Глава 14. газотермическое напыление

Физика и сущность процесса

Газотермическое напыление используется для получения изно­состойких, коррозионно-стойких, жаропрочных, теплоизоляци­онных и других покрытий. При газотермическом напылении для формирования покрытий используются цветные металлы и спла­вы, стали, полимеры, оксиды, бориды, нитриды и др. Покрытия могут быть нанесены на металлы, пластмассы, стекло, дерево, ткань, бумагу, керамику, так как в процессе напыления темпера­тура изделия изменяется незначительно. Толщина покрытия обыч­но составляет примерно 100...500 мкм.

Газотермический метод формирования покрытий заключается в нагреве исходного материала покрытия до жидкого или плас­тичного состояния и его распылении газовой струей. Напыляе­мый материал поступает на обрабатываемую поверхность в виде потока жидких капель или пластифицированных частиц, которые при соударении закрепляются на поверхности детали, обра­зуя покрытие.

По способу плавления исходного материала различают газопламенные, газоэлектрические и детонационные методы. Наиболь­шее распространение получили методы электродугового и плаз­менного напыления.

При газотермическом напылении источником тепловой энер­гии является пламя, образующееся в результате горения смеси кислорода и горючего газа (ацетилена, метана и др.). При электродуговом и плазменном напылении источником тепла является элек­трическая дуга, горящая между электродами в потоке газа.

Исходный материал покрытия подается в высокотемператур­ный газовый поток в виде проволоки (прутка) или порошка. Для электродугового напыления можно использовать только проволо­ку, для детонационного напыления — только порошок, для газопламенного и плазменного методов — как проволоку, так и порошок. Максимальная температура при газотермическом напылении покрытий составляет: при газопламенном методе — 1800...3500 К, при электродуговом и плазменном — 7500...2000 К. Скорость час­тиц напыляемого материала составляет, м/с: при газопламенной обработке — 50... 100, при электродуговой — 60...2500, при плаз­менной — 100...400, при детонационной — 700 и более.

Напыление покрытий происходит в следующем порядке: расплавление наплавляемого материала; ускорение и распыление рас­плавленного материала; полет напыляемых частиц в направлении к обрабатываемой поверхности; удар частиц и их сцепление с по­верхностью обрабатываемого изделия.

Во всех процессах газотермического напыления в высокотемпературном потоке газа напыляемый материал ускоряется, нагревается, плавится (или пластифицируется) и в виде потока жидких капель (или пластифицированных частиц) при ударном взаимо­действии с обрабатываемой поверхностью формирует покрытие. Принципиальная схема газотермического напыления показана на рис. 14.1. Верхняя часть рисунка показывает распыление прово­лочного материала, нижняя — напыляемого порошка. Проволоч­ный материал поступает в высокотемпературный поток газов в расплавленном состоянии, при напылении из порошков — в твер­дом состоянии.

Частица порошка (нижняя часть) на участке А нагревается до температур плавления. На участке В частицы плавятся и превращают­ся в жидкие капли металла. При движении жидких капель на учас­тке В может происходить перегрев и частичное испарение капель. Струя сжатого воздуха (или другого газа-носителя) распыляет каплю расплавленного металла на мельчайшие частицы, сообщает им значительные ускорения, под действием которых происходит разгон частиц, формирование распыленных частиц по величине и конфигурации. В полете частицы распределяются в определенном порядке по сечению струи.

Рис. 14.1. Схема процессов газотермического напыле­ния для проволочных (верхняя часть рисунка) и по­рошковых материалов:

А — область нагрева исходного материала до начала плавле­ния; Б — область нагрева до полного плавления; В — область движения частиц материала в расплавленном состоянии (воз­можны перегрев, испарение); Г — распылительная газотер­мическая головка (горелка); О — основа; П — покрытие; 1 — твердая частица порошка; 2 — частица, расплавленная не пол­ностью; 3 — расплавленная частица (капля); 4— испаряюща­яся (перегреваемая) капля (частица); 5 — центральное пятно; 6, 7- среднее и периферийное кольца пятна напыления

Наиболее интенсивное напыление происходит по центру пото­ка, где сосредотачиваются самые крупные фракции наименее окис­ленных распыленных частиц.

Основная масса напыляемого материала поступает по центру потока (пятно 5), где достигаются наилучшее сцепление с осно­вой, минимальная пористость и окисление частиц. В наружной ча­сти факела (кольцо 7) материал напыляется с минимальной ско­ростью, при этом образуется окисленный слой частиц с высокой пористостью и плохим сцеплением с подложкой.

