Сверхзвуковое напыление

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение………………………………………………………………………..3

  1. Сущность метода сверхзвукового напыления………………………...5
  2. Классификация методов………………………………………………....6
    1. Метод сверхзвукового «холодного»

           газодинамического напыления………..……………………………….6

    1. Методы сверхзвукового газотермического напыления……………...7
      1. Электродуговое напыление……………………………………...8
      2. Детонационное напыление………………………………………9
      3. Газопламенное напыление………………………………………12
      4. Плазменное напыление………………………………………….16
  1. Тенденция совершенствования………………………………………....22

Список используемой литературы………………………………………....23

 

Введение

       Сверхзвуковое напыление – это метод нанесения покрытий, при котором материал наносится на подложку со скоростями в несколько раз больше скоростей звука. Его можно подразделить на газотермическое и газодинамическое напыление.

       Повышение надежности современной техники, снижение себестоимости ее обслуживания, обеспечение конкурентоспособности, продление ресурса эксплуатации, а также ее реновация путем применения современных технологий для восстановления работоспособности узлов до уровня новых изделий - наиболее приоритетные направления развития техники.

       Применение технологий нанесения защитных покрытий, среди которых газотермические процессы занимают значительное место, является одним из кардинальных путей решения данного вопроса. С использованием существующих в настоящее время оборудования, материалов и технологий газотермического напыления стало возможным значительно снизить или исключить влияние на изнашивание деталей таких факторов, как эрозия, коррозия (в том числе высокотемпературная), кавитация и др. Защитные покрытия могут быть также предназначены, например, для создания термобарьерного слоя, обеспечения электроизоляционных свойств, поглощения излучения продуктов радиоактивного распада, обеспечения определенных оптических свойств, реализации селективного смачивания, создания биологически активных поверхностных свойств для различных искусственных органов и многого другого.

       В промышленно развитых странах с целью решения экологических проблем освоение техники газотермического напыления происходит путем вытеснения гальванических "грязных" технологий. Ситуация в России, сложившаяся в 80-90 гг. и приведшая к распаду промышленности, в настоящее время дает возможность не реанимировать устаревшие технологии, а адаптируясь к новым условиям, вместо гальванических методов использовать новейшие технологии нанесения покрытий методами термического напыления.

 

1.Сущность метода сверхзвукового напыления

       Сверхзвуковое напыление покрытий осуществляется со скоростями в несколько раз больше скорости звука, при этом сам процесс происходит различными способами.

       Например при холодном сверхзвуковом напылении температура напыляемых частиц не превышает 100оС и соединение основного металла с напыляемым происходит  за счёт преобразования кинетической энергии в тепловую когда напыляемые частицы непосредственно врезаются в изделие. А при газотермическом сверхзвуковом напылении частицы напыляемого металла разогреваются непосредственно перед напылением до различных температур (в зависимости от использованного метода, типа топлива и т. д.).

 

 

2. Классификация методов сверхзвукового  напыления

      Сверхзвуковое напыление классифицируется на газодинамическое и газотермическое напыление.

2.1. Метод сверхзвукового «холодного»  газодинамического напыления (ХГДН)

Описание  технологии:

        Метод ХГДН основан на эффекте  образования прочного металлического  слоя при взаимодействии двухфазного  сверхзвукового потока с поверхностью.

        Частицы порошка металла (или  смеси металлов с корундом) находящиеся  в твёрдом состоянии, ускоряются  потоком воздуха до скоростей  400-700 м/с и направляются на подложку. При этом температура переносимых частиц как правило, не превышает 100ºС.

        Этот метод лишен многих недостатков  высокотемпературных плазменных  методов и имеет следующие достоинства:

- частицы  переносятся в “холодном” состоянии  со скоростями переноса до 700 м/c;

-  разогрев  частиц происходит за счет  преобразования кинетической энергии  в тепловую в процессе взаимодействия с поверхностью, т.е. непосредственно при формировании покрытия;

- возможность  получать покрытия, полностью адекватные  по составу напыляемому порошку;

-   отсутствие  заметного термического воздействия  на материал подложки, не приводящей  к деформации изделия (температура  подложки в процессе напыления  не превышает 150 0С);

-  безопасность, экономичность и простота процесса.

