Лекція 20 Детонаційне нанесення покриттів

20.1. Основі характерні параметри процесу

При детонаційному-газовому напилюванні покриттів використовують специфічне джерело нагріву, розпилення і прискорення напилених частинок. Джерело являє собою високошвидкісний потік газової суміші, що утворюється внаслідок спрямованого вибуху, зумовленого детонацією. Для цього задану кількість газової суміші, здатної детонувати, подають в камеру запалювання і ствол установки.

Під детонацією розуміють процес хімічного перетворення вибухової речовини при поширенні по ньому детонаційної хвилі з максимально можливою швидкістю, що перевищує швидкість звуку в цьому середовищі. Швидкість детонації в сталому режимі визначається за формулою

, (20.1)

де — показник адіабати; m — молекулярна маса, кг; — температура вибуху, °K.

Хімічне перетворення забезпечує нагрів газової суміші. При цьому різко збільшується обсяг продуктів реакції (в 100 разів і більше) і розвивається тиск до Па. Час протікання детонації складає порядку .

Як детонаційна хвиля, так і продукти її розпаду мають високу швидкість поширення (1000 — 3000 м/с) і досить високу температуру . Теплова потужність детонаційних газових струменів складає . З них найбільш висока для ацетилен-кисневих сумішей. Склад продуктів розпаду продетонованої суміші визначається в основному складом початкової газової суміші.

Протікання детонаційного вибуху і теплофізичні параметри продуктів реакції легко регулюються введенням до складу горючої суміші різних технологічних добавок. Найчастіше використовують азот, аргон та ін. У табл. 20.1 наведені дані, що показують вплив азоту на характеристики еквімолярної ацетиленокисневої суміші. Технологічні газові добавки виконують і інші функції. Зокрема, замикають канали робочих газів від дії вибуху, очищують камеру згоряння і ствол (стовбур) від продуктів детонації.

Tаблиця 20.1

Вплив добавок азоту в кількості на характеристики еквімолярної

суміші

Характеристики	Додано азоту (N2) в кількості j=0 j=3 j=4
Тиск вибуху, МПa Температура вибуху, K Швидкість звуку, м/c Швидкість продуктів детонації, м/c Швидкість детонаційної хвилі, м/c (теорет) Швидкість детонаційної хвилі, м/c (факт)	5 2,3  2,2 4287 3027  2837 1585 1290  1150 1375 880  870 2960 2170  2020 2920 ——- 2015

Швидкість продуктів детонації визначає і швидкість частинок. Звичайно це високі швидкості, величина яких становить 800-1300 м/с.

Час нагріву (в основному конвективного) порошкових частинок при перенесенні надто малий. Його оцінюють тисячними і менше частками секунди. Звичайно тривалість динамічного і теплового впливу на частинку близько . Якщо ентальпію напилених частинок віднести до підведеної енергії (як це приймають для інших методів газотермічного напилювання), то енергетичний ККД процесу буде малий. Однак в момент удару частинка додатково розігрівається і її температура та ентальпія істотно зростають. Швидкості частинок при цьому виявляються досить високими, щоб істотно підвищувати їхню температуру в момент зіткнення. Наведемо розрахункові значення швидкості холодних частинок деяких матеріалів, при яких відбувається їхне розплавлення (з врахуванням, що кінетична енергія при переході в теплову розподілиться нарівно між часткою і поверхнею напилення):

Матеріал частинки Al Ti Fe Ni Cu Мо TiC Аl₂0₃

Швидкість частинки, м/с 1,51  1,83  1,65  1,60  0,71  1,60  1,99  1,90

При розрахунку потрібно враховувати температуру частинок в момент їхнього контактування з поверхнею напилювання. З врахуванням цього ефективний ККД нагріву порошкових частинок становить 0,1 — 0,15. При використанні продуктів розпаду, що містять вуглець, який має відновлювальний потенціал щодо розпилюваного матеріалу, можливе виділення з горючої газової суміші вільного вуглецю.

20.3. Технологічні особливості способів детонаційно-газового напилення

Узагальнена схема процесу наведена на рис. 20.1. У камеру запалювання 1 подається задана кількість робочої суміші газів, наприклад . За допомогою малопотужного електричного розряду 2 здійснюють підпалювання суміші. Виникаючі при цьому теплові хвилі породжують ударну 3, а потім і детонаційну хвилю 4. У каналі ствола 5 детонаційна хвиля розпадається з утворенням пальної суміші 6. Одночасово з вибуховою сумішшю вводять напилюваний порошок. На виході зі стовбура утвориться дульне полум'я 7 і потік напилених часток 8.