Жидкие или пластифицированные частицы с поверхностной пленкой частично разрушаются при ударе с обрабатываемой по­верхностью. При ударе капли разрушается окисная пленка и про­исходит частичное разбрызгивание жидкого ядра. Частицы, отвер­девшие до удара, не разрушаются. Такая схема формирования по­крытия приводит к появлению в нем микропустот и микропор, образованных газовыми пузырями.

Так как напыление покрытия осуществляется на практически холодную подложку, при охлаждении капель (частиц) напыляемого слоя в них возникают внутренние («усадочные») напряжения.

Сцепление частиц покрытия происходит за счет механического сцепления, адгезии, частичной сварки и действия внутренних на­пряжений («усадочных» сил).

Основные технологические операции процесса газотермического напыления.После разборки детали поступают в моечное отделе­ние, где их очищают моющим раствором, дефектуют и отправля­ют в цех (участок, отделение) напыления.

Механическая обработка изделий. Для устранения дефектов, об­разовавшихся в процессе эксплуатации, или придания правиль­ной геометрической формы изношенным поверхностям деталей они подвергаются механической обработке, в том числе специаль­ной (нарезка «рваной» резьбы, фрезерование канавок, насечка по­верхностей, накатка резьбы роликом).

Обезжиривание. При нанесении всех покрытий перед струйной обработкой поверхность детали обезжиривают органическими ра­створителями, моющими средствами и т. д. Чугунные детали, кро­ме обезжиривания, подвергают обжигу при температуре 260... 530 °С для выгорания масла, содержащегося в порах.

Струйная обработка. С целью активации поверхности и придания ей шероховатости поверхность деталей подвергают струйной обработке. Поверхность деталей, не подлежащая напылению при струйной обра­ботке, должна быть защищена. После обработки детали обдувают су­хим сжатым воздухом для удаления частиц абразива с поверхности.

Процесс напыления. Операция напыления производится сразу же в течение 10... 15 мин. В качестве плазмообразующих газов используют аргон или азот. Для предотвращения перегрева изделий и окисле­ния покрытий применяют охлаждение.

Для осуществления процесса напыления включают установку и в случае необходимости — систему охлаждения изделий. Необхо­димую толщину получают многократным повторением напыления. После напыления изделие снимают с приспособления, не допус­кая повреждения покрытия. Экран маски и другие защитные при­способления снимают после охлаждения до комнатной температу­ры изделия с покрытием, чтобы не повредить его.

Окончательная механическая обработка. Окончательная обработка деталей с нанесенным покрытием производится на шлифоваль­ных или токарных станках.

Контроль качества покрытий. Детали с покрытием подвергают­ся контролю по внешнему виду, толщине, геометрическим разме­рам. Контроль по внешнему виду производится с целью выявления внешних дефектов — сколов, вздутий, шелушения и других де­фектов. Осмотр осуществляется с помощью лупы. Геометрические размеры детали с покрытием и толщину покрытия измеряют с помощью штангенциркуля, микрометра и толщиномеров.

Исследования и опыт напыления газотермических покрытий показывают, что прочность их сцепления во многом зависит от принятого технологического процесса подготовки поверхности к нанесению покрытия и от строгого соблюдения последовательно­сти выполнения предусмотренных процессом операций.

Напыляемая деталь должна быть очищена и обезжирена в соот­ветствующих растворителях согласно технологическому процессу очистки, принятому на ремонтных предприятиях. Поверхности деталей, на которые напыляется покрытие, и прилегающие к ним участки на расстоянии 15... 20 мм должны быть дополнительно обез­жирены уайт-спиритом или бензином и протерты чистой хлопча­тобумажной материей. При обезжиривании поверхностей особое внимание следует обращать на удаление масла и других загрязне­ний из отверстий, каналов, канавок и т.д. Для этого деталь допол­нительно надо обезжирить в расплаве солей.

Следы масла или каких-либо других загрязнений на восстанавли­ваемой поверхности резко снижают прочность сцепления напылен­ных покрытий. В связи с этим подготовленная к напылению поверх­ность детали должна тщательно оберегаться от загрязнения. Трогать поверхность руками без сухих чистых хлопчатобумажных перчаток не допускается. Детали хранят в специальных закрывающихся стелла­жах. Время их хранения до напыления не должно превышать 2,5 ч.