Описание газотермического напыления

Введение.

Газотермическое напыление  Этот вид напыления характеризуется  своей простотой, технологической  доступностью и компактностью. Газотермическое  напыление дает стойкие антикорозионные, жаростойкие, электроизоляционные, износостойкие  покрытия. Существуют дуговые и газоплазменные способы нанесения покрытий. Дуговые способы покрытия энергетически выгодны, однако пригодны лишь для распыления металлических стержней. Для порошковых материалов приемлем только газопламенный способ. Перед началом напыления поверхность деталей необходимо очищать механическим, а если потребуется, то и химическим путем. Ввиду того, что в данном разделе речь идет только о газопламенном напылении, скажем, что в данной области используются установки и аппаратура порошкового и проволочного типов.

1.Газотермическое напыление.

Газотермическое напыление  – это процесс нагрева, диспергирования  и переноса конденсированных частиц распыляемого материала газовым  или плазменным потоком для формирования на подложке слоя нужного материала.

Успешное решение задач  повышения эффективности общественного  производства и перевода экономики  страны на путь преимущественно интенсивного развития тесно связано с ускорением научно-технического прогресса. Необходимо создать принципиально новые виды техники и технологии, существенно повысить производительность труда во всех отраслях народного хозяйства. В этих условиях особое значение приобретают проблемы надежности и долговечности машин и механизмов, экономного использования материалов, энергии и трудовых ресурсов. Их решение неразрывно связано с обеспечением эффективной защиты поверхности деталей и конструкций от коррозии и износа.

Борьба с изнашиванием и коррозией осложнена тем, что  использование объемно-легированных материалов, являвшееся в последнее столетие основным способом решения этой задачи, становится все более проблематичным из-за истощения запасов легирующих элементов. Кроме того, по мере развития и совершенствования техники постоянно растут требования к орудиям труда и условиям их эксплуатации (повышение скоростей, температуры, нагрузок, агрессивности среды, уменьшение массы и др.). Применение традиционных конструкционных материалов уже не в состоянии в ряде случаев удовлетворить комплекс этих требований. В связи с этим экономически и технически целесообразно развивать принципиально новый подход к выбору материалов уже на стадии проектирования. Механическая прочность детали гарантируется за счет применения одного материала, а специальные свойства поверхности обеспечиваются сплошным или локальным формированием на ней тонких слоев других материалов – покрытий. В результате обеспечивается повышенная долговечность детали, сочетающаяся с экономией легирующих элементов, удешевлением изделий.

Вышесказанное объясняет  все возрастающий интерес к проблеме защитных покрытий, определяет значение разработки и практического применения технологии покрытий различного назначения в современных условиях.

Для решения вопросов защиты поверхности деталей от абразивного, коррозионного, механического износа и износа при трении скольжения, высокотемпературной газовой коррозии, а также для ремонта с одновременным повышением эксплуатационных свойств поверхности нашли широкое применение защитные покрытия, наносимые различными методами газотермического напыления. С помощью напыления можно создавать надежную защиту поверхностей изготовленных деталей машин и крупных стальных конструкций. Кроме того, способы напыления позволяют восстанавливать дорогостоящие детали с относительно небольшими затратами материала, времени и денежных средств, что дает значительную экономию металла. К группе промышленно развитых методов газотермического напыления относят электродуговое (металлизация), высокоскоростное (сверхзвуковое) газопламенное, плазменное и детонационное напыления. Все они объединены единым принципом формирования покрытия из отдельных частиц, нагретых и ускоренных с помощью высокотемпературной газовой струи. Структура покрытий, полученных этими методами, слоистая, образована дискретными частицами с более или менее ярко выраженными границами раздела.

В последние годы было затрачено много усилий на создание новых более производительных распылительных аппаратов и новых материалов для нанесения покрытий, а также  автоматизацию этих процессов, что  значительно снизило себестоимость  нанесения покрытий и расширило область их применения.

Под общим названием газотермическое  напыление (ГТН) объединяют следующие  методы: газопламенное напыление, высокоскоростное газопламенное напыление, детонационное  напыление, плазменное напыление, напыление с оплавлением, и электродуговая металлизация.

