Газотермическое напыление как альтернатива "гальваники"

Повышение надежности изделий, снижение себестоимости их изготовления и обслуживания, продление ресурса эксплуатации, а также современные технологий реновации путем восстановления работоспособности узлов до уровня новых - наиболее приоритетные направления повышения конкурентоспособности продукции машиностроительных предприятий. Применение технологий нанесения защитных покрытий, среди которых наиболее перспективным представляется газотермическое напыление, является одним из таких путей. С использованием газотермического напыления стало возможным значительно снизить или исключить влияние на износ деталей таких факторов, как эрозия, коррозия (в том числе высокотемпературная), кавитация .... Газотермическое напыление  может быть использовано для нанесения покрытий обладающих специальными свойствами, 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 освоение техники газотермического напыления происходит путем вытеснения "грязных" гальванических технологий. Ситуация в России, сложившаяся в 80-90 гг. позволяет не реанимировать устаревшие технологии, а адаптируясь к новым условиям, вместо гальванических методов использовать новейшие технологии газотермического напыления.

Технологические возможности газотермического напыления 

• газотермическое напыление можно использовать на объектах любых размеров: мосты, суда, трубопроводы, строительные конструкции, котлы, коленчатые валы, лопатки турбин ...;
• толщина покрытия может составлять от 0,01 до 10 и более мм; они могут иметь заданную пористость (от 0 до 30 и более процентов);
• наносить можно любые материалы, имеющие точку плавления или интервал размягчения;
• в качестве подложки можно использовать дерево, стекло, пластмассы, керамику, композиционные материалы, металлы;
• нанесение покрытий может производиться в широком диапазоне состава покрытия, температуры и давления - в низком вакууме в специальной камере с контролируемой инертной атмосферой, в воздухе при нормальных условиях, под водой;
• технология нанесения не вызывает значительного нагрева напыляемой поверхности, следовательно, обеспечивается сохранение геометрических размеров деталей.

Область применения газотермического напыления

Газотермическое напыление применяют при ремонте оборудования или упрочнении рабочих поверхностей новых деталей. В зависимости от назначения покрытия и условий его работы меняются требования к точности соблюдения основных параметров - его состава, толщины, плотности, прочности сцепления с подложкой. Основные технологические процессы, которые сегодня используются в мировой практике - это высокоскоростное напыление; плазменное напыление на воздухе с использованием таких плазмообразующих газов, как аргон, азот, гелий, воздух; детонационное или газопламенное напыление, а также электродуговая металлизация. По косвенной оценке (число продаваемого оборудования для газотермического напыления покрытий), насыщенность европейской промышленности выше насыщенности российских предприятий примерно в 350-400 раз.
За рубежом 75% запорной арматуры (шаровые краны большого диаметра) производится с газотермическим напылением карбида вольфрама на связке кобальт-хром, а остальная часть - с гальваническим нанесением хрома или никеля. У нас же 100% шаровых кранов такого же типоразмера имеют гальванические покрытия. Такое состояние дел можно объяснить большим количеством отрицательных результатов, полученных при использовании газотермических технологий в прежние годы. Анализ опыта внедрения технологии газотермического напыления в производство в прежние годы показывает, что получение отрицательных результатов было обусловленно низким качеством или несовершенством технологического оборудования и средств контроля, либо неправильным выбором технологических схем. В настоящее время отечественные предприятия, борющиеся за свое место на рынке, все чаще начинают внедрять современные методы газотермического нанесения покрытий для повышения качества выпускаемой продукции.

Суть процесса

Суть процесса газотермического напыления заключается в расплавлении материала покрытия (проволока или порошок) с последующим нанесением (напылением) его на основу в газовом потоке. В микрозоне удара частиц расплава о покрываемую поверхность они деформируются и растекаются, последовательно слипаясь друг с другом и затвердевая, они формируют плоский слой. Связь напылямых частиц с основой происходит за счет тепловой и кинетической энергии, которая определяется температурой и скоростью этих частиц. Связь покрытия с основой- адгезионная, она осуществляется за счет межмолекулярных сил и механического сцепления его с неровностями развитой шероховатой поверхности.

