Нанесение защитных покрытий методом термического напыления: оборудование и технология

Термическое (газотермическое) напыление широко применяется для обеспечения коррозионной защиты черных металлов или для изменения свойств поверхности изделий, например, повышение износостойкости или теплопроводности.

Основными видами термического напыления являются:

• электродуговая металлизация;
• газопламенное – flame spray (проволокой/стержнем, порошком);
• плазменное – plasma spray;
• сверхзвуковое – HVOF,

а также имеются другие типы, получившие меньше распространение:

• газопламенное – flame spray (пластиком);
• детонационное напыление;
• лазерное напыление;
• холодное напыление.

Виды и технологии

Газопламенное напыление проволокой или стержнями

При газопламенном напылении проволокой или стержнями распыляемый материал непрерывно подаётся в центр ацетилен-кислородного пламени и там оплавляется. С помощью распыляющего (диспергирующего) газа, например, сжатого воздуха или азота, расплавленные капли выдуваются из зоны плавления и ускоряются в направлении подготовленной детали. Газопламенное напыление проволокой является одним из самых распространенных способов с очень высоким качеством покрытия. В автомобилестроении ежегодно более сотни тонн молибдена напыляется на вилки переключателей, кольца синхронизации и поршневые кольца.

Газопламенное напыление порошком

При газопламенном напылении порошком порошкообразные частицы напыляемого материала плавятся или оплавляются в ацетилен-кислородном пламени и с помощью расширяющегося горючего газа ускоряются в направлении подготовленной поверхности детали.

Если требуется, то для ускорения порошка можно использовать ещё дополнительный газ (например, аргон или азот). Существует более 100 различных порошковых материалов.

Среди порошков различают самофлюсующиеся и термореагирующие порошки. Для самофлюсующихся обычно требуется дополнительная термообработка оплавлением ацетиен-кисородной горелкой.

Термореагирующие порошки используют для подслоя, увеличивающего прочность сцепления покрываемой поверхности и основного покрытия. Термореагирующими их называют в связи с тем, что исходная частица состоит из двух «склеенных» частичек разнородных материалов, которые при нагревании в газовой струе вступают в реакцию образования интерметаллида с выделением тепла, например, Ni-Al, Al-Fe и т.д.

Области применения: втулки переключения, ролики рольгангов, посадочные места подшипников, вентиляторы, роторы шнеков и т.д.

Газопламенное напыление пластиков

Газопламенное напыление пластиков отличается от других газопламенных технологий тем, что при этом способе пластик не имеет прямого контакта с ацетилен-кислородным пламенем. В центре газопламенного пистолета имеется подающее газопламенное сопло. Вокруг два кольцевых сопла.

Внутреннее для воздуха или инертного газа, внешнее кольцо для энергоносителя, ацетилен- кислородного пламени.

Процесс оплавления пластика происходит не прямо от пламени, а от нагретого воздуха и излучения.

Применение: перила, кирпичные трубопроводы, ёмкости для воды, садовая мебель, маркировка бассейнов и т.д.

Сверхзвуковое газопламенное напыление (HVOF)

При сверхзвуковом газопламенном напылении происходит постоянное горение газа при высоком давлении внутри камеры сгорания, на ось которой подаётся порошкообразный напыляемый материал.

Источником тепла при сверхзвуковом газопламенном напылении, как и в случае газопламенного напыления, служит теплота, выделяющаяся при горении различных топлив. Принципиальными отличиями являются:

• подача распыляемого материала в смесь газов до ее сгорания с последующим нагревом и ускорением в сверхзвуковом сопле;
• расход газов в 50–70 раз выше, чем при ГП, что резко увеличивает мощность пламени.

Оборудование для сверхзвукового газопламенного напыления имеет ряд особенностей по используемым газам, конструкции камер сгорания, соплового разгонного блока.

В зависимости от вида газа, используемого в качестве окислителя, различают:

• высокоскоростное газопламенное напыление с использованием кислорода, принято название HVOF по англоязычной терминологии (High Velocity Oxygen Fuel);
• cверхзвуковое газовоздушное напыление с использованием сжатого воздуха, принято название HVAF по англоязычной терминологии (High Velocity Air Fuel).

Различные конструкции имеют очень разные камеры сгорания. Если топливо и кислород предварительно смешивают перед поступлением в камеру сгорания, то потребуется меньший объем камеры, чем в случае раздельного ввода топлива и кислорода в камеру сгорания. В последнем случае камера сгорания служит также для смешивания газов перед началом сгорания. Кроме того, камера сгорания для более высокого давления будет тяжелее. Это может быть важным, если предусмотрена работа в составе системы робота, где возможна нестабильность соблюдения заданной геометрии из-за ускорений при обходе углов. Кроме того, в некоторых странах снабжение кислородом ограничено по давлению. Также чем выше температура сгорания, тем большее охлаждение требуется для камеры сгорания, что ведет к увеличению массы оборудования и затрат на вспомогательное оборудование для охлаждения.

Камера сгорания, а также разгонный блок нуждаются в охлаждении, так как температуры пламени для горения с кислородом превышают в большинстве случаев 3 000 К. Таким образом, значительная часть теплоты сгорания топлива расходуется на охлаждение, в некоторых устройствах выше 20%.

