Корзина
170 отзывов
+380506818071
Современные технологии получения газотермических покрытий
Контакты
Интернет-магазин сварочной техники "АБизнес"
Наличие документов
Знак Наличие документов означает, что компания загрузила свидетельство о государственной регистрации для подтверждения своего юридического статуса компании или физического лица-предпринимателя.
+38050681-80-71Юрий
+38067585-85-83Роман
+38063855-41-12Марина
+38057780-90-27
+38095501-44-08
Юрий Виталиевич
УкраинаХарьковская областьХарьковул. Василя Стуса (бывш. Механизаторская), 9А
sbyt2.abiznes, abiznes.don1, abiznes.don2
Карта

Современные технологии получения газотермических покрытий

Современные технологии получения газотермических покрытий

Газотермическое напыление – это комплекс методов нанесения функциональных, восстановительных и декоративных покрытий из широчайшего спектра материалов. Область их применения чрезвычайно обширна...

Газотермическим напылением называется комплекс современных, хорошо отработанных методов нанесения функциональных, восстановительных и декоративных покрытий из широчайшего спектра материалов. Область их применения чрезвычайно обширна – от реактивных двигателей и коленчатых валов до медицинских имплантантов и ободов велосипедных колес.

Под газотермическим напылением (Thermal Spray Coating) понимают совокупность процессов, при которых напыляемый материал расплавляется, диспергируется (распыляется) и переносится на обрабатываемую поверхность посредством газовой струи. При ударе о поверхность, частица напыляемого материала мгновенно остывает (скорости охлаждения могут достигать миллиона градусов в секунду) и деформируется, плотно сцепляясь с ней. Из-за этого, газотермические покрытия имеют ленточную или планарную ультрамелкозернистую микроструктуру. Покрытие также может содержать поры, а в случае напыления металлов – частицы их оксидов и нитридов.

Напыляться могут как металлы и сплавы, так и неметаллические соединения, карбиды, оксиды, стекла, керамики и полимеры, а также композиционные материалы. В принципе, данным способом можно напылить любой материал, который не разлагается при нагреве до температуры плавления. В роли подложки могут выступать металлы, керамики, древесина или пластмассы.

Нанесение газотермических покрытий практикуется в промышленности около 100 лет, однако за последние 20 лет в данной области произошли существенные изменения, выдвинувшие эти технологии на новый уровень возможностей. Подобные изменения были вызваны усовершенствованием технологического оборудования и технологии производства исходных материалов для напыления, внедрением новейших систем автоматизации и контроля качества.

Изобретателем газотермического метода напыления был Макс Ульрих Шооп. Распыляя свинец с помощью стационарной тигельной установки, он получал покрытия на различных материалах. На основе его технологии в Цюрихе в 1909 г. был открыт завод по металлизации. В 1913г. Ульрих Шооп усовершенствовал и запатентовал конструкцию газопламенного распылителя, где материал для распыления подавался в пламя газовой горелки в виде проволоки. Плотность покрытий, полученных Шоопом составляла 85-90 % плотности компактного материала. В 1918 г. он с сотрудниками разработал электродуговой распылитель, позволяющий эффективно наносить покрытия из металла. Метод нанесения покрытий через распыление стали назвали по имени изобретателя технологии шоопированием. В 1921г. Ульрих Шооп запатентовал технологию металлопорошкового газопламенного распыления.

Источники тепла
Химическая реакция горения Электрическая дуга

Газопламенное напыление

Высокоскоростное напыление

Детонационное напыление

 

Электродуговая металлизация

Плазменное напыление

 

Процессы газотермического напыления принято классифицировать по природе источника тепловой энергии (см. табл.) В установках газопламенного, высокоскоростного и детонационного напыления, источником энергии является тепло, выделяемое при химической реакции горения топливного газа. В процессах электродугового и плазменного напыления, источником энергии является электрическая дуга. Рассмотрим подробнее каждый из методов газотермического напыления.

Газопламенное напыление (Combustion Flame Spraying)

Газопламенное напыление осуществляется с помощью специальной горелки, в которую вдувается воздух (или кислород) и горючий газ (ацетилен, пропан, водород или др.) В зону горения подается напыляемый материал, который расплавляется пламенем горелки, распыляется и переносится газовой струей на обрабатываемую поверхность. Процессы газопламенного напыления создают покрытия с относительно высокой пористостью (5-12 %) и невысокой адгезией к подложке. Это обусловлено малой скоростью газовой струи (около 50 м/с). Температура пламени ограничивает спектр материалов, которые могут быть распылены газопламенным способом.

Напыляемый материал может подаваться в распылитель в виде стержня, проволоки, порошка или шнура. Металлические материалы, как правило, используются в виде гибких проволок, что очень удобно и обеспечивает непрерывность процесса. Керамические материалы – в виде порошков или специальных спеченных прутков. Существенным недостатком при использовании прутков является нарушение непрерывности процесса.

