Технология нанесения неорганических покрытий

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

 

Кафедра «Дизайн»

 

 

 

 

Реферат

по дисциплине «Технология»

«Технология нанесения неорганических покрытий»

 

 

 

 

 

выполнил: ст.гр.830601п

Орлова Л.А.

Рук-тель:

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание.

Плазменное нанесение покрытий.

Газотермическоее напыление покрытий.

Детонационный метод напыления покрытий.

Газопламенный метод нанесения покрытий.

Методы газотермического напыления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Плазменное нанесение покрытий. 
Изобретение относится к металлургии, в частности к способу плазменного напыления покрытий и может найти применение в приборо- и машиностроении, в ортопедической стоматологии для изготовления прецизионных сопрягаемых пар, газопоглотителей, внутрикостных имплантантов с металлическими и композиционными покрытиями. Покрытие формируют потоком частиц, образующихся путем распыления части пруткового материала, расплавляемого в струе плазмы. Распыление части пруткового материала осуществляют путем сообщения ему ультразвуковых колебаний. Ток дуги плазматрона и расстояние от среза его сопла до оси пруткового материала устанавливают равным соответственно (120-150) А и (10-15) мм. Скорость подачи пруткового материала в струю плазмы определяют из условий обратной пропорциональности скорости распространения фронта расплавленного материала и сохранения на торце пруткового материала слоя расплава не большего половины длины стоячей волны ультразвуковых колебаний. Напыляемому изделию сообщают ультразвуковые колебания в направлении требуемой ориентации элементов микрорельефа поверхности покрытий. В результате обеспечивается бесступенчатое регулирование свойств покрытия от внутренних слоев к внешним, повышаются адгезионно-когезионные характеристики покрытий и соответственно повышается качество изделий.

Изобретение относится к области нанесения покрытий газотермическим методом, в частности плазменным напылением, и может быть использовано в приборо- и машиностроении, а также в производстве изделий медицинского назначения, для изготовления деталей сопрягаемых прецизионных пар, газопоглотителей, электровакуумных приборов, внутрикостных имплантатов и подобных им объектов, к адгезии и однородности параметров покрытий на которых предъявляются высокие требования. 
 
Известны способы плазменного нанесения покрытий, согласно которым в струю плазмы, образованную путем ионизации потока инертного газа электрической дугой, подают напыляемый материал в виде частиц порошка определенного размера, которые нагреваются в струе до плавления, ускоряются и переносятся к покрываемой поверхности основы. При контакте с ней частицы деформируются, растекаются и кристаллизуются, образуя агломераты. Оседая и кристаллизуясь послойно, частицы формируют покрытие, свойства которого определяются теплофизическими, химическими и механическими свойствами материала частиц, дистанцией напыления, током дуги, скоростью частиц, составом окружающей атмосферы и родом плазмообразующего и транспортирующего газов [1, 2]. 
 
Существенными недостатками описанных способов являются следующие. Вследствие различных размеров и формы напыляемых частиц порошка, а также неравномерного распределения температуры и скорости газового потока по его сечению частицы достигают поверхности основы в различной степени проплавления и образуют агломераты различных размеров. В результате покрытие формируется с высокой анизотропией свойств: разброс микротвердости доходит до 15÷18%, неравномерность пористой структуры составляет более 25%, а пористость находится в диапазоне 20-40%. Из-за скачкообразного перехода от компактного материала основы к пористому покрытию в нем возникают внутренние напряжения, величина которых в ряде случаев превышает предел прочности агломератов и прочность их сцепления с основой. В результате образуются трещины и местные отслоения покрытия, что снижает его адгезию и не обеспечивает ее равномерности по всей поверхности. Из-за различной степени проплавления некоторые частицы достигают поверхности основы в жидком состоянии, некоторые - в вязком, а некоторые имеют твердое ядро, что вызывает значительную неравномерность микрорельефа покрытия. Все изложенное вызывает снижение качества покрытий, затрудняет их обрабатываемость и уменьшает долговечность изделий. 
 
Известен способ плазменного напыления [3], в котором перед введением частиц порошкового материала газ-носитель подогревают и подвергают пульсирующему воздействию, частицы порошкового материала смешивают с пульсирующим потоком газ-носителя, а нанесение порошкового материала покрытия на поверхность изделия проводят в пульсирующем режиме при частоте пульсации сверхзвуковой газопорошковой струи 2-50 Гц. Данный способ обеспечивает перемешивание частиц в струе газа, что улучшает их теплообмен и выравнивает проплавляемость. Это повышает адгезию покрытия и снижает напряжения. Однако из-за исходной разноразмерности частиц и неравномерности их формы сохраняется неоднородность покрытия по адгезионным и структурным характеристикам. Также сохраняется опасность отслоения вследствие резкого перехода от компактного материала к пористому покрытию. 
 
