Технология нанесения неорганических покрытий

На рис.1 показана схематически конструкция напылительного оборудования, или пушки (название <КОРУНД>) разработанного в ОАО НИИТавтопром, с указанием основных технических характеристик: расходов и состава газов, частоты выстрелов, температуры напыляемого порошкового материала и охлаждающей воды, дистанции напыления и др. Здесь обозначены римскими цифрами: I - смеситель газов инжекционного типа, в корпусе которого установлена автомобильная свеча зажигания - источник периодического инициирования детонации; II - демпфер - водоохлаждаемая трубка; III - верхняя крышка; IV - ствол (водоохлаждаемая труба длиной около 1.5 м, диаметром 27- 30 мм); V - трубка ввода порошка; VI - порошковый дозатор; VII - напыляемая поверхность. Пунктирной линией обведены водоохлаждаемые области. Работа напылительного оборудования происходит следующим образом. Во взрывчатой смеси, которая непрерывно поступает в ствол IV происходит инициирование детонации с помощью свечи зажигания.   

После прохождения детонационной волной уровня трубки ввода порошка V начинается подъем давления в порошковом дозаторе VI, соединенном с последней, и это продолжается вплоть до момента прихода волны разрежения со стороны открытого конца ствола IV, после чего начинается релаксация (спад) давления в дозаторе VI. Он сопровождается вбрасыванием порошка в трубку ввода V и далее в ствол. В тоже время происходит наполнение ствола взрывчатой смесью из смесителя I через демпфер II , причем первыми в ствол поступают охлажденные продукты детонации, первоначально находящиеся в демпфере II . Они выполняют роль продувочного не реагирующего газа, отделяющего свежую взрывчатую смесь от еще горячих продуктов детонации, оставшихся в стволе. Далее следует инициирование детонации, нагрев и ускорение частиц порошка и напыление покрытия.

Области применения.   

В России наиболее распространенными порошковыми материалами являются корунд т.е. альфа фаза оксида алюминия и спеченная смесь карбида вольфрама и кобальта (или карбид вольфрама,плакированный кобальтом) ВК-15, ВК-20, ВК-25, (цифры означают процентное содержание кобальта). Напыление корунда позволяет получать покрытия, (содержащие до 30% альфа фазы) толщиной от 0.01 до 1 мм, обладающие адгезионной прочностью не менее 5 кг на 1 кв. мм, пористостью не более 5% и твердостью около 70 единиц HRC. Покрытия из оксида алюминия могут применяться для повышения износостойкости деталей, работающих в условиях трения в паре с мягкими материалами - резиной, фторопластом и другими, используемыми для уплотнительных узлов; в паре с твердыми материалами в подшипниках скольжения, работающими со смазкой, во фрикционных парах. Кроме того эти покрытия обладают теплоизолирующими и электроизоляционными свойствами, а также в некоторых случаях могут использоваться для защиты от коррозии. (Использованию в последнем качестве препятствует сквозная пористость покрытий из оксида алюминия). Ниже перечислены детали, износостойкость которых была значительно (в 2 и более раз) повышена за счет напыления покрытий из оксида алюминия: алюминиевые автомобильные диски сцепления, которые прошли 6 гонок на выживание; тормозные диски <Багги>; диски сцепления спортивных игровых мотоциклов; штоки тормозной системы автобуса <Икарус>, которые были одновременно восстановлены и упрочнены; огнепреградители в виде сеток из проволоки (диаметром 0.1 мм) из нержавеющей стали; алюминиевые ролики для поддержки проволоки; алюминиевые воздушные турбинки (веретена), используемые для скручивания нитей; поддерживающие планки для пряжи; опорные ролики с электроизолирующим покрытием из оксида алюминия, используемые при производстве алюминия; торцевые уплотнения, контактирующие с фторопластовыми шайбами применяемыми в пищевой промышленности; места под сальниковые уплотнения на всевозможных валах, контактирующие с уплотнительными материалами; ручьи алюминиевых шкивов. Помимо покрытий из оксида алюминия могут также наноситься покрытия из окиси хрома, вольфрама, титана, стабилизированного диоксида циркония и диоксида гафния.   

Покрытия из ВК обладают высокой адгезионной прочностью (около 20 кг на кв.см ) стойкостью к износу трением и эрозионному износу, к ударным нагрузкам и к коррозии; пористость покрытий - не более 0.5%. Их использование ограничено температурой эксплуатации деталей 500 градусов Цельсия; при более высоких температурах вместо ВК применяют композитный порошок карбида хрома с нихромом. Детали, на которые обычно напыляют ВК, это - лопатки турбин авиационных двигателей, подшипники скольжения, режущие кромки ножей для мягких материалов (для бумаги, глины и др.).   