Технология  обеспечивает напыление покрытий из Al, Zn, Pb, Ni, Cu, Co, Fe и их сплавов.

Покрытия, полученные методом ХГДН обладают следующими свойствами:

Материал покрытия

Материал подложки

Адгезия,

кг/мм2

Пористость, %

Al–Zn

сталь, чугун

4-6

2-4

Cu–Zn

алюминий

6-8

3-5

Cu–Sn

сталь, чугун

3-5

3-6

Cu

алюминий

4-5

5-7

Ni

сталь, чугун

—

2-4

Баббит

сталь, чугун

—

4-5


 

 

2.2. Метод сверхзвукового газотермического напыления

         Газотермическое напыление (англ. Thermal Spraying)  — это процесс нагрева, диспергирования и переноса конденсированных частиц распыляемого 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.

Рисунок  2.1 - Газотермические методы сверхзвукового напыления

 

       Из схемы (рис.2.1) видно, что существует широкий спектр методов сверхзвукового газотермического нанесения покрытий, которые позволяют решать многие научно-технические проблемы защиты и восстановления поверхностей деталей практически во всех отраслях промышленности , в том числе авиационной, предъявляющей самые высокие требования к качеству покрытий.  Далее рассмотрим подробно эти методы.

2.2.1 Электродуговое  напыление

       Метод высокоскоростного электродугового напыления HVAF-ARC (HVAF – технология активированного горения; ARC – дуга) (рис.2.2) выгодно применять для напыления проволочных материалов, поскольку обеспечиваются высокая производительность и плотность покрытий. Также как и при электродуговой металлизации (ЭДМ) распыляемый материал в виде двух проволок подаётся в зону горения дуги механизмом подачи. Напряжение на проволоки подаётся от источника питания. Расплавленный металл проволок диспергируется и ускоряется внешней (обжимающей) струёй продуктов горения пропано-воздушной смеси. Увеличенная скорость частиц – 150-250 м/с (вместо 50-150 м/с при ЭДМ) и небольшой размер распыляемых частиц – 2-20мкм (вместо – 30-100мкм при ЭДМ) обеспечивают получение высокоплотных покрытий.

Рисунок 2.2 - Схема распылителя HVAF-ARC

       Метод HVAF-ARC превосходит HVOF по пористости и газопроницаемости покрытий. Для напыления применяют электродуговой металлизатор SB-50(Iд=100/300А, Uд=28/42В) с воздушным охлаждением и электрическим механизмом подачи проволоки (диаметром 1,6–2,0мм). Производительность напыления сплавов на основе железа и никеля 4–12 кг/ч.

       Другой метод высокоскоростной  электродуговой металлизации –  активированная дуговая металлизация (АДМ). При АДМ используют восстановительные транспортирующие газы подаваемые через профилированные сопла. Камера сгорания в системе подачи газов позволяет увеличить скорость и температуру струи транспортирующего газа и распыляемых частиц, уменьшить диаметр капель, степень окисления частиц. На выходе из сопла продукты сгорания образуют сверхзвуковую струю со скоростью свыше 1500м/с и температурой 1930 oC. Угол раскрытия струи при АДМ не превышает 10о , что обеспечивает КИМ=0,85 (при ЭДМ КИМ=0,6), пористость покрытий снижается с 9 до 11  (ЭДМ) до 2–4% при существенном снижении пор, что позволяет, в частности, уменьшить толщину коррозионно-стойких покрытий и расход материалов для антикоррозионной защиты; содержание кислорода в защите снижается в 1,6 раза (до 2,9%) в сравнении с ЭДМ, производительность напыления – до 15кг/ч (вместо 8-10кг/ч для ЭДМ при прочих равных условиях). В качестве напылямых материалов используют алюминий, бронзу, сталь и цинк.

