Современные методы технологии напыления

 

По причинам коррозии и износа ежегодно теряется 12% всего произведенного в мире металла. Как правило, оба эти фактора действуют локально на определенные зоны на поверхности детали или узла. Конструкторы применяют различные методы защиты: от окраски до гальванического хромирования, однако каждый из методов имеет свои недостатки и ограничения.

Одним из решений данных задач может быть создание износостойких коррозионностойких наноструктурированных покрытий методами газотермического напыления. Данные покрытия обещают существенные преимущества для защиты контактных аппаратов нефтепереработки, химии и нефтехимии, изнашивающихся поверхностей насосно-компрессорной техники, труб пароперегревателей и пр.

В последнее десятилетие быстро развивается группа высокоскоростных методов нанесения порошковых покрытий, объединенных, в английском, термином HVOF (High Velocity Oxy-Fuel), русский аналог которого ГПС (газопламенное сверхзвуковое). Распыляемые материалы - полимеры, карбиды, металлы - образуют термобарьерные, износо- и коррозионностойкие покрытия высокого качества, которые выдерживают воздействие ударно-абразивных и химически активных сред, высоких тепловых нагрузок.

Альтернативные методы - холодное газодинамическое (ХГН), детонационное (ДН) и плазменное (ПН) способы напыления.

ХГН обеспечивает получение покрытий высокого качества. Однако это возможно только при использовании относительно легкоплавких материалов (Zn, Al, сплавы карбидов с металлами с большой долей металлической матрицы), что не позволяет использовать ХГН для защиты от износа в условиях эрозии, агрессивных сред при высоких температурах. Кроме того, требуется подача газов под давлением до 2.2 МПа, что в производственных условиях не технологично и опасно для применения.

Сравнение ДН и ГПС напыления показывает, что качество покрытий, выраженное в параметрах: адгезии, пористости, степени окисления - одного уровня. Однако ГПС-методы более технологичны, выше производительность, а удельные затраты по нанесению покрытий снижены.

При ПН распыляемый материала перегревается на 1000…3000° К выше точки плавления. Это приводит к интенсивному насыщению газами, низкому тепловому КПД, высоким остаточным напряжениям в покрытии. Использование вакуума исключает первый недостаток, однако повышает стоимость оборудования.

По относительной стоимости ГПС-покрытия одного уровня с ПН и в 2 раза дешевле ДН, вакуумно-плазменных. Отечественные ГПС-разработки находятся на опытной стадии, или уступают зарубежным аналогам по производственным параметрам. Ниже проведен сравнительный анализ особенностей передового оборудования в этой области. Данные будут полезны при выработке направлений технического развития и для принятия решения об использовании определенного вида оборудования на предприятии.

Шиберные вентиля и шаровые краны в нефте - и газоперерабатывающей промышленности подвержены интенсивному абразивному и эрозионному износу (среды - песок, отстой, твердые включения; давление > 130 МПа; температура > 600° С коррозионные реагенты - морская вода, H2S, HCl). Ранее такие нагрузки выдерживали только детонационные покрытия WC-Co-Cr. Сравнительные испытания показали, что эрозионная стойкость аналогичных, по составу, ГПС-покрытий в 1,5…2 раза выше, чем у детонационных.

В энергетике и авиакосмической промышленности у лопаток паровых и газовых турбин восстанавливаются торцевые размеры, защищается рабочая поверхность от окисления и высокотемпературной коррозии.

ГПС-покрытия заменяют электролитический хром (шасси самолетов, полиграфическое оборудование). При этом чистота обработки аналогична, износостойкость повышена, а также значительно снижены затраты на обеспечение экологичности производства.

ГПС-покрытия обеспечивают эффективную защиту от агрессивных коррозионных сред. Они применяются при ремонте емкостей (бумажная, химическая промышленность), элементов теплообменников тепловых станций.

Для ГПС характерно, что температура частиц распыляемого материала близка к точке плавления основных металлов, а их скорости повышены, в сравнении с другими методами. Эти особенности позволяют снизить насыщение распыляемых частиц газами атмосферы при обеспечении высокого импульсного давления при ударе частиц о поверхность основы. В результате структура покрытия сочетает низкие пористость и степень окисления с высокой адгезионной прочностью, 80…150 МПа.

