НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ПОРОШКОВОГО НАПЫЛЕНИЯ
TRENDS IN RESEARCH IN THE FIELD OF POWDER SPRAYING
Ефанов С.В. (ФГБОУ ВПО Орел ГАУ, г. Орел, РФ)
Efanov S.V. (Oryel State Agrarian University, Oryel, Russian Federation)
В статье рассмотрены проблемы надежности и долговечности машин и механизмов. Предлагаются методы решения этих и других проблем с помощью принципиально новых подходов поверхностной обработки.
The article deals with such problems as reliability of machines and mechanisms. It presents the methods for decision of these and other problems by the newest approaches to surface processing.
Ключевые слова: надежность, технологический процесс, порошковое напыление, адгезия.
Key words: reliability, technological process, powder spraying, adhesion.
В современных условиях особое значение приобретают проблемы надежности и долговечности машин и механизмов, экономного расходования материалов, энергии и трудовых ресурсов. Решение этих задач неразрывно связано с обеспечением эффективной защиты поверхностей деталей и конструкций от коррозии и изнашивания. Кроме того, по мере развития и совершенствования техники постоянно растут требования к орудиям труда и условиям их эксплуатации (повышение скоростей, температуры, нагрузок, агрессивности среды, уменьшение массы и др.). Применение традиционных конструкционных материалов уже не в состоянии в ряде случаев удовлетворить комплекс этих требований.
В связи с этим экономически и технически целесообразно развивать принципиально новый подход к выбору материалов уже на стадии проектирования. Механическая прочность детали гарантируется за счет применения одного материала, а специальные свойства поверхности обеспечиваются сплошным или локальным формированием на ней тонких слоев других материалов – покрытий, обладающих высоким уровнем требуемых свойств – коррозионной стойкости, износостойкости, твердости, жаростойкости и др. Такой путь представляет значительные резервы экономии сырьевых ресурсов. Применение технологического улучшения свойств поверхности материала расширяет перспективы проектирования и производства различного оборудования с более высоким уровнем эксплуатационных показателей.
Существуют различные способы поверхностной обработки, из которых важное место занимают методы порошкового напыления. В процессе больших качественных изменений, происходящих в современном промышленном производстве, напылению суждено стать одной из перспективнейших технологий, широкое применение которой будет сопровождаться повышением производительности оборудования для нанесения покрытий с оснащением его средствами механизации и автоматизации, а также появлением разнообразных и более совершенных методов напыления. Таким образом, можно говорить, что напыление развилось в особую технологию поверхностной обработки материалов, отличающуюся большим своеобразием и широкими областями применения. Высокая эффективность и универсальность методов напыления определяется следующими принципиальными особенностями [1; 2]:
1. Возможность нанесения покрытий из различных материалов – чистых металлов и сплавов на их основе, оксидов, органических веществ и ряда других материалов, в том числе в различных сочетаниях.
2. Получение покрытий на самых различных конструкциях и материалах – на металлах, стеклах, керамике, пластмассах, тканях, бумаге и т. д.
3. Технологический процесс напыления обеспечивает высокую производительность нанесения покрытия (до 20 кг/час) и характеризуется относительно небольшой трудоемкостью.
4. Возможность напыления различных материалов с помощью одного и того же оборудования изменением только режимов напыления.
5. Оборудование, на котором производят напыление, является сравнительно простым.
6. Не требуется специальной дорогостоящей обработки (очистки) продуктов, загрязняющих окружающую среду.
С помощью современных технологий газотермического напыления можно решить ряд важных задач. К ним, в первую очередь, следует отнести получение материалов и покрытий с уникальными свойствами, которые необходимы для развития новой техники. Общим для всех газотермических методов является то, что материал покрытия нагревается и ускоряется в высокотемпературном газовом потоке. На поверхность подложки напыляемый материал поступает в виде мелких расплавленных или пластифицированных частиц, которые, ударяясь об нее, деформируются и, закрепляясь, образуют сплошное покрытие.
Первым изобретателем способа металлизации был М. Шооп, который после многочисленных опытов в 1912 году получил металлический слой, напыленный ручным пистолетом. В 1921 году Шооп создал аппарат серии PG, являющийся прототипом современных металлизационных аппаратов. В России газопламенную металлизацию начали применять с конца 20-х годов.
Существенный толчок развитию методов напыления дало применение плазменных источников нагрева. В настоящее время это один из наиболее развитых процессов плазменной обработки, позволяющий не только упрочнять поверхность конструкционных материалов, но и дающий возможность создавать новые композиционные материалы и покрытия, которые не могут быть получены другими методами.
В рассмотренных методах нанесения покрытий из порошковых материалов (газопламенный, плазменный) возможности варьирования кинетической энергии распыляемых частиц ограничены. Многие технологические и конструкторские задачи, возникающие при создании новых образцов техники, не могут быть решены с помощью этих методов напыления. Поэтому поиск и разработка новых методов нанесения покрытий продолжается.