2.2.2 Детонационное напыление

       В основе детонационного метода  напыления лежит принцип нагрева  напыляемого материала (обычно  порошка) с последующим его  ускорением и переносом на  напыляемую деталь с помощью  продуктов детонации. При детонационном напылении для нагрева и ускорения напыляемого материала используется энергия продуктов детонации газокислородного топлива. В качестве горючего газа обычно применяется пропан-бутановая смесь.

          Преимуществами детонационного метода напыления являются:

  • высокая адгезия покрытия (80-250 МПа)
  • низкая пористость покрытия (0,5-1%)
  • отсутствие деформации напыляемой детали

          К недостаткам следует отнести низкую производительность и недостаточную надежность существующего оборудования.

          Технология детонационно-газового напыления позволяет не только восстановить рабочие поверхности деталей, но и существенно повысить эксплуатационный ресурс за счет применения износостойких материалов. Детонационно-газовый способ позволяет наносить покрытия из металлов, их сплавов, оксидов и карбидов металлов, композиционных порошков (плакированных и конгламерированных) а также механических смесей.

          Тенденция развития газотермических износостойких покрытий заключалась в увеличении прочности и плотности покрытий. С этой целью была разработана фирмой Union Carbide (UC), США в 50-х годах высокоскоростная детонационная установка. Скорость истечения газов на срезе ствола длиной 1,4 м составляла 1300 м/с. Плотность покрытий была доведена до 98 %. Главным недостатком процесса напыления на детонационной установке была низкая производительность, связанная с дискретным режимом работы.

          В зависимости от конструкции установки частота циклов может достигать 8-10 Гц, но в большинстве случаев она равна 3-4 Гц. Кроме ацетилена, в качестве горючего могут использоваться другие газы, например, метан или пропан-бутан. При этом протяжённость зоны перехода горения в детонацию увеличивается. Для снижения температуры нагрева частиц напыляемого материала взрывчатая смесь разбавляется азотом или воздухом. Нагрев частиц до пластического состояния в сочетании с приобретаемой значительной кинетической энергией позволяет получать покрытия с высокой прочностью сцепления (до 250МПа) и низкой пористостью (менее 2%).

          Процесс детонационного напыления характеризуется значительным количеством технологических параметров. Основные из них :

  • глубина загрузки порошка, т.е. расстояние от места ввода порошка до среза ствола
  • соотношение расходов газов:
    • горючего
    • кислорода
    • азота или воздуха

т.е. состав рабочей взрывчатой смеси

  • степень заполнения ствола - отношение суммарного расхода газа за один цикл к суммарному объёму ствола и камеры смешения
  • расход азота продувки ствола
  • толщина напыляемого слоя за один цикл
  • дистанция напыления
  • химический и гранулометрический состав и способ изготовления порошка

          От глубины загрузки зависит время пребывания частиц порошка внутри ствола, полнота физико-химического взаимодействия с продуктами детонации. Состав смеси существенно влияет на энергетические характеристики частиц порошка и определяет химическое взаимодействие напыляемого материала с продуктами детонации В зависимости от состава рабочей смеси может происходить полное или неполное сгорание горючего газа. Оптимальной рабочей смесью может быть смесь, близкая к стехиометрической. Однако, максимумы скорости детонации и твёрдости покрытия из оксида алюминия (в данном случае твёрдостью определяют оптимальные условия формирования покрытия) не совпадают. В то же время при нанесении покрытия из карбидов избыток углерода в газовой смеси защищает карбид от обезуглероживания.

          Толщина единичного слоя составляет 5-20 мкм. Дистанция напыления определяется из условия минимального воздействия на поток частиц отражённой от поверхности подложки волны. Практически для стволов различного диаметра эта величина составляет 150 - 200 мм.

