Технология напыления функционально-градиентных покрытий

Введение

Технический прогресс предъявляет к конструкционным материалам все более жесткие требования. Вместе с тем резервы повышения эксплуатационных свойств материалов традиционными способами практически исчерпаны. Одним из наиболее перспективных путей повышения эксплуатационных свойств материалов является создание поверхностных и приповерхностных слоев с градиентами по составу, структуре и свойствам. Наличие градиентной структуры поверхностных слоев позволяет получать новые, более высокие эксплуатационные свойства изделий.
Одним из эффективных способов улучшения поверхностных свойств деталей больших размеров является газотермическое напыление, позволяющее покрывать поверхность деталей любого размера и создавать поверхностные слои толщиной до нескольких миллиметров.
Наибольшее распространение в промышленности получили газотермические и вакуумные методы напыления. Выбор метода определяется назначением покрытия, условиями работы изделия, материалом изделия и состоянием его поверхности.
В данном реферате рассмотрим сущность газогермических и вакуумных методов получения покрытий.


1. Функционально-градиентные покрытия
Функционально-градиентные материалы - это новый класс материалов, у которых наблюдается плавное изменение механических свойств или химического состава по глубине от поверхности. В настоящее время для изготовления функционально градиентных материалов широко применяются среднеуглеродистые легированные высокопрочные стали, обладающие высоким уровнем механических и технологических свойств. Однако дальнейшее повышение их свойств и ресурса работы деталей на их основе тормозится рядом недостатков традиционных технологий термической обработки. Развитие технического прогресса требует поиска новых нестандартных способов получения материалов с градиентным распределением свойств по сечению, способных работать в тяжелых эксплуатационных условиях. Существующий мировой опыт убедительно показал, что применение методов высокоэнергетического воздействия и их комбинирование с традиционными технологиями термической обработки позволяет сформировать градиентную структуру материалов, обеспечивающую повышенный уровень служебных свойств деталей, которые в наибольшей степени отвечают условиям их эксплуатации. [2].
Для изготовления функционально-градиентных материалов в настоящее время широко применяются высокопрочные стали, алюминиевые и титановые сплавы, керамика. Причем используются они как в виде монолитных материалов, так и многослойных композиционных материалов с градиентной структурой. [2]
Нанесение специальных, в частности комбинированных, покрытий на поверхности деталей часто дает существенно лучшую защиту поверхности детали. Особое значение приобретают промышленные технологии получения многослойных и адаптивных покрытий (с некоторыми свойствами, изменяющимися по толщине). Для формирования градиента свойств на поверхности успешно применяют технологии лазерной наплавки, дуговой наплавки, газотермического напыления и т.д. [3].
3. Геотермические технологии нанесения покрытий
Сущность процессов геотермического нанесения покрытий заключается в образовании направленного потока дисперсных частиц, напыляемого материала, обеспечивающего перенос их на поверхность обрабатываемого изделия при оптимальных для формирования слоя покрытия значениях температуры и скорости. [1]
Геотермические технологии нанесения покрытий являются одним из способов обработки поверхности материалов, которые используются уже в течение нескольких десятилетий. [5]
Следует отдельно отметить высокую эффективность применения геотермических покрытий для защиты от коррозии в различных средах (индустриальной, морской, кислотно-щелочной и т.д.), в том числе, от коррозии различных строительных конструкций и резервуаров. Также в комбинации с различными красками и мастиками.
Свойства геотермических покрытий (механические, электрические, теплофизические, оптические и другие) в силу строения и их образования принципиально отличаются, например, от литой структуры металла.
Свойства покрытий определяются условиями их формирования. Частицы напыляемого материала размером 5 – 200 мкм, при большинстве способов напыления находясь в расплавленном состоянии, с высокой скоростью 50 – 1000 м/сек ударяются о напыляемую поверхность (подложку) практически холодную. Происходит расплющивание этих частиц и иногда частичное разбрызгивание. При этом они резко охлаждаются со всеми возможными последствиями для формирования кристаллической или аморфной структуры расплющенной частицы. Эти расплющенные частицы (чешуйки) наслаиваются друг на друга, образуя чешуйчатую структуру покрытия. Чешуйки отделены друг от друга окисной плёнкой, которая в ряде случаев образует керамический каркас покрытия. Именно эти особенности формирования и строения геотермических покрытий и определяют их уникальные свойства.
Общим для всех геотермических покрытий является наличие диспергированного напыляемого материала, ускоряемого газовой струёй. [5]
3.1 Газопламенное напыление
При газопламенном напылении покрытий необходимый запас тепловой н кинетической энергий сообщается частицам порошка в процессе взаимодействия их с пламенем смеси горючий газ — кислород. Пламя образуется в результате сгорания на срезе сопла горючей смеси, вытекающей с большой скоростью из сопловых отверстий горелки. Порошок подают, как правило, вдоль оси факела пламени, вовнутрь его. Температура при использовании в качестве горючего газа ацетилена достигает 3200 °С, а скорость истечения 150—160 м∙с-1. Попадая в струю, частицы порошка расплавляются или становятся высокопластичнымн и приобретают скорость 20-80 м∙с-1. Скорость полета частиц порошка зависит от соотношения кислорода и горючего газа в смеси, расхода обдувающего газа, расстояния от среза сопла, расхода вводимого в пламя порошка, его плотности, гранулометрического состава и других факторов.
К преимуществам газопламенного напыления покрытий относятся:
1) возможность получения покрытий из большинства материалов, плавящихся при температуре до 3000 °С без разложения;
2) достаточно высокая производительность процесса (до 8—10 кг∙ч-1 порошков самофлюсующижся сплавов) при высоком коэффициенте использовании материала (более 95 %);
3) относительно низкий уровень шума и световых излучений, позволяющий работать оператору без дополнительных средств защиты;
4) легкость и простота обслуживания, невысокие стоимость и мобильность оборудования, что позволяет производить напыление на месте, без демонтажа изделий.

