3.2 Напыление

Каждый из существующих методов напыления имеет технологические особенности и режимы, которые определяются особенностями конструкции распылителя, родом и формой напыляемого материала, размерами и свойствами изделия, на которое необходимо нанести покрытие, а также требованиями, которые предъявляются к напыляемому покрытию. Для различных методов напыления можно перечислить следующие общие факторы, которые влияют на свойства получаемых покрытий и технико-экономические показатели процесса:

1 Факторы, связанные с источником тепловой энергии для напыления: род горючего, количество кислорода в смеси, расход горючего и кислорода, если источник химический; потребляемая мощность, род рабочего газа и его расход, если источник электрический; конструкция горелки (источника тепловой энергии).

2 Факторы, связанные с напыляемым материалом: состав; физические свойства; форма и грануляция в случае порошкового материала; диаметр в случае проволочного и пруткового материала.

3 Факторы, связанные с подачей напыляемого материала: производительность подачи; род и расход транспортирующего газа в случае порошкового материала; место и угол подачи напыляемого материала в горелку.

4 Факторы, связанные с материалом, на который производится напыление: состав; способ предварительной подготовки поверхности и степень обработки; температура материала, на который производится напыление.

5 Факторы, связанные с процессом напыления: расстояние от сопла горелки до напыляемой поверхности (расстояние напыления); скорость перемещения горелки или напыляемой поверхности; угол наклона горелки к напыляемой поверхности; использование защитного газа и его состав; состав атмосферы напыления.

Указанные факторы связаны между собой и могут оказывать комплексное влияние на свойства покрытий. Учитывая это, условия напыления назначают для каждого отдельного случая в зависимости от напыляемого материала и материала основы.

3.2.1 Газопламенное и детонационное напыление

Технология проволочного газопламенного напыления, которую наиболее широко используют в промышленности, должна отвечать следующим требованиям.

Сжатый воздух, используемый для распыления расплавленной проволоки, должен быть сухим и не содержать масла. Давление сжатого воздуха должно быть выше 0,35 МПа.

Перед напылением необходимо тщательно осмотреть поверхность. Если в результате осмотра установлено, что на ней содержатся следы влаги, окисная пленка, окалина и другие загрязнения, необходима вторичная обдувка абразивными материалами. Первый слой покрытия напыляют в течение 4 ч после обдувки. Окончательное напыление покрытия до требуемой толщины должно быть проведено не более чем через 8 ч после предварительной обработки.

Зажигать горелку и выводить ее на рабочий режим необходимо вдали от напыляемой поверхности. Расстояние от горелки до поверхности детали обычно составляет 75…250 мм. Выбор величины этого расстояния зависит от напыляемого материала и диаметра проволоки, а также от свойств напыляемого покрытия. При очень малом расстоянии может возникнуть опасность коробления основы под действием термических напряжений. Когда же расстояние слишком большое, температура летящих частиц снижается, что приводит к образованию рыхлого покрытия и уменьшению прочности сцепления с основой. В конечном счете, может произойти отделение покрытия от основы.

При порошковом напылении керамики расстояние от среза сопла горелки до основы составляет 150…200 мм, а в случае же пруткового материала ≈75 мм.

Наибольшая деформация напыляемых частиц при соударении с поверхностью основы происходит, если горелка установлена под углом 90°. В случаях, когда невозможно обеспечить этот угол, покрытие получается с несколько худшими характеристиками. Допустимый угол наклона горелки, при котором можно наносить покрытие, составляет 45°.

На боковые стороны углублений или канавок, проточенных на поверхности деталей для повышения прочности сцепления покрытия, нельзя проводить напыление под прямым углом. В этом случае сначала запыляют углубления таким образом, чтобы толщина покрытия составляла примерно их глубины. Напыление проводят при постепенном изменении угла наклона горелки примерно с 30 до 60°. После этого запыляют все углубление. Запыление канавок проводят попеременным наклоном горелки то в одну, то в другую сторону приблизительно на угол 45°. Полное запыление канавок обеспечивается периодической обкаткой, которая разрушает вершины выступов, и их ширина становится равной ширине канавок. Пример такого напыления показан на рис. 3.11 [1].