Детонаційно-газове напилювання належить до циклічних процесів. Виділяються три складові циклу :

1. Час, необхідний для заповнення камери і ствола газовою сумішшю і порошком .

2. Час, витрачений на утворення вибуху і викиду продуктів детонації і порошку .

3. Час продування камери і ствола . При цьому .

Рис. 20.1. Схема детонаційно-газового напилення покриттів:

I — горючий газ; II — окислювальний газ; III — технологічний газ;

— діаметр та довжина стовбура відповідно

Звичайно становить 0,2 — 0,5 с. Мінімальне значення визначає швидкострільність установки, а отже, і продуктивність. Протягом одного циклу на поверхню напилення переноситься 30 — 40 мг матеріалу, що розпилюється.

При одному циклі утвориться одинична пляма діаметром 20 — 30 мм, товщиною 10-30 мкм. При обмеженій швидкострільності зростання товщини покриття в нерухомій плямі становить 20 — 50 мкм/с; час формування одиничної плями складає . Звідси випливають потенційні можливості швидкості зростання товщини покриття до .

Особливості формування покриттів при детонаційно-газовому напиленні пов'язані з ударною деформацією частинок. Звичайно її оцінюють значеннями . Величина імпульсного тиску, виникаюча в зоні співудару, визначається фізичними властивостями матеріалу частинок і їхньою швидкістю.

Детонаційно-газове напилення здійснюється в основному порошковим способом. Порошок подають як в осьовому, так і в радіальному напрямах. Для отримання якісних покриттів необхідний рівномірний розподіл порошкових часток по перетину ствола. Незважаючи на короткочасність перебування часток в потоці, гравітація впливає істотним чином на рівномірність розподілу. У нижній частині каналу ствола спостерігається більша кількість порошку, особливо великих і важких фракцій. Цей недолік значною мірою усувається при вертикальному розташуванні ствола установки.

Процес детонаційно-газового напилення механізований і автоматизований, здійснюється в спеціальному звукоізольованому боксі. Управління процесом дистанційне з пульта, винесеного за межі боксу.

На практиці широко застосовуються різновиди методу детонаційно-газового напилення. Класифікація здійснюється за рядом ознак.

Тип детонуючої суміші. Використовують детонуючі гази та ін., а також продукти пиролізу бензину, гасу та ін.

Конструктивні особливості газового температурного тракту. Застосовують процес з попереднім форкамерним запалюванням і запалюванням безпосередньо в стволі установки. Використовують напрямні канали стволів з постійним і змінним перетинами: прямолінійні, у вигляді змійовика і т. д.

Кількість детонаційних камер-стволів. Розрізнюють одностовбурні і багатостовбурні. Останні забезпечують підвищення продуктивності процесу.

Конструктивні параметри розпилювача. Найбільший вплив на ефективність процесу надає діаметр ствола , його довжина і форма. Звичайно калібр ствола вибирають в межах 8-40 мм. Зі зменшенням утрудняється детонаційний вибух, зростають теплові втрати. Часто застосовують установки з мм. Довжину ствола вибирають в межах 1200 — 2000 мм. Максимальні значення — з умов отримання найбільш високих швидкостей напилюваних частинок і формування потоку заданої конфігурації.

Потрібно також зазначити, що при зменшенні і знижується порція детонуючої газової суміші, що вводиться, і відповідно, енергія вибуху та ентальпія продуктів розпаду. Великий вплив на ефективність процесу має форма детонаційного каналу, чистота його поверхні, відношення , застосування стволів змінного перетину, наявність форкамери та ін. До конструктивних параметрів потрібно віднести також швидкострільність детонаційного розпилювача. Зі збільшенням швидкострільності збільшується продуктивність процесу і знижується вплив гравітаційних сил при введенні порошку в детонаційну суміш. Для усунення гравітації при мм необхідна швидкострільність понад 14 циклів в секунду.

Стабільність процесу визначається точністю дозування вибухової суміші і залежить від конструкції дозувальних систем. Для стабілізації процесу перспективний перехід до систем з безперервним сумішоутворенням.

Найбільш значними параметрами є рід і витрата газів, що входять у детонуючу суміш, співвідношення між пальним газом і киснем.