Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Публикации для людей, интересующихся наукой и техникой

Газотермические покрытия

Суть процессов газотермического нанесения покрытий состоит в образовании направленного потока дисперсных частиц напыляемого материала, обеспечивающего перенос их на поверхность обрабатываемого изделия и формирование слоя покрытия.

Покрытие создается за счет адгезии, возникающей при соударении частиц на поверхности основания. Эти частицы представляют из себя порошок или могут быть получены расплавлением и газовым дроблением исходного материала (проволока, стержни, пластифицированная масса). Ускорение частиц приобретают в различных высокотемпературных газовых средах. Нагрев напыляемого материала проводят для повышения пластичности и адгезионной способности частиц.

Газотермические покрытия наносят с целью защиты поверхности от износа и высокой температуры. Большинство способов этого покрытия являются универсальными. Классификацию технологий газотермического напыления по форме напыления материала (рис. 1).

Классификация способов газотермического напыления по форме напыляемого материала

Рис. 1. Классификация способов газотермического напыления по форме напыляемого материала

Схема процесса газотермического напыления показана на рис. 2. Распыляемый материал в виде порошка, проволоки или стержней подается в зону нагрева. Различают радиальную и осевую подачу материала. Нагретые частицы распыляют газом, основное назначение которого - ускорение напыляемых частиц в осевом направлении, но наряду с этим он может выполнять и другие функции. При подаче в зону нагрева проволоки или стержней распыляющий газ диспергирует расплавленный материал, в ряде методов напыления он выполняет и функцию нагрева.

Схема процесса газотермического напыления покрытий

Рис. 2. Схема процесса газотермического напыления покрытий

(φ – угол расхождения потока; α – угол встречи потока с поверхностью напыления; dn н – диаметр пятна напыления;

tи – температура напыляемого изделия; l – перекрытие проходов; L – дистанция напыления; Lн – начальный участок;

L0 – основной участок струи): 1 – сопловая часть генератора частиц; 2 – двухфазная струя;

3 – покрытие; 4 – элемент поверхности напыления

Частицы, поступающие на поверхность формирования покрытия, должны обеспечивать образование прочных межатомных связей в процессе сочленения, для чего необходим их нагрев и соответствующая скорость. Температура частиц обусловливает термическую активацию в области контакта, а скорость частиц при ударе о поверхность создает условия для механической активации поверхностного контакта. При высоких скоростях частиц в момент их ударения часть кинетической энергии преобразуется в тепловую.

Методы газотермического напыления классифицируют:

  • по видам энергии;
  • по видам источника теплоты;
  • по видам распыляемого материала;
  • по видам защиты;
  • по степени механизации и автоматизации;
  • по периодичности потока частиц.

По виду энергии различают методы с использованием электрической энергии и методы, в которых тепловая энергия образуется за счет сгорания горючих газов.

Для нагрева распыляемого материала используют источника теплоты: дугу, плазму, высокочастотные разряды и газовое пламя. Соответственно этому методы напыления называют: электродуговая металлизация, плазменное напыление, высокочастотная металлизация, газопламенное напыление, детонационно-газовое напыление. Первые три метода относятся к газоэлектрическим, последние - к газопламенным.

Распространены сейчас методы напыления по виду защиты: без защиты процесса, с местной защитой и с общей защитой в герметичных камерах.

Степень механизации и автоматизации процесса

При ручных способах напыления механизирована подача наносимого материала. В механизированных способах предусмотрено также перемещение распылителя относительно напыляемого изделия. Зачастую используют движение напыляемых изделий относительно неподвижного распылителя. Большинство методов напыления осуществляется непрерывным потоком частиц. Для некоторых методов возможно только циклическое ведение процесса.

Параметры распыляемого материала и условий его ввода

Одни из ключевых параметров распыляемого материала следующие: физико-химические свойства распыляемых материалов, диаметр проволоки и порошковых частиц и скорость их подачи в зону нагрева и распыления.

При газотермическом напылении используют проволоку диаметром 0,5 - 5 мм, подача проволоки 2 - 10 мм/с. Для напыления порошками применяют порошки с частицами диаметром 10 - 200 мкм. С увеличением размеров частиц для их прогрева нужно повысить мощности распылителя.