При использовании для напыления многокомпонентных порошков, возможно нарушение однородности свойств покрытия, вызванное сегрегацией (расслоением) порошков. Данная проблема устраняется использованием гибких шнуровых материалов, состоящих из того же порошка, удерживаемого гибкой связкой. При распылении материал связки полностью испаряется и на подложку оседает только материал порошка.

Основными достоинствами газопламенного напыления, обеспечившими ему широкое распространение, являются простота и надежность оборудования, а также мобильность. Данный метод может использоваться в полевых условиях (на трассе). Технологии газопламенного напыления с успехом применяются для ремонта и восстановления геометрии деталей, не испытывающих серьезных нагрузок.

Плазменное напыление (Plasma Spraying)

При данном способе напыления, источником энергии является электрическая дуга, поджигаемая между двумя электродами. Через область горения дуги продувается инертный газ (как правило, аргон с добавками азота или водорода), который ионизируется и образует плазму. Температура плазмы в области дуги достигает 15000°С. В струю плазмы подается порошок напыляемого материала, который расплавляется и переносится на обрабатываемую поверхность. Несмотря на высокие температуры в зоне горения дуги, обрабатываемая поверхность не испытывает сильного нагрева, так как при выходе из области дуги температура резко падает.

Плазменным напылением получают покрытия из никелевых и железных сплавов, карбидов, нитридов, боридов. Чрезвычайно высокая температура плазмы позволяет напылять данным способом огнеупорные керамики, содержащие оксиды алюминия и циркония, и другие тугоплавкие материалы, не поддающиеся распылению другими способами.

К достоинствам плазменного распыления относятся также гибкость, возможность регулирования физико-механических свойств получаемого покрытия и универсальность, позволяющая напылять практически любые материалы и их сочетания, в том числе и получать многослойные композиционные покрытия.

Оборудование для плазменного напыления сложнее, чем для газопламенного, так как включает в себя газовую и электроаппаратуру.

В настоящее время интенсивно исследуются и разрабатываются новые методы плазменного напыления. В особо ответственных случаях для достижения высокой адгезии и плотности покрытий, плазменный процесс проводят в вакуумной камере при пониженном давлении или в атмосфере инертного газа. Уменьшение давления приводит к увеличению скорости частиц, что позволяет получать более плотные покрытия. Проведение процесса в атмосфере инертного газа исключает взаимодействие распыляемого материала с кислородом, что дает возможность напылять химически активные материалы, например, дисилицид молибдена, интерметаллиды. Такие покрытия могут обладать высокой твердостью и химической стойкостью при повышенных температурах.

Еще одной перспективной модификацией плазменного метода является процесс, при котором струя напыляемого материала окружается струей инертного газа с целью исключения взаимодействия напыляемых частиц с кислородом. Преимущества данного метода те же, что и при проведении процесса в инертной атмосфере.

Процессы плазменного напыления применяются для создания высококачественных функциональных покрытий в самых разнообразных областях техники – в автопромышленности и авторемонте, машиностроении, аэрокосмической технике, электротехнической и химической промышленности, в производстве медицинской и бытовой техники.

Детонационное напыление (Detonation Gun, D-Gun)

Установка для детонационного напыления напоминает пулемет, стреляющий порциями разогретого порошка. В замкнутую камеру сгорания, к которой прикрепляется ствол, подается смесь кислорода и горючего газа, ствол направляют на напыляемую поверхность. Через загрузочное отверстие в камеру подается порошок. Смесь поджигается электрической искрой и взрывается. Раскаленные частицы вместе с продуктами сгорания вылетают на обрабатываемую поверхность. Температура частиц в момент удара достигает 4000 °С. Частота выстрелов – 3-4 в секунду.

Из-за высокой скорости вылета частиц, покрытия, полученные детонационным напылением, обладают высокой прочностью, твердостью и износостойкостью. Детонационным напылением создают покрытия из металлокерамики: карбидов вольфрама, титана и кобальта, нитридов титана и бора, окиси алюминия.

Недостатком метода является неоднородность получаемого покрытия и сложность технологического оборудования.

Высокоскоростное напыление (High Velocity Oxygen Fuel, HVOF)

Технологии высокоскоростного напыления по праву считаются наиболее современными газотермическими методами.

Принципиально, методы HVOF ничем не отличаются от газопламенных, однако, благодаря особенностям конструкции горелки, в них достигаются очень высокие скорости распыления.

