Сучасні технології отримання газотермічних покриттів

Газотермічним напиленням називається комплекс сучасних, добре відпрацьованих методів нанесення функціональних, відновлювальних і декоративних покриттів з найширшого спектру матеріалів. Область їх застосування надзвичайно велика – від реактивних двигунів і колінчастих валів до медичних імплантантів і ободів велосипедних коліс.
Під газотермічним напиленням (Thermal Spray Coating) розуміють сукупність процесів, при яких напилюваний матеріал розплавляється, диспергується (розпорошується) і переноситься на оброблювану поверхню за допомогою газового струменя. При ударі об поверхню, частка напилюваного матеріалу миттєво охолоджується (швидкості охолодження можуть сягати мільйона градусів в секунду) і деформується, щільно зчеплені з нею. З-за цього, газотермічні покриття мають стрічкову або планарную ультрамелкозернистую мікроструктуру. Покриття також може містити пори, а в разі напилення металів – частинки їх оксидів і нітридів.
Напыляться можуть як метали і сплави, так і неметалеві сполуки, карбіди, оксиди, скла, кераміки і полімери, а також композиційні матеріали. В принципі, цим способом можна напилити будь-який матеріал, який не розкладається при нагріванні до температури плавлення. У ролі підкладки можуть виступати метали, кераміка, деревина або пластмаси.
Нанесення газотермічних покриттів практикується в промисловості близько 100 років, проте за останні 20 років у цій області відбулися суттєві зміни, що висунули ці технології на новий рівень можливостей. Подібні зміни були викликані удосконаленням технологічного обладнання і технології виробництва вихідних матеріалів для напилення, впровадженням новітніх систем автоматизації та контролю якості.
Винахідником газотермічного методу напилення був Макс Ульріх Шооп. Розпорошуючи свинець з допомогою стаціонарної тигельної установки, він отримував покриття на різних матеріалах. На основі його технології в Цюріху в 1909 р. був відкритий завод з металізації. У 1913р. Ульріх Шооп удосконалив і запатентував конструкцію газополум'яного розпилювача, де матеріал для розпилення подавався в полум'я газового пальника у вигляді дроту. Щільність покриттів, отриманих Шоопом становила 85-90 % щільності компактного матеріалу. У 1918 р. він з співробітниками розробив електродугового розпилювач, що дозволяє ефективно наносити покриття з металу. Метод нанесення покриттів через розпорошення стали назвали по імені винахідника технології шоопированием. У 1921р. Ульріх Шооп запатентував технологію металлопорошкового газополум'яного розпилення.
Джерела тепла
Хімічна реакція горіння Електрична дуга
Газополум'яне напилення Високошвидкісне напилення Детонаційне напилення   Електродугова металізація Плазмове напилення
Процеси газотермічного напилення прийнято класифікувати за природою джерела теплової енергії (див. табл.) В установках газополум'яного, високошвидкісного та детонаційного напилення, джерелом енергії є тепло, що виділяється при хімічній реакції горіння паливного газу. У процесах електродугового та плазмового напилення, джерелом енергії є електрична дуга. Розглянемо докладніше кожний з методів газотермічного напилення.
Газополум'яне напилення (Combustion Flame Spraying)
Газополум'яне напилення здійснюється з допомогою спеціальної пальника, в яку вдувається повітря (або кисень) і горючий газ (ацетилен, пропан, водень або ін.) В зону горіння подається напилюваний матеріал, який розплавляється полум'ям пальника, розпорошується і переноситься газової струменем на оброблювану поверхню. Процеси газополум'яного напилення створюють покриття з відносно високою пористістю (5-12 %) та невисокої адгезією до підкладки. Це зумовлено малою швидкістю газового струменя (близько 50 м/с). Температура полум'я обмежує спектр матеріалів, які можуть бути розпорошені газополуменевим способом.
Напилюваний матеріал може подаватися в розпилювач у вигляді стрижня, дроту, порошку або шнура. Металеві матеріали, як правило, використовуються у вигляді гнучких дротів, що дуже зручно і забезпечує безперервність процесу. Керамічні матеріали – у вигляді порошків або спеціальних спечених прутків. Істотним недоліком при використанні прутків є порушення безперервності процесу.
При використанні для напилення багатокомпонентних порошків, можливе порушення однорідності властивостей покриття, викликане сегрегацією (розшаруванням) порошків. Дана проблема усувається використанням гнучких шнурових матеріалів, що складаються з того ж порошку, утримуваного гнучкої зв'язкою. При розпиленні матеріал зв'язки повністю випаровується і на підкладку осідає тільки матеріал порошку.
