Сверхзвуковое напыление

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение………………………………………………………………………..3

1. Сущность метода сверхзвукового напыления………………………...5
2. Классификация методов………………………………………………....6
1. Метод сверхзвукового «холодного»

           газодинамического напыления………..……………………………….6

2. Методы сверхзвукового газотермического напыления……………...7
1. Электродуговое напыление……………………………………...8
2. Детонационное напыление………………………………………9
3. Газопламенное напыление………………………………………12
4. Плазменное напыление………………………………………….16
3. Тенденция совершенствования………………………………………....22

Список используемой литературы………………………………………....23

 

Введение

       Сверхзвуковое напыление – это метод нанесения покрытий, при котором материал наносится на подложку со скоростями в несколько раз больше скоростей звука. Его можно подразделить на газотермическое и газодинамическое напыление.

       Повышение надежности современной техники, снижение себестоимости ее обслуживания, обеспечение конкурентоспособности, продление ресурса эксплуатации, а также ее реновация путем применения современных технологий для восстановления работоспособности узлов до уровня новых изделий - наиболее приоритетные направления развития техники.

       Применение технологий нанесения защитных покрытий, среди которых газотермические процессы занимают значительное место, является одним из кардинальных путей решения данного вопроса. С использованием существующих в настоящее время оборудования, материалов и технологий газотермического напыления стало возможным значительно снизить или исключить влияние на изнашивание деталей таких факторов, как эрозия, коррозия (в том числе высокотемпературная), кавитация и др. Защитные покрытия могут быть также предназначены, например, для создания термобарьерного слоя, обеспечения электроизоляционных свойств, поглощения излучения продуктов радиоактивного распада, обеспечения определенных оптических свойств, реализации селективного смачивания, создания биологически активных поверхностных свойств для различных искусственных органов и многого другого.

       В промышленно развитых странах с целью решения экологических проблем освоение техники газотермического напыления происходит путем вытеснения гальванических "грязных" технологий. Ситуация в России, сложившаяся в 80-90 гг. и приведшая к распаду промышленности, в настоящее время дает возможность не реанимировать устаревшие технологии, а адаптируясь к новым условиям, вместо гальванических методов использовать новейшие технологии нанесения покрытий методами термического напыления.

 

1.Сущность метода сверхзвукового напыления

       Сверхзвуковое напыление покрытий осуществляется со скоростями в несколько раз больше скорости звука, при этом сам процесс происходит различными способами.

       Например при холодном сверхзвуковом напылении температура напыляемых частиц не превышает 100^оС и соединение основного металла с напыляемым происходит  за счёт преобразования кинетической энергии в тепловую когда напыляемые частицы непосредственно врезаются в изделие. А при газотермическом сверхзвуковом напылении частицы напыляемого металла разогреваются непосредственно перед напылением до различных температур (в зависимости от использованного метода, типа топлива и т. д.).

 

 

2. Классификация методов сверхзвукового  напыления

      Сверхзвуковое напыление классифицируется на газодинамическое и газотермическое напыление.

2.1. Метод сверхзвукового «холодного»  газодинамического напыления (ХГДН)

Описание  технологии:

        Метод ХГДН основан на эффекте  образования прочного металлического  слоя при взаимодействии двухфазного  сверхзвукового потока с поверхностью.

        Частицы порошка металла (или  смеси металлов с корундом) находящиеся  в твёрдом состоянии, ускоряются  потоком воздуха до скоростей  400-700 м/с и направляются на подложку. При этом температура переносимых частиц как правило, не превышает 100ºС.

        Этот метод лишен многих недостатков  высокотемпературных плазменных  методов и имеет следующие достоинства:

- частицы  переносятся в “холодном” состоянии  со скоростями переноса до 700 м/c;

-  разогрев  частиц происходит за счет  преобразования кинетической энергии  в тепловую в процессе взаимодействия с поверхностью, т.е. непосредственно при формировании покрытия;

- возможность  получать покрытия, полностью адекватные  по составу напыляемому порошку;

-   отсутствие  заметного термического воздействия  на материал подложки, не приводящей  к деформации изделия (температура  подложки в процессе напыления  не превышает 150 0С);

-  безопасность, экономичность и простота процесса.

Технология  обеспечивает напыление покрытий из Al, Zn, Pb, Ni, Cu, Co, Fe и их сплавов.

Покрытия, полученные методом ХГДН обладают следующими свойствами:

Материал покрытия	Материал подложки	Адгезия, кг/мм2	Пористость, %
Al–Zn	сталь, чугун	4-6	2-4
Cu–Zn	алюминий	6-8	3-5
Cu–Sn	сталь, чугун	3-5	3-6
Cu	алюминий	4-5	5-7
Ni	сталь, чугун	—	2-4
Баббит	сталь, чугун	—	4-5

 

 

2.2. Метод сверхзвукового газотермического напыления

         Газотермическое напыление (англ. Thermal Spraying)  — это процесс нагрева, диспергирования и переноса конденсированных частиц распыляемого материала.

           Под общим названием газотермическое напыление (ГТН) объединяют следующие методы: газопламенное напыление, высокоскоростное газопламенное напыление, детонационное напыление, плазменное напыление, напыление с оплавлением, электродуговая металлизация и активированная электродуговая металлизация.

Рисунок  2.1 - Газотермические методы сверхзвукового напыления

 

       Из схемы (рис.2.1) видно, что существует широкий спектр методов сверхзвукового газотермического нанесения покрытий, которые позволяют решать многие научно-технические проблемы защиты и восстановления поверхностей деталей практически во всех отраслях промышленности , в том числе авиационной, предъявляющей самые высокие требования к качеству покрытий.  Далее рассмотрим подробно эти методы.

