CC BY
120
УДК 678.026.345 (048.8)
Ю.А. Кузнецов, доктор технических наук ФГОУ ВПО Орел ГАУ
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ ПРИ РЕМОНТЕ
МАШИН АПК
Дана кр аткая хар актеристика новых сверхзвуковых способов газотермического напыления покрытий: сверхзвукового газопламенного напыления, сверхзвукового плазменного напыления и сверхзвукового газодинамического напыления.
Г азотермические способы н апыления покрытий начали наиболее активно р азвив аться с конца пятидесятых годов 20-го век а [1,2].
Процесс газотермического нанесения покрытий на сегодняшний день получил свое р азвитие в р азличных в ариантах. Согл асно ГОСТ 28076, в
з ависимости от источника теплоты газотермическое напыление подразделяется н а следующие способы: газопламенное напыление, плазменное напыление, плазменно-дуговое напыление, высокочастотное плазменное напыление, детонационное напыление, напыление в контролируемой атмосфере, напыление в динамическом вакууме и тигельное н апыление.
Основными недост тк ми тр диционных способов г азотермического н апыления являются: сравнительно невысокая адгезия покрытия и основного материала, наличие остаточной пористости, высок я трудоемкость подготовки поверхности дет али к восст ановлению и др. К ак правило, напыленный слой не повыш ает прочности изделия, при напылении возникают трудности с н несением покрытий н внутренние поверхности деталей, например, посадочные отверстия для подшипников и т.п. [1-4].
На рисунке 1 представлена схема р асположения существующих способов
газотермического напыления в зависимости от скорости н апыляемых ч астиц н а основу [2].
Рисунок 1 - Хронологическая з ависимость скорости ч астиц порошка для некоторых способов газотермического
напыления
Анализируя представленные данные, видно, что в последние годы появились и получ ют свое р азвитие новые способы газотермического напыления: сверхзвуковое газопламенное напыление, сверхзвуковое пл зменное н пыление, сверхзвуковое г азодин амическое н апыление.
Способы получения газотермических покрытий со сверхзвуковой скоростью ч стиц в мировой пр актике получили назв ание «High-Ve1ocity-Oxygen-Бие1» (НVOF), то есть «Высокая скорость-Кислород-Топливо» и систем а «High-Ve1ocity-Air-Fue1» (HVAF), то есть «Высокая скорость-Воз дух-Топливо». Систем а «НVAF» хар актеризуется использов анием сжатого воздуха как в качестве окислителя (вместо кислород а), т ак и в к ачестве хл ад агент а для охл аждения к амеры сгор ания [5].
Покрытия, полученные д нными способ ми, в отличие от тр адиционных газотермических способов
характеризуются высокой адгезией, низкой пористостью и могут оказ ать большую конкуренцию детонационному напылению покрытий.
Сверхзвуковое г азопл аменное н апыление. Для получения покрытий сверхзвуковым газопламенным напылением з а рубежом применяют сверхзвуковые пистолеты «Jet-Coat», «Top-Gun», «Top-Gun-K», «Carbide-Jet» и др. [1]. При напылении покрытий обычно используется кислород (сжатый воздух) и керосин. Т ак, например, по д анным [1], при «керосиновом напылении» требуется на 21 л/ч керосина примерно 11 баллонов/ч кислорода. Несмотря на высокое качество получ аемых покрытий, это способствует применению данного способа в огр аниченном количестве случ аев.
В России разработкой оборудования для сверхзвукового газопламенного напыления с целью получения износо- и коррозионно-стойких покрытий,
занимается НИИ конструкционных м атериалов и технологических процессов МГТУ им. Н.Э. Б аум ан а. В настоящее время выпускается горелка массой 3,5 кг, котор ая охл аждается проточной водой; система воспламенения - пьезоэлектрическая.
Производительность (по порошку) сост авляет 1,5 кг/ч. [1,5].
Весьм перспективны р зр ботки МУП «Тр амвайно-троллейбусное предприятие» г. Орел, где
3 к нчив ется р бот по созд нию принципи льно новой сверхзвуковой горелки «Термика-Ж» («Termika-Hyper-Sonik», относящейся к системе «НVOF»), работающей на пропан-бутановой смеси, кислороде и сж том воздухе в к честве тр анспортирующего газа. Скорость истечения струи р зогретого г з н срезе сопл д нной горелки достигает 1700-2700 м/с, что позволяет получать покрытия с прочностью сцепления около 100 МПа и пористостью не более 0,5 % [7].
Сверхзвуковое плазменное напыление. Р азлич ают струйное и каналовое сверхзвуковое пл зменное н пыление покрытий [8].