2.2.3 Газопламенное напыление

Технология  газопламенного напыления порошковых и проволочных материалов позволяет  восстановить геометрию деталей, производить  шейки валов, крышки защищенных электродвигателей, баббитовые подшипники, посадочные места, выполнять антикоррозионную обработку  металлоконструкций.

Первая  установка газопламенного проволочного напыления была разработана М.У. Шоопом в 1913 г. Скорость продуктов сгорания ацетилена в кислороде составляла 10:12 м/с. Плотность металлического напыления - 85-90% от компактного материала. В качестве источника тепла использовалось кислородно-ацетиленовое пламя. В последнее время для металлического напыления широко стали применяться заменители ацетилена: пропан, этилен, метан, водород.

 
Рисунок 2.3 - Схема проволочного распылителя: 
1 - воздушное сопло;  
2 - газовое сопло;  
3 - пруток;  
4 - направляющая трубка.

Проволочный распылитель (2.3) имеет головку, по оси которой подается пруток или шнур. Горелка с дополнительным воздушным соплом (2.4), обеспечивала интенсивный нагрев поверхности подаваемого материала. Воздух дополнительно ускорял и дробил частицы материала.

 
Рисунок 2.4 - Распылитель с двойным воздушным соплом: 
1 - дополнительное воздушное сопло;  
2 - воздушное сопло;  
3 - газовое сопло.

  
Рисунок 2.5 - Схема установки газопламенного напыления:

  1. - порошковый распылитель;
  2. - проволочный распылитель;
  3. - порошковый питатель;
  4. - бухта проволоки на вращающемся столе;
  5. - ротаметры газовые;
  6. - газовые баллоны;
  7. - фильтр;
  8. - ресивер;
  9. - воздушный ротаметр;
  10. - компрессор.

На рисунке 2.5 представлена схема установки для металлического напыления. Фирма Norton Packо Industrial Ceramics с 50-х годов специализировалась на выпуске стержневых материалов для обработки керамикой. В настоящее время она выпускает стержни из оксидов диаметром до 8 мм. Их достоинством является гарантия проплавления материала, а недостатком - прерывистость процесса, который влияет на качество поверхности. Лучшим газопламенным стержневым напылителем, считается УР-2А, разработанный в конце 50-х годов. (2.6).

  
Рисунок 2.6 - Прутковый распылитель УР-2А:  
а - в трубе диаметром 100 мм;  
б - при работе без "загибающего" воздуха.

В нем  имелось дополнительное воздушное  сопло, которое направляло воздух в  радиальном направлении в зону плавления  керамического стержня, там, где  осевая скорость частиц была мала. "Загибающий" воздух измельчал относительно крупные  частицы на более мелкие и направлял  их под углом к поверхности  изделия. Дистанция составляла 50 мм. Плотность металлического напыления, образованного из стержней достигала 95%. Осевое положение распылителя  и малая дистанция позволяли  обрабатывать даже внутреннюю поверхность  труб диаметром 100 мм. В отличие от отечественных и иностранных  распылителей пистолетного типа, оператор мог работать сидя, держа устройство на коленях.

  
Рисунок 2.7 - Проволочный распылитель MDP-115 в работе

Современный проволочный аппарат газопламенного напыления типа MDP-115, производимый в  России (2.7) работает на проволоке диаметром 3:3,17 мм из различных материалов. В том числе из коррозионно-стойкой и углеродистой стали, бронзы, латуни, баббиты, Al, Cu, Mo, Zn, Sn, Pb, из сплавов на кобальтовой и никелевых основах. Производительность по цветным металлам достигает до 15 кг/ч, по стали и сплавам - до 9 кг/ч, кислорода расходуется порядка 50 л/мин, пропана или ацетилена - до 20 л/мин. Давление воздуха - 0,5 МПа. Сам распылитель весит 4,1 кг. В комплекте с устройством может быть автоматическая установка, оснащенная боксом, роботизированной системой, и пультом дистанционного управления.

