CC BY
71
УДК 621.793
СОЗДАНИЕ ОБЪЁМНО-ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОДСЛОЯ ПРОТИВОКОРРОЗИОННОГО ПОКРЫТИЯ
Н.Ф. Лобанов, М.Н. Каменский
Создание противокоррозионного комбинированного покрытия требует сочетания высокой адгезии газотермического подслоя с химической стойкостью полимерной пропитки. Предложена схема раздельного напыления конструкционного материала и порошка-порообразователя, удаляемого перед нанесением полимерной части покрытия. Разработана методика определения координат ввода компонентов подслоя в газотермический поток.
Ключевые слова: газотермическое напыление, адгезия, подслой, порошок, искусственная пористость, дистанция напыления, противокоррозионное покрытие.
Г азотермические покрытия обладают высокой адгезионной и механической прочностью, многократно превышающей соответствующие показатели лучших полимерных покрытий, но отличаются относительно высокой открытой пористостью, достигающей 10-15 % [1]. Даже при достаточной химической инертности напыляемого материала придание покрытию противокоррозионных защитных свойств требует ликвидации барьерной проницаемости напыленного материала.
Для уменьшения или ликвидации открытой пористости используется ряд методик: механическое уплотнение (для пластичных материалов), оплавление (для самофлюсующихся материалов) и пропитка химически стойким полимером. Последняя методика является универсальной по отношению к материалу газотермического подслоя, а полученный таким путем защитный слой можно считать комбинированным газотермическим покрытием, независимо от способа нанесения полимерной части.
В комбинированном металлизационно-полимерном покрытии высокие адгезионно-механические характеристики газотермического подслоя дополняются непроницаемостью и химической инертностью полимерного компонента [2].
Адгезионная прочность на границе газотермический подслой-полимер возрастает при увеличении шероховатости подслоя, причем при полимеризации значительной части исходного полимера в открытых порах, лимитирующей становится когезионная прочность полимерного материала. В этом случае следует ожидать повышения как адгезионных, так и противокоррозионных свойств комбинированного покрытия.
Для целенаправленного конструирования объемно-пространственной структуры наружной части газотермического подслоя в соответствии с реологическими характеристиками конкретного полимерного мате-
риала было предложено совместное напыление порошка подслоя (металл или керамика) с дополнительным компонентом - порообразователем (различные соли).
Образование развитой искусственной пористости газотермического подслоя с характерными размерами каналов 40-80 мкм осуществлялось в три стадии. На первой стадии конструкционный материал подслоя наносился на стальную основу слоем толщиной до 0,1 мм, а затем (вторая стадия) совместно с относительно нетермойстойким порообразователем. На третьей стадии порообразователь, достигший подложки, термически удалялся или растворялся, оставляя макропустоты в наружной части газотермического подслоя.
Была проанализирована сравнительная эффективность двух способов конструирования объемно-пространственной структуры подслоя:
а) с термическим удалением легколетучих компонентов в процессе и после газотермического напыления (порообразователь - хлористый аммоний);
б) с химическим удалением легкорастворимого компонента (порообразователь - хлористый натрий).
Термическое порообразование уступало химическому по стабильности результатов, но превосходило в технологичности процесса.
Были исследованы две схемы напыления механической смеси конструкционного порошка (металл или оксид фракции 40-120 мкм) и порооб-разователя (соль фракции 60-120 мкм). При напылении готовой смеси только из дозатора 2 (рис. 1) не удалось получить стабильных результатов как из-за расслоения механической смеси порошков в дозаторе вследствие гравитационного рассева, так и из-за существенного разложения порообра-зователя при подаче смеси на срез плазмотрона.
При раздельном введении тугоплавкого (дозатор 2) и нетермостойкого (дозатор 3) порошков в различные сечения плазменного потока появляется принципиальная возможность оптимизации индивидуального теплового режима для каждой из конденсированных компонент. Новый управляющий параметр - дистанция ввода порообразователя I (рис. 1) может быть оптимизирован при предварительном выборе приемлемых параметров напыления конструкционного порошка подслоя.
Экспериментальное моделирование напыления подслоя осуществлялось на установке с номинальной мощностью плазмотрона-распылителя до 20 кВТ с диаметром сопла 4,5 мм.
В качестве материалов использовались порошки металлидов (никель-алюминий типа ПН85Ю15) и керамические композиции на основе корунда (фракция 30-80 мкм). На рис. 2 представлены зависимости коэффициента использования порошка (КИП) и напряжение сдвига т от дистанции напыления Ь, снятые для фиксированных характеристик плазменного распылителя (среднемассовая энтальпия, составы и расходы рабочих
сред и т.д.).
Рис. 1. Принципиальная схема напыления подслоя с искусственной пористостью:
1 - плазмотрон-распылитель; 2 - основной дозатор;
3 - дополнительный дозатор; 4 - основа с газотермическим подслоем
Условия напыления: среднемассовая энтальпия (на срезе распылителя) - (5^5,2)10 кДж/кг; газ-энергоноситель - азот/аргон - 1:1; порошки подслоя - никель-алюминий (ПН85Ю15) и оксид алюминия (А120з). Как видно из рис. 2, максимальные значения (для указанных условий) лежат в пределах Ь = 150±10 мм, а область наибольших КИП смещена в сторону минимальных дистанций (Ь = 40-80 мм). Однозначный выбор дистанции напыления связан с ранжированием рассматриваемых характеристик по степени значимости. Для подслоя из никель-алюминиевого порошка нами принято Ь = 140 мм, что соответствует т = 70 МПа и КИП 60%.
