Детонационное нанесение покрытий

Детонационное нанесение покрытий (ДНП) - прогрессивная технология, позволяющая получать твердые, жаропрочные, коррозионностойкие и износостойкие покрытия толщиной от 10 мкм до нескольких миллиметров на поверхностях из различных материалов. Нанесение покрытий производится с использованием специального оборудования (автоматический детонационный комплекс (АДК)). Характерной особенностью детонационных покрытий является высокая плотность (пористость < 2%) и прочность сцепления с материалом подложки (s_сц > 100-150 МН/м² ).

Детонационным способом наносят покрытия из:

• Металлов (Fe, Ni, Cr, Al, Mo, Co, Cu, Ti, W и др.);

• Сплавов на их основе, в том числе самофлюсующихся (NiCrBSi, NiBSi, CoNiCrBSi);

• Твёрдых сплавов (на основе карбидов W, Cr, Ti и др. с применением в качестве связки 8-30% кобальта, никеля или хрома);

• Металлокерамики (карбиды, нитриды, бориды, силициды переходных металлов);

• Сверхтвёрдых материалов, включая алмазосодержащие (плакированые Ni и Cu).

Процесс ДНП можно представить следующим образом. Ствол детонационной установки заполняют взрывчатой газовой смесью. Затем в него подают порцию напыляемого материала. У дульного среза ствола располагают подложку. После этого инициируют взрыв (детонацию) газовой смеси, например электрическим разрядом. Детонация представляет собой процесс химического превращения взрывчатого вещества при распространении по нему зоны горения в виде детонационной волны. Последняя движется со скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе. Для ацетиленокислородных смесей скорость детонации лежит в пределах 2000-3000 м/с. Выделение тепла, которым сопровождается детонация, вызывает нагрев (до 3000-3500°С) и расширение газообразных продуктов, вследствие чего они под большим давлением (до 200 МПа) с большой скоростью истекает из ствола. Вследствие термического и ударного взаимодействия частиц с подложкой формируется слой детонационного покрытия.

Особенностью процессов, протекающих при детонационном напылении покрытий, является их чрезвычайно малая длительность. Так, детонация взрывчатой смеси, заполняющей ствол, завершается примерно через 0,5 мс после ее инициирования; продолжительность динамического и теплового воздействия газового потока на порошок обычно не превышает 3 мс; время ударной деформации частиц напыляемого материала в момент формирования покрытия не превышает 0,1 мкс.

Состав взрывчатой смеси и степень заполнения ствола существенно влияют на энергетические характеристики продуктов детонации. От процентного соотношения горючего, окислителя и разбавителя, а также от их объема зависит:

- количество тепла, выделяющегося при детонации;

-степень термической диссоциации продуктов детонации;

-химическая активность продуктов детонации по отношению к наносимому материалу;

-температура и скорость истечения из ствола газового потока, воздействующего на порошок.

ДНП дает возможность получить прочность сцепления покрытия с материалом основы, приближающейся к прочности основного металла, что присуще лишь немногим способам нанесения покрытий.

Покрытие представляет собой материал, полученный в результате последовательного настрела мелких деформированных частиц на подложку.
Кроме межзеренных и межфазных границ, присущих компактному материалу, нанесенное покрытие имеет границы между деформированными частицами; границы между слоями, полученными при отдельных выстрелах и границу, разделяющую покрытие и подложку.

Размер пятна и его форма определяются внутренним сечением выходной части ствола и обычно копируют его. В случае круглого ствола, который используется наиболее часто, пятно имеет форму круга. Если придать выходной части ствола форму овала, это обычно достигается с помощью насадок и требуется при напылении покрытия на отдельные участки изделия, то пятно принимает соответствующую размытую форму.

Последовательными выстрелами наращивается покрытие необходимой толщины. Обычно толщина износостойких покрытий составляет 50…150 мкм.

Покрытия получаемые ДНП имеют шероховатость 1,6…0,8 мкм, что в ряде случаев позволяет не использовать механическую обработку.

Коэффициент использования порошкового материала составляет 40-60%. Скорострельность достигает 50 Гц (при использовании пропан-бутановых газовых смесей).

Детонационное напыление широко применяется в производстве и ремонте (восстановлении) деталей газотурбинных двигателей. Этим способом упрочняют и восстанавливают:

• Антивибрационные полки лопаток компрессоров и турбин (упрочнение или восстановление), входной конфузор. Наносятся материалы WC+15...20 % Со и KXH-30.

• Рычаги поворота лопаток, упоры, стопоры . Материалы покрытия WC+ 15...20% Co или Cr ₃C₂ +10...15% Ni.

• Форсунки (упрочнение или восстановление). Материал покрытия Ni - Al.

• Корпуса ступеней газовых турбин авиадвигателей, проставки КВД, крышки опор, ведущая шестерня свободной турбины, сопловой аппарат II ступени турбины вертолетных двигателей. Материалы покрытия WC+15…20% Co или KXH-30.

• Пресс- формы литья под давлением. Материал покрытия: Cr₃O₂ .

• Уплотнительные поверхности запорной арматуры. Материал покрытия: Al₂O₃ + TiO₂.