2.Преимущества технологии напыления.

Напыление представляет собой процесс нанесения покрытия на поверхность детали с помощью  высокотемпературной скоростной струи, содержащей частица порошка или  капли расплавленного напыляемого материала, осаждающиеся на основном металле при ударном столкновении с его поверхностью.

1. Возможность нанесения  покрытий на изделия, изготовленные  практически из любого материала.

2. Возможность напыления  разных материалов с помощью одного и того же оборудования.

3. Отсутствие ограничений  по размеру обрабатываемых изделий.  Покрытие можно напылить как  на большую площадь, так и  на ограниченные участки больших  изделий.

4. Возможность применения  для увеличения размеров детали (восстановление и ремонт изношенных деталей машин).

5. Относительная простота  конструкции оборудования для  напыления, его малая масса,  несложность эксплуатации оборудования  для напыления, возможность быстро  и легко перемещаться.

6. Возможность широкого  выбора материалов для напыления.

7. Небольшая деформация  изделий под влиянием напыления.  Многие способы поверхностной  обработки изделия требуют нагрева  до высокой температуры всего  изделия или значительной его  части, что часто становится  причиной его деформации.

8. Возможность использования напыления для изготовления деталей машин различной формы.

9. Простота технологических операций  напыления, относительно небольшая  трудоемкость, высокая производительность  нанесения покрытия.

10. Не требуется специальной  дорогостоящей обработки (очистки) продуктов, загрязняющих окружающих среду, в отличие от средств очистки и нейтрализации при гальванических видах обработки изделий.

Напыление имеет отличительные  особенности, знание которых необходимо для правильного выбора технологии нанесения покрытий для каждого конкретного случая. Для выбора оптимального способа нанесения покрытия необходимо учитывать форму и размеры изделий; требования, предъявляемые к точности нанесения покрытия, его эксплуатационными свойствами; затраты на основное и вспомогательное оборудование, наплавочные материалы и газы, на предварительную и окончательную обработку покрытий; условия труда и другие факторы производственного и социального характера.

3.Гзопламенное напыление.

Газопламенное напыление  — наиболее доступный из методов газотермического напыления.

Металлический либо полимерный порошковый, проволочный либо шнуровой материал подается в пламя ацетилен-кислородной  либо пропан-кислородной горелки, расплавляется  и переносится сжатым воздухом на поверхность изделия, где, остывая, формирует покрытие. Метод прост в освоении и применении, может применяться как в ручном, так и в автоматизированном режиме.

С помощью газопламенного напыления наносят износостойкие  и коррозионно-стойкие покрытия из железных, никелевых, медных, алюминиевых, цинковых сплавов, баббитовые покрытия подшипников скольжения, электропроводные покрытия, электроизоляционные покрытия (рилсан), декоративные покрытия. Широко применяется для восстановления геометрии деталей насосно-компрессорного оборудования, крышек и валов электродвигателей, нестандартного оборудования.

Покрытия, полученные газопламенным  напылением, отличаются пористостью  в 2-10 %, могут обрабатываться резанием либо шлифованием.

Преимущества газопламенного напыления — это высокая дисперсность распыляемых частиц, независимость от источника тока, простота обслуживания, низкая стоимость оборудования. Недостатки — малая производительность и большая стоимость напыляемых материалов.

4.Высокоскоростное газопламенное напыление.

Высокоскоростное (сверхзвуковое) газопламенное напыление — одна из технологий газотермического напыления защитных покрытий, при которой порошковый материал наносится на подложку на высокой (обычно более 5 скоростей звука) скорости.

Процесс высокоскоростного  газопламенного напыления HVOF был изобретен в 1958 в компании en:Union Carbide (ныне куплена en:Praxair Surface Technologies, inc) [1], но впервые был применен только в 1980-х годах, после того, как James Browning изобрел установку для высокоскоростного напыления. Лицензии на установку были переданы Cabot Corporation, затем компании Deloro Stellite,[2] чья JetKote стала первой распространенной установкой. Вслед за этим многие компании предложили собственные версии установок: DiamondJet от en:Sulzer Metco, JP-5000 от TAFA (куплена Praxair), K2 от GTV, что способствовало быстрому распространению технологии. В 1992 Browning запатентовал также метод HVAF, как более дешевую альтернативу.