Координата сечения ввода порообразователя определялась из соотношения текущей среднемассовой температуры газа-энергоносителя и теплофизических свойств нетермостойкого компонента. Из-за относительно низкой объемной концентрации конструкционного порошка в плазмопылевом потоке (не более 1 -2 %) ее влияние на нагрев порошка-порообразователя пренебрежимо мало. Для определения фоновых (по отношению к вводимому порообразователю) температур и скоростей плазмопылевого потока была реализована расчетно-экспериментальная модель процесса напыления конструкционного материала (на примере оксида алюминия). Плазмопылевой поток, истекающий из сопла плазмотрона
диаметром 4,5 мм калориметрировался секционированным водоохлаждаемым каналом диаметром 20 мм. В одномерном приближении рассчитывались среднемассовые характеристики газа и порошка в 16 сечениях вдоль оси потока (в диапазоне 10-230 мм).
Рис. 2. Экспериментальное определение дистанции напыления: А - напряжениясдвига т для металлида; о - КИП для металлида; • - КИП для оксида
Результаты расчета представлены на рис. 3. В алгоритме расчета теплообмена был постулирован квазистационарный режим нагрева конденсированной фазы.
Среднемассовые температуры газа и порошка выравниваются на расстоянии 130-150 мм, что коррелируется с дистанцией напыления при максимальной адгезии подслоя. Интересно, что расчетная температура мо-нодисперсного порошка практически не меняется вдоль осевой координаты на участке 80-200 мм.
Линии разогрева и аналогичные кривые разгона порошкового материала выходят на насыщение при дистанции более 80 мм, независимо от начальной температуры плазменного потока азота в диапазоне 25005500 К.
Определение координаты ввода порообразователя, по-видимому, целесообразно начать с сечения, имеющего температуру газа на уровне удвоенной термостойкости порообразователя, т. е. не ближе 60-80 мм от среза сопла плазменного распылителя.
Экспериментальная подача через керамический зонд диаметром 3 мм модельного порообразователя (хлористый натрий фракции 120 мкм)
на расстоянии 60 мм от среза сопла оказалась неэффективной из-за низкого коэффициента сохранения материала (не более 12-20 %). Для фиксированной дистанции до мишени (Ь = 140 мм) удовлетворительные результаты были получены при I = 90-120 мм.
У К)3, к
--->-------1 ----1 ---1 I----1- — 4-
20 60 100 140 180 220 и мм
Рис. 3. Изменение расчетных среднемассовых температур азота (А ,о) и частиц А1203 (▲ ,•) вдоль оси потока:
3 3
(расход азота: А - 3,87 нм /час; о - 4,21 нм /час);
(расход частиц А1203: ▲ - 2,31 кг/час; • - 3,63 кг/час)
При экспериментальной отработке процесса формирования подслоя была реализована открытая пористость в диапазоне 15-44 %. При химическом вымывании соли водным раствором с ингибиторами коррозии (при 60 °С в течение 30 мин). Максимально открытая пористость была зафиксирована при объемном соотношении конструкционный порошок-порообразователь 1:1,2.
В результате сравнительного исследования образцов с комбинированными и чисто полимерными (эпоксидная смола, пентопласт, фторопласт) покрытиями показали повышенную стабильность полимерной части противокоррозионного покрытия (по индикации отслоения пленки полимера с открытым торцом) в модельных диффузионно-активных средах и, в частности, при кипячении в паровом конденсате.
Список литературы
1. Нанесение покрытий плазмой. В.В. Кудинов [и др.] М.: Наука, 1990, 408 с.
2. Цырлин М.И., Радченко Д. А. Отверждение термореактивных ма-
териалов и покрытий с использованием низкотемпературной плазменной струи // Проблемы инженерно-педагогического образования в Республике Беларусь: материалы международной научно-практической конференции. Минск: Изд-во Бел. национ. техн. ун-та, 2004. С. 323-326.
Лобанов Николай Федорович, канд. техн. наук, доц., k_ohp@,dialog.nirhtu.ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева,
Каменский Михаил Николаевич, канд. техн. наук, доц., MKamensky@yandex.ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева
CREATING A THREE-DIMENSIONAL STRUCTURE THE GAS THERMAL THE UNDERLAYER ANTICORROSIVE COATING
N.F. Lobanov, M.N. Kamensky,
Create anticorrosive combined coating requires a combination of high adhesion of gas thermal the underlayer with chemical resistance polymer impregnation. Proposed a scheme of separate structural material spraying and powder-porogen deleted prior to application part coating polymer. Developed a method of determining the coordi-nates of input component the underlayer in flow a thermal gas.
Key words: thermal spraying, adhesion underlayer powder, artificial porosity, spraying distance, corrosion resistant coating.
Lobanov Nikolay Fedorovich, candidate of technical science, docent, k ohpadialog. nirhtu. ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,
Kamensky Mikhail Nikolaevich, candidate of technical science, docent, MKa-menskyayandex.ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University
