Газотермическое напыление: применение в технике и художественной обработке материалов

2) Вредные условия работы операторов  во время предварительной обработки  поверхности изделий. Для предварительной  подготовки поверхности перед  напылением используют пескоструйную  или дробеструйную обработку  с помощью кварцевого песка, корунда, стальной или чугунной дроби. Эта операции сопровождается загрязнением рабочего участка и ухудшает условия работы оператора, обслуживающего установку.

3) Выделение дыма и аэрозолей  во время напыления. Процесс напыления  сопровождается образованием облака мельчайших частиц напыляемого материала, взаимодействие которых с окружающим воздухом сопровождается образованием различных соединений и дыма. Вредность соединений и дыма для здоровья людей требует мощных вытяжных устройств [3].

 

Таблица 1. Преимущества технологии напыления

Технологические особенности газотермических методов напыления. Классификация процессов газотермического напыления покрытий

В методах и технологии газотермического напыления имеется много общего. При малом числе методов встречается большое количество их разновидностей, называемых способами газотермического напыления покрытий. Обобщенная схема процесса газотермического напыления показана на рисунке 4.

 

1 - генератор напыляемых частиц;

2 - двухфазная струя;

3 - покрытие;

4 - напыляемое изделие;

5 - подача распыляемого материала;

6 - подача распыляющего газа.

Рисунок 4. Обобщенная схема процесса газотермического напыления покрытий.

Распыляемый материал в виде порошка, проволоки (шнуров) или стержней подают в зону нагрева. Различают радиальную и осевую подачу материала. Нагрев напыляемых частиц совмещают с распыляющим газом. Основное его назначение состоит в распылении и ускорении частиц в осевом направлении. В ряде методов напыления распыляющий газ выполняет и функцию нагрева.

В основу классификации процессов газотермического напыления покрытий положены следующие признаки:

Вид энергии. Различают методы с использованием электрической энергии (газоэлектрические методы) и методы, в которых тепловая энергия образуется за счет сгорания горючих газов (газопламенные методы).

Вид источника теплоты. Для нагрева распыляемого материала используют дугу, плазму, высокочастотные индукционные источники и газовое пламя. Соответственно этому установились названия методов напыления: электродуговая металлизация, плазменное напыление, высокочастотная металлизация, газопламенное напыление, детонационно-газовое напыление. Первые три метода относятся к газоэлектрическим, последние - к газопламенным.

Вид распыляемого материала. Применяют порошковые, проволочные (стержневые) и комбинированные способы напыления. При комбинированных способах используют порошковую проволоку.

Вид защиты. Известны способы напыления без защиты процесса с местной защитой и с общей защитой в герметичных камерах. При общей защите различают ведение процесса при нормальном (атмосферном) давлении, повышенном и при разрежении (в низком вакууме) [4].

Степень механизации и автоматизации процесса. При ручных способах напыления механизирована только подача распыляемого материала; механизированных - также и перемещение распылителя относительно напыляемого изделия. Часто используют движение напыляемых изделий относительно неподвижного распылителя. Уровень автоматизации процессов напыления зависит от конструкции установки. В простейших вариантах автоматизация отсутствует. В сложных комплексах возможна полная автоматизация процесса.

Периодичность потока. Большинство методов напыления осуществляется непрерывным потоком. Для некоторых методов возможно только циклическое ведение процесса. Покрытие формируется в импульсном режиме напыления, чередуемое паузами Газотермические методы напыления широко используют для нанесения покрытий различного назначения. В основном, это защитные покрытия, повышающие коррозионную стойкость изделий или снижающие износ рабочих поверхностей. На многие детали и узлы напыляют теплозащитные или электроизоляционные покрытия.

Параметры режима работы распылителя. Наибольшее влияние на эффективность процесса оказывает подводимая к распылителю энергия и расход распыляющего газа. Подводимая энергия реализуется в источник теплоты для нагрева распыляемого материала: дугу, непосредственно плавящую материал, плазму, газовое пламя и др. Степень использования энергии определяется значениями. Тепловая мощность источника нагрева определяет производительность процесса. Следует учитывать, что только часть тепловой мощности источника расходуется на нагрев распыляемого материала.

Расход распыляющего газа определяет скорость газового потока и, соответственно, его эффективность при распылении материала. С увеличением расхода возрастает скорость напыляемых частиц. При больших расходах распыляющего газа уменьшается температура напыляемых частиц, а их скорость может превысить допустимые значения.