Немного о самих покрытиях

• Износостоийкие
  Изнашивание металлов - процесс разрушения поверностных слоев трущихся тел - характеризуется разнообразием условий их нагружения. В зависимости от этих условий следует выбирать те материалы, которые имеют большее сопротивление изнашиванию. В качестве износостойких в условиях пленочной жидкой смазки применяют антифрикционные материалы (баббиты, бронзы). При сухом трении до 500^оС - сочетание твердых материалов с мягкой связкой (карбид вольфрама - кобальт или никель). При повышенных температурах (до 900^оС) - карбид хрома - нихром. При высоких температурах - материалы, дающие устойчивые оксиды: алюминид никеля, нихром, или покрытия, содержащие твердые смазки ( графит, дисульфид молибдена, нитрид бора). При возможности абразивного изнашивания применяют твердые наплавочные материалы - самофлюсующиеся покрытия, содержащие бориды, карбиды. При эрозионном пылевом изнашивании помимо самофлюсующихся покрытий хорошо себя зарекомендовали плотные пленки на основе карбидов вольфрама или хрома, полученные при напылении высокоскоростным способом. Газотермические покрытия пористостью 5-15% при жидкостном трении обладают более высокой износостойкостью, чем новая деталь. Так, у нового стального вала двигателя внутреннего сгорания после прекращения подачи обычной моторной смазки через 2,5…3 ч происходит разрушение масляной пленки, а затем заедание в баббитовом подшипнике, что приводит к резкому увеличению коэффициента трения и разрушению подшипника. Заедание вала с напыленным стальным покрытием происходит через 22,5 ч после прекращения подачи смазки при постепенном повышении коэффициента трения. Если в качестве смазочного материала использовали графитизированное масло, то заедания вала с напыленным покрытием не наблюдалось после 190 ч с момента прекращения подачи смазки.
• Жаростойкие
  Жаростойкие покрытия образуют плотную оксидную пленку, которая защищает подложку от окисления. Оксиды алюминия, хрома, кремния имеют плотное строение и высокую прочность сцепления. Жаростойкими являются сплавы в системах Ni-Al, Ni-Cr, Ni-Cr-Al, Ni-Co-Cr-Al-X, MoSi2, ... Теплозащитные покрытия (ТЗП) должны иметь низкое значение коэффициента теплопроводности l и высокую температуру плавления.Наиболее подходящим материалом для ТЗП является оксид циркония.  ТЗП лопаток турбины ГТД должно иметь l менее 2,5 Вт/(м•К). ТЗП из ZrO2 имеет пористость 15±5%, при которой l < 0,8 Вт/(м•К). В качестве теплозащиты в зависимости от материала подложки и условий применения следует выбирать керамические материалы с заданной пористостью. Для лопаток турбины ГТД предпочтительнее кубическая структура оксида циркония, оксида иттрия или церия.
• Коррозионно-стойкие
  Коррозионные разрушения металлов обусловлены химическими и электрохимическими процессами, происходящими на поверхности металла при взаимодействии со средой. Различают коррозию атмосферную, в морской воде, грунтовую, в агрессивных средах (кислотную, щелочную, ...), высокотемпературную газовую (сульфидную, сульфидно-оксидную, ...). По характеру поражения различают питтинговую (язвенную), когда на поверхности образуются язвы или полости, фреттинг-коррозию (износ в условиях малых перемещений, когда поверхности не выходят из зоны контакта, а продукты износа и коррозии не имеют возможности выхода из зоны образования), коррозию под напряжением (коррозионное растрескивание), коррозионное расслаивание и др. Для защиты от атмосферной, морской, подземной коррозии стальных конструкций, трубопроводов, судов и т.