При напылении не допускается как слишком малая, так и слишком большая скорость подачи напыляемого материала. Для каждого напыляемого материала устанавливается номинальная скорость подачи. Например, в случае напыления молибдена при давлении сжатого воздуха 0,35 МПа номинальные скорости подачи проволоки в зависимости от диаметра будут иметь значения, приведенные в табл. 3.3.

Рисунок 3.11 – Напыление покрытия на основу с нарезанными

канавками

Таблица 3.3 – Оптимальные скорости подачи молибденовой поволоки при газопламенном напылении

Диаметр проволоки, мм.	Скорость подачи проволоки, м/мин.
1,5 2,3 3,2	0,7 0,6 0,5

При меньших скоростях подачи размеры напыляемых частиц уменьшаются, и они быстрее охлаждаются во время движения от горелки к напыляемой поверхности. Поэтому тепловая энергия соударяющихся с поверхностью частиц будет меньше. В результате прочность сцепления покрытия с основой уменьшится. При слишком большой скорости подачи напыляемого материала увеличивается длина участка проволоки, на котором происходит расплавление, что может привести к значительному окислению проволоки в процессе расплавления, образованию боль­ших частиц и, в конечном счете, к ухудшению качества напыляемого покрытия. Скорость подачи стальной проволоки при напылении приблизительно в 3 раза больше, чем молибденовой.

При напылении режим работы горелки, скорость перемещения и расстояние напыления должны поддерживаться постоянными. Обычно скорость перемещения горелки или основы при напылении на плоские поверхности составляет 10…26 м/мин, а шаг 6,4…12,7 мм. Напыление на цилиндрические поверхности производится при скорости подачи 1,6…6,4 мм/об.

В результате перегрева основы при напылении происходит снижение прочности сцепления покрытия. Как правило, температура поверхности основы не должна превышать 260 °С. Для контроля за температурой основы можно воспользоваться, например, термокрасками, которые наносят на деталь в непосредственной близости от места напыления. Для предотвращения перегрева при напылении обрабатываемую основу можно охлаждать воздухом.

Рассмотрим один из примеров предотвращения перегрева основы. На внутреннюю поверхность сопла ракетного двигателя, изготовленного из магниевого сплава (рис. 3.12), требовалось нанести покрытие из ZrO₂ толщиной 0,89…1,02 мм.

Рисунок 3.12 – Напыление на внутреннюю поверхность сопла

ракетного двигателя

Если осуществлять непрерывное напыление покрытия такой толщины, то может произойти расплавление основы. Поэтому покрытие было нанесено в несколько приемов. Двигатель закрепляли в приспособлении, которое зажимало его с внешней стороны тремя захватами. Покрытие напыляли при частоте вращения приспособления 30…50 об/мин в течение 25 с, после чего двигатель медленно охлаждали и затем на полученный слой покрытия напыляли следующий. Для получения требуемой толщины покрытия напыление повторяли 8 раз [2].

При температуре основы ниже 10 °С проводить напыление не рекомендуется, так как напыленное покрытие может отслоиться. Для того чтобы покрытие не растрескалось, необходимо предварительно нагреть основу до температуры 120…150°С.

При напылении пластмасс основа должна быть нагрета до соответствующей температуры. Так, при напылении полиэтилена температура основы должна составлять примерно 200 °С.

Необходимо учитывать, что на поверхности основы происходит усадка напыленного слоя. В табл. 3.4 приведены величины усадок для наиболее часто напыляемых материалов.