Параметры распыляемого материала и условий его ввода. Наиболее важными параметрами являются: физико-химические свойства распыляемого материала, диаметр проволоки (стержней) и порошковых частиц, а также скорость их подачи в зону нагрева и распыления. Большое влияние на эффективность процесса оказывает характер ввода распыляемого материала. Например, осевая подача порошка в большинстве методов напыления более предпочтительна. При этом возрастает температура напыляемых частиц и их скорость. Существенно может быть также повышена компактность потока частиц.

Газотермическое напыление порошками производится с применением частиц диаметром 10…200 мкм. При увеличении размеров порошковых частиц для их прогрева требуется увеличение мощности распылителя. Аналогичное влияние оказывает повышение температуры плавления и снижение плотности порошка.

Тонкодисперсные порошки трудно вводить в распылитель. Кроме того, они обладают малой инерционностью. Металлические порошки легко окисляются на всю глубину. Скорость подачи порошка (массовый расход) выбирают из условия не существенного снижения энтальпии источника теплоты. Этот параметр определяется экспериментально по максимальному значению коэффициента использования материала Км.

В число параметров должна входить форма порошка, морфология при использовании композиционных порошков и др.

Параметры, характеризующие внешние условия напыления. Наиболее значимыми параметрами этой группы являются; дистанция напыления, угол напыления температура изделия в процессе нанесения покрытия, его форма и размеры, скорость перемещения пятна напыления и др.

С увеличением дистанции снижается температура и скорость напыляемых частиц вблизи поверхности напыления. Кроме того, возрастание длины пробега напыляемых частиц может быть связано с большими возможностями их окисления и насыщения газами. Продолжительность времени пребывания напыляемых частиц при переносе способствует завершению экзотермической металлотермической реакции. При этом достигается максимум значения энтальпии потока напыляемых частиц. С увеличением дистанции возрастает диаметр пятна напыления. Это позволяет получать покрытия более равномерные по толщине. Возрастание дистанции снижает вероятность перегрева напыляемых изделии.

Параметры распыляющей струи и потока напыляемых частиц. Эта группа параметров зависит от ранее рассмотренных и оказывает непосредственное влияние на эффективность напыления К ним относятся - температура, энтальпия и скорость газовой струи по оси и в сечениях, угол расхождения струи; температура, энтальпия и скорость потока частиц, особенно, вблизи поверхности напыления; угол расхождения и плотность потока частиц.

Газовая струя выполняет либо одну функцию, связанную только с распылением расплавленного материала, либо, чаще, две. Во втором случае газовая струя выполняет и функцию нагрева частиц. В обоих случаях скорость напыляемых частиц определяется скоростью газового потока. При нагреве высокотемпературной газовой струей важное значение имеет ее температура и энтальпия. Эффективность процесса возрастает с увеличением температуры напыляемых частиц. Поэтому необходимо стремиться к нагреву частиц до температуры' плавления и выше. При этом скорость частиц должна быть оптимальной и составлять 100…300 м/с. Недостаточная скорость частиц обусловливает - невысокие прочностные свойства покрытий и большое количество несплошностей. Высокие скорости недопустимы из-за повышенного разбрызгивания частиц при ударе. При формировании покрытий из нерасплавленных частиц, находящихся в вязкопластическом состоянии, необходимо стремиться к высоким скоростям, составляющим 800…1200 м/с. Благодаря этому будет обеспечена высокая эффективность процесса. Производительность в значительной мере определяется плотностью потока напыляемых частиц [3].

 

Виды установок напыления

 

1 - воздушное сопло;

2 - газовое сопло;

3 - пруток;

4 - направляющая трубка.

Рисунок 5. Схема проволочного распылителя.

Проволочный распылитель (см. рисунок 5) имеет распылительную головку, по оси которой подается проволока, пруток или шнур. Горелка с дополнительным воздушным соплом, предложенная М.М. Морозовым (см. рисунок 6), обеспечила интенсивный нагрев поверхности подаваемого материала за счет прижатия пламени к распыляемому материалу расширяющимся воздушным конусом [1].

Воздух дополнительно ускорял и дробил частицы материала.

1 - дополнительное воздушное сопло;

2 - воздушное сопло;

3 - газовое сопло.

Рисунок 6. Распылитель с двойным воздушным соплом.

 

1 - порошковый распылитель;

2 - проволочный распылитель;

3 - порошковый питатель;

4 - бухта проволоки на вращающемся  столе;

5 - ротаметры газовые;

6 - газовые баллоны;

7 - фильтр;

8 - ресивер;

9 - воздушный ротаметр;

10 - компрессор.

Рисунок 7. Схема универсальной установки газопламенного напыления.

