Газотермическое напыление

Газотермическое напыление (англ. Thermal Spraying) – это процесс нагрева, диспергирования и переноса конденсированных частиц распыляемого материала газовым или плазменным потоком для формирования на подложке слоя нужного 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.

Газопламенное напыление — наиболее доступный из методов газотермического напыления.

Металлический либо полимерный порошковый, проволочный либо шнуровой материал подается в пламя ацетилен - кислородной либо пропан - кислородной горелки, расплавляется и переносится сжатым воздухом на поверхность изделия, где, остывая, формирует покрытие. Метод прост в освоении и применении, может применяться как в ручном, так и в автоматизированном режиме.

С помощью газопламенного напыления наносят износостойкие  и коррозионно-стойкие покрытия из железных, никелевых, медных, алюминиевых, цинковых сплавов, баббитовые покрытия подшипников скольжения, электропроводные покрытия, электроизоляционные покрытия (рилсан), декоративные покрытия. Широко применяется для восстановления геометрии деталей насосно-компрессорного оборудования, крышек и валов электродвигателей, нестандартного оборудования.

Покрытия, полученные газопламенным напылением, отличаются пористостью в 2-10 %, могут обрабатываться резанием либо шлифованием

Высокоскоростное (сверхзвуковое) газопламенное  напыление — одна из технологий газотермического напыления защитных покрытий, при которой порошковый материал наносится на подложку на высокой (обычно более 5 скоростей звука) скорости. Важным преимуществом технологии является формирование в получаемых покрытиях напряжений растяжения, что позволяет получать более толстые покрытия, чем при других технологиях напыления. Применение

Технология широко применяется для создания твердосплавных покрытий как экологически чистая и  более гибкая замена гальванического хромирования, химико-термической обработки для защиты от коррозии и износа плунжеров, штоков компрессоров и запорной арматуры, шиберов, каландровых валов, деталей бурового и нефтедобывающего оборудования, авиационной техники. Технология также применяется для создания подслоя при создании термобарьерных покрытий деталей газотурбинных двигателей.

Детонационное напыление — одна из разновидностей газотермического напыления промышленных покрытий в основе которого 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.

Описание  процесса

Детонационное нанесение  покрытий — дискретный процесс, осуществляется последовательным выполнением следующих операций, входящих в единичный цикл (выстрел):

• заполнение взрывчатой газовой смесью ствола детонационной пушки;
• подача в ствол пушки порошка;
• взрыв газовой смеси в стволе.

Состав взрывчатой смеси и степень заполнения ствола существенно влияют на энергетические характеристики продуктов детонации. От процентного соотношения горючего, окислителя и разбавителя, а также от их объема зависит:

• количество тепла, выделяющегося при детонации;
• степень термической диссоциации продуктов детонации;
• химическая активность продуктов детонации по отношению к наносимому материалу;
• температура и скорость истечения из ствола порошка.

Применение

Детонационное напыление  из-за своего дискретного характера  является очень экономичным, но не слишком  производительным методом (по сравнению, например, с высокоскоростным газопламенным напылением). Как правило, оно экономично для напыления поверхностей площадью не более нескольких квадратных сантиметров.

Плазменное  напыление — процесс нанесения покрытия на поверхность изделия с помощью плазменной струи.

Плазменный процесс  состоит из трех основных стадий:

1. генерация плазменной струи;
2. ввод распыляемого материала в плазменную струю, его нагрев и ускорение;

 3.взаимодействие плазменной струи и расплавленных частиц с основанием.

Плазменным  напылением наносятся износостойкие, антифрикционные, жаростойкие,коррозионностойкие и другие покрытия.

Напыление с помощью низкотемпературной плазмы позволяет:

• наносить покрытия на листовые материалы, на конструкции больших размеров, изделий сложной формы;
• покрывать изделия из самых разнообразных материалов, включая материалы, не терпящие термообработки в печи (стекло, фарфор, дерево, ткань);
• обеспечить равномерное покрытие как на большой площади, так и на ограниченных участках больших изделий;
• значительно увеличить размеры детали (восстановление и ремонт изношенных деталей). Этим методом можно наносить слои толщиной в несколько миллиметров;
• легко механизировать и автоматизировать процесс напыления;
• использовать различные материалы: металлы, сплавы, окислы, карбиды, нитриды, бориды, пластмассы и их различные комбинации; наносить их в несколько слоев, получая покрытия со специальными характеристиками;
• практически избежать деформации основы, на которую производится напыление;
• обеспечить высокую производительность нанесения покрытия при относительно небольшой трудоёмкости;
• улучшить качество покрытий. Они получаются более равномерными, стабильными, высокой плотности и с хорошим сцеплением с поверхностью детали.