История

Процесс высокоскоростного  газопламенного напыления HVOF был изобретен  в 1958 в компании en:Union Carbide (ныне куплена en:Praxair Surface Technologies, inc) [1], но впервые был применен только в 1980-х годах, после того, как James Browning изобрел установку для высокоскоростного напыления. Лицензии на установку были переданы Cabot Corporation, затем компании Deloro Stellite,[2] чья JetKote стала первой распространенной установкой. Вслед за этим многие компании предложили собственные версии установок: DiamondJet от en:Sulzer Metco, JP-5000 от TAFA (куплена Praxair), K2 от GTV, что способствовало быстрому распространению технологии. В 1992 Browning запатентовал также метод HVAF, как более дешевую альтернативу.

Технология

Системы высокоскоростного  газопламенного напыления делится  по типу оборудования на системы керосин-кислород (HVOF, High Velocity Oxygen Fuel) и системы пропан-воздух (HVAF, High Velocity Air Fuel). С помощью высокоскоростного напыления наносятся покрытия из карбидов вольфрама, хрома, никель- кобальт- и железно-базированных порошков, MeCrAlY. Важным преимуществом технологии является формирование в получаемых покрытиях напряжений растяжения, что позволяет получать более толстые покрытия, чем при других технологиях напыления.

Применение

Технология широко применяется  для создания твердосплавных покрытий как экологически чистая и более гибкая замена гальванического хромирования, химико-термической обработки для защиты от коррозии и износа плунжеров, штоков компрессоров и запорной арматуры, шиберов, каландровых валов, деталей бурового и нефтедобывающего оборудования, авиационной техники. Технология также применяется для создания подслоя при создании термобарьерных покрытий деталей газотурбинных двигателей.

5.Детонационное напыление.

Детонационное напыление  — одна из разновидностей газотермического напыления промышленных покрытий в основе которого 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.

Описание процесса

Детонационное нанесение  покрытий — дискретный процесс, осуществляется последовательным выполнением следующих  операций, входящих в единичный цикл (выстрел): заполнение взрывчатой газовой  смесью ствола детонационной пушки;

подача в ствол пушки  порошка; взрыв газовой смеси в стволе.

Состав взрывчатой смеси  и степень заполнения ствола существенно  влияют на энергетические характеристики продуктов детонации. От процентного  соотношения горючего, окислителя и  разбавителя, а также от их объема зависит:

количество тепла, выделяющегося при детонации;

степень термической  диссоциации продуктов детонации;

химическая активность продуктов детонации по отношению  к наносимому материалу;

температура и скорость истечения из ствола порошка.

Свойства

Благодаря высокой скорости напыляемых частиц (600—1000 м/сек.), детонационные покрытия обладают плотностью, близкой к плотности спеченного материала и высокой адгезией. Детонационное напыление позволяет напылять широкий круг материалов: металлы и их сплавы, оксиды, твердые сплавы на основе карбидов. При этом нагрев напыляемого изделия незначителен.

Применение

Детонационное напыление  из-за своего дискретного характера  является очень экономичным, но не слишком  производительным методом (по сравнению, например, с высокоскоростным газопламенным напылением). Как правило, оно экономично для напыления поверхностей площадью не более нескольких квадратных сантиметров.

5.Плазменное  напыление.

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

Сущность плазменного  напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подаётся распыляемый материал, который нагревается, плавится и  в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с поверхностью основы или напыляемым материалом и формирование покрытия. Плазменное напыление является одним из вариантов газотермического напыления.

Методы и  история их создания.

Атмосферное плазменное напыление англ. Atmospheric plasma spraying (APS) запатентован Giannini and Ducati в 1960 г., Gage в 1962 г. Базируется на применении Плазменного генератора Гердиена, изобретенного в 1922 г.

Вакуумное плазменное напыление  англ. Vacuum plasma spraying (VPS), или Low-Pressure Plasma Spraying(LPPS) Приоритет изобретение отдают сотруднику фирмы Plasmadyne Мюльбергеру, в 1973 г.