На рисунке 7 представлена схема универсальной установки для газопламенного напыления. Фирма Norton Packо Industrial Ceramics (США) с 50-х годов специализируется на выпуске стержневых материалов для напыления керамики. В настоящее время фирма выпускает стержни из оксидов диаметром до 8 мм. Достоинством подачи керамики в виде стержней является гарантия проплавления материала, недостатком - прерывистость процесса, влияющая на качество поверхности покрытия. Лучший газопламенный стержневой распылитель УР-2А конструкции М.М. Коноплина был разработан в конце 50-х годов в ВИАМе. Распылитель имел дополнительное воздушное сопло, направляющее воздух в радиальном направлении в зону плавления керамического стержня, где осевая скорость частиц была невелика. "Загибающий" воздух дробил относительно крупные (100…160 мкм) расплавленные частицы на более мелкие (20…40 мкм) и направлял их под углом 45…50° к поверхности изделия. Дистанция напыления составляла 50 мм. Плотность покрытий из стержней со связующим на жидком стекле достигала 95%. Осевое расположение распылителя и малая дистанция напыления позволяли наносить покрытия на внутреннюю поверхность трубы диаметром 100 мм.

В отличие от иностранных и отечественных распылителей пистолетного типа оператор работал сидя, в удобной позе, держа распылитель на коленях.

Современный российский проволочный газопламенный распылитель типа MDP-115, с приводом от электродвигателя мощностью 150 Вт работает на проволоке диаметром 3…3.17 мм из различных материалов (коррозионно-стойкие и углеродистые стали, латуни, бронзы, баббиты, Al, Cu, Mo, Zn, Sn, Pb, сплавы на никелевой и кобальтовой основах) [2].

Производительность по цветным металлам - до 15 кг/ч, по стали и сплавам - до 9 кг/ч, расход кислорода - 50 л/мин, расход ацетилена или пропана - до 20 л/мин. Давление воздуха - 0,5 МПа. Масса распылителя - 4,1 кг. Он может комплектоваться автоматической установкой, оснащенной роботизированной системой, боксом и пультом дистанционного управления.

 

1 - газовое сопло;

2 - кольцевое пламя;

3 - покрытие;

4 - подложка;

5 - горючий газ;

6 - кислород;

7 - порошок.

Рисунок 8. Схема порошкового распылителя.

Порошковый распылитель схематично представлен на рисунке 6. Порошковая струя окружена кольцом пламени. При перемешивании струй пламени и газопорошковой взвеси происходит теплообмен. Частицы нагреваются до температуры плавления и переносятся на подложку. Порошковые установки предназначены для напыления легкоплавких материалов - цинка, термопластичных пластмасс (температура плавления до 800°С), и для напыления тугоплавких материалов, имеющих температуру плавления до 2050° С, но в основном - для нанесения самофлюсующихся материалов [1].

 

Применение

Как правило, ГТН применяют для создания на поверхности деталей и оборудования функциональных покрытий — износостойких, коррозионно-стойких, антифрикционных, антизадирных, теплостойких, термобарьерных, электроизоляционных, электропроводных, и т. д. Материалами для напыления служат порошки, шнуры и проволоки из металлов, металлокерамики и керамики. Некоторые из методов газотермического напыления являются альтернативой методам гальванической, химико-термической обработки металлов, плакирования, другие — методам покраски, полимерным покрытиям. Ещё одно распространенное применение ГТН — ремонт и восстановление деталей и оборудования. С помощью напыления можно восстановить от десятков микрон до миллиметров металла. Особенностями технологии являются:

Возможность нанесения покрытий из различных материалов (практически любой плавящийся материал, который можно подать как порошок или проволоку);

Отсутствие перемешивания материала основы и материала покрытия;

Невысокий (не более 150°С) нагрев поверхности при нанесении покрытия;

Возможность нанесения нескольких слоев, каждый из которых несет свою функцию (например, стойкий к высокотемпературной коррозии +термобарьерный);

Легкость обеспечения защиты работников и окружающей среды при нанесении (с помощью воздушных фильтров) [2].

 

 

Заключение

Газопламенное напыление за длительный период применения подвергалось существенным усовершенствованиям как по линии модернизации оборудования, так и в направлении улучшения качества напыляемых материалов. В настоящее время газопламенное напыление используют для нанесения покрытия из керамических тугоплавких материалов. Газопламенный метод находит широкое применение в технике для напыления и последующего оплавления покрытий из самофлюсующихся сплавов на основе никеля и кобальта. Таким образом процессы напыления 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 [1].