Лекція 30 Газодинамічний метод нанесення покриттів

1. Характеристика газодинамічного методу

При ГТН необхідною умовою для утворення якісних покриттів є нагрівання частинок матеріалу до температури, близької до температури їхнього плавлення. При цьому, як вже було розглянуто раніше, в двофазному потоці протікають різні реакції, які змінюють обидві фази і не завжди в позитивному напрямі.

При газодинамічному напиленні частинки матеріалу, що наносять, взагалі не нагрівають. Газ теж знаходиться в холодному стані. Покриття формують лише за рахунок кінетичної енергії частинок. Цей метод розроблюється в Обнинському центрі порошкового напилення (ОЦПН).

Якісні покриття з ряду металів і сплавів можна отримувати за допомогою нанесення «холодних» частинок за рахунок зміни інших параметрів гетерофазного потоку (розмір, швидкість, концентрація, склад частинок). У ряді випадків доцільно знизити температуру частинок при одночасному збільшенні їхньої швидкості, що забезпечує отримання високоякісних і спеціальних покриттів.

Привабливість газодинамічного методу нанесення покриттів полягає в тому, що обладнання і покриття, що створюються за його допомогою, вільні від більшості недоліків інших методів нанесення металевих покриттів і мають ряд технологічних, економічних і екологічних переваг.

30.2. Переваги методу

Газодинамічний метод нанесення металевих і металокерамічних покриттів є новим методом і в промисловості. До цього часу він практично не використовується, хоч має ряд переваг порівняно з традиційними методами. Основні переваги методу:

• покриття наноситься в повітряній атмосфері при нормальному тиску, при будь-яких значеннях температури і вологості атмосферного повітря;

• технологія нанесення покриттів ЕКОЛОГІЧНО БЕЗПЕЧНА (відсутні високі температури, небезпечні гази і випромінювання, немає хімічно агресивних відходів, що потребують спеціальної нейтралізації);

• НЕ ПОТРІБНО ПІДІГРІВАННЯ виробу, що покривається;

• при відсутності на підкладках пластової іржі або окалини на металевому виробі непотрібно ретельної ПІДГОТОВКИ поверхні (при впливі надзвукового потоку частинок відбувається зачищення поверхні і активація кристалічних ґраток матеріалу виробу);

• потік напилюваних частинок є вузько направленим і має НЕВЕЛИКИЙ ПОПЕРЕЧНИЙ ПЕРЕТИН. Це дозволяє на відміну від традиційних газотермічних методів напилення наносити покриття на ЛОКАЛЬНІ (з чіткими границями) ділянки поверхні виробів;

• при нанесенні покриттів з’являється НЕЗНАЧНИЙ тепловий вплив на виріб, що покривається;

• можливо НАНЕСЕННЯ БАГАТОКОМПОНЕНТНИХ ПОКРИТТІВ із змінним вмістом компонентів по його товщині;

• обладнання відрізняється КОМПАКТНІСТЮ, МОБІЛЬНІСТЮ, ТЕХНІЧНО ДОСТУПНЕ практично для будь-якого промислового підприємства, може вбудовуватися в автоматизованій лінії, не вимагає висококваліфікованого персоналу для своєї експлуатації;

• обладнання дозволяє провести МІКРОЕРОЗІЙНУ (струминно-абразивну) обробку поверхонь для подальшого нанесення будь-яких покриттів або досягнення декоративного ефекту

Розвиток виробничих процесів у сучасних умовах відбувається при наявності гострого дефіциту матеріалів, електроенергії і фінансових ресурсів, що утруднює проведення нових розробок і впровадження їх у виробництво.

Тому при виборі інноваційного проекту як основна була вибрана концепція створення енергозберігаючого і ресурсозберігаючого обладнання і технологій, що забезпечують економічну ефективність, продуктивність, технологічність і екологічну безпеку.

У результаті був знайдений принципово новий і перспективний метод газодинамічного нанесення захисних металевих і металокерамічних покриттів.

30.3.  Метод газодинамічного напилення

Метод газодинамічного напилення є новим. Він розроблений на основі відкритого в 80-х рр. ефекту закріплення частинок, що рухаються з надзвуковою швидкістю, на поверхні при зіткненні з нею (рис 30.1).

