Газотермическое напыление: применение в технике и художественной обработке материалов

 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 [1].

 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, аэрокосмичекой технике, электротехнической и химической промышленности, в производстве медицинской и бытовой техники [1].

 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 [1].

 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  требуетсяих 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 [1].

 

 

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 [1].

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 (рис.3). Внедрение в производство современных автоматизированных процессов газотермического напыления позволяет выпускать продукцию с высокими эксплуатационными свойствами, отвечающими требованиям современных технологий [4].

 

     

 

     

 

     

Рисунок 3. Процесс газотермического напыления.

Сравнение методов

Высокоскоростное газопламенное напыление широко применяется для создания плотных металлических и металлокерамических покрытий;

Детонационное напыление — в силу дискретного характера напыления и малой производительности наиболее подходит для напыления покрытий для защиты и восстановления небольших участков поверхности;

Распыление с помощью плазмы обычно называют плазменным напылением. Энергозатратный метод, наиболее оправдано его применение для создания керамических покрытий из тугоплавких материалов;

Электродуговая металлизация энергетически более выгодна, однако позволяет напылять только металлические материалы. Как правило, используется для напыления антикоррозионных металлических покрытий на больших площадях;

Газопламенное напыление — недорогой во внедрении и эксплуатации метод, широко используемый для восстановления геометрии деталей и защиты от коррозии крупных объектов;

Напыление с оплавлением — метод, обеспечивающий металлургическую связь покрытия с основой. Применяется, если высокий нагрев при оплавлении не ведет к риску термических поводок детали либо такой риск считается оправданным [3].

 Преимущества и недостатки технологии напыления

 Преимущества технологии напыления

1) Возможность нанесения покрытий  на изделия, изготовленные практически  из любого материала. Напылением  можно наносить покрытия на  изделия, изготовленные не только из металла, но и из стекла, фаянса и фарфора, органических (включая дерево, ткань, бумагу, картон) и многих других материалов. Этим преимуществом не обладает ни один из известных способов поверхностной обработки, из которых одни пригодны только для металлов, а другие, хотя и обладают многими ценными преимуществами, применимы не для всех материалов [3].

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. При нанесении же металлопокрытия электролитическим осаждением, погружением в расплав или диффузионным насыщением (азотированием, цементацией и др.) возможности обработки изделия ограничены размерами ванны либо печи. Напыление приносит большие экономические выгоды в случае неприемлемости других способов упрочнения, например, когда необходимо нанести покрытие на часть большого изделия.

4) Возможность применения для увеличения размеров детали (восстановление и ремонт изношенных деталей машин). Во избежание выбраковки изделия, при механической обработке которого срезан излишний металл, или при реставрации деталей с большим износом, напыление, как и наплавку, можно использовать как способ восстановления размеров деталей. Напылением можно наносить слой толщиной в несколько миллиметров, тогда как при электролитическом хромировании, например, осуществляемом с целью повышения износостойкости, толщина слоя составляет 6…300 мкм.

5) Относительная простота конструкции  оборудования для напыления, его  малая масса, несложность эксплуатации  оборудования для напыления, возможность  быстро и легко перемещаться. В комплекте оборудования для  газопламенного напыления достаточно  иметь компрессор, который можно также использовать для предварительной пескоструйной обработки поверхности изделия, горелку для напыления и газовые баллоны. Если же имеется источник электроэнергии, то напыление можно проводить электрическими методами.

6) Возможность широкого выбора материалов для напыления. Для напыления можно использовать различные металлы, сплавы, соединения металлов с оксидами, пластмассы, различные химические соединения и их смеси. Возможно также нанесение многослойных покрытий разнородными материалами, что обеспечивает получение покрытий со специальными свойствами.

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. Напыление производят  на поверхность формы-оправки, которую  после окончания процесса удаляют: остается оболочка из напыленного материала.

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

10) Не требуется специальной  дорогостоящей обработки (очистки) продуктов, загрязняющих окружающую  среду, в отличие от средств очистки и нейтрализации при гальванических видах обработки изделий (таб. 1).

Недостатки технологии напыления

1) Малая эффективность нанесения  покрытий на мелкие детали  из-за низкого коэффициента использования  напыляемого материала (отношение массы покрытия к общей массе израсходованного материала). В таких случаях поверхностную обработку мелких деталей целесообразно осуществлять гальваническим, химическим, физическим и другими способами (например, диффузионным насыщением, электролитическим" из расплавов металлов и пр.).