Развитие ГПС-оборудования началось с систем первого поколения. В этих установках горение осуществляется при давлении 0,3…0,5 МПа, а струя газа достигала сверхзвуковых скоростей при расширении на выходе из сопла. Это обеспечивает скорости частиц ~ 450 м/с (WC-17Co, фракция 45±10 мкм). Современные установки - Top Gun К, JP-5000, OSU Carbide Jet, DJ2600/2700, Intelli-Jet - работают при давлении в камере сгорания 0,6…1,0 МПа, а увеличение скорости струи продуктов сгорания до сверхзвуковой происходит внутри горелки. Это обеспечивает повышение скорости частиц до 800 м/с. Кроме того, эффективность теплопередачи к частицам выше, что увеличивает производительность напыления при сравнимых расходах газов. Сравнение покрытий показывает, что по пористости, адгезии, микротвердости лучшие показатели у JP-5000, DJ2600/2700, Intelli Jet.

Все эти установки стабильны в работе, оснащены блоками дистанционного компьютеризованного управления и соответствуют требованиям электро- и пожаробезопасности. Они различаются видами применяемых газов и порошков, а также схемами их подачи.

В установках JP-5000 и Diamond Jet Hybrid (DJ2600/2700) в камеру сгорания подаются кислород и горючий газ. Отличия - в конструктивном исполнении подачи порошка, схеме смешения газов и вида горючего газа. Для JP-5000 это керосин, для Diamond Jet Hybrid - пропан, пропилен, этилен (DJ2700) или водород (DJ2600). В этих системах предусмотрено водяное охлаждение, а в DJ-установках теплонагруженные узлы дополнительно охлаждаются воздухом. Интенсивная теплоотдача стенкам сопла и ствола при водяном охлаждении обуславливает высокие энергетические потери струи продуктов сгорания. Это вынуждает снижать производительность для поддержания уровня качества.

Intelli Jet отличается использованием воздуха в качестве как окислителя, так и охлаждающей среды. Горючие газы - пропан, пропилен. Для повышения эффективности камера сгорания оснащена каталитическим элементом, а распыляющая струя дополнительно подогревается в каскадном сопле.

Достигнуты серьезные успехи в деле продления ресурса оборудования в различных отраслях промышленности. По результатам работы зарегистрированы изобретения и внедрены в производство новые типы энергосберегающих и менее материалоемких деталей и узлов. Техническая значимость проекта дополняется следующими факторами:

Ресурсосбережение. Использование износостойких коррозионностойких наноразмерных покрытий позволяет решить поставленную инженерную задачу путем создания тонкой пленки вещества со специальными свойствами на поверхности детали или изделия. Таким образом, становится возможным производство детали из более дешевого материала, либо с меньшей толщиной стенки, без использования дорогих и редких материалов. Таким образом, применение наноструктурных покрытий позволяет сберегать ценные ресурсы.

Экологический. В настоящее время большая часть задач упрочнения и защиты от коррозии деталей машин решается методами гальванического хромирования, химникелирования, химико-термической обработки. Большинство из этих методов запрещено к использованию во многих странах мира из-за сильных канцерогенных факторов. Внедрение наноструктурированных защитных покрытий позволит улучшить экологическую ситуацию во многих российских городах. Но есть и еще более существенный фактор влияния на экологию. За счет продления ресурса деталей машин потребуется меньше работ по их производству, ремонту, восстановлению, что позволит сократить выбросы при их производстве, промывке, переплавке и т.д.

Импортозамещение. Защитные покрытия, наносимые газотермическими методами, развиты в странах большой семерки на порядок лучше, чем в России. Например, в Германии работает порядка 2000 установок газотермического напыления, в России - не более 100. Вследствие чего в России зачастую производятся более дорогие и менее надежные детали и изделия. Внедрение новых технологий создания наноструктурированных покрытий позволит не просто догнать западных производителей, но и увеличить потребительские качества деталей и оборудования при одновременном снижении цены.

Общеэкономический. Применение более надежного оборудования позволяет сократить простои для технического обслуживания и ремонта, что повышает коэффициент использования оборудования, а это позволяет повысить отдачу капитала на основные фонды, повысить производительность труда. Повышение конкурентоспособности российской продукции позволяет увеличить ВВП, предупредить безработицу. Оборудование для газотермического напыления настолько компактно и легко в настройке, что может быть установлено в малоподготовленном помещении, таким образом, может использоваться для развития промышленного производства в малых городах.