Рисунок 3. Газопламенное напыление порошком1-Ацетилен/Кислород; 2- Ёмкость с порошком; 3-Сопло; 4- Газ + Порошок; 5-Ацетилен-кислородное пламя и напыляемые частицы 6-Деталь; [5]
Основными недостатками газопламенного способа напыления покрытий из порошковых материалов являются:
1) ограничение напыляемых материалов по температуре плавления (не более 3000°С);
2) недостаточная прочность сцепления покрытий с основой (5—25 МПа при испытании на нормальный отрыв);
3) высокая пористость покрытий (5—25 %), препятствующая их применению в коррозионных средах без дополнительной обработки;
4) невысокий коэффициент использования энергии газопламенной струи на нагрев порошкового материала (2—12 %).
Сущность газопламенного напыления порошков полимеров заключается в том, что предварительно нагретые в пламени горелки частицы порошка контактируют е покрываемой поверхностью, нагретой до температуры, определяемой свойствами наносимого полимера

. При соприкосновении с поверхностью частицы порошка оплавляются и, сливаясь друг с другом, образуют слой покрытия. [1]
Покрытия на крупногабаритные изделия наносят последовательно небольшими участками, размеры которых выбирают произвольно. Каждый из участков напыляется параллельными, перекрывающимися на 5—10 мм полосами. Последующие слои напыляют в направлении, перпендикулярном направлению нанесения предыдущего слоя. Концентрацию воздушно-порошковой струи и мощность пламени регулируют так, чтобы не происходило возгорание частиц материала в полете, и чтобы попадающие на предварительно подогретую поверхность частицы полимера плавились, соединялись друг с другом и е ранее нанесенным материалом. Тепловой режим напыления регулируется изменением расстояния от поверхности до горелки, скоростью ее перемещения и мощностью пламени.
3.2 Детонационное напыление
При детонационном напылении нагрев и разгон частиц напыляемого материала осуществляется за счет энергии продуктов детонации газовой смеси. Скорость распространения детонационной волны составляет 2000-4000 м∙с-1, а температура достигает 2200—5500 °С (в зависимости от состава смеси). Это обеспечивает достижение частицами скоростей 600— 1000 м∙с-1.
Преимуществами этой технологии являются:
1) возможность получения покрытия с повышенными прочностью сцепления (10—160 МПа) и плотностью (пористость 0,5—1 %) благодаря высокой кинетической энергии частиц напыляемого материала;
2) возможность нанесения прочно-сцепленных покрытий на некоторые виды подложек (сталь, никелевые сплавы и др.) без струйно-абразивной подготовки поверхности;
относительная простота конструкции установки.
Однако способ обладает и рядом недостатков:
1) высокий уровень шума (125—140 дБ) и другие вредные воздействия требуют изоляции зоны обработки;
2) определенные технологические ограничения на получение покрытий из материалов, содержащих элементы, которые активно взаимодействуют с компонентами среды (высокотемпературный поток продуктов детонации сложного состава, содержащих CO2, СО, Н20, Н2, 02, N2, H, О, N);
3) технологические ограничения на обработку нежестких деталей, вызванные высокими импульсными давлениями при воздействии струи продуктов детонации на подложку;
4) ограничения по твердости напыляемой поверхности (не должна быть выше HRC 60).