Плазменное напыление в контролируемой атмосфере англ. Controlled-atmosphere plasma spraying (CAPS) Mash, Stetson и Hauck в 1961 г. первыми сообщили о напылении плазмой в камере, заполненной инертным газом. Эту технику назвали Inert Plasma Spraying (IPS). Другой способ, позволяющий изолировать плазменную струю от окружающей атмосферы, был изобретен Okada и Maruo в 1968 г. и назывался Shrouded Plasma Spraying (SPS). В этом способе защитный газ подавался из сопла, присоединенного к аноду плазмотрона, близко к подложке, что позволяло удалять плазмообразующий газ.

Стадии.

Плазменный процесс  состоит из трех основных стадий:

генерация плазменной струи;

ввод распыляемого материала  в плазменную струю, его нагрев и ускорение;

взаимодействие плазменной струи и расплавленных частиц с основанием.

Возможности.

Плазменным напылением наносятся износостойкие, антифрикционные, жаростойкие, коррозионностойкие и  другие покрытия.

Напыление с помощью низкотемпературной плазмы позволяет:

наносить покрытия на листовые материалы, на конструкции  больших размеров, изделий сложной  формы;

покрывать изделия из самых разнообразных материалов, включая материалы, не терпящие термообработки в печи (стекло, фарфор, дерево, ткань);

обеспечить равномерное  покрытие как на большой площади, так и на ограниченных участках больших  изделий;

значительно увеличить размеры  детали (восстановление и ремонт изношенных деталей). Этим методом можно наносить слои толщиной в несколько миллиметров;

легко механизировать и  автоматизировать процесс напыления;

использовать различные  материалы: металлы, сплавы, окислы, карбиды, нитриды, бориды, пластмассы и их различные  комбинации; наносить их в несколько  слоев, получая покрытия со специальными характеристиками;

практически избежать деформации основы, на которую производится напыление;

обеспечить высокую  производительность нанесения покрытия при относительно небольшой трудоёмкости;

улучшить качество покрытий. Они получаются более равномерными, стабильными, высокой плотности и с хорошим сцеплением с поверхностью детали.

Впервые твердосплавные пластины с покрытием из карбидов титана (TiC) появились на мировом  рынке в 1969 г. К настоящему времени  более 50% всех твердосплавных пластин, выпускаемых западными фирмами, имеют покрытия на основе таких соединений, как карбид титана TiC, нитрид титана TiN, оксид алюминия Al2O3 и др. В отечественной промышленности широкое применение нашли установки плазменного напыления типа «Булат», «УВМ», «Пуск», позволяющие наносить на инструмент одно- и многослойные покрытия.

6. Напыление с оплавлением.

Напыление с оплавлением  — один из наиболее распространенных методов газотермического напыления, позволяющий получить плотные износостойкие  коррозионностойкие покрытия с высокой адгезией.

Газопламенное напыление  покрытий выполняют установками  газопорошкового напыления из самофлюсующихся  металлических порошков. Самофлюсованием  называют самопроизвольное удаление оксидов с поверхности частиц покрытия при их оплавлении. Для этого оксиды должны иметь невысокую температуру плавления, небольшую плотность и высокую жидкотекучесть. Наиболее часто для этих целей применяют сплавы на никелевой основе системы Ni-Cr-B-Si. Оксиды B2O3-Cr2O3-SiO2 образуют легкоплавкий шлак, всплывающий при оплавлении на поверхность в виде тонкого стекловидного налета. Выдержка при температуре оплавления 1050-1080 °С должна составлять 1-2 мин. Кроме флюсования при оплавлении происходит формирование износостойкой структуры, основу которой составляют боридные и карбидные фазы высокой твердости.

Описание процесса.