Существуют разнообразные реализации идеи высокоскоростного напыления. Например, один из вариантов включает камеру сгорания и длинное цилиндрическое сопло, охлаждаемые водой. В камеру под высоким давлением вдуваются кислород и горючий газ. Строго по оси горелки подается порошок напыляемого материала. Смесь расплавленных частиц порошка и продуктов сгорания газов, проходя через сопло, разгоняется до сверхзвуковой скорости и вылетает в направлении подложки. У систем HVOF первого поколения, давление в камере сгорания составляло 0,3-0,5 МПа, скорость вылета частиц достигала 450 м/с. Для дальнейшего ускорения вылетающих частиц, давление в камере повышают до 1-1,5 МПа, в конструкцию пушки вводят сопло Лаваля. Скорости вылета частиц при этом превышают 1000 м/с.

Покрытия, полученные высокоскоростным методом характеризуются значениями плотности, достигающими 99 % плотности компактного материала, и низким уровнем остаточных напряжений. Поскольку наличие последних является главным фактором, ограничивающим толщину покрытия, HVOF-напыление позволяет получать покрытия значительно большей толщины по сравнению с газопламенным напылением. По эксплуатационным характеристикам высокоскоростные покрытия превосходят покрытия, полученные детонационным напылением. В ряде приложений, процессы HVOF постепенно вытесняют плазменное напыление.

Ввиду того, что падающие частицы обладают очень большой кинетической энергией, для формирования высококачественных покрытий не требуется их расплавление, что делает данный процесс единственно приемлемым в ряде случаев, например, при напылении металлокерамики.

Технологии HVOF-напыления являются непревзойденными для восстановления и продления ресурсов деталей, испытывающих высокий коррозионно-эрозионный износ, кавитацию, благодаря высокой плотности и износостойкости получаемых покрытий.

В развитых странах, высокоскоростное напыление практически полностью вытеснило методы вакуумного напыления и позволило отказаться от крайне неэкологичных гальванических покрытий.

Электродуговое напыление (Arc Spraying)

Электродуговое напыление – один из наиболее экономичных методов напыления покрытий, характеризующийся низким энергопотреблением и высокими скоростями напыления. Источником нагрева, как и в случае плазменного напыления, является электрическая дуга. В данном случае, дуга зажигается между двумя проволоками из напыляемого материала, которые подаются в зону распыления с постоянной скоростью. Температура в зоне дуги может превышать 5000°С. Диспергирование расплавленного материала и доставка его на обрабатываемую поверхность производится струей сжатого газа, как правило – воздуха.

Так как напыляемый материал выступает в роли электрода, этим методом можно распылять только электропроводящие материалы (металлы и сплавы), поэтому его иногда называют электродуговой металлизацией.

Достоинствами электродугового напыления являются его простота, экономичность и высокая производительность (до 45 кг/час).

Этот процесс широко используется для напыления антикоррозионных цинковых и алюминиевых покрытий, применяемых в судостроении, инфраструктуре городов, оборудовании сельскохозяйственных предприятий.

Существуют также современные электродуговые пушки, работающие в инертных атмосферах и использующие в качестве распыляющего газа азот или аргон. В этих установках получают покрытия из активных металлов, таких как титан и цирконий, для антикоррозионной защиты в химической промышленности.

Большое значение при нанесении любых типов газотермических покрытий имеет предварительная обработка напыляемой поверхности, включающая операции мойки, обезжиривания и абразивной струйной обработки. Предварительная обработка влияет на прочность сцепления напыляемого покрытия с подложкой. В ряде случаев, газотермические покрытия после напыления подвергают дополнительной обработке – оплавке, механической или физико-химической обработке и др., что позволяет улучшить адгезию и эксплуатационные характеристики изделия. Хорошие результаты дает применение газотермических покрытий поверх основных наплавленных слоев, имеющих, как правило, грубый поверхностный рельеф.

Процессы газотермического напыления получили широкое распространение благодаря ряду существенных преимуществ по сравнению с другими методами нанесения покрытий. К ним относятся:

  • возможность нанесения покрытий на объекты практически любых размеров и форм;
  • широчайший спектр напыляемых материалов и подложек;
  • нанесение газотермических покрытий не вызывает значительного разогрева обрабатываемых поверхностей;
  • отсутствуют температурные деформации напыляемых деталей;
  • отсутствие структурных изменений в материале обрабатываемой детали;
  • высокая экономическая эффективность и экологичность.

Безусловно, описанные процессы следует отнести к ресурсосберегающим, поскольку они продлевают срок эксплуатации оборудования, позволяют восстанавливать изношенные узлы, а не заменять их новыми. Применение функциональных покрытий дает возможность экономить дорогостоящие материалы, изготавливая основной объем детали из более дешевого металла.

Внедрение в производство современных автоматизированных процессов газотермического напыления позволяет выпускать продукцию с высокими эксплуатационными свойствами, отвечающими требованиям современных технологий.

facebook twitter

Толмачев И.Д.

Предыдущие статьи