  
Рисунок 2.8 - Схема порошкового распылителя:  
1 - газовое сопло;  
2 - кольцевое пламя;  
3 - покрытие;  
4 - подложка;  
5 - горючий газ;  
6 - кислород;  
7 - порошок.

Порошковый  распылитель схематично представлен на рисунке 2.8. При перемешивании струй пламени и газопорошковой взвеси происходит теплообмен. Частицы плавятся и переносятся на подложку, создавая металлическое напыление. Такие установки предназначены для легкоплавких материалов. Температура их плавления должна быть ниже 800С – цинка. А также для нанесения тугоплавких материалов, и самофлюсующихся материалов.

2.2.4 Плазменное напыление

Плазменное напыление — процесс нанесения покрытия на поверхность изделия с помощью плазменной струи.

Данный  метод защиты эффективен также в  техническом и экономическом  планах, благодаря тому, что простои  оборудования на ремонт и техническое  обслуживание значительно сокращаются. Как следствие, уменьшаются издержки, и увеличивается прибыль предприятия.

Плазменный распылитель (Плазмотрон) был разработан в 1956 г. фирмами Gianini Corp. и UC на основе работ Смита (пат. 2157498, 1939 г.), предложившегоустройство для нанесения покрытий, содержащее катод в форме стержня и анод в форме сопла.

 
Рисунок 2.9 - Схема плазменного распылителя: 
1 - катодный узел; 
2 - анодный узел; 
3 - катод; 
4 - анод; 
5 - анодное пятно.

Плазменный  распылитель (рис. 2.9) состоит из катодного 1 и анодного 2 узлов. Между катодом 3 и анодом 4 возбуждается электрическая дуга 5. Дуга в сопле анода отжимается газовым потоком от стенок охлаждаемого сопла, что увеличивает плотность ее энергии и повышает температуру столба дуги (рис. 2.10).

 
Рисунок 2.10 - Зависимость энтальпии газов от температуры

 
Рисунок 2.11 - Плазменные распылители: 
а - с самоустанавливающейся дугой; 
б - с фиксированной дугой.

Плазмотроны постоянного тока бывают с самоустанавливающейся (рис. 2.11: а) и фиксированной длиной дуги, когда дуга удлиняется за счет последовательного переключения на аноды, разделенные между собой электрически нейтральными межэлектродными вставками (рис. 2.11: б).

При использовании  аргона в качестве плазмообразующего  газа на плазмотроне с самоустанавливающейся  дугой падение напряжения составляет 30 В, а с фиксированной дугой - 100 В и более. На рис. 2.12 представлены схемы пруткового и проволочного плазменных распылителей. Радиальная подача материала (см. рис. 2.12: а) используется и для подачи порошковых материалов для нанесения покрытий.

 
Рисунок 2.12 - Схемы плазменных распылителей: 
а - пруткового; 
б - проволочного ("проволока - анод")

Схема проволочного распыления "проволока - анод" была разработана В.В. Кудиновым в конце 50-х годов. Тогда удалось получить невиданную производительность - 15 кг/ч  вольфрама при мощности 12 кВт. Порошковые распылители (рис. 2.13) в зависимости от свойств и размеров частиц создавались с подачей в плазменную струю 1, под углом навстречу потоку 2, в сопло в заанодную зону дуги 3 или в доанодную зону, как в плазмотроне М8-27 конструкции В.М. Иванова (рис. 2.14).

 
Рисунок 2.13 - Схемы подачи порошка в плазмотрон: 
1, 2 - в плазменную струю; 
3 - в сопло.

 
Рисунок 2.14 - Распылитель М8-27: 
1 - подача охлаждающей воды; 
2 - подача плазмообразующего газа; 
3 - подача порошка; 
4 - слив воды; 
5 - анодный узел; 
6 - анод; 
7 - изолятор; 
8 - катодный узел; 
9 - катод.