Рисунок 4. Детонационное напыление
1-Ацетилен; 2-Кислород; 3-Азот; 4-Напыляемый порошок; 5-Устройство поджига;
6- Выходная труба с водяным охлаждением; 7-Деталь; [5]
Напыляемую деталь устанавливают в приспособлении (специальном или универсальном), обычно смонтированном на манипуляторе, обеспечивающем заданную кинематику относительного перемещения детали и детонационно-газовой пушки. Обрабатываемая деталь должна быть установлена так, чтобы не было препятствий между срезом ствола и напыляемой поверхностью. Необходимо обеспечить также угол направления потока напыляемых частиц с обрабатываемой поверхностью детали в пределах от 45 до 90°. Дистанцию напыления (расстояние между срезом ствола и обрабатываемой поверхностью) выбирают в зависимости от материала порошка, его свойств, размеров и формы деталей, толщины покрытия в пределах 50—200 мм. [1]
3.3 Плазменное напыление
Плазменным напылением наносят покрытия как на плоские поверхности, так и на тела вращения и криволинейные поверхности. Для покрытия характерна слоистая структура с высокой неоднородностью физических и механических свойств (рис.5). Тип связей между покрытием и деталью (подложной), а также между частицами покрытия обычно смешанный — механическое сцепление, сила физического и химического взаимодействий. Прочность сцепления покрытия с подложкой обычно составляет 10-50 МПа при испытаниях на нормальный отрыв. [13]

Рисунок 5. Схема структуры плазменного покрытия;

1-граница между частицами напыленного материала; 2-граница между слоями; 3-граница между покрытием и деталью; 4-частица напыленного материала; 5-поверхность детали;
При плазменном напылении порошок внутри или снаружи плазменного пистолета плавится плазменной струёй и ускоряется в направлении покрываемой детали. Плазма генерируется электрической дугой, горящей в аргоне, гелии, азоте, водороде или их смеси. При этом происходит диссоциация и ионизация газов, они приобретают высокую скорость на выходе, и при рекомбинации отдают своё тепло напыляемым частицам. [5]

Рисунок 6. Плазменное напыление
1-Инертный газ; 2-Охлаждающая вода;3-Постоянный ток; 4- Порошок; 5-Катод; 6-Анод; 7-Деталь;
Электрическая дуга горит между центральным катодом и водоохлаждаемым анодом. Этот способ используется при нормальной атмосфере, в защитном газе (например, аргоне), в вакууме и под водой. При соответствующем профилировании сопла возникает также сверхзвуковая плазма.
3.4 Лазерное напыление

Рисунок 7. Лазерное напыление
1-Лазерный луч; 2-Защитный газ; 3-Порошок; 4-Деталь;
Также существуют и другие газотермические технологии нанесения покрытий.
При лазерном напылении порошок вводится в лазерный луч через соответствующее сопло. Лазерным лучом порошок и малая часть подложки (микроны) плавятся, металлургически соединяются. Для защиты сварочной ванны служит защитный газ. Примерами применения этой технологии могут быть локальное покрытие штампов, гибочный инструмент, гильотина. [5]
3.5 Применение функциональных газотермических покрытий в различных отраслях
Первоочередной задачей, стоящей перед энергетикой, тяжелым и атомным машиностроением, является восстановление, защита от коррозии и продление эксплуатации изношенного оборудования. Это может быть достигнуто с помощью:
поверхностной модификации критичных узлов оборудования;
повышения эксплуатационных качеств оборудования;
существенного увеличения ресурса деталей машин;
снижения затрат на закупку инструмента;
увеличения межремонтных циклов предприятий;
снижения стоимости эксплуатации оборудования российского ТЭК.
Данные задачи могут быть решены с помощью внедрения современных методов газотермического нанесения функциональных покрытий. Внедрение этих методов доказало свою эффективность. Поверхностная модификация поверхностного слоя приводит к увеличению ресурса деталей, узлов оборудования, а, следовательно, к снижению расходов на ремонт и эксплуатацию [4].

Рисунок 8. Схема работы термобарьерного покрытия, нанесенного на сопловую лопатку газовой турбины

Методами газотермического напыления можно наносить разные виды покрытий с различными свойствами.
Целью нанесения износостойких покрытий является, во-первых, восстановление утраченной поверхности, во-вторых, придание ей свойств, как правило, превышающих свойства новой детали [4].
Проведенные исследования позволяют рекомендовать газотермические покрытия с содержанием твердых фаз — карбидов для узлов тяжело-нагруженных деталей агрегатов, особенно в случаях, особенно в случаях, когда необходима высокая стойкость против схватывания [4].
Термобарьерные покрытия представляют собой композиционные металлокерамические покрытия с керамическим слоем (или слоями), обладают низкой теплопроводностью. Термобарьерные покрытия наносят на различные детали тепловых машин: на клапаны, поршень, головку цилиндра дизельных двигателей, рабочие и сопловые лопатки и детали камеры сгорания газовых турбин и др. Схема работы такого покрытия представлена на рис. 8.
Использование термобарьерных покрытий для защиты лопаток газовой турбины позволяет повысить температуру рабочего газа на выходе в турбину при сохранении неизменной температуры сплава, из которого изготовлена лопатка, уменьшить расход газа, используемого для охлаждения, снизить температуру стенки лопатки при неизменной температуре рабочего газа, использовать более загрязненное топливо, так как термобарьерные покрытия обеспечивают защиту от коррозии за счет нанесения коррозионного металлического подслоя [4]