Напыление с оплавлением — один из наиболее распространенных методов газотермического напыления, позволяющий получить плотные износостойкие коррозионностойкие покрытия с высокой адгезией

Описание  процесса

Газопламенное напыление покрытий выполняют установками газопорошкового напыления из самофлюсующихся металлических порошков. Самофлюсованием называют самопроизвольное удаление оксидов с поверхности частиц покрытия при их оплавлении. Для этого оксиды должны иметь невысокую температуру плавления, небольшую плотность и высокую жидкотекучесть.

Напыление с оплавлением  проводится как вручную, так и  в автоматизированном режиме. Оплавление может производиться специализированными  горелками (предпочтительно), стандартными ацетилен - кислородными горелками, в печи, либо индукционным методом.

К недостаткам метода относят:

• высокая температура при оплавлении, которая часто приводит к термическим поводкам;
• Высокие требования к качеству и грануляционному составу самофлюсующихся порошков. Недостаточно качественный материал может привести к повышенной пористости покрытия, неполному или неравномерному оплавлению частиц;
• Относительно большие припуски под мехобработку;

Сущность  плазменного напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подаётся распыляемый материал, который нагревается, плавится и в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с поверхностью основы или напыляемым материалом и формирование покрытия. Плазменное напыление является одним из вариантов газотермического напыления.

Принцип газотермического напыления достаточно прост: материал, который должен быть нанесен на поверхность детали, пластифицируется в источнике тепла и распыляется высокоскоростным потоком сжатого воздуха или струей газа. При ударе о шероховатую поверхность детали мельчайшие частицы, имеющие еще температуру, равную температуре плавления, деформируются и, внедряясь в поры и неровности детали, образуют покрытие.

Газотермическое напыление. Этот вид напыления характеризуется своей простотой, технологической доступностью и компактностью. Газотермическое напыление дает стойкие антикорозионные, жаростойкие, электроизоляционные, износостойкие покрытия. Существуют дуговые и газоплазменные способы нанесения покрытий. Дуговые способы покрытия энергетически выгодны, однако пригодны лишь для распыления металлических стержней. Для порошковых материалов приемлем только газопламенный способ. Перед началом напыления поверхность деталей необходимо очищать механическим, а если потребуется, то и химическим путем.

Подготовка  деталей к нанесению  покрытия

Перед нанесением покрытия поверхность детали, подлежащая восстановлению, должна быть очищена  от грязи, масла, влаги, ржавчины. Наличие  любого загрязнения, особенно масла, снижает  прочность сцепления покрытия с  поверхностью.

Детали, длительное время работавшие в масляной среде, подвергают нагреву в электропечи  до температуры 200-250°С и выдерживают до полного удаления смазки в течение 1-1,5 ч. Также поступают с деталями, работавшими в соприкосновении с водой. Для удаления влаги из пор металла их нагревают до температуры 100-120°С. Для получения правильной геометрической формы и равномерной толщины покрытия детали подвергают предварительной механической обработке — шлифованию или обтачиванию.

Прочность сцепления  покрытия достигается главным образом  за счет имеющихся на поверхности  шероховатостей. Необходимую шероховатость  можно получить несколькими способами: нарезанием «рваной» резьбы, дробеструйной  обработкой, электроискровой обработкой, накаткой рифленым роликом и др. Наиболее эффективным являются первые два способа.

Для образования  «рваной» резьбы резец устанавливают  в резцодержателе с несколько большим вылетом, чем при точении, при этом кончик резца должен быть ниже оси детали на 2—5 мм. При таком положении резца во время обтачивания детали режущая его часть мелко вибрирует, что приводит к дроблению металла и образованию на поверхности шероховатости.

Дробеструйную обработку подлежащей восстановлению поверхности производят в специальных  установках.

В качестве абразива при дробеструйной обработке  применяют чугунную дробь марки  ДЧК, колотую стальную дробь, электрокорунд. Размер частичек этих материалов должен быть 0,8-1,5 мм.

При выборе режимов  дробеструйной обработки руководствуются  следующим: чем выше твердость обрабатываемой поверхности, тем должно быть выше давление воздуха и меньше расстояние от сопла  дробеструйного пистолета до поверхности  детали. Обычно дробеструйную обработку  ведут при давлении сжатого воздуха 0,4-0,6 МПа. Оптимальное расстояние от сопла до поверхности 30-100 мм. Обработку  ведут при наклоне струи дроби  к поверхности под углом 50-70°. Поверхность детали после дробеструйной  обработки в зоне восстановления должна быть вся испещрена мельчайшими  выступами и полностью потерять блеск.

В связи с  тем, что дробеструйная обработка создает не только шероховатость поверхности, но и разрушает на ней окисную пленку, операцию рекомендуется выполнять непосредственно перед нанесением покрытия. Чем меньше разрыв во времени между подготовкой детали к напылению и самим процессом нанесения покрытия, тем выше прочность сцепления нанесенного слоя с деталью. Перерыв между операциями дробеструйной обработки и напылением не должен превышать 3 ч.