С уть методу складається в нанесенні на поверхню оброблюваних металів, порошків або їхніх сумішей з керамічними порошками за допомогою надзвукових потоків повітря. Порошковий матеріал, що являє собою дрібнодисперсні частинки металів (або суміші металів і кераміки), прискорюється в надзвуковому соплі потоками стислого повітря і прямує на поверхню, що покривається. При цьому шляхом зміни режимів роботи обладнання можна або здійснювати ерозійну обробку поверхні виробу, або наносити однорідні покриття, або створювати композиційні покриття з механічної суміші порошків. Можна також змінювати твердість, пористість і товщину напилюваного покриття.

Рис. 30.1. Схема газодинамічного методу напилювання

Запитання

для самоперевірки до розділу «Двофазні потоки,

що утворюються при газотермічних методах напилення»

1. Що таке фаза? Які фази присутні в газотермічних потоках?

2. Що таке теорія подібності? Яку роль вона відіграє при вивченні двофазних потоків?

3. Що таке число Нуссельта? Які параметри воно визначає?

4. Що таке число Рейнольдса? Що воно визначає?

5. Які параметри визначає число Біо?

6. Що характеризує число Кнудсена?

7. Які струмені називають надзвуковими? Що означає число Маха?

8. Порівняйте різні типи струменів: ламінарні, турбулентні і надзвукові. Що у них спільне і в чому їхні розбіжності?

9. Процеси, що відбуваються з матеріалом в нагрітому газовому потоці. Взаємодія твердих частинок з компонентами газового середовища.

Лекція 25. Порівняння різних типів струменів

1. Переваги надзвукового плазмового напилювання

Таким чином надзвуковий струмінь можна одержати в динамічному вакуумі недорозширеного струменя.

При нанесенні покрить у динамічному вакуумі можна одержати струмінь довжиною 200 – 700 і навіть 1000 мм. При цьому можна прискорювати частки до 500 – 1000 м/хв і як наслідок одержувати покриття з пористістю менше за 1 % і міцністю зчеплення . При цьому покриття вільні від окислів. Міцність зчеплення звичайних плазмових покрить 10 – 20 МПа, а пористість 8 – 10 % (рис.25.1)

Рис. 25.1 Залежність пористості покриття від швидкості удару напилених часток.

При напиленні велике значення має далекобійність струменя, що визначається відстанню від зрізу сопла, на якому осьова швидкість становить половину початкової. Недорозширений струмінь n>1 володіє значно більшою далекобійністю, ніж відповідний ізобаричний n=1, при тому ж , а далекобійність зростає пропорційно . Крім того, коли швидкість кінця струменя трохи відрізняється від звукової, то навіть невелика не розрахованість може приводити до помітного збільшення дальнобійності. При далекобійність нерозрахованого струменя на 17 % вище розрахованого.

Особливістю надзвукової течії на початковій дільниці є наявність радіальної складової швидкості. Траєкторії частинок газу в цій області мають значну кривизну, так що в кожному перетині вектор середньої абсолютної швидкості складає деякий кут з віссю потоку, змінною по величині і знаку вниз за течією. Кути відхилення векторів швидкості від осі збільшуються до периферії, причому основна частина витрати газу проходить через периферійну зону перетину через малу щільність газу в центральній перерозширеній частині струменя.

У кожній подальшій «бочці» слабонедорозширеного струменя максимальне значення площі поперечного перетину і коефіцієнта швидкості менше, а мінімальні значення більше, ніж в попередній. Зниження повного тиску приводить до зменшення діапазону зміни параметрів в «бочках», поки не встановляться їхні постійні значення.

Довжина надзвукової дільниці недорозширення струменю визначається величиною сумарних втрат повного тиску у всіх «бочках». Ці втрати визначаються в основному мірою нерозрахованості, яка задає конфігурацію початкового струменю, відстань між соплом і максимальним перетином першої «бочки», величину статичного тиску в максимальному перетині струменю. Ця величина апроксимується наближеною залежністю:

, (25.1)

Сумарні втрати повного тиску зростають зі збільшенням площі максимального перетину струменя і відповідно перерозширеного газу в ній.