Таким образом, общими недостатками описанных способов, приводящими к невысокому качеству покрытий, являются неодинаковое проплавление частиц в потоке и существенное различие в их размерах при несимметричной форме. 
 
Известен способ плазменного напыления, по которому поток частиц формируется из микрокапель, образованных путем распыления первичной капли на торце пруткового материала, расплавляемого в плазменной струе. Распыление осуществляется скоростным потоком газа. Размеры капель определяются физическими свойствами материала прутка и скоростью газового потока [4]. Способ принят за прототип. 
 
При использовании этого способа в потоке присутствуют частицы, находящиеся только в расплавленном состоянии, что обеспечивает повышение однородности адгезионных свойств покрытия и его структуры по сравнению с напылением порошковых материалов. Однако способ имеет следующие недостатки. 
 
Скорость газа неодинакова по сечению потока, поэтому существует вероятность формирования частиц-микрокапель также с некоторым разбросом размеров. Толщина расплавленного слоя постоянно увеличивается из-за непрерывного подвода тепла в пруток от струи плазмы, что приводит к увеличению размеров первичной капли. В результате устойчивость этого образования резко снижается и происходит периодический распад этой капли на отдельные крупные фрагменты до их распыления потоком газа. Фрагменты, попадая на поверхность основы, формируют на ней отдельные макроагломераты, которые резко снижают однородность морфологии покрытия и его качество. Уменьшение тока дуги или увеличение расстояния до прутка для снижения интенсивности теплового потока приводит к уменьшению толщины слоя расплава и повышению его вязкости. Это вызывает плохое распыление слоя потоком газа, в результате чего расплав стекает к нижней кромке прутка, образуя наплыв. Поэтому уменьшается интенсивность потока микрокапель и производительность процесса. Наплыв по мере роста также может отрываться и наплавляться на основу, нарушая однородность покрытия. Таким образом, покрытие также получается невысокого качества. Управлять процессом сложно ввиду того, что размеры микрокапель определяются скоростью газа, регулируемой его расходом. Современные технические средства не обеспечивают изменения расхода газа с точностью, достаточной для формирования заданного размера распыляемых капель (с точностью до нескольких микрометров). 
 
Технический результат, на обеспечение которого направлено изобретение, заключается в повышении однородности физико-механических свойств покрытий по площади и толщине, что улучшает их технологические и эксплуатационные свойства. 
 
Задачей изобретения является формирование покрытий с повышенной адгезией, высокой однородностью структуры и сглаженным однородным микрорельефом. 
 
Сущность изобретения заключается в следующем. Плазменное напыление осуществляют путем формирования потока частиц ультразвуковым распылением тонкого слоя расплава на торце металлического прутка, помещенного в струю плазмы на расстояние l=10-15 мм от среза сопла плазмотрона. Ток дуги выбирают из соотношения 120-150 А, а скорость подачи пруткового материала определяют из условия обратной пропорциональности скорости распространения фронта расплава и сохранения толщины его слоя равной не более половины длины стоячей волны ультразвуковых колебаний. Амплитуду колебаний пруткового материала определяют в соответствии с выражением; Am =Cd-3.9, где d - заданный размер частиц в потоке, С - коэффициент, зависящий от напыляемого материала, который характеризуется теплофизическими параметрами, а именно - температурой плавления Т и удельной теплотой плавления q, которые известны и приводятся в справочной литературе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Газотермическоее напыление покрытий. 

Основателем газотермического метода получения покрытий считается швейцарский изобретатель доктор Макс Ульрих Шооп (1870-1956 гг.).

На рис.1 представлена схема расположения различных способов газотермического напыления в зависимости от скорости напыляемых частиц на основу.

Рисунок 1 – Хронологическая зависимость скорости частиц порошка для некоторых способов газотермического напыления

Анализируя представленные данные видно, что в последние годы появились и получают свое развитие новые способы газотермического напыления: сверхзвуковое газопламенное напыление, сверхзвуковое плазменное напыление, сверхзвуковое газодинамическое напыление.

Газотермические способы получения покрытий со сверхзвуковой скоростью частиц носят названия «High-Velocity-Oxygen-Fuel» (НVOF) – «Высокая скорость-Кислород-Топливо» и «High-Velocity-Air-Fuel» (HVAF) – «Высокая скорость-Воздух-Топливо».