2.2.1 Электродуговое  напыление

       Метод высокоскоростного электродугового напыления HVAF-ARC (HVAF – технология активированного горения; ARC – дуга) (рис.2.2) выгодно применять для напыления проволочных материалов, поскольку обеспечиваются высокая производительность и плотность покрытий. Также как и при электродуговой металлизации (ЭДМ) распыляемый материал в виде двух проволок подаётся в зону горения дуги механизмом подачи. Напряжение на проволоки подаётся от источника питания. Расплавленный металл проволок диспергируется и ускоряется внешней (обжимающей) струёй продуктов горения пропано-воздушной смеси. Увеличенная скорость частиц – 150-250 м/с (вместо 50-150 м/с при ЭДМ) и небольшой размер распыляемых частиц – 2-20мкм (вместо – 30-100мкм при ЭДМ) обеспечивают получение высокоплотных покрытий.

Рисунок 2.2 - Схема распылителя HVAF-ARC

       Метод HVAF-ARC превосходит HVOF по пористости и газопроницаемости покрытий. Для напыления применяют электродуговой металлизатор SB-50(I_д=100/300А, U_д=28/42В) с воздушным охлаждением и электрическим механизмом подачи проволоки (диаметром 1,6–2,0мм). Производительность напыления сплавов на основе железа и никеля 4–12 кг/ч.

       Другой метод высокоскоростной  электродуговой металлизации –  активированная дуговая металлизация (АДМ). При АДМ используют восстановительные транспортирующие газы подаваемые через профилированные сопла. Камера сгорания в системе подачи газов позволяет увеличить скорость и температуру струи транспортирующего газа и распыляемых частиц, уменьшить диаметр капель, степень окисления частиц. На выходе из сопла продукты сгорания образуют сверхзвуковую струю со скоростью свыше 1500м/с и температурой 1930 ^oC. Угол раскрытия струи при АДМ не превышает 10^о , что обеспечивает КИМ=0,85 (при ЭДМ КИМ=0,6), пористость покрытий снижается с 9 до 11  (ЭДМ) до 2–4% при существенном снижении пор, что позволяет, в частности, уменьшить толщину коррозионно-стойких покрытий и расход материалов для антикоррозионной защиты; содержание кислорода в защите снижается в 1,6 раза (до 2,9%) в сравнении с ЭДМ, производительность напыления – до 15кг/ч (вместо 8-10кг/ч для ЭДМ при прочих равных условиях). В качестве напылямых материалов используют алюминий, бронзу, сталь и цинк.

2.2.2 Детонационное напыление

       В основе детонационного метода  напыления лежит принцип нагрева  напыляемого материала (обычно  порошка) с последующим его  ускорением и переносом на  напыляемую деталь с помощью  продуктов детонации. При детонационном напылении для нагрева и ускорения напыляемого материала используется энергия продуктов детонации газокислородного топлива. В качестве горючего газа обычно применяется пропан-бутановая смесь.

          Преимуществами детонационного метода напыления являются:

• высокая адгезия покрытия (80-250 МПа)
• низкая пористость покрытия (0,5-1%)
• отсутствие деформации напыляемой детали

          К недостаткам следует отнести низкую производительность и недостаточную надежность существующего оборудования.

          Технология детонационно-газового напыления позволяет не только восстановить рабочие поверхности деталей, но и существенно повысить эксплуатационный ресурс за счет применения износостойких материалов. Детонационно-газовый способ позволяет наносить покрытия из металлов, их сплавов, оксидов и карбидов металлов, композиционных порошков (плакированных и конгламерированных) а также механических смесей.

          Тенденция развития газотермических износостойких покрытий заключалась в увеличении прочности и плотности покрытий. С этой целью была разработана фирмой Union Carbide (UC), США в 50-х годах высокоскоростная детонационная установка. 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.

          В зависимости от конструкции установки частота циклов может достигать 8-10 Гц, но в большинстве случаев она равна 3-4 Гц. Кроме ацетилена, в качестве горючего могут использоваться другие газы, например, метан или пропан-бутан. При этом протяжённость зоны перехода горения в детонацию увеличивается. Для снижения температуры нагрева частиц напыляемого материала взрывчатая смесь разбавляется азотом или воздухом. Нагрев частиц до пластического состояния в сочетании с приобретаемой значительной кинетической энергией позволяет получать покрытия с высокой прочностью сцепления (до 250МПа) и низкой пористостью (менее 2%).

          Процесс детонационного напыления характеризуется значительным количеством технологических параметров. Основные из них :

• глубина загрузки порошка, т.е. расстояние от места ввода порошка до среза ствола
• соотношение расходов газов:
• горючего
• кислорода
• азота или воздуха

т.е. состав рабочей взрывчатой смеси

• степень заполнения ствола - отношение суммарного расхода газа за один цикл к суммарному объёму ствола и камеры смешения
• расход азота продувки ствола
• толщина напыляемого слоя за один цикл
• дистанция напыления
• химический и гранулометрический состав и способ изготовления порошка

          От глубины загрузки зависит время пребывания частиц порошка внутри ствола, полнота физико-химического взаимодействия с продуктами детонации. Состав смеси существенно влияет на энергетические характеристики частиц порошка и определяет химическое взаимодействие напыляемого материала с продуктами детонации В зависимости от состава рабочей смеси может происходить полное или неполное сгорание горючего газа. Оптимальной рабочей смесью может быть смесь, близкая к стехиометрической. Однако, максимумы скорости детонации и твёрдости покрытия из оксида алюминия (в данном случае твёрдостью определяют оптимальные условия формирования покрытия) не совпадают. В то же время при нанесении покрытия из карбидов избыток углерода в газовой смеси защищает карбид от обезуглероживания.