После сгорания газообразные продукты сгорания расширяются и ускоряются в сопловом разгонном блоке до высоких скоростей. Сопло имеет в большинстве современных конструкций сужающую и расширяющую части для ускорения газов сгорания до сверхзвуковых скоростей. Следует отметить, что для ускорения газов давление по крайней мере до скорости звука необходимо давление, более чем в два раза превышающее атмосферное. Еще более высокое давление в камере требуется для ускорения газов до сверхзвуковых скоростей.

В качестве параметра высоких скоростей газа используется так называемое число Маха. Это отношение локальной скорости газа к локальной скорости звука. Конструкции сопел HVOF/HVAF-пистолетов обеспечивают число Маха выше 2. Хотя газ и остывает после выхода из камеры сгорания, его температура на выходе из сопла все еще около 2 000 °C, если произошло сгорание с кислородом. Конечно, это в некоторой степени зависит от давления и состава топлива и кислорода в камере сгорания и интенсивности охлаждения внутри пистолета-распылителя.

Последние разработки систем распыления HVOF направлены преимущественно на оптимизацию горения, сводя к минимуму расход топлива и повышая скорости частиц (. Существенное увеличение эффективности и скорости частиц может быть получено при увеличении давления в камере сгорания. Однако такие возможные применения ограничены по безопасности при использовании горючей смеси.

Применение: поверхности скольжения в парогенераторах, вальцы фотоиндустрии, детали нефтехимического и химического оборудования, например, насосы, шиберы, шаровые краны, механические уплотнения и т.д.

Детонационное напыление

Напыление ударом пламенем является прерывистым периодическим процессом напыления. Так называемые детонационные пушки состоят из выходной трубы, на конце которой находится камера сгорания. В неё вводится газопорошковая (ацетилен-кислород-порошок) смесь, поджигающаяся искрой.

Образующаяся в трубе ударная волна ускоряет напыляемые частицы. Они нагреваются во фронте пламени, ускоряются до высоких скоростей в направлении подготовленной детали. После каждой детонации производится очистка камеры и трубы азотом. Очень высокое качество покрытий оправдывает во многих случаях высокие финансовые расходы.

Применение: плунжеры насосов в газовых компрессорах или насосах, рабочее колесо в паровых турбинах, газовый компрессор или расширительная турбина, накатные вальцы бумажных машин или каландровые вальцы.

Плазменное напыление

При плазменном напылении порошок внутри или снаружи плазменного пистолета плавится плазменной струёй и ускоряется в направлении покрываемой детали. Плазма генерируется электрической дугой, горящей в аргоне, гелии, азоте, водороде или их смеси. При этом происходит диссоциация и ионизация газов, они приобретают высокую скорость на выходе, и при рекомбинации отдают своё тепло напыляемым частицам.

Электрическая дуга горит между центральным катодом и водоохлаждаемым анодом. Этот способ используется при нормальной атмосфере, в защитном газе (например, аргоне), в вакууме и под водой.

При соответствующем профилировании сопла возникает также сверхзвуковая плазма.

Применение: авиа- и космическая промышленность (например, лопатки турбин, плоскости входа) медицина (имплантанты), термобарьерное покрытие.

Лазерное напыление

При лазерном напылении порошок вводится в лазерный луч через соответствующее сопло. Лазерным лучом порошок и малая часть подложки (микроны) плавятся, металлургически соединяются. Для защиты сварочной ванны служит защитный газ.

Примерами применения этой технологии могут быть локальное покрытие штампов, гибочный инструмент, гильотина.

Электродуговая металлизация

При электродуговой металлизации две проволоки одинаковые или разные по составу плавятся электрической дугой, горящей между ними, и распыляющим (диспергирующим) газом, например, воздухом ускоряется в направлении покрываемой детали. Электродуговая металлизация - процесс напыления с высокой производительностью, но пригоден только для распыления электропроводящих материалов. Перспективным является использование термореагирующих порошковых проволок.

При распылении азота или аргона окисление материалов не происходит.

Применение чрезвычайно широкое, например, покрытие ёмкостей, коррозионная защита металлоконструкций, восстановление изношенных деталей машин и механизмов и т.д.

Холодное (газодинамическое) напыление

Газодинамическое (холодное) напыление может рассматриваться как новый тип высокоскоростного напыления, когда кинетическая энергия газа увеличивается, а тепловая энергия понижается. При газодинамическом напылении возможно наносить покрытия практически без оксидов.

Порошок нагревается газовой струёй до 600 ⁰С, соответствующим давлением ускоряется до скорости более 1000 м/сек и наносится непрерывным потоком на покрываемую поверхность. Поток частиц может фокусироваться от сечения размером 1,5 х 2,5 до 7 х 12 мм. Производительность напыления составляет от 3 до 15 кг в час.

Лабораторные исследования показывают, что этим способом производятся покрытия с экстремально высокой адгезией и чрезвычайно плотные. В отличие от других способов газотермического напыления, при которых порошок нагревается до температуры плавления, при холодном напылении порошок нагревается всего на несколько сот градусов. Поэтому окисления порошка и покрытия не происходит, содержание окислов в покрытии ничтожное. Материал покрытия не подвергается изменениям из-за теплового воздействия.

Применение: автомобилестроение, коррозионная защита, электроника

Классификация способов газотермического напыления по источнику энергии для воздействия на распыляемый материал представлена на нижеследующем рисунке.

Производители оборудования для металлизации