При струйном сверхзвуковом н пылении
4 стицы порошк под ются в струю сверхзвукового
поток н выходе из к н л и при подлете к основе имеют р зброс по скоростям от нуля до м ксим льной скорости на оси струи. В покрытии, при
многокр тных проход х, достиг ется слоист я
структур - от плотной (пористость менее 1 %) до обычной (пористость от 1 % до 6 %).
Значительно лучшие результаты по плотности и прочности сцепления с основой достиг ются при «к н ловом» сверхзвуковом пл зменном н пылении. В этом случ е ч стицы порошк вводятся в поток р ньше срез сопл и, двиг ясь по к н лу,
н агрев аются, а з атем выходят в струю. Низкая скорость ч стиц порошк при т ком н пылении пр ктически не ре лизуется, и скорости полет ч стиц порошк приним ют только близкие к м ксим льным зн чения.
Известно т кже многодуговое пл зменное н пыление, обл д ющее определенными
преимуществ ми перед приведенными выше способ ми, с точки зрения выгодности электропит ния пл зм тронов.
Сверхзвуковое газодин амическое н апыление. Г зодин мический сверхзвуковой способ н пыления (ГДН) покрытий р азр абот ан н а основе открытого в 80-х год х 20-го век эффект з крепления твердых
ч стиц, движущихся со сверхзвуковой скоростью, н поверхности при соуд арении с ней [9].
Суть ГДН состоит в том, что мелкие мет ллические ч стицы, н ходящиеся в твердом состоянии, ускоряются сверхзвуковым г зовым потоком до скорости несколько сотен метров в секунду и н пр вляются н восст н влив емую поверхность дет ли. Ст лкив ясь с поверхностью в процессе высокоскоростного уд р , ч стицы з крепляются н ней, формируя сплошное покрытие. При этом ч стицы порошк обычно имеют темпер туру зн чительно ниже темпер туры их пл авления [9].
Если напыляемый порошок представляет собой смесь двух компонентов, один из которых -пл стичный мет лл ( люминий или спл в н его основе), второй - порошок кер мики или более твердого металла (корунд А1203), процесс протекает иным обр азом, чем в предыдущем случ ае. Хар актер вз имодействия с поверхностью основы мет ллических и кер мических ч стиц существенно р злич ется.
Согл асно [9], ч астицы кер амики при уд аре не деформируются, либо отск кив ют от поверхности (унося при этом ч сть м тери л этой поверхности), либо внедряются в нее, обр азуя прочное мех ническое сцепление с основой. З счет бр зивного воздействия высокоскоростных ч стиц н основу происходит эффективн я очистк поверхности от мех нических з грязнений, оксидных пленок, бсорбиров нных веществ, м сел, кр сок, т кже формиров ние р звитого микрорельеф поверхности и ктив ция мет лл основы (рис. 2( )).
При соуд рении мет ллических ч стиц с поверхностью основы происходит их пл стическ я деформ ация и обр азов ание химических связей в пятне конт кт (рис. 2(б)). Последующие уд ры
кер мических ч стиц по з крепившимся н
поверхности ч стиц м мет лл дополнительно деформируют их, уплотняя тем с мым покрытие, уменьш я его пористость и увеличив я когезионную прочность (рис. 2(в)). Уд ры мет ллических ч стиц и их з крепление приводят к формиров нию последующих слоев покрытия.
а I о * I „
„ Очистка и * активация
поверхности
Формирование зоны контакта покрытия с подложкой
Ударное уплотнение п редыдущего слоя и рост последующих слоев
Рисунок 2 - Ст адии формиров ания покрытия способом ГДН [9]
В наиболее р аспростр аненных газотермических способах нанесения покрытий для их формиров ания из потока ч астиц необходимо, чтобы падающие на основу ч астицы имели высокую темпер атуру, обычно выше темпер атуры плавления материал а. При газодинамическом напылении, это условие не является обяз ательным, что и обусл авлив ает ее уникальность. В данном случ ае с твердой основой вз имодействуют ч стицы, н ходящиеся в нер спл вленном состоянии, но обл д ющие очень высокой скоростью [9].
Технология нанесения покрытий способом ГДН (рис. 3), р азр абот анн ая Обнинским Центром Порошкового Напыления (ОЦПН), включ ает в себя нагрев сжатого воздуха, подачу его в сверхзвуковое сопло, формиров ние в этом сопле сверхзвукового воздушного поток , под чу в этот поток порошкового
м тери л , ускорение м тери л в сопле сверхзвуковым потоком воздух и н пр вление его н поверхность обр аб атыв аемого изделия. Ускорение частиц до нужных скоростей осуществляется сверхзвуковым воздушным потоком с помощью р азр абот анных в ОЦПН уст ановок серии «ДИМЕТ ».
