1.2 Технические и технологические возможности газотермических методов нанесения металлических покрытий

К настоящему времени разработано и более или менее широко используется в промышленности и ремонтном производстве большое количество методов напыления металлических покрытий. Эти методы различаются по источникам получения тепла (электрическая дуга или газовое пламя); по виду распыляемого материала (порошок, проволока и др.); по скорости распыляемых частиц и по среде, в которой происходит процесс нанесения покрытия (воздух, вакуум, контролируемая атмосфера и др.). На рисунке 1- представлена классификация всего разнообразия методов газотермического напыления.

Газопламенное напыление производится с использованием в качестве источника тепла кислородно-ацетиленового пламени. Скорость сгорания ацетилена в кислороде составляет 10... 12м/с, что позволяет получать достаточно высокую производительность процесса. В последнее время все шире стали применяться заменители ацетилена: пропан, этилен, метан, водород и др.

Распыление расплавленного газовым пламенем материала (присадочной проволоки) производится струей воздуха, подаваемого под давлением в распылительную головку. Воздух ускоряет и дополнительно дробит частицы (капли) напыляемого материала и переносит их на подложку. Дистанция напыления при газопламенном процессе составляет примерно 50мм.

Современные проволочные газопламенные распылители (например - типа МОР-115) имеют электропривод для подачи проволоки и работают на проволоке диаметром 3...3,17мм из различных материалов: алюминия; меди, цинка, молибдена, олова, свинца, углеродистых и легированных, (коррозионностойких) сталей, латуни, бронзы, баббитов, сплавов на никелевой и кобальтовой основах.

Рисунок 2- Классификация методов получения газотермических покрытий

Производительность газопламенного напыления по цветным металлам достигает 15кг/ч, по сталям и сплавам -до 9 кг/ч. Плотность напыленных покрытий достигает 85...95% от плотности соответствующего материала, полученного традиционным металлургическим путем.

Газопламенное напыление порошков было достаточно широко распространено в прежние годы, однако оно не всегда обеспечивало приемлемое качество покрытий, особенно их связь с основой [112, 172, 208]. В порошковых распылителях струя порошка перемешивается в воздушном

потоке кольцевым факелом пламени и происходит теплообмен в газопорошковой смеси. Частицы порошка нагреваются до температуры плавления и переносятся на подложку.

Порошковые установки предназначались, в основном, для нанесения самофлюсующихся порошков, хотя были распылители и для нанесения легкоплавных покрытий, для напыления тугоплавких материалов и даже пластмасс .

В настоящее время на смену устаревшим технологиям порошкового напыления приходит шнуровое газопламенное напыление, при котором в качестве материала для покрытия используются специальные гибкие шнуровые материалы (ГШМ) вместо присадочной проволоки. Эти материалы представляют собой на органической связке порошки, заключенные в оболочку из органического материала.

Преимущество этого метода перед непосредственной подачей порошков заключается в создании условий для гарантированного расплавления порошка и в равномерности процесса напыления. Чистоту и защиту от окисления воздухом напыляемого материала обеспечивает возгоняющееся полимерное связующее.

Для напыления ГШМ может быть использовано стандартное оборудование, предназначенное для проволочного напыления (Metco-12E, МГИ-4, МДР-4 и др.). Наиболее совершенной является установка «Техникорд -ТОП-ЖЕТ/2» (Россия), которая предназначена для распыления ГШМ диаметром от 3 до 5мм.

Для увеличения прочности и плотности напыленных покрытий фирмой Union Carbide (UC) США в 50-х годах был разработан высокоскоростной метод нанесения покрытий, который получил название детонационное напыление. Скорость истечения газов на срезе ствола длиной 1,4 м составляла 1300 м/с. Плотность покрытий была доведена до 98%. Главным недостатком процесса напыления на детонационной установке была низкая производительность, связанная с дискретным режимом работы [6,32,47,60,92].

Сущность процесса детонационного напыления заключается в следующем. В канал ствола через механизм подачи газов подается горючая смесь и порошковый материал, который распределяется в газовой смеси. С помощью искровой свечи смесь поджигается. Скорость горения в длинном канале ствола увеличивается до скорости детонации смеси. Детонационная волна ускоряет порошок до скорости 400...800 м/с(скорость пули). Выносимые продуктами детонации на поверхность подложки частицы соударяются с ней, образуя плотное покрытие. Толщина покрытия составляет 3...15 мкм.

Ствол и камера смешения газов продуваются азотом, затем они наполняются новой порцией взрывчатой смеси (ацетилен+кислород) и порошка и цикл повторяется. В зависимости от конструкции установки частота циклов может достигать 3...10 Гц. Нагрев частиц до пластического состояния в сочетании с приобретаемой значительной кинетической энергией позволяет получать покрытия с высокой прочностью сцепления (до 110 МПа) и низкой пористостью (менее 2%), что является главным преимуществом процесса.

В русле тенденции увеличения прочности и плотности напыляемых покрытий в начале 80-х годов появились установки для высокоскоростного напыления покрытий более производительные и простые по устройству по сравнению с детонационными пушками. Работа их основана на классической схеме ЖРД, при этом скорость газового потока достигает 2000 м/с, что обеспечивает плотность покрытий до 99,9% [20,31,39,82]. В качестве наносимого материала при высокоскоростном напылении могут быть использованы порошки разных карбидов, металлокарбидов, сплавов на основе N1, Сo и др.