Остановимся еще на одном достаточно важном, особенно для России в настоящее время, применении ДН - для восстановления изношенных поверхностей деталей. Наиболее характерным примером здесь может служить вполне конкретная деталь - чашка дифференциала заднего моста троллейбуса, у которой было необходимо напылить на шейках два места под подшипники, где ранее произошло их заклинивание и сильный износ поверхностей. Здесь преимущества метода ДН проявились в полной мере: напыление высокоуглеродистой стали при отсутствии каких либо термических деформаций (поводок) восстановило деталь и далее может быть проведено неоднократно. Предыдущие попытки провести напыление газопламенным методом или наплавкой электродом приводили часто к охрупчиванию вследствие перегрева и потери прочности материала шеек. Другая деталь - фланец заднего моста, контактирующий с сальниковым уплотнением: износ металла под сальником составлял около 0.7 мм на диаметр. Напыление слоя оксида алюминия толщиной 0.45 мм с последующей шлифовкой позволило не только вернуть эту деталь в эксплуатацию, но и упрочнить ее поверхность, обеспечив гарантированное прохождение ресурса.    

В настоящее время в лаборатории детонационных покрытий ОАО НИИТавтопром постоянно ведется напыление следующих из перечисленных деталей : чашек дифференциала и фланцев заднего моста троллейбуса; торцевых уплотнений различных типов, контактирующих с фторопластовыми шайбами, применяемыми в пищевой промышленности и внутренних втулок подшипников скольжения.

Наши предложения.   

Мы готовы провести на предприятии потенциального заказчика поиск деталей перспективных для применения детонационных покрытий, напылить пробную партию деталей и в случае положительных результатов при оформлении заказа от потребителя поставлять последнему детали с покрытиями. Мы также готовы к созданию совместного предприятия для совершенствования и применения детонационного метода напыления покрытий.

Шумоглушение.    

Напылительная шумоглушащая камера с манипулятором для деталей (промышленный образец Корунд - 2).испытана за 10 лет эксплуатации массой около 8 т, высотой 3.5 м, площадью около 20 кв.м, содержащий системы очистки воздуха от частиц (циклоны) из пескоструйной и напылительных камер, который нуждается в существенном упрощении.   

Спроектирована, (но не изготовлена), малогабаритная, массой около 2 т, высотой 3 м, площадью около 10 кв. м напылительная камера (Корунд-3) без циклонов, в которой в отличие от Корунда - 2 напылительное оборудование находится (за исключением нижнего открытого конца ствола) вне напылительной камеры. Прототипы Корунда - 2, (поставленные во Францию в институт материаловедения CEREM в Гренобле и в Индию в международный исследовательский центр порошковой металлургии ARCI в Хайдерабаде), продемонстрировали эффективность такого способа шумглушения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Газопламенный метод нанесения покрытий.

Источником тепла при данном способе напыления выступает ацетиленокислородное пламя, температура которого не превышает 3000°С. Использование газопламенного метода характеризуется относительной простотой применяемого оборудования и требует наличия ацетилена и кислорода. Распыляемый материал, попадая в факел ацетиленокислородного пламени горелки, разогревается до температуры, близкой к температуре плавления, и разгоняется до скорости 20-30 м/сек. При соударении с изделием разогретые частицы соединяются с поверхностью детали и между собой, образуя достаточно плотное и равномерное покрытие. С помощью газопламенных горелок производят напыление полимерных материалов (пластмассы), металлов (алюминий, бронза, баббит, никель и т.д.) и керамических соединений (окись титана, окись алюминия и др.). Различают два способа подачи напыляемого материала в ацетилено-кислородное пламя горелок: в виде порошка и в виде проволоки. В газопламенной горелке Castodyn-8000 фирмы Castolin - Eutectic (Рис.7) напыляемый материал подают в виде порошка.

Восстановление геометрических размеров посадочных мест крупногабаритных валов под подшипники качения и скольжения, коренных и шатунных шеек коленчатых валов ДВС, дизельных машин и компрессорных установок. В этом направлении выполнены работы на шахте «Северопесчаная» Богословского рудоуправления г. Краснотурьинск, где осуществлен ремонт посадочного места подшипника на валу (980 мм) подъемной клети рабочего ствола; ремонт посадочного места вала калландра - завод РТИ; ремонт посадочного места дробильной щеки - Шарташский щебеночный карьер г. Екатеринбург и др.

При эксплуатации газотурбинных установок магистральных газопроводов наблюдается износ внутренней поверхности статора осевого компрессора. Это приводит к увеличению радиальных зазоров в проточной части и, как следствие, к падению мощности и снижению КПД. С использованием отечественного и импортного оборудования разработана технология восстановления геометрических размеров корпусов агрегатов газотурбинных установок. Для этих целей использован метод газопламенного напыления порошковой смеси состава (Ni - Al - графит). Предварительные испытания показали, что с помощью напыления удается поднять мощность ГТУ. Нанесенные покрытия обладают необходимой устойчивостью в условиях работы газотурбинных установках и прирабатываемостью при задевании напыленного слоя лопатками ротора. Нанесённое покрытие не требует механической обработки. Толщина напыленного слоя варьировалась от 0,2 мм до 2,0 мм в зависимости от величины износа (коробления) корпуса статора. Испытания восстановленного компрессора проводились на КС ОАО «Тюментрансгаз». 

