6.4.2. Прутковые напыляемые материалы

Прутковые напыляемые материалы изготовляют из порошков оксидов металлов методом порошковой металлургии. В порошок добавляют связующее вещество, смешивают, прессуют и спекают.

Для газопламенного напыления применяют оксид алюминия (глинозём), силикат циркония, диоксид циркония, оксид хрома, магнезиальную шпинель.

6.4.3. Порошковые напыляемые материалы

Практически любой напыляемый материал можно изготовить в виде порошка. Плазменное, детонационное, газопламенное напыление некоторыми материалами может быть осуществлено только путём использования порошковых материалов.

Применение мелкодисперсного порошка обычно способствует повышению плотности напыляемого покрытия. Недостаток такого покрытия заключается в том, что в нём содержится большое количество оксидов, образовавшихся в результате перегрева частиц при движении в высокотемпературном потоке газа.

При напылении порошка, состоящего из смеси частиц разного размера, однородность покрытия нарушается из-за большого различия между крупными и мелкими частицами по степени расплавления и скорости их движения в напылительной струе. Для напыления обычно используют порошки, подобранные по грануляции таким образом, чтобы размеры их не выходили за пределы 44…74 мкм. В последнее время при напылении мощными плазменными горелками используют мелкие порошки с размером частиц в несколько микрометров.

Металлы и сплавы:

1. алюминий используют для защиты чёрных металлов от коррозии. При нагреве за счёт диффузии алюминия в основной металл образуется упрочнённый слой, стойкий к окислению при высокой температуре. Плазменное напыление порошка алюминия используют для образования электропроводного покрытия;

2. цинк обеспечивает защиту чёрных металлов от коррозии;

3. сплавы цинка с алюминием напыляют для получения антикоррозионного покрытия. При высоком содержании алюминия (~50%) эти сплавы малопластичны, из них трудно изготовить проволоку волочением, для напыления такие сплавы используют в виде порошка;

4. медь и её сплавы обычно применяют для наплавки, напылением наносят только электропроводные покрытия;

5. молибден используют в качестве подслоя перед последующим нанесением на него желаемого материала. Кроме того, он пригоден для повышения износостойкости и коррозионной стойкости к соляной кислоте. Напыление порошка молибдена осуществляют плазменным способом;

6. вольфрам – наиболее тугоплавкий из всех материалов. Его необходимо применять в чистом виде при незначительном содержании примесей, особенно железа. Он интенсивно окисляется на воздухе при сравнительно невысокой температуре. В инертной и восстановительной среде может выдерживать высокую температуру. Вольфрамовое покрытие имеет хорошее сцепление с керамическими поверхностями. При плазменном напылении получают вольфрамовое покрытие, значительно превосходящее соответствующие покрытия, наносимые электролитическим или вакуумным (сублимационным) способом;

7. коррозионно-стойкая сталь и нихром используют как напыляемый материал не только в форме проволоки, но и в виде порошка, который имеет некоторые специфические особенности. Покрытие из коррозионно-стойкой стали обладает антикоррозионными свойствами и износостойкостью. Нихромовые покрытия являются антикоррозионными и жаростойкими. При напылении керамики и других материалов слой нихрома может быть использован как подслой;

8. прочие сплавы – сплавы олова со свинцом (баббит) и антифрикционную бронзу можно применять в виде порошка и проволоки. Оба сплава используют в подшипниках.

Композиционные материалы. Для напыления иногда используют плакированные порошки, частицы которых состоят из ядра-основы размером от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров, окружённого слоем второго компонента (толщина слоя 2…3 мкм). Такие материалы, по внешнему виду являясь однородными, представляют собой, в сущности, механическую смесь различных компонентов.

В процессе напыления плакированным порошком под действием высокотемпературной газовой струи происходят экзотермические реакции между компонентами порошка с образованием между ними интерметаллического соединения. Теплота экзотермических реакций способствует повышению прочности сцепления покрытия с основным металлом. К числу сочетаний материалов, склонных к экзотермическим взаимодействиям, в частности относится никель-алюминий. Покрытия из алюминида никеля может успешно работать при высоких температурах (до 650^оС), обладая высокой термостойкостью и износостойкостью.

Композиционное покрытие в виде сочетания двух разнородных материалов обладает свойствами, присущими каждому из материалов. В частности, плакированный порошок, сочетающий никель с графитом, обеспечивает получение покрытия с хорошей обрабатываемостью. При этом стойкость к эрозионному износу удовлетворительная. Композиционное покрытие, содержащее Ni, Cr и Al, обладает стойкостью к окислению в воздушной среде при высокой температуре. Этот композиционный материал пригоден также для напыления подслоя под керамику. Композиционный материал, сочетающий молибден с алюминием, применяют для нанесения покрытий на поверхности подшипников скольжения и реставрации деталей из углеродистой стали. При этом он обладает высокой износостойкостью.