Таблица 3.4 – Усадка напыляемых материалов

Черные металлы		Цветные металлы
Напыляемый материал	Усадка, %	Напыляемый материал	Усадка, %
Углеродистая сталь (0,1 %С)	0,008	Чистый алюминий	0,0068
Углеродистая сталь (0,25 %С)	0,006	Алюминий, содержащий 4…6 %Si	0,0057
Углеродистая сталь (0,8 %С)	0,0014	Алюминиевая бронза	0,0055
Коррозионно-стойкая сталь 304	0,012	Марганцовистая бронза	0,009
Коррозионно-стойкая сталь 420	0,0018	Фосфористая бронза	0,010
-	-	Молибден	0,003
		Цинк	0,010

При большой толщине покрытия под действием напряжений, которые появляются в нем в результате усадки напыленного материала, происходит разрушение контактной зоны и, в конечном счете, отделение покрытия от основы. При напылении на внутреннюю поверхность труб материалов, имеющих большие усадки, происходит вспучивание покрытия. Поэтому в таких случаях напыляют покрытия минимально допустимой толщины. Одним из путей предотвращения вспучивания покрытия является предварительный подогрев основы до соответствующей температуры (в диапазоне допустимых температур). Напыление некоторых материалов связано с возникновением больших усадок. Так, напыление толстых покрытий из коррозионно-стойкой аустенитной стали сопровождается большими усадками, которые приводят к растрескиванию покрытия. Для предотвращения растрескивания в данном случае можно воспользоваться напылением подслоя из коррозионно-стойкой мартенситной стали, на который можно напылять покрытие из аустенитной коррозионно-стойкой стали требуемой толщины.

Покрытия из коррозионно-стойкой мартенситной стали имеют высокую прочность сцепления с основой и хорошие механические характеристики. Примером такого напыления может служить исправление глубокого повреждения вала центробежного насоса. После предварительной обработки поверхности поврежденного участка напыляли подслой толщиной 3,18 мм из коррозионно-стойкой стали 420, затем наносили покрытие из коррозионно-стойкой стали 316 и проводили окончательную обработку.

Минимальная толщина покрытия должна включать в себя припуск на обработку после напыления и некоторый допуск на возможный износ. Это необходимо учитывать при установлении толщины покрытия. В табл. 3.5 приведены минимальные значения толщин напыленных покрытий в зависимости от диаметра обрабатываемого вала.

Таблица 3.5 – Минимальная толщина покрытия при восстановлении валов напылением

Диаметр вала, мм	<25,4	25,4.. 50,8	50,8… 76,2	76,2… 101,6	101,6… 127,0	127,0… 152,4	>152,4
Толщина покрытия, мм	0,25	0,38	0,51	0,61	0,76	0,89	1,02

Данные, приведенные в таблице, соответствуют наиболее общим случаям. На участках, где необходимо производить запрессовку, независимо от диаметра вала следует напылять покрытия толщиной ≈0,13 мм [2].

От способа предварительной обработки основы в значительной степени зависит толщина наносимого покрытия. Нарезка резьбы на запыляемой поверхности позволяет наносить более толстые покрытия по сравнению с подготовкой поверхности обдувкой абразивными материалами или нанесением подслоя молибдена.

Рассмотрим особенности напыления самофлюсующихся покрытий, которые дополнительно проплавляют после напыления.

Напыляемые самофлюсующиеся сплавы обладают высокими коэффициентами линейного расширения (14…1610^-6 °С). Поэтому после напыления (до проплавления) может произойти такая усадка материала покрытия, при которой оно отойдет от основы и на границе покрытия с основой возникнут пустоты. В процессе проплавления такие участки покрытия окислятся, и полного сплавления покрытия с основой не произойдет. Это необходимо учитывать при напылении. Напыление нужно проводить на предварительно подогретую до температуры выше 93 °С поверхность основы. Для предотвращения окисления поверхности основы при напылении необходимо поддерживать температуру 260…310 °С.