Основними достоїнствами газополум'яного напилення, що забезпечили йому широке поширення, є простота і надійність обладнання, а також мобільність. Даний метод може використовуватися в польових умовах (на трасі). Технології газополум'яного напилення з успіхом застосовуються для ремонту і відновлення геометрії деталей, не зазнають серйозних навантажень.
Плазмове напилення (Plasma Spraying)
При даному способі напилення, джерелом енергії є електрична дуга, поджигаемая між двома електродами. Через область горіння дуги продувається інертний газ (як правило, аргон з домішками азоту або водню), який іонізується і утворює плазму. Температура плазми в області дуги досягає 15000°С. В струмінь плазми подається порошок напилюваного матеріалу, який розплавляється і переноситься на оброблювану поверхню. Незважаючи на високі температури в зоні горіння дуги, оброблювана поверхня не відчуває сильного нагріву, так як при виході з області дуги температура різко падає.
Плазмовим напиленням отримують покриття з нікелевих і залізних сплавів, карбідів, нітридів, боридів. Надзвичайно висока температура плазми дозволяє напилювати даними способом вогнетривкі кераміки, що містять оксиди алюмінію та цирконію, та інші тугоплавкі матеріали, що не піддаються розпорошення іншими способами.
До достоїнств плазмового розпилення відносяться також гнучкість, можливість регулювання фізико-механічних властивостей одержуваного покриття і універсальність, що дозволяє напилювати практично будь-які матеріали і їх поєднання, в тому числі і одержувати багатошарові композиційні покриття.
Обладнання для плазмового напилення складніше, ніж для газополум'яного, так як включає в себе газову і електроапаратуру.
В даний час інтенсивно досліджуються і розробляються нові методи плазмового напилення. У особливо відповідальних випадках для досягнення високої адгезії і щільності покриттів, плазмовий процес проводять у вакуумній камері при зниженому тиску або в атмосфері інертного газу. Зменшення тиску призводить до збільшення швидкості частинок, що дозволяє отримувати більш щільні покриття. Проведення процесу в атмосфері інертного газу виключає взаємодію розпорошується матеріалу з киснем, що дає можливість напилювати хімічно активні матеріали, наприклад, дисилицид молібдену, інтерметаліди. Такі покриття можуть мати високу твердість і хімічну стійкість при підвищених температурах.
Ще однією перспективною модифікацією плазмового методу є процес, при якому струмінь напилюваного матеріалу оточується струменем інертного газу з метою виключення взаємодії напилюваних частинок з киснем. Переваги даного методу ті самі, що й при проведенні процесу в інертній атмосфері.
Процеси плазмового напилення застосовуються для створення високоякісних функціональних покриттів в самих різноманітних областях техніки – в автопромисловості і авторемонте, машинобудуванні, аерокосмічній техніці, електротехнічної та хімічної промисловості, у виробництві медичної і побутової техніки.
Детонаційне напилення (Detonation Gun, D-Gun)
Установка для детонаційного напилення нагадує кулемет, стріляючий порціями розігрітого порошку. У відкриту камеру згоряння, до якої прикріплюється стовбур, подається суміш кисню і пального газу, стовбур направляють на напыляемую поверхню. Через завантажувальний отвір в камеру подається порошок. Суміш підпалюється електричною іскрою і вибухає. Розжарені частинки разом з продуктами згоряння вилітають на оброблювану поверхню. Температура частинок у момент удару досягає 4000 °С. Частота пострілів – 3-4 в секунду.
З-за високої швидкості вильоту частинок, покриття, отримані детонаційним напиленням, володіють високою міцністю, твердістю і зносостійкістю. Детонаційним напиленням створюють покриття з металокераміки: карбідів вольфраму, титану і кобальту, нітридів титану і бору, окису алюмінію.
Недоліком методу є неоднорідність одержуваного покриття та складність технологічного обладнання.
Високошвидкісне напилення (High Velocity Oxygen Fuel, HVOF)
Технології високошвидкісного напилення по праву вважаються найбільш сучасними газотермическими методами.
Принципово, методи HVOF нічим не відрізняються від газополум'яних, проте, завдяки особливостям конструкції пальника, у них досягаються дуже високі швидкості розпилення.
