1.3 Детонаційне напилення
Детонаційне напилення – це технологія нанесення покриттів, в якій для розігрівання і розгону порошкоподібного матеріалу використовується енергія газового вибуху. Покриття наноситься детонаційною гарматою, ствол якої заповнюється вибуховою газовою сумішшю, в неї впорскується напилюваний порошок і електричною іскрою збуджується детонація. Продукти детонації мають температуру біля 4000°С і вилітають із швидкістю більше 1 км/с. Такий газовий потік розігріває частинки порошку до плавлення і вистрілює їх з великою швидкістю на деталь, встановлену перед стволом гармати. При зіткненні відбувається зварювання, і порошок міцно (на молекулярному рівні) з'єднується з поверхнею деталі. Після пострілу ствол продувається негорючим газом і весь процес повторюється. За один постріл утворюється покриття товщиною до 10 мікрон. Необхідна товщина нарощується серією послідовних пострілів. Для обробки великих поверхонь деталь переміщають перед стволом за допомогою маніпулятора.
Перевагами детонаційного методу напилення є: висока адгезія покриття (80-250 МПа); низька пористість покриття (0,5-1%); відсутність деформації напилюваної деталі.
До недоліків слід віднести низьку продуктивність і недостатню надійність існуючого обладнання.
Технологія детонаційно-газового напилення дозволяє не лише відновити робочі поверхні деталей, але і істотно підвищити експлуатаційний ресурс за рахунок застосування зносостійких матеріалів. Детонаційно-газовий спосіб дозволяє наносити покриття з металів, їх сплавів, оксидів і карбідів металів, композиційних порошків (плакованих конгломерованих) а також механічних сумішей.
Тенденція розвитку газотермічних зносостійких покриттів полягала в збільшенні міцності і щільності покриттів. З цією метою була розроблена фірмою Union Carbide (UC), США в 50-х роках високошвидкісна детонаційна установка. Швидкість виділення газів на зрізі ствола завдовжки 1,4 м складала 1300 м/с. Щільність покриттів була доведена до 98 %. Головним недоліком процесу напилення на детонаційній установці була низька продуктивність, пов'язана з дискретним режимом роботи.
Залежно від конструкції установки частота циклів може досягати 8-10 Гц, але в більшості випадків вона рівна 3-4 Гц. Окрім ацетилену, як пальне можуть використовуватися інші гази, наприклад, метан або пропан-бутан. При цьому протяжність зони переходу горіння в детонацію збільшується. Для зниження температури нагріву часток напилюваного матеріалу вибухова суміш розбавляється азотом або повітрям. Нагрів часток до пластичного стану у поєднанні із значною одержуваємою кінетичною енергією дозволяє отримувати покриття з високою міцністю зчеплення (до 250МПа) і низькою пористістю (менше 2%).
Процес детонаційного напилення характеризується значною кількістю технологічних параметрів. Основні з них: глибина завантаження порошку, тобто відстань від місця введення порошку до зрізу ствола; співвідношення витрат газів: пального, кисню, азоту або повітря, тобто склад робочої вибухової суміші; міра заповнення ствола - відношення сумарної витрати газу за один цикл до сумарного об'єму ствола і камери змішення; витрата азоту продування ствола; товщина напилюваного шару за один цикл; дистанція напилення; хімічний і гранулометричний склад і спосіб виготовлення порошку.
Від глибини завантаження залежить час перебування часток порошку усередині ствола, повнота фізико-хімічної взаємодії з продуктами детонації. Склад суміші істотно впливає на енергетичні характеристики часток порошку і визначає хімічну взаємодію напилюваного матеріалу з продуктами детонації. Залежно від складу робочої суміші може відбуватися повне або неповне згоряння горючого газу. Оптимальною робочою сумішшю може бути суміш, близька до стехіометричної. Однак, максимуми швидкості детонації і твердості покриття з оксиду алюмінію (в даному випадку твердістю визначають оптимальні умови формування покриття) не збігаються. В той же час при нанесенні покриття з карбідів надлишок вуглецю в газовій суміші захищає карбід від зневуглецювання.
Товщина одиничного шару складає 5-20 мкм. Дистанція напилення визначається з умови мінімальної дії на потік часток відбитої від поверхні підкладки хвилі. Практично для стволів різного діаметру ця величина складає 150 - 200 мм.
У ИГиЛ СО РАН створений комп'ютеризований детонаційний комплекс «Обь» (рисунок 1.5), що включає детонаційну гармату і робот-маніпулятор, і розроблені технології нанесення зносостійких, жароміцних, антикорозійних і інших покриттів.
Рисунок 1.5 Детонаційний комплекс "Обь". а) детонаційна гармата; б) блок управління з компютером; в) маніпулятор.
Відпрацьовані режими напилення десятків порошків:
- металів: алюмінію, міді, нікелю, хрому, кобальту, молібдену, заліза і ін.;
- сплавів: сталей, чавуну, ніхрому, бронзи, латуні, сплавів, що самофлюсуючихся, і ін.;
- оксидів: алюмінію, хрому, цирконію, титану і ін.;
- металокерамічних композитів з карбідами: вольфраму, хрому, титану і так далі.
Покриття наносяться на поверхні деталей з металів, кераміки і пластмас.
Детонаційні покриття відрізняються високою щільністю і рекордною міцністю зв'язку, що досягає міцності монолітного матеріалу. Імпульсний характер термічної дії на оброблювану деталь при детонаційному напиленні виключає викривлення, перегрівання деталі і небажані структурні зміни матеріалу деталі, можливе нанесення покриттів на підкладки завтовшки менш 1мм.
Установка ”Обь” відрізняється: високоточною системою газоживлення, дозованою локальною подачею порошку і комп'ютерним управлінням гарматою і маніпулятором. Можливе використання декількох порошкових дозаторів одночасно, що дозволяє в програмованому 2 автоматичному режимі формувати композиційні багатошарові покриття і сумішеві шари з програмно-заданим співвідношенням компонентів в шарі.
Унікальні властивості детонаційних покриттів, що отримуються на комплексі ”Обь” дозволяють вирішувати різні технологічні завдання:
- зміцнення, підвищення зносостійкості, збільшення довговічності і надійності;
- захист від кавітації, ерозії, антикорозійну і хімічну;
- формування каталітичних носіїв для екологічно чистої енергетики;
- неодноразове відновлення зношених деталей будь-яких механізмів і машин.