Напыленное покрытие из самофлюсующегося сплава является довольно пористым. Его усадка составляет ≈20%. Это необходимо иметь в виду и напылять более толстое покрытие, чем требуется.

На участках, примыкающих к месту напыления, устанавливают экраны или покрывают их компаундом. Это позволяет устранить налипание напыляемых частиц на эти участки. На рис. 3.13 показан принцип установки экранов [1].

Выше были рассмотрены, в основном, вопросы технологии, связанные с ручным напылением. При механическом перемещении напыляемого изделия или горелки процесс напыления принимает более устойчивый характер, и покрытие можно получить более однородным. Для напыления на валы часто используют токарные станки. Обычно в этих случаях горелку устанавливают на суппорте. После напыления на этом же станке, не вынимая детали, можно произвести ее обточку или полирование. При напылении покрытий на большие партии изделий процесс напыления желательно автоматизировать.

1 – экран; 2 – торец напыленного покрытия после снятия экрана

Рисунок 3.13 – Установка экрана

Детонационное напыление в основном используют для нанесения керамических покрытий. Его технология в основном аналогична технологии рассмотренного выше газопламенного напыления.

Расстояние напыления 50…100 мм. Температура в стволе достигает 3000 °С. Температура основы в большинстве случаев не превышает 200 °С. В случаях, когда необходимо охлаждать поверхность основы, в процессе напыления используют струи сжатого воздуха, которые направляют на эту поверхность.

Участки, на которые не требуется наносить покрытие, закрывают экранами. Последние ставят таким же образом, как и при газопламенном напылении. Обычно экраны изготовляют из латунных листов толщиной 0,13 мм, они легко гнутся и хорошо прилегают к поверхности, а также хорошо выдерживают воздействие ударной волны и интенсивную эрозию, вызываемую летящими частицами.

Обрабатываемую деталь обычно крепят в приспособлении, которое может поворачиваться на различные углы относительно ствола детонационной установки.

Максимальные размеры покрываемых поверхностей для современных детонационных установок [8]:

- длинные цилиндрические поверхности – диаметр 5,1…711 мм, длина 1220 мм;

- короткие цилиндрические поверхности – диаметр 5,1…142,3 мм, длина 142 мм;

- внутренняя поверхность цилиндрической трубы – для трубы, открытой с двух концов, внутренний диаметр которой превышает 9,5 мм, напыление возможно на глубину, равную диаметру;

- плоские прямоугольные поверхности – 710 х 1830 мм;

- круглые диаметром 6,1…1423 мм.

Максимальная масса детонационной установки не превышает 68 кг.

Рассмотрим один из примеров детонационного напыления. На внутреннюю поверхность показанного на рис. 3.14, а кольца напыляли покрытие из карбида вольфрама толщиной 0,20 мм. Для удобства кольцо было установлено во вращающееся приспособление. В процессе напыления на торце кольца, расположенном ближе к стволу, образовывались мелкие трещины. Для устранения их кольцо, как показано на рис. 3.14, б, изготовляли с буртиком, выступающим от торца приблизительно на 2 мм.

После напыления буртик удаляли с торца шлифованием. После шлифования покрытия его подвергали хонингованию до толщины 0,102 мм. Значит, даже простым приемом можно улучшить качество напыляемого покрытия. Такие приемы могут быть использованы в различных методах напыления.

В некоторых случаях нанесенное покрытие может оказаться неудовлетворительным. При необходимости покрытие удаляют электролитическим способом. В качестве электролита применяют 20%-ный раствор углекислого натрия. Деталь, с которой удаляется покрытие, является анодом, а ванна — катодом. При таком удалении покрытия деталь не повреждается.

1 – вращающееся приспособление; 2 – основа; 3 – напыляемая

поверхность; А – длина участка кольца, на который необходимо

нанести покрытие

Рисунок 3.14 – Приспособление для напыления на внутреннюю

поверхность кольца