Існують різноманітні реалізації ідеї високошвидкісного напилення. Наприклад, один з варіантів включає камеру згоряння і довге циліндричне сопло, охолоджувані водою. В камеру під високим тиском вдуваються кисень і горючий газ. Строго по осі пальника подається порошок напилюваного матеріалу. Суміш розплавлених частинок порошку і продуктів згоряння газів, проходячи через сопло, розганяється до надзвукової швидкості і вилітає в напрямку підкладки. У систем HVOF першого покоління, тиск у камері згоряння становило 0,3-0,5 МПа, швидкість вильоту частинок досягала 450 м/с. Для подальшого прискорення вилітають частинок, тиск в камері підвищують до 1-1,5 МПа, в конструкцію гармати вводять сопло Лаваля. Швидкості вильоту частинок при цьому перевищують 1000 м/с.
Покриття, отримані високошвидкісним методом характеризуються значеннями щільності, що сягають 99 % щільності компактного матеріалу, і низьким рівнем залишкових напружень. Оскільки наявність останніх є головним чинником, що обмежує товщину покриття, HVOF напилення дозволяє отримувати покриття значно більшої товщини в порівнянні з газополуменевим напиленням. За експлуатаційними характеристиками високошвидкісні покриття перевершують покриття, отримані детонаційним напиленням. В ряді програм, процеси HVOF поступово витісняють плазмове напилення.
Зважаючи на те, що падаючі частинки володіють дуже великою кінетичною енергією, для формування високоякісних покриттів не потрібно їх розплавлення, що робить даний процес єдино прийнятним у ряді випадків, наприклад, при напиленні металокераміки.
Технології HVOF напилення є неперевершеними для відновлення і продовження ресурсів деталей, що випробовують високий корозійно-эрозионный знос, кавітацію, завдяки високій щільності і зносостійкості одержуваних покриттів.
У розвинених країнах, високошвидкісне напилення практично повністю витіснило методи вакуумного напилення і дозволило відмовитися від вкрай неекологічних гальванічних покриттів.
Електродугове напилення (Arc Spraying)
Електродугове напилення – один з найбільш економічних методів напилювання покриттів, що характеризується низьким енергоспоживанням і високими швидкостями напилення. Джерелом нагрівання, як і у випадку плазмового напилення, є електрична дуга. В даному випадку, дуга запалюється між двома дротами з напилюваного матеріалу, які подаються в зону розпилення з постійною швидкістю. Температура у зоні дуги може перевищувати 5000°С. Диспергування розплавленого матеріалу і доставка його на оброблювану поверхню здійснюється струменем стисненого газу, як правило повітря.
Так як напилюваний матеріал виступає в ролі електрода, цим методом можна розпорошувати тільки електропровідні матеріали (метали і сплави), тому його іноді називають електродуговою металізацією.
Достоїнствами електродугового напилення є його простота, економічність і висока продуктивність (до 45 кг/годину).
Цей процес широко використовується для напилення антикорозійних цинкових і алюмінієвих покриттів, застосовуваних у суднобудуванні, інфраструктурі міст, обладнанні сільськогосподарських підприємств.
Існують також сучасні електродугові гармати, які працюють в інертних середовищах і використовують в якості розпилюючої газу азот або аргон. У цих установках отримують покриття з активних металів, таких як титан і цирконій, для антикорозійного захисту в хімічній промисловості.
Велике значення при завданні будь-яких типів газотермічних покриттів має попередня обробка напилюваної поверхні, що включає операції мийки, знежирювальні та абразивні струминної обробки. Попередня обробка впливає на міцність зчеплення напилюваного покриття з підкладкою. У ряді випадків, газотермічні покриття після напилення піддають додатковій обробці – оплавке, механічної або фізико-хімічної обробки та ін., що дозволяє поліпшити адгезію та експлуатаційні характеристики виробу. Хороші результати дає застосування газотермічних покриттів поверх основних наплавлених шарів, що мають, як правило, грубий поверхневий рельєф.
Процеси газотермічного напилення отримали широке розповсюдження завдяки ряду суттєвих переваг порівняно з іншими методами нанесення покриттів. До них відносяться:
можливість нанесення покриттів на об'єкти практично будь-яких розмірів і форм;
найширший спектр напилюваних матеріалів і підкладок;
нанесення газотермічних покриттів не викликає значного розігріву оброблюваних поверхонь;
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.
Впровадження у виробництво сучасних автоматизованих процесів газотермічного напилення дозволяє випускати продукцію з високими експлуатаційними властивостями, що відповідають вимогам сучасних технологій.