Структура газотермических покрытий

Послойное напыление материала происходит в ходе методичного наложения друг на друга отдельных частиц (рис. 3). Нанесённые слои обычно формируют частицы размером 10…150 мкм, которые могут иметь различную скорость и агрегатное состояние. Поэтому материал покрытия характеризуется высокой степенью неоднородности, слоистым строением и высокой пористостью.

Удары частиц о твердую подложку сопровождаются её деформацией. Процессы удара и деформации происходят одновременно с затвердеванием частицы. При максимальной производительности напыления покрытие имеет чешуйчатую структуру.

Формирование газотермических покрытий происходит многостадийно:

  • формирование напыляемого материала представляет собой сближение частицы и подложки до расстояния межатомного взаимодействия;
  • образование химической связи между атомами в результате обмена электронами;
  • происходит объемное взаимодействие, которое лимитируется временем поддержания в зоне контакта высоких температур.

Химические и тепловые процессы, происходящие на всех стадиях взаимодействия частицы с подложкой определяют уровень сцепления материала покрытия с основанием.

Схема формирования газотермического покрытия

Рис. 3. Схема формирования газотермического покрытия

Напыляемый материал состоит из структурных элементов: зерно, частица, слой. Из-за высоких скоростей кристаллизации в газотермических покрытиях можно получить области с аморфной структурой. На поверхности происходит адсорбция газов и осаждение пылевидной фракции. Кислород, содержащийся в покрытиях, сильно повышает значения твердости напыленного материала. Поры, заполненные газами, и конденсат отрицательно сказываются на распределении и уровне остаточных напряжений в покрытиях.

Газопламенное напыление

При этом способе нанесения покрытий используется тепло, выделяющееся при сгорании: ацетилена, пропан- бутана, водорода, метана, природного газа в смеси с кислородом или сжатым воздухом (рис. 4). Температура продуктов сгорания горючих газов достигает 3000℃, поэтому предпочтительно использовать, в виду наибольшей эффективности теплового потока ацетиленокислородное пламя. Газ при вытекании в неограниченное пространство, заполненное воздухом или другим газом, образует струю, называемую факелом.

Периферийные участки струи вовлекают в движение воздух или другой газ из окружающей среды. По мере увеличения движущей массы и снижения ее скорости сечение струи непрерывно увеличивается, и вся струя приобретает форму расширяющегося конуса. Угол раскрытия струи равен 25℃.

Схема процесса газопламенного нанесения покрытий из порошковых материалов

Рис. 4. Схема процесса газопламенного нанесения покрытий из порошковых материалов:

1 - газовое пламя; 2 - подача порошка; 3 - подача сжатого воздуха;

4 - подвод горючей смеси газов

Температура горючего газа ацетилена достигает 3200℃, а скорость истечения 150-160 м/с. Попадая в струю, частицы порошка расплавляются или становятся пластичными и приобретают скорость около 80 м/с. Скорость полета частиц порошка зависит от соотношения кислорода и горючего газа в смеси, расхода обдувающего газа, расстояния от среза сопла, расхода вводимого в пламя порошка и его плотности.

Преимущества газопламенного напыления покрытий:

  • возможность получения покрытий из большинства материалов, плавящихся при температуре до 3000℃;
  • высокая производительность процесса при высоком коэффициенте использования материала;
  • низкий уровень шума и световых излучений;
  • простота обслуживания, невысокие стоимость и мобильность оборудования.

Недостатки газопламенного способа напыления:

  • ограничение напыляемых материалов по температуре плавления;
  • недостаточная прочность сцепления покрытий с основой;
  • высокая пористость покрытий, препятствующая их применению в коррозионных средах без дополнительной обработки;
  • невысокий коэффициент использования энергии газопламенной струи на нагрев порошкового материала.

Плазменное напыление

Плазменный способ является наиболее универсальным процессом газотермического напыления. Суть процесса заключается в формировании на поверхности детали слоя из частиц, обладающих определенным запасом тепловой и кинетической энергии, полученной в результате взаимодействия с плазменной струей. Температура плазменной струи достигает 5000℃, а скорость истечения 1000 м/с.

В плазменной струе частицы приобретают скорость 50-200 м/с. Скорость полета частиц зависит от их размера, плотности материала, силы тока дуги, природы и расхода плазмообразующего газа.