Существуют плакированные порошки, состоящие из кобальта-карбида вольфрама, никеля-карбида хрома и др., позволяющие получать износостойкие покрытия, а также порошки, сочетающие никель с фтористым кальцием, оксид никеля с фтористым кальцием, алюминий или алюминиевую бронзу с полиэфиром для нанесения покрытий, обладающих низким коэффициентом трения.

Самофлюсующиеся сплавы. Нанесение покрытий из самофлюсующихся сплавов и последующее их оплавление позволяет получать слои без пор и с высокой плотностью.

Самофлюсующиеся сплавы представляют собой сплавы на основе никеля, хрома и никеля или кобальта, содержащие добавки бора и кремния. Покрытия из этих сплавов обладают высокой износостойкостью, коррозионной стойкостью и стойкостью к окислению в воздушной среде при высоких температурах. Из-за низкой пластичности эти сплавы поставляют для напыления только в виде порошков.

Керамика. К керамике относят такие соединения как оксиды металлов, бориды, нитриды, силикаты и карбиды. Керамика является тугоплавким материалом, для напыления которого необходима температура до 3000^оС, так что газопламенное напыление не обеспечивает температуры, необходимой для напыления керамическими материалами. При использовании плазменного и детонационного способа температура плавления напыляемого материала не имеет значения, поэтому этими способами можно напылять любые материалы, способные к расплавлению при нагреве.

Оксиды. По сравнению с другими высокотемпературными материалами оксиды имеют наиболее низкие теплопроводность и электропроводимость, и значительную прочность при высоких температурах. Оксиды можно разделить на простые и сложные. Простые оксиды представляют собой соединение одного металла с кислородом, а сложные – соединения оксидов двух или более. Наиболее высокие температуры, как правило, могут выдерживать простые оксиды. Сложные оксиды в большинстве своём, являются тугоплавкими материалами, однако их температура плавления более низкая, чем температура плавления входящих в них компонентов.

Не все оксиды при высоких температурах химически устойчивые. Например, в восстановительной среде при высокой температуре оксиды таких металлов, как церий, хром, никель, олово, титан и цинк, легко восстанавливаются и превращаются в металлы или низшие оксиды, имеющие невысокие температуры плавления. Напротив, тугоплавкие оксиды ниобия, марганца, ванадия и урана становятся неустойчивыми при нагреве в окислительной среде, превращаются в оксиды более высокой валентности, имеющие более низкую температуру плавления. При нагреве оксида хрома до 2000^оС начинается его активное испарение, тогда как оксиды бериллия, магния, циркония и тория остаются устойчивыми до высоких температур. Температура, при которой эти материалы становятся неустойчивыми и взаимодействуют при нагревании в вакууме с другими металлами, очень высока.

Во время нагрева диоксида циркония при температуре около 1200^оС протекает эндотермическая реакция, сопровождающаяся усадкой из-за структурных превращений. Эти превращения можно подавить, и такой цирконий называется стабилизированным.

Карбиды. Температура плавления карбидов металлов значительно выше температур плавления самих металлов. Температуры, при которых происходит размягчение карбидов, превышают 3000^оС. При нагреве в окислительной атмосфере некоторые карбиды могут размягчаться, однако большинство из них обладает в этих условиях лучшей жаростойкостью по сравнению с жаростойкими металлами, а значительная часть карбидов имеет большую стойкость к окислению, чем углерод и графит. Эта особенность карбидов и достаточный уровень механических свойств при высокой температуре предполагает их использование в качестве жаростойкого покрытия.

Особенно высокой жаростойкостью обладают карбиды кремния и титана. Почти все карбиды имеют высокую теплопроводность и электропроводность, а карбиды кремния, титана и вольфрама, обладая особо высокой твёрдостью, находят широкое применение для изготовления режущих и шлифовальных инструментов, а также для напыления с целью повышения износостойкости. Для напыления в основном применяют карбиды вольфрама, хрома, титана, циркония и тантала. Наиболее широкое применение получил карбид вольфрама. Как напыляемые материалы карбиды нередко применяют в смеси со связующим материалом. В качестве связующего для карбида вольфрама используют кобальт (12…17%), а для карбида хрома – сплавы никеля (15…25%).