Установки ВСН считаются перспективными устройствами и постоянно модернизируются с целью увеличения скорости напыляемых частиц. Для этого повышают давление в камере сгорания до 1...1,5 МПа, усовершенствуют конструкцию соплового аппарата (сопло Лаваля) и др. Для ВСН в настоящее время используют установки т.н. третьего поколения типа JP-5000; DJ-2600/2700; OSK Carbide Jet; Top Gun К и др. Расход порошка при высокоскоростном газотермическом напылении составляет до 18 кг/ч [30].

Другая группа методов напыления металлических покрытий основана на использовании для расплавления напыляемого материала не газового пламени, а электрической энергии.

Электродуговая металлизация (ЭДМ) заключается в нагреве сходящихся в распылителе присадочных проволок до расплавления сварочной дугой и переносе расплавленных капель металла газовым потоком на подложку. Первые распылители работали на переменном токе от сварочных трансформаторов, что не обеспечивало высокого качества покрытий. В последствии, на основании ряда исследований [48,197,208], был разработан источник постоянного тока для установки КДМ-4, что позволило поднять качество покрытий.

В настоящее время все шире применяется метод совмещения в одном процессе электродуговой металлизации и газового напыления, при котором капли расплавленного электрической дугой металла распыляются не холодным газом, а продуктами сгорания пропана в кислороде (или воздухе). Этот метод, получивший название «Combustion Arc», позволяет получать более плотные и менее окисленные покрытия, чем традиционный метод ЭДМ.

Плазменное напыление (ПН) производится струей инертного газа, который под действием электрической дуги в плазмотроне (распылителе) переводится в ионизированное состояние. Порошковые распылители, используемые в настоящее время имеют разнообразные типы и конструкции: с подачей порошка в плазменную струю, под углом навстречу потоку, в сопло в заанодную или доанодную зону.

Тенденции развития плазменных распылителей - увеличение эффективности процесса, главным образом за счет повышения скорости газопорошковой струи [23,36,84,114,135,179]. Разработаны установки мощностью до 200 кВт, работающие не только на аргоне, но и на воздухе, аммиаке, пропане, водороде и др. Применение специальных сопел на плазменных распылителях позволяет получить сверхзвуковое истечение струи двухфазного потока, которое обеспечивает получение плотного покрытия.

Плазменное напыление позволяет наносить покрытия на детали небольших размеров (стоматологические коронки, бандажные полки лопаток ГТД в авиастроении и т.п.), для чего были разработаны микроплазменные горелки мощностью до 2 кВт.

Современная автоматическая установка плазменного напыления MF-P- 1000 работает на смеси газов аргона, азота и водорода, при соответствующем расходе 100,50 и 20 л/мин. Производительность этой установки по металлическим сплавам - до 5 кг/ч, плотность покрытий 92...99%, прочность сцепления - 30...80 МПа. Установка комплектуется различными плазмотронами и снабжена роботом KUKA KR-15/2грузоподъемностью 15 кг. Установка разработана и поставляется ООО «ТСЗП» (Россия).

В противоположность «горячим» способам нанесения покрытий в середине 80-х годов в Институте теоретической и прикладной механики СО АН СССР был разработан метод формирования покрытий из «холодных» частиц, скорость которых превышает некоторое пороговое значение: Этот метод получил название «газодинамического напыления» (ГДН).

Существующее в настоящее время многообразие технологий и установок для нанесения защитных газотермических покрытий [129,134,174,175] вызывает затруднение в выборе того или иного процесса для конкретных изделий. Все разработанные отечественные и зарубежные установки и технологии имеют право на реализацию, однако целесообразность применения того или иного технологического процесса определяется не его оригинальностью, а прежде всего качеством получаемой продукции и экономическими показателями.

В таблице 1- приведена характеристика основных коммерчески значимых методов газотермического напыления, которые наиболее широко используется в настоящее время в промышленности и ремонтом производстве. Из этой таблицы видно, что наилучшие показатели качества напыляемых покрытий (сцепляемость с основой и плотностью) обеспечивают высокоскоростные методы напыления с использованием порошковых материалов.

Таблица 1 - Характеристика основных коммерческих методов

Наименование метода напыления	Применяемые материалы	Источник образования тепла (рабочие газы)	Свойства покрытий
			Адгезия, МПа	Пористость, %
Электродуговая металлизация	Проволоки сплошного сечения и композиты	Электрическая дуга (воздух или другие газы)	20...50	5...25
Газопламенное напыление	Порошки и проволоки, шнуровые и еттержневые материалы	Горение газообразных углеводородов в среде кислорода или воздуха (продукты сгорания)	20...50	3...15
Плазменное напыление	Порошки и проволоки	Прямая или косвенная электрическая дуга (ионизированный газ)	30...60	0,5...10
Высокоскорост­ные методы напыления	Порошки	Горение углеводородов (в том числе жидких) или водорода в среде кислорода или воздуха (продукты сгорания)	45...80 и более	0Д...2

Основные методы газотермического нанесения защитных покрытий различаются, как было показано выше, температурой газового потока и его скоростью.

Реализовать более высокий уровень адгезионных, когезионных характеристик и обеспечить низкую пористость покрытий можно за счет повышения температуры (для более полного проплавления напыляемого материала) и скорости газовой струи, взаимодействующей с частицами материала покрытия. Выбор того или иного процесса определяется, в первую очередь, назначением покрытия, а выбор оборудования, кроме того, определяется экономической целесообразностью. Среди экономических показателей, определяющих выбор технологического оборудования, важную роль играет наряду с его стоимостью и производительностью надежность, возможность сервисного обслуживания, а также наличие и доступность на рынке используемых газов и порошков.