Плазменные струи получают в плазмотронах. Плазмотрон состоит из водоохлаждаемых катода, анода и разделяющего их изолятора. Плазмообразующий газ (аргон, азот высокой чистоты, гелий, водород и др.) подается в электрическую дугу, возникающую между стержневым катодом и кольцевым анодом (соплом), нагревается и в виде плазменной струи вытекает из сопла. Распыляемый материал вводится в плазменную струю в виде порошка или проволоки за анодным пятном.

При плазменном напылении порошок вдувается транспортным газом в плазменную струю непосредственно через специальные отверстия плазмотрона.

Преимуществами способа являются:

  • получение покрытий без ограничения по температуре плавления;
  • способ использования для образования струи дуговой плазмы газов различного рода: аргона, гелия, водорода, азота, аммиака, природного газа, водяного пара;
  • возможность гибкого регулирования электрического и газового режимов работы плазмотрона, в том числе в процессе нанесения покрытия, что позволяет управлять энергетическими характеристиками напыляемых частиц и условиями формирования покрытия;
  • высокая производительность процесса для плазмотронов с электрической мощностью 30-40 кВт;
  • достаточно высокий коэффициент использования порошка 80%.

Недостатками способа:

  • низкая прочность сцепления покрытий с подложкой;
  • высокая пористость получаемых покрытий;
  • невысокий коэффициент полезного использования энергии плазменной струи на нагрев порошка;
  • большой уровень шума и излучения;
  • высокая стоимость оборудования.

Электродуговая металлизация

Идея процесса электрометаллизационного напыления состоит в плавлении проволоки электрической дугой и распылении расплавленного металла сжатым воздухом.

При электродуговой металлизации (рис. 5) к проволокам из напыляемого материала 1 подается напряжение от источника постоянного сварочного тока и возбуждается электрическая дуга. В дуговой промежуток через сопло 2 подается сжатый воздух, который переносит расплавленный металл проволоки в виде мелких капель к поверхности напыляемого изделия. Деталь обычно находится на расстоянии 20 см от сопла. Часто помимо сжатого воздуха используют аргон, что позволяет избежать окисления напыляемого материала и улучшить качество покрытия.

Схема электродуговой металлизации

Рис. 5. Схема электродуговой металлизации:

1 - проволока; 2 - сопло для подачи сжатого воздуха; 3 – распыляемые частицы

Дуговая металлизация на порядок превосходит газопламенное напыление, позволяющий получать покрытия с более лучшей адгезией.

Недостатками данного процесса являются:

  • возможность перегрева и окисления напыляемого материала;
  • формирование покрытий с большим количеством окислов и высокой пористостью;
  • низкая для ряда условий эксплуатации прочность сцепления покрытий с подложкой;
  • значительные потери распыляемого материала из-за большого конуса распыла.

Детонационный способ напыления

Данный способ и разгон частиц напыляемого материала осуществляется за счет сил продуктов детонации газовой смеси. Скорость распространения детонационной волны составляет примерно 4000 м/с, а температура 5500℃. Этим достигается скорость частиц 500-1000 м/с.

Устройство для напыления (рис. 6) представляет собой канал круглого или прямоугольного сечения, закрытый с одного конца. В канал через специальные механизмы подается горючий газ и порошок. Для воспламенения используют запалы 3, которые расположены около закрытого торца.

Схема детонационного напыления

Рис. 6. Схема детонационного напыления:

1 - подача азота; 2 - подача горючей смеси;

3 - блок инициирования взрыва; 4 - подача порошка

Рабочий цикл детонационного канала состоит из следующих процессов:

  • заполнение камеры горючим газом;
  • подача напыляемого порошка;
  • воспламенение и сгорание горючей смеси, которые приводят к возникновению детонационной волны;
  • формирование потока частиц;
  • выход продуктов детонации за пределы канала и разряжение ударной волны;
  • образование на обрабатываемой поверхности единичного пятна напыления;
  • заполнение канала флегматизирующим газом для удаления продуктов горения.

В качестве рабочих газов используют: азот, кислород, ацетилен, пропан-бутан.

Размеры деталей при нанесении покрытий ограничены лишь технологическими возможностями приборов для перемещения изделий и размерами звукоизолированной камеры, в котором производится обработка.

Преимуществами этой технологии являются:

  • способ получения покрытия с отличной прочностью сцепления;
  • простота конструкции установки.