Эффективным способом улучшения качества покрытий является увеличение скорости соударения частиц с подложкой. Одним из широко развитых высокоскоростных методов является детонационно-газовый метод нанесения покрытий. Он впервые был запатентован в 1955 году фирмой «Linde» (USA), входящей в корпорацию «Union Carbide». Детонационно-газовые покрытия успешно используются для упрочнения нагруженных поверхностей деталей, изготовленных из самых разнообразных материалов. Покрытия на основе различных материалов (металлов, сплавов, тугоплавких соединений, керамики и их композиций) отличаются высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами (плотностью, прочностью, теплостойкостью и пр.). Вместе с тем, детонационному напылению свойственны недостатки, связанные, в частности, с использованием взрывоопасных смесей типа ацетилен - кислород, импульсными режимами работы (когда покрытие наносится не непрерывно, а частыми выстрелами) и с возможностью нанесения покрытий только на те материалы, в которых не возникает остаточная деформация при воздействии взрывной волны. К недостаткам этого метода относится высокая стоимость оборудования и существенные требования к технике безопасности (взрывоопасность, высокий уровень шума (до 140 дБ)).
В последние годы интенсивно развивается высокоскоростной газопламенный метод (HVOF) [2]. В высокоскоростных газопламенных аппаратах кислород и топливо смешиваются в цилиндрической камере устройства, порошок инжектируется по оси. Далее следует сужающееся сопло, переходящее в трубку постоянного диаметра. В качестве топлива используются пропилен, ацетилен и в качестве окислителя кислород. Энергия, высвобождающаяся при горении, идет на нагрев и ускорение газа и порошка. Скорость рабочего газа зависит от композиции исходных газов, давления, температуры, плотности и сечения, через которое газ движется. По выходе из трубки постоянного сечения струя, истекающая с избытком давления расширяется и достигает сверхзвуковых скоростей. Максимальная скорость газа около 1400 м/с. Максимальная скорость частиц около 400 - 500 м/с для частиц размером 40 мкм
Отмечается существенное улучшение свойств покрытий при их получении с помощью высокоскоростных жидкотопливных аппаратов, что выражается в пониженном содержании окислов, более высокой адгезии, уменьшенной пористости. Однако этот метод, используя струю продуктов сгорания с температурой ~ 3000 К, также имеет значительные ограничения, связанные с этим.
Наряду с очевидными достижениями в области газотермических методов нанесения покрытий выявлен ряд факторов негативного характера, связанных с использованием высокотемпературных струй. Это, конечно же, накладывает определенные ограничения на области применения данных методов.
При движении порошка в высокотемпературной струе могут произойти значительные изменения его свойств (окисление, фазовые переходы, разложение и т.д.), что в ряде случаев является причиной невозможности нанесения покрытий с определенными, заданными свойствами.
Наличие высоких температур во многих случаях делает совершенно невозможным нанесение композиционных покрытий из механической смеси порошков, значительно различающимся по физико-химическим свойствам.
С уменьшением размера частиц, используемых при напылении, улучшается заполнение покрытия – плотность его увеличивается, объем микропустот уменьшается, строение покрытий становится более однородным, появляется возможность наносить тонкие поверхностные пленки покрытия. Однако слишком мелкие порошки не могут быть использованы для газотермических методов напыления, особенно это касается не тугоплавких материалов, т.к., будучи введенными в высокотемпературную струю, такие порошки могут в ней полностью испариться. По этой причине для напыления этими методами обычно используют порошки размером более 50 мкм.
Выявленный в ИТПМ СО РАН эффект образования прочных покрытий при обтекании тел сверхзвуковым двухфазным потоком (газ + твердая частица) с температурой торможения газа 300 К [3] показал, что наличие высоких температур в струе с расплавленными частицами не является необходимым условием формирования покрытий. При определенных параметрах двухфазной струи (скорости, концентрации, размера частиц и пластичности их материала) возможно формирование прочных покрытий при температуре существенно меньшей температуры плавления материала частиц, в процессе ударно-импульсного взаимодействия и пластической деформации в области контакта частиц и преграды. Сравнение основных параметров двухфазного потока, при которых был зарегистрирован эффект напыления, с параметрами, реализуемыми в газотермических методах напыления, показывает, что реализован новый метод нанесения покрытий, который был назван методом «холодного» газодинамического напыления (ХГН). Этот метод, показав свою уникальность и перспективность широкого практического использования, вызвал в России и за рубежом огромный интерес и потребовал всестороннего его исследования.
Список использованных источников
1. Данченко, B.H. Пластическое деформирование металлических частиц при газодинамическом напылении [Текст] / B.H. Данченко, A.A Миленин. // Порошковая металлургия. – 1998. – № 7/8. – С. 10-15.
2. Кречмар, Э.Г. Напыление металлов, керамики и пластмасс [Текст] / Э.Г. Кречмар. – М.: Машиностроение, 1966. – 159 с.
3. Кудинов, В.В. Нанесение покрытий плазмой [Текст] / В.В. Кудинов. – М.: Наука, 1990. – 408 с.