В настоящее  время плазмотроны большой мощности спроектированы с подачей порошка в плазменную струю 1 (рис. 2.14). Такая схема не влияет на дугу. Плазмотроны имеют завышенную мощность, чтобы тепла плазменной струи хватило на нагрев порошка.

Следует отметить, что подача порошка в  доанодную зону была выгоднейшей с точки зрения теплообмена, но сопряжена с перегревом частиц в сопле и забиванием сопла расплавленными частицами из-за высоких требований к равномерности подачи порошка. Рассредоточенность подачи порошка в плазмотроне М8-27 обеспечивала устойчивую работу плазмотрона, который эксплуатируется уже 40 лет.

Тенденции развития плазменных распылителей - увеличение эффективности процесса. Разработаны  установки мощностью до 160:200 кВт, работающие на воздухе, аммиаке, пропане, водороде, в динамическом вакууме, в  воде. Применение специальных сопл позволило получить сверхзвуковое  истечение струи двухфазного  потока, которое, в свою очередь, обеспечило получение плотного покрытия. С другой стороны, для нанесения покрытий на малые детали (поверхности), например, коронки в стоматологии, бандажные  полки лопаток ГТД в авиастроении были разработаны микроплазменные  горелки, работающие на токах 15:20 А при мощности до 2 кВт.

Увеличение  ресурса соплового аппарата (катод - анод) плазменного распылителя  повышенной мощности (50:80 кВт) тормозилось  из-за низкой эрозионной стойкости  медного сопла в зоне анодного пятна. С целью увеличения стойкости  сопла были разработаны вольфрамовые вставки, запрессованные в медное сопло  таким образом, чтобы теплота  эффективно отводилась медной оболочкой и удалялась охлаждающей водой. Наиболее удачной была конструкция плазмотрона типа F-4, разработанного фирмой Plasma-Technik AG (рис. 2.15), работающего длительное время на токе до 800 А при мощности 55 кВт.

 
Рисунок 2.15 - Распылитель F-4

Современная автоматическая установка плазменного напыления ТСЗП-MF-P-1000работает на смеси газов аргона, азота, водорода при расходе аргона до 100 л/мин, азота - до 50 л/мин, водорода - до 20 л/мин, транспортирующего газа - до 30 л/мин.

Производительность  напыления по металлическим сплавам - до 5 кг/ч.

Плотность порошковых покрытий - 92 - 99%, прочность  сцепления - 30:80 МПа.

 

3.Тенденции  совершенствования

 

          В настоящее время идёт широкое развитие методов сверхзвукового напыления Существенный толчок к которому дало принятие директивы RoHS (директива ограничивающая содержание вредных веществ принятая ЕС), существенно ограничившей применение гальванического хромирования из-за выделения при их применении канцерогенного шестивалентного хрома (вредный канцероген образующий прочные ковалентные связи с ДНК). Совершенствуются сами методы, оборудование для напыления, типы топлива и т. д.

 

Список используемой литературы\

  1. В. А. Фролов, д-р техн. наук («МАТИ» - РГТУ им. К. Э. Циалковского), В. А. Поклад, канд. техн. наук, Б. В. Рябенко, инж., Д. В. Викторенко, инж. (ФГУП   ММПП  «Салют»), журнал  «Сварочное производство» 2006.  №11  38с.
  2. «Теоретические основы технологии плазменного напыления» учеб. пособие, 2003 Пузряков А. Ф.
  3. Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т.2. Технология и оборудование. Справ. изд./Под ред.В.М.Ямпольского.- М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996. 574 с.
  4. Фролов Н.Н., Власов В.М. Газотермические износостойкие покрытия в машиностроении.-М.: Машиностроение, 1992.-255с.: Ил.
  5. «Warm spraying—a novel coating process based on high-velocity impact of solid particles» Sci. Technol. Adv. Mater. 9 (2008) 033002