Способ обладает следующими недостатками:

  • высокий уровень шума;
  • технологические ограничения на обработку нежестких деталей, вызванные высокими импульсными давлениями при воздействии струи продуктов детонации на подложку;
  • ограничения по твердости напыляемой поверхности.

Подготовка поверхности изделия к нанесению газотермического покрытия

Подготовительная операция очистки поверхности от загрязнения повышает вероятность образования химических связей между напыляемым материалом и основой.

Различают следующие этапы подготовки поверхности:

  • механические способы очистки и создания шероховатой поверхности;
  • очистка и мойка деталей перед напылением;
  • напыление подслоя.

От чистоты поверхности изделия зависит качество покрытия, наличие на поверхности грязи, окисных и масляных пленок значительно снижает адгезию. Загрязненные детали перед напылением подвергают тщательной очистке.

Этапы очистки изделий от загрязнения делятся:

  • на механическое смывание;
  • химические травление в растворах и расплавах;
  • электрохимические;
  • ультразвуковые;
  • прокаливание в окислительных, восстановительных и нейтральных атмосферах;
  • комбинированные.

Детали, работающие длительное время в масляной среде, нагревают в сушильных шкафах, в печах или газовыми горелками до 2500℃ для удаления масла из пор. После чего детали обезжиривают, промывают водой и сушат.

Порошковые детали, содержащие большое количество пор, и чугунные изделия можно обрабатывать парами специальных растворов для удаления жиров и грязи.

Материалы для газотермического напыления

Для получения покрытий методами газотермического напыления применяют материалы в виде: порошков, проволоки, стержней. Часто используемыми материалами для покрытия являются порошки. Для обеспечения равномерной подачи и хороших аэродинамических показателей порошка используют частицы округлой формы (10 мкм). Порошки для газотермического напыления можно подразделяются на следующие группы:

  • по типу строения частиц;
  • по характеру поведения при напылении;
  • по методам получения;
  • по назначению.

По типу строения частиц различают однородные порошки различных материалов и гетерогенные композиционные (рис. 7). Плакированная частица композиционного порошка состоит из однородной частицы и поверхностного слоя из другого материала. Частицы композиционных конгломератных порошков состоят из отдельных однородных частиц разнородных материалов.

По характеру поведения частиц при напылении порошки делятся на реагирующие при нагреве и термонейтральные. К первому типу относятся композиционные порошки, при напылении которых происходит синтез новых соединений из веществ исходного. При этом кристаллизация на подложке сопровождается значительным экзотермическим эффектом, что положительно влияет на адгезию напыленного материала. К реагирующим порошкам относят только композиционные структуры.

Основные типы порошков для газотермического напыления

Рис. 7. Основные типы порошков для газотермического напыления:

а - однородный; б - композиционный плакированный;

в, г - композиционные конгломератные

Газотермические покрытия из порошковых материалов

Порошковые материалы являются самыми распространенными в практике газотермического напыления. Порошки позволяют формировать покрытия с широким спектром свойств и различного назначения - износостойкие, коррозионностойкие, покрытия для восстановления нарушенной геометрии деталей, декоративные.

Обработка газотермических покрытий

После газотермического напыления размеры детали и качество поверхности не соответствуют требуемым параметрам. Следовательно, после напыления детали с покрытиями подвергаются окончательной обработке. Для придания изделию необходимых размеров, для устранения шероховатости поверхности применяют: резание, точение и шлифование, сверление, строгание, фрезерование или обработку напильником.

Для уменьшения пористости газотермические покрытия подвергаются термической обработке, пропитке при повышенной температуре, оплавлению или проплавлению. Оплавление часто проводят тем же источником, что и напыление (газовой или ионизированной струей).

Нагрев изделия с газотермическим покрытием может привести к развитию диффузии напыленного металла в материал изделия. В этом случае после окончательной обработки формируется диффузионное покрытие. Термическая обработка напыленного слоя позволяет снизить уровень остаточных напряжений в покрытии и повысить прочность сцепления покрытия с основой.

Изделия с покрытиями, работающие в узлах трения, пропитывают маслом в ваннах при температурах 80-100℃ в течение       5-10 часов.

Как вам статья, понравилась? Если остались вопросы задавайте их тут. Подписывайтесь на наш youtube канал, комментируйте и ставьте лайки.