Технологические особенности газотермических методов напыления. Классификация процессов газотермического напыления покрытий

 

В методах и технологии газотермического напыления имеется много общего. При малом числе методов встречается большое количество их разновидностей, называемых способами газотермического напыления покрытий. Обобщенная схема процесса газотермического напыления показана на рисунке 1.

 

1 - генератор напыляемых частиц;

2 - двухфазная струя;

3 - покрытие;

4 - напыляемое изделие;

5 - подача распыляемого материала;

6 - подача распыляющего газа.

Рисунок 1 - Обобщенная схема процесса газотермического напыления покрытий.

 

Распыляемый материал в виде порошка, проволоки (шнуров) или стержней подают в зону нагрева. Различают радиальную и осевую подачу материала. Нагрев напыляемых частиц совмещают с распыляющим газом. Основное его назначение состоит в распылении и ускорении частиц в осевом направлении. В ряде методов напыления распыляющий газ выполняет и функцию нагрева.

В основу классификации процессов газотермического напыления покрытий положены следующие признаки:

Вид энергии. Различают методы с использованием электрической энергии (газоэлектрические методы) и методы, в которых тепловая энергия образуется за счет сгорания горючих газов (газопламенные методы).

Вид источника теплоты. Для нагрева распыляемого материала используют дугу, плазму, высокочастотные индукционные источники и газовое пламя. Соответственно этому установились названия методов напыления: электродуговая металлизация, плазменное напыление, высокочастотная металлизация, газопламенное напыление, детонационно-газовое напыление. Первые три метода относятся к газоэлектрическим, последние - к газопламенным.

Вид распыляемого материала. Применяют порошковые, проволочные (стержневые) и комбинированные способы напыления. При комбинированных способах используют порошковую проволоку.

Вид защиты. Известны способы напыления без защиты процесса с местной защитой и с общей защитой в герметичных камерах. При общей защите различают ведение процесса при нормальном (атмосферном) давлении, повышенном и при разрежении (в низком вакууме).

Степень механизации и автоматизации процесса. При ручных способах напыления механизирована только подача распыляемого материала; механизированных - также и перемещение распылителя относительно напыляемого изделия. Часто используют движение напыляемых изделий относительно неподвижного распылителя. Уровень автоматизации процессов напыления зависит от конструкции установки. В простейших вариантах автоматизация отсутствует. В сложных комплексах возможна полная автоматизация процесса.

Периодичность потока. Большинство методов напыления осуществляется непрерывным потоком. Для некоторых методов возможно только циклическое ведение процесса. Покрытие формируется в импульсном режиме напыления, чередуемое паузами Газотермические методы напыления широко используют для нанесения покрытий различного назначения. В основном, это защитные покрытия, повышающие коррозионную стойкость изделий или снижающие износ рабочих поверхностей. На многие детали и узлы напыляют теплозащитные или электроизоляционные покрытия.

Параметры режима работы распылителя. Наибольшее влияние на эффективность процесса оказывает подводимая к распылителю энергия и расход распыляющего газа. Подводимая энергия реализуется в источник теплоты для нагрева распыляемого материала: дугу, непосредственно плавящую материал, плазму, газовое пламя и др. Степень использования энергии определяется значениями. Тепловая мощность источника нагрева определяет производительность процесса. Следует учитывать, что только часть тепловой мощности источника расходуется на нагрев распыляемого материала.

Расход распыляющего газа определяет скорость газового потока и, соответственно, его эффективность при распылении материала. С увеличением расхода возрастает скорость напыляемых частиц. При больших расходах распыляющего газа уменьшается температура напыляемых частиц, а их скорость может превысить допустимые значения.

Параметры распыляемого материала и условий его ввода. Наиболее важными параметрами являются: физико-химические свойства распыляемого материала, диаметр проволоки (стержней) и порошковых частиц, а также скорость их подачи в зону нагрева и распыления. Большое влияние на эффективность процесса оказывает характер ввода распыляемого материала. Например, осевая подача порошка в большинстве методов напыления более предпочтительна. При этом возрастает температура напыляемых частиц и их скорость. Существенно может быть также повышена компактность потока частиц.

Газотермическое напыление порошками производится с применением частиц диаметром 10…200 мкм. При увеличении размеров порошковых частиц для их прогрева требуется увеличение мощности распылителя. Аналогичное влияние оказывает повышение температуры плавления и снижение плотности порошка.

Тонкодисперсные порошки трудно вводить в распылитель. Кроме того, они обладают малой инерционностью. Металлические порошки легко окисляются на всю глубину. Скорость подачи порошка (массовый расход) выбирают из условия не существенного снижения энтальпии источника теплоты. Этот параметр определяется экспериментально по максимальному значению коэффициента использования материала Км.

В число параметров должна входить форма порошка, морфология при использовании композиционных порошков и др.

Параметры, характеризующие внешние условия напыления. Наиболее значимыми параметрами этой группы являются; дистанция напыления, угол напыления температура изделия в процессе нанесения покрытия, его форма и размеры, скорость перемещения пятна напыления и др.

С увеличением дистанции снижается температура и скорость напыляемых частиц вблизи поверхности напыления. Кроме того, возрастание длины пробега напыляемых частиц может быть связано с большими возможностями их окисления и насыщения газами. Продолжительность времени пребывания напыляемых частиц при переносе способствует завершению экзотермической металлотермической реакции. При этом достигается максимум значения энтальпии потока напыляемых частиц. С увеличением дистанции возрастает диаметр пятна напыления. Это позволяет получать покрытия более равномерные по толщине. Возрастание дистанции снижает вероятность перегрева напыляемых изделии.

Параметры распыляющей струи и потока напыляемых частиц. Эта группа параметров зависит от ранее рассмотренных и оказывает непосредственное влияние на эффективность напыления К ним относятся - температура, энтальпия и скорость газовой струи по оси и в сечениях, угол расхождения струи; температура, энтальпия и скорость потока частиц, особенно, вблизи поверхности напыления; угол расхождения и плотность потока частиц.

Газовая струя выполняет либо одну функцию, связанную только с распылением расплавленного материала, либо, чаще, две. Во втором случае газовая струя выполняет и функцию нагрева частиц. В обоих случаях скорость напыляемых частиц определяется скоростью газового потока. При нагреве высокотемпературной газовой струей важное значение имеет ее температура и энтальпия. Эффективность процесса возрастает с увеличением температуры напыляемых частиц. Поэтому необходимо стремиться к нагреву частиц до температуры' плавления и выше. При этом скорость частиц должна быть оптимальной и составлять 100…300 м/с. Недостаточная скорость частиц обусловливает - невысокие прочностные свойства покрытий и большое количество несплошностей. Высокие скорости недопустимы из-за повышенного разбрызгивания частиц при ударе. При формировании покрытий из нерасплавленных частиц, находящихся в вязкопластическом состоянии, необходимо стремиться к высоким скоростям, составляющим 800…1200 м/с. Благодаря этому будет обеспечена высокая эффективность процесса. Производительность в значительной мере определяется плотностью потока напыляемых частиц.