - 344 с.

2. Глинский М.М. Сверхзвуковые газодисперсные струи - М.: Наука, 1990. - 243 с.

3. Пантелеенко Ф.И. Восстановление деталей машин: справочник / Ф.И. Пантелеенко, В.П. Лялякин, В.П. Иванов, В.М. Константинов. - М.: Машиностроение, 2003. - 588 с.

4. Пузряков А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 197 с.

5. Кудинов В.В. Нанесение покрытий напылением / В.В. Кудинов, Г.В. Бобров. - М.: Металлургия, 1992 - 315 с.

6. Хасуй А. Техника напыления / пер. с японского. - М.: Машиностроение, 1975. - 287 с.

7. Абуллин Н.Ш. Новое в технологии нанесения покрытий [текст] / Н.Ш. Аббулин, Н.Ф. Кашапов, В.В. Кудинов // Технология металлов. - № 7. - 2000. - с. 34.

8. Черноиванов В.И. Восстановление деталей машин. М.: ГОСНИТИ, 1987. - 197 с.

9. Ярославцев В.М. Повышение эффективности механической обработки резанием плазмонапылённых материалов / В.М. Ярославцев, А.Ю, Гусенко, А.Н. Мирсков // Теория и практика газотермического нанесения покрытий. Димитров, 1989. - Т. 3. - с. 42 - 46.

10. Борисов Ю.С. Газотермические покрытия из порошковых материалов: справочник / Ю.С. Борисов, Ю.А. Харламов, С.Л. Сидоренко, Е.Н. Ардатовская. - Киев: наукова думка, 1987. - 553 с.

Размещено на Allbest.ru