Сверхзвуковое газопламенное напыление. Рабочий процесс в сверхзвуковой напылительной горелке аналогичен рабочему процессу в ракетном двигателе.

Топлива при высокоскоростном газопламенном напылении сжигаются в горелках при повышенных давлениях, обеспечивающих критический перепад давлений на сверхзвуковых соплах (рис. 2а). Этот метод отличается от традиционного газопламенного напыления, при котором топливо сжигается во внешнем факеле при атмосферном давлении (рис. 2б). 

 

а)	б)
Рисунок 2 – Конструктивные особенности горелок при различных способах газотермического   напыления:    а)  при   сверхзвуковом   газопламенном  напылении; б) при традиционном газопламенном напылении

 

 

В табл. 1 представлена краткая характеристика некоторых зарубежных установок для высокоскоростного газопламенного напыления. 

 

Таблица 1 – Характеристика установок для высокоскоростного напыления

Материалы		Intelli-Jet	JP -5000	DJ2700	Top Gun
Кислород, м3		-	60	18	21
Сжатый воздух, м3		300	-	23	-
Топливо	Вид	Пропилен	Керосин	Пропилен	Пропилен
	Расход, кг	30	21	17	16
Азот, м3		0,96	1,2	1,08	1,02
Вода на охлаждение, м3		–	1	0,72	0,72

 

 

Одной из лучших Российских универсальных установок для высокоскоростного газопламенного напыления является ТСЗП-HVOF-K2. Основные характеристики покрытий, формируемых на данном оборудовании, представлены в табл. 2.

Скорость потока на выходе из сопла данной установки составляет 7-9 скоростей звука. Благодаря возможности получения  малопористых покрытий с высокой адгезией, сверхзвуковая установка напыления может использоваться для решения различных задач оптимизации производства, замены гальванического хромирования, никелирования, детонационного, вакуумного и ионно-плазменного напыления. Модульный дизайн и простота компоновки позволяют быстро изучить и эффективно использовать эту жидкотопливную установку системы HVOF. 

 

Таблица 2 – Основные характеристики покрытий формируемых ТСЗП-HVOF-K2

Параметр	Значение
Твердость покрытия для Wc/Co (88/12), HV	1100
Пористость покрытия для Wc/Co (88/12), %	< 1
Адгезия покрытия для Wc/Co (88/12), МПа	> 80

 

 

Высокоскоростное газопламенное напыление по праву считается наиболее современной из технологий напыления. В странах Европы и Северной Америки высокоскоростное напыление практически вытеснило гальванику и методы вакуумного напыления во многих отраслях. Твердосплавные покрытия, нанесенные методами высокоскоростного напыления, по всем статьям превосходят гальванические покрытия, процесс создания которых признан чрезвычайно канцерогенным.

Сверхзвуковое плазменное напыление подразделяется на струйное и каналовое. При струйном сверхзвуковом напылении частицы порошка подаются в струю сверхзвукового потока на выходе из канала и при подлете к основе имеют разброс по скоростям от нуля до максимальной скорости на оси струи. В покрытии, при многократных проходах, достигается слоистая структура – от плотной (пористость менее 1 %) до обычной  (пористость от 1 % до 6 %).

Значительно лучшие результаты по плотности и прочности сцепления с основой достигаются при «каналовом» сверхзвуковом плазменном напылении. В этом случае частицы порошка вводятся в поток раньше среза сопла и двигаясь по каналу нагреваются, а затем выходят в струю. Низкая скорость частиц порошка при таком напылении практически не реализуется, и скорости полета частиц порошка принимают только близкие к максимальным значения.

Известно также многодуговое плазменное напыление, обладающее определенными преимуществами перед приведенными выше способами, с точки зрения выгодности электропитания плазматронов.

Сверхзвуковое газодинамическое напыление.  Отличительной особенностью покрытий, наносимых данным способом, является сохранение химического состава исходного порошкового материала. Так как процесс протекает при температурах, намного меньших температуры плавления материала частиц, то в покрытии, практически не происходит ни фазовых превращений, ни значительного окисления материала.

Технология формирования покрытий газодинамическим напылением разработанная в Обнинском центре порошкового напыления (ОЦПН), включает в себя нагрев сжатого воздуха, подачу его в сверхзвуковое сопло, формирование в этом сопле сверхзвукового воздушного потока, подачу в этот поток порошкового материала, ускорение материала в сопле сверхзвуковым потоком воздуха и направление его на поверхность обрабатываемого изделия. Ускорение частиц до нужных скоростей осуществляется сверхзвуковым воздушным потоком с помощью разработанных в ОЦПН установок серии «ДИМЕТ». Схема работы установки «ДИМЕТ» представлена на рис. 3. Путем изменения режимов работы оборудования можно либо проводить эрозионную обработку поверхности изделия, либо наносить металлические покрытия требуемых составов. 