д. широко применяют металлы-протекторы, имеющие более отрицательный потенциал, чем железо (анодные покрытия) - Zn, Al. В качестве защитных покрытий катодного типа применяют коррозионно-стойкие металлы - Pb, Cr, Cu, Ti. Главное требование к катодным покрытиям - это их сплошность, исключающая попадание жидкости (электролита) между подложкой и покрытием. В этом случае будет разрушаться подложка, т.е. защищаемый металл. Такие коррозионно-стойкие покрытия могут быть изолирующими, что обеспечивается их плотностью и химическим составом. Высокотемпературная коррозия связана с образованием легкоплавких сульфидов с никелем или железом, которые растворяют металл подложки при сравнительно невысоких температурах. Кобальт и хром химически более устойчивы, поэтому применяются для защиты лопаток турбины ГТД. В ряде случаев покрытия служат для восстановления формы детали (профиль лопатки турбины ГТД). В качестве материала используют жаростойкие сплавы.
• Оптические
  Покрытия оптического назначения применяют для корректировки теплового баланса в космосе, где основной механизм теплопередачи - лучевой. Покрытия с высоким интегральным коэффициентом черноты - Co3O4 , Co2O3, Cr2O3, MoSi2 - имеют степень черноты e = 0,9…0,98 при температуре до 350^оС и 0,8…0,9 при температуре 350…900^оС. Покрытия, обладающие высоким интегральным коэффициентом черноты, более интенсивно поглощают лучистую энергию, что приводит к нагреванию объекта. Покрытия с высокой отражательной способностью аs (солнечные отражатели) способствуют отдаче тепла. Отражательная способность алюминиевого покрытия аs = 0,98. Значение оптических покрытий для регулирования тепла весьма велико. Такие покрытия заменяют конструкцию системы терморегулирования.
• Электропроводные, электроизоляционные
  Электропроводные (медь), электроизоляционные (оксид алюминия, алюмомагнезиальная шпинель), нейтронно-поглощающие (гафний или оксид гафния) покрытия выполняют роль проводников, изоляторов, защитных экранов в ядерных установках, являясь также конструкционными покрытиями.
• Уплотнительные
  Уплотнительные покрытия (УП) применяются взамен вставок из уплотнительных материалов в ГТД. Назначение УП - уменьшить зазор между статором и ротором газогенератора (компрессор и турбина). Особенностью УП является их податливость (кромка лопатки или лабиринт легко врезаются в слой УП, которое, однако, достаточно прочно, чтобы выдерживать напор газового потока при повышенных температурах.) В качестве твердой смазки в УП используют графит или нитрид бора. В качестве матрицы с увеличением рабочей температуры - алюминий, никель, алюминид никеля, оксид циркония.
• Декоративные
  Декоративные покрытия (бронзовые покрытия на силуминовых скульптурах) также можно считать конструкционными, так как они позволяют экономить более дорогие медные сплавы подобно тому, как бронзовый цилиндр гидросистемы шасси был заменен деталью из алюминиевого сплава с покрытием из бронзы, нанесенным на внутреннюю поверхность цилиндра. Такая замена позволила снизить массу узла шасси на 4 кг. Восстановление скульптурной группы "Квадрига" на фронтоне Большого театра производилось напылением медной проволокой способами ГП и ЭДМ. Толщина стенки скульптуры составляла изначально 4 мм, на момент восстановления - 2 мм. Толщина стенки была доведена до начальной.

Примеры применения технологии газотермического напыления

Полиграфия, целлюлозно-бумажная промышленность

Химическая, нефтехимическая промышленность

Производство резино-технических изделий и синтетического каучука

Металлургическая промышленность

Энергетика

Автомобильная промышленность, сельхозмашиностроение

Авиационная промышленность

PromNavigator.ru

Материалы предоставленны:
ООО «ТСЗП»
142172 МО, г. Щербинка, Симферопольское ш. 21
Тел.: (495)783-82-20
Факс: (495)646-16-40
E-mail: info@tspc.ru
http://www.tspc.ru