В нагревательных печах для плавки алюминия и меди стенки плавильной зоны выполнены из огнеупорного кирпича. В процессе эксплуатации печей наблюдается остекловывание кирпичной кладки и налипание шлаковых  образований на стенки плавильной зоны. Такое явление приводит к уменьшению рабочего объема печи и снижению КПД плавильного агрегата. Механическое удаление шлаковой корки приводит к разрушению стенок плавильной зоны. На базе порошковых огнеупорных материалов разработан состав порошковой смеси и технология нанесения ее  на огнеупорные стенки печи. Использование мобильных переносных напылительных устройств позволяет производить нанесение огнеупорной порошковой смеси (на основе керамики) непосредственно на готовые (выложенные из кирпича) стены плавильной зоны. Напыленное керамическое покрытие не смачивается жидким металлом и шлаком, не остекловывается и, тем самым, препятствует уменьшению рабочего объема печи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Методы газотермического напыления.

Современные методы газотермического напыления позволяют осуществлять металлизацию сооружений, изделий и различных деталей из металла. Данная процедура защищает поверхности от негативных воздействий агрессивных сред, атмосферных осадков и в разы увеличивать их срок службы.

Главными достоинствами металлизации металлов являются протекторные свойства, которые обеспечивают высокую твердость и адгезию. Нанесение таких покрытий можно осуществлять в полевых условиях.

Одним из лучших способов защиты от коррозии считаются газопламенная и электродуговая металлизация распылением. Данные методы известны, начиная с 50х годов прошлого столетия, и сегодня применяются очень широко.

 
Рис.1. Процесс образования металлизационного покрытия.

Процесс металлизации распылением характеризуется непрерывным плавлением металла покрытия, распылением его на мельчайшие частицы и нанесением на поверхность. Осевшие частицы деформируются и образуют металлизационное покрытие со слоистым строением. При этом температура изделия в ходе напыления не превышает 120 °С.

Основными недостатками металлизации ранее считались недостаточная адгезия, большая пористость и высокая стоимость. Однако применение современных установок позволило исключить некоторые минусы. Так, пористость удалось снизить до 5-7%. Коэффициент использования материала при металлизации теперь свыше 70%. Для дальнейшего улучшения характеристик используются специальные пропитки и окрашивание. Стоимость металлизации теперь с сравнима с ценой качественных полимерных покрытий.

За счет синергии, срок службы комбинированных покрытий значительно выше суммы сроков каждого защитного слоя в отдельности. Поэтому для изделий, эксплуатирующихся в агрессивных средах, принято использовать именно их.

В некоторых случаях металлизация является единственным возможным способом защиты конструкций от коррозии и разрушения. Это является следствием того, что она может производиться в полевых условиях, в отличие от других методов нанесения антикоррозийных износостойких покрытий.

 
Рис. 2. Металлизация стальных мостовых конструкций в полевых условиях.

Для металлизации обычно используются такие материалы, как цинк, алюминий и их сплавы. Цинк устойчив к ржавлению в морской воде. Наибольшее влияние на скорость его коррозии может оказывать большое содержание оксидов серы, хлора и паров соляной кислоты в атмосфере городов.

Коррозионная стойкость алюминия зависит от условий, в которых происходит коррозия и регулируется, в основном, стойкостью защитной окисной пленки к среде. Алюминий стоек в горячей и морской воде.

 
Рис. 3. Формирование алюминиевого покрытия на стальной основе.

Сплавы цинка и алюминия (Zn/Al15, Zn/Al5) создают покрытия, стойкие к любым атмосферам, что объясняется быстрым заполнением пор продуктами коррозии цинка. Контакт алюминия с цинком безопасен, так как электродный потенциал цинка отрицательнее алюминия, следовательно, цинк, растворяясь, электрохимически защищает алюминий. Покрытия из алюминия находят также широкое применение для защиты железа и стали против газовой коррозии.

Цинк и алюминий образуют плотный слой продуктов коррозии, по объему значительно больший, чем металл, из которого они образовались. Цинковое покрытие находящееся длительное время в воде, покрывается плотным слоем окиси карбоната или гидроокиси цинка; поры закупориваются продуктами коррозии (Рис.4). Такое покрытие со временем значительно увеличивает свою коррозионную стойкость.

Немаловажным фактором считают протекторные свойства металлизационных покрытий из алюминия, цинка и их сплавов. Поврежденное место на покрытии за счет гальванического эффекта затягивается ионами алюминия или цинка, предохраняя материал подложки. Наиболее активным с точки зрения протекторной защиты считается сплав алюминия и магния (AlMg5).

По результатам сравнительного исследования эффективности 47 различных систем защитных покрытий только алюминиевое и цинковое покрытия, нанесенные методом газотермического напыления, отработали 20 лет без повторного нанесения и сохранили более 99,5% сплошности. Оказалось, что сталь не подверглась коррозии ни в одном из тех мест, где были возможны качественная подготовка поверхности и нанесение металлизационного покрытия.