 

Рисунок 3 – Схема работы установки серии «ДИМЕТ»

 

 

К основным преимуществам данного способа можно отнести следующие:

·     покрытие наносится в воздушной атмосфере при нормальном давлении, практически при любых значениях температуры и влажности атмосферного воздуха;

·     незначительное тепловое воздействие на покрываемое изделие;

·     экологическая безопасность (отсутствие высоких температур, опасных газов и излучений, химически агрессивных отходов, требующих специальной нейтрализации);

·     компактность и мобильность оборудования, доступность практически для любого ремонтно-технического предприятия.

Данная технология может успешно реализовываться при восстановлении посадочных поверхностей под подшипники корпусных деталей, герметизации трещин блоков двигателей, радиаторов и испарителей холодильников, автокондиционеров, теплообменников и т.д.

Рассмотренные выше новые высокоскоростные способы позволяют значительно расширить возможности традиционного газотермического напыления покрытий, используемого при восстановлении деталей. Полученные покрытия характеризуются более высокой адгезией, низкой пористостью, могут наноситься на изделия сложной формы, изготовленные практически из любых металлов, а также на керамику и стекло.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Детонационный метод напыления покрытий.

Начиная изложение материалов нашего доклада, хочу отметить одну общую особенность, связанную с любыми процессами, целью которых является получение покрытий. Они (покрытия), образно говоря, как зубные пломбы, могут представлять интерес для потребителя лишь в одном случае - если хорошо держатся . В противоположном случае - будь хотя бы алмазные - они никому не нужны. Поэтому высокая адгезионная прочность (адгезия) является необходимым (но не достаточным) условием применения покрытий. Предлагаемый детонационный метод напыления покрытий при его правильном применении обеспечивает хорошую адгезию получаемых покрытий, в чем легко убедиться визуально проанализировав представленные здесь детали с покрытиями, частично изношенные до основного материала потоком абразивных частиц. Переход от основы к покрытию носит плавных характер, отсутствует ступенька, что свидетельствует о высокой адгезионной прочности, способной удержать покрытие вплоть до его полного износа частицами.

Описание технологии.

Сущность метода детонационного напыления ( ДН ) весьма проста: в водоохлаждаемую трубу (ствол) заполненную газовой взрывчатой смесью помещаются напыляемые частицы порошка после чего в газе возбуждается детонация. Взаимодействуя с продуктами детонации, частицы нагреваются и ускоряются в направлении напыляемой поверхности детали, при столкновении с которой они образуют плотное и хорошо сцепленное с ней покрытие. Далее следует релаксация давления, продукты детонации почти полностью выходят из ствола, который продувается не реагирующим газом, вновь наполняется газовой взрывчатой смесью, (причем свежая взрывчатая смесь отделена от оставшихся в стволе продуктов детонации упомянутым не реагирующим газом - для предотвращения спонтанного инициирования), происходит вбрасывание порции порошка, инициирование детонации и так далее. При каждом выстреле напыляется 1 - 7 мкм толщины покрытия на площади, приблизительно равной диаметру ствола (20-30 мм). Выход детонационной волны в атмосферу сопровождается интенсивной звуковой волной амплитудой 140 ДБ на расстоянии 3 метров от среза ствола. Очевидно, что природа ДН - взаимодействие с газообразными продуктами экзотермической химической реакции - близка к газопламенному напылению. Однако, в отличие от него отсутствует сильный нагрев детали, что связано с импульсным характером процесса ДН.

Напылительное оборудование.    

Как понятно из сказанного выше, в применяемом оборудовании необходимо реализовать приведенный основной алгоритм т.е. последовательность событий, происходящих при каждом выстреле (продувка, наполнение, вбрасывание, инициирование). Существуют по крайней мере два пути реализации этого алгоритма: первый - принудительный, например, с помощью командоаппарата или компьютера или распредвала и второй - естественный - с помощью импульсного характера детонационного процесса. В большинстве существующих конструкций напылительного оборудования выбран принудительный вариант, в нашей - естественный, как в автомате Калашникова, где для перезарядки и инициирования используется часть энергии продуктов сгорания пороха, ( в нашем случае - продуктов детонации).