Рисунок 3 - Схем а формиров ания покрытий способом ГДН
При этом путем изменения режимов работы оборудования можно либо проводить эрозионную обр аботку поверхности изделия, либо наносить мет аллические покрытия требуемых сост авов.
Д анная технология может успешно
ре лизовыв ться при восст новлении пос дочных поверхностей под подшипники корпусных деталей, герметиз ации трещин блоков двигателей, р адиаторов и испарителей холодильников, автокондиционеров, теплообменников и т.д. [9]. В большой степени это обусловлено тем, что из-з а низкой теплопередачи устр анение дефекта не приводит к деформ ации и не вызыв ет структурных превр щений мет лл дет ли.
Р ассмотренные выше новые сверхзвуковые способы позволяют зн чительно р сширить возможности тр диционного г зотермического н пыления покрытий, используемого при восст новлении дет лей. Полученные покрытия хар актеризуются более высокой адгезией, низкой пористостью, могут н носиться н изделия сложной формы, изготовленные пр ктически из любых металлов, а также на кер амику и стекло.
Предст вленное выше н пр вление в обл сти г зотермического н пыления имеет глубокие перспективы и должно получить широкое р звитие н ремонтно-технических предприятиях, з ним ющихся восст новлением дет лей.
Литература
1. Клубникин, В.С. О достижениях в
термическом н апылении покрытий. [Текст] /
В.С.Клубникин //Труды 6-й Между н ародной конференции «Пленки и покрытия-2001»; под ред.
B.С. Клубникина. - СПб.: Изд-во СПб ГТУ, 2001. -
C. 15-21.
2. Полонский, Л.Г. Историко-технические спекты р звития г зотермического н пыления
покрытий. [Текст] / Л.Г.Полонский //Труды 5-й
Междун родной конференции «Пленки и покрытия-1998»; под ред. В.С. Клубникина. - СПб.: Изд-во Полипл азма, 1998. - С. 47-52.
3. Курч аткин, В.В. Надежность и ремонт м ашин. [Текст] / В.В.Курч аткин, Н.Ф.Тельнов, К.А.Ачкасов; под ред. В.В. Курч аткина. - М.: Колос, 2000. - 776 с.
4. Ив анов, В.Г. Термическая стойкость теплозащитных кер амических покрытий на образцах из
люминиевых спл вов. [Текст] / В.Г.Ив нов,
В.П.Никитин, А.М.Яцечко // Сварочное производство. -№ 12. - 1990. - С. 11-12.
5. Коровин, А.Я. Оборудов ние для сверхзвукового
г зопл менного н пыления покрытий. [Текст] /
А.Я.Коровин, В.Н.Хромов //Сборник научных трудов. В 2х ч астях. Ч. 2. - М.: РГАЗУ, 2000. - С. 183-186.
6. Верцов, В.Г. Горелки для дозвукового и
сверхзвукового г зопл менного н пыления покрытий. [Текст] / В.Г.Верцов, А.Я.Коровин, В.Н.Хромов //Труды 3-й междун родной н учно-технической конференции «Высокие технологии в экологии» /Воронежское
отделение Российской экологической к демии. Изд-во Учебного центра агробизнеса, 2000. - 348 с., с.61-66.
7. Коровин, А.Я. Опыт муниципального
предприятия «Орелэлектротр нс» по восст новлению дет лей г зопл менными покрытиями. [Текст] /
A.Я.Коровин, Н.Г.Аб шев, В.Н.Хромов //М тери лы н учно-пр ктической конференции «Состояние и
перспективы восст новления, упрочнения и изготовления деталей». - М.: ГОСНИТИ, 1999. - 216 с., с. 74-77.
8. Клубникин, В.С. Сверхзвуковое пл зменное
н пыление высокоплотных и прочных покрытий. [Текст] / В.С.Клубникин //Труды 5-й Международной
конференции «Пленки и покрытия-1998»; под ред.
B.С. Клубникина. - СПб.: Изд-во Полиплазма, 1998. -
C. 35-38.
9. Клюев, О.Ф. Оборудование «ДИМЕТ» для нанесения металлических покрытий. [Текст] / О.Ф.Клюев, А.И.Каширин, Т.В.Буздыгар, А.В.Шкодкин// Сборник м тери лов Междун родной н учно-технической конференции «Надежность и ремонт машин». В 3-х том х. Т.2-«М тери лы, технологии и оборудов ние для восст новления, упрочнения и изготовления дет лей м шин и инструмент ».- Орел: Изд-во Орел ГАУ, 2004. -
С.11-15.