Газопламенное напыление  покрытий выполняют установками  газопорошкового напыления из самофлюсующихся  металлических порошков. Самофлюсованием  называют самопроизвольное удаление оксидов  с поверхности частиц покрытия при их оплавлении. Для этого оксиды должны иметь невысокую температуру плавления, небольшую плотность и высокую жидкотекучесть. Наиболее часто для этих целей применяют сплавы на никелевой основе системы Ni-Cr-B-Si. Оксиды B2O3-Cr2O3-SiO2 образуют легкоплавкий шлак, всплывающий при оплавлении на поверхность в виде тонкого стекловидного налета. Выдержка при температуре оплавления 1050-1080 °С должна составлять 1-2 мин. Кроме флюсования при оплавлении происходит формирование износостойкой структуры, основу которой составляют боридные и карбидные фазы высокой твердости.

Напыление с оплавлением  проводится как вручную, так и  в автоматизированном режиме. Оплавление может производиться специализированными  горелками (предпочтительно), стандартными ацетилен-кислородными горелками, в печи, либо индукционным методом. Оплавленные покрытия системы NiCrBSi примерно в 1,5 раза превосходят по износостойкости улучшенную сталь 38ХМЮА.

К недостаткам  метода относят.

высокая температура  при оплавлении, которая часто приводит к термическим поводкам;

Высокие требования к  качеству и грануляционному составу  самофлюсующихся порошков. Недостаточно качественный материал может привести к повышенной пористости покрытия, неполному или неравномерному оплавлению частиц;

Относительно большие припуски под мехобработку.

Применение.

Технологию применяют  для защиты плунжеров штанговых  насосов, деталей железнодорожного транспорта, роликов металлургии  и др. В последние годы технология часто заменяется более современными технологиями плазменной наплавки и высокоскоростного газопламенного напыления.

7. Электродуговая металлизация.

Металлизация - метод  модификации свойств поверхности  изделия путем нанесения на его  поверхность слоя металла. Металлизации подвергаются как неметаллические поверхности (стекло, бетон, пластмасса) так и металлические. В последнем случае металлизацией наносится другой материал, например, более твердый или коррозионно-стойкий (хромирование, цинкование, алюминирование). Часто "металлизацией" называют напыление металла методами газотермического напыления.

История.

Разработке методов  металлизации столько же лет, сколько  производству зеркал. В 1835, Юстус Либих  открыл метод покрытия стекла металлическим  серебром, что позволяет назвать  стеклянное зеркало одним из первых металлизированных предметов. Металлизация других неметаллических объектов стала активно развиваться после открытия АБС-пластика.

Технологии.

Среди методов металлизации можно отметить газотермическое  напыление, холодное газодинамическое напыление, горячее алюминирование и цинкование, плакирование, гальванику, PVD.

Технология  покрытия АБС-пластика.

Пластиковая деталь сначала  химически травится, например, погружением  в раствор серной и хромовой кислот. Травленая поверхность активируется погружением сначала в раствор хлорида олова, затем в раствор хлорида палладия. Затем поверхность покрывается электролитически медью или никелем.

Материалы.

По наносимому материалу  выделяют алитирование, цинкование, хромирование и др.

8.Преимущество ГТН.

Основное преимущество ГТН - его функциональная универсальность. Методы газотермического напыления применяют для восстановления, упрочнения и коррозионной защиты поверхностей деталей, при этом применение названных методов позволяет наносить покрытия на такие материалы, как дерево, ткани, бетон, металлы, пластмассы и пр. Толщина наносимого слоя лежит в диапазоне от десятков микрометров до нескольких миллиметров, а в отдельных случаях до десятков миллиметров. Покрытие может наноситься на заданные участки или без ограничения размеров поверхностей напыления; на наружные и внутренние поверхности деталей и т.д.

Основные преимущества методов ГТН перед другими  способами восстановления:

- нагрев детали в  процессе напыления до температуры  не выше 200 градусов Цельсия;

- отсутствие коробления деталей после напыления в связи с отсутствием нагрева при обработке;

- отсутствие структурных  изменений в материале напыляемой  детали;

- возможность напыления  на закаленные поверхностные  слои и на чугун;

- возможность напыления  покрытий на легкоплавкие материалы слоев из более тугоплавких материалов ( в т.ч. на дерево и пластмассы);

- возможность напыления  материалов в самых различных  сочетаниях, что невозможно сделать  при наплавке (например, напыление  алюминия на медь или наоборот);

- возможность напыления оксидов и карбидов;

- высокая экономическая  эффективность процесса.