Термическое струйное нанесение

Термическое струйное нанесение — это технология нанесения покрытий, при которой расплавленный или нагретый до пластичного состояния материал (в виде проволоки, прутка или порошка) разгоняется высокоскоростной струей газа и осаждается на поверхность подложки, формируя слой заданной толщины и свойств. Процесс относится к методам газотермического напыления и используется для защиты деталей от износа, коррозии, высоких температур, а также для восстановления геометрии изношенных узлов и создания функциональных покрытий (электроизоляционных, антифрикционных, декоративных).

История

Первые эксперименты по распылению расплавленного металла сжатым воздухом были проведены швейцарским инженером Максом Ульрихом Шоопом в 1910-х годах. В 1912 году он запатентовал устройство, в котором металлическая проволока подавалась в пламя газовой горелки, плавилась и выдувалась струей сжатого воздуха на поверхность. Это изобретение считается отправной точкой развития газопламенного напыления — одного из подвидов термического струйного нанесения.

В 1930-х годах появились электродуговые металлизаторы, где плавление проволоки происходило за счет электрической дуги. В 1950-х годах, с развитием ракетной и авиационной техники, возникла потребность в покрытиях, стойких к экстремально высоким температурам. Это стимулировало разработку плазменного напыления, где в качестве источника тепла используется плазменная струя (температура до 20 000 °C). В 1960-х годах была предложена технология детонационного напыления, основанная на энергии взрыва газовой смеси.

В 1980-х годах, с ростом требований к экологии и производительности, началось активное внедрение высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF — High Velocity Oxygen Fuel), позволяющего получать плотные и прочные покрытия с низким содержанием оксидов. В 1990-х годах в промышленность вошел метод холодного газодинамического напыления, при котором частицы остаются в твердом состоянии, а покрытие формируется за счет пластической деформации при соударении с подложкой.

Классификация методов

Термическое струйное нанесение подразделяется на несколько основных методов, различающихся источником нагрева, способом подачи материала и скоростью частиц.

По источнику тепла

• Газопламенное напыление. Материал (проволока, пруток, порошок) плавится в пламени газовой горелки, где сжигается горючий газ (ацетилен, пропан, водород) в смеси с кислородом. Температура пламени — до 3100 °C. Скорость частиц — 50–150 м/с.
• Электродуговое напыление. Между двумя проволоками (анод и катод) зажигается электрическая дуга, которая плавит их концы. Расплавленный металл подхватывается струей сжатого газа (воздух, азот, аргон) и переносится на подложку. Температура дуги — до 6000 °C. Скорость частиц — 100–250 м/с.
• Плазменное напыление. Плазменная струя создается в плазмотроне путем ионизации газа (аргон, азот, водород, гелий) электрической дугой. Температура струи — до 20 000 °C. Порошковый материал вводится в струю и плавится. Скорость частиц — 200–800 м/с. Различают атмосферное плазменное напыление (APS) и плазменное напыление в контролируемой атмосфере (LPPS, VPS).
• Детонационное напыление. В ствол установки подается дозированная смесь горючего газа (ацетилен, пропан) и кислорода, а также порция порошка. Смесь поджигается, происходит детонационный взрыв, продукты сгорания разгоняют частицы до скорости 700–1200 м/с. Процесс циклический (с частотой до 100 выстрелов в секунду).
• Высокоскоростное газопламенное напыление (HVOF). Смесь горючего газа (керосин, пропан, водород) и кислорода сжигается в камере сгорания под высоким давлением. Продукты сгорания истекают через сопло Лаваля, разгоняя частицы порошка до сверхзвуковых скоростей (400–1000 м/с). Температура струи — 2500–3000 °C.
• Холодное газодинамическое напыление. Частицы порошка (обычно металлы, сплавы, керметы) разгоняются сверхзвуковым потоком инертного газа (гелий, азот), нагретого до 200–800 °C. Температура газа ниже температуры плавления материала. Покрытие формируется за счет интенсивной пластической деформации частиц при соударении с подложкой.

По виду напыляемого материала

• Проволочные (газопламенное и электродуговое напыление проволоки).
• Порошковые (плазменное, HVOF, детонационное, холодное газодинамическое напыление).
• Прутковые (газопламенное напыление керамических прутков).

Устройство и принцип работы

Общая схема процесса термического струйного нанесения включает три основных этапа: нагрев и плавление материала, ускорение расплавленных или размягченных частиц газовым потоком, и осаждение частиц на подложку с формированием слоя.

Основные компоненты установки

• Источник тепла (горелка, дуга, плазмотрон, детонационная камера).
• Система подачи материала (механизм подачи проволоки, дозатор порошка с транспортирующим газом).
• Система подачи газа (компрессор, баллоны с газами, регуляторы расхода).
• Манипулятор (робот, портал или вращатель для перемещения горелки относительно детали).
• Система управления (контроль параметров процесса: ток, напряжение, расход газа, скорость подачи материала).

Формирование покрытия

Частицы, ударяясь о подложку, расплющиваются и затвердевают, образуя характерную ламеллярную (чешуйчатую) структуру. Каждая частица формирует отдельное «сплет» (splat). Свойства покрытия (пористость, адгезия, прочность) зависят от скорости и температуры частиц, а также от состояния поверхности подложки (шероховатость, температура, чистота). Для улучшения сцепления перед напылением часто проводят абразивоструйную обработку и предварительный подогрев детали.

Применение

Технология термического струйного нанесения широко используется в различных отраслях промышленности.

Авиация и космонавтика

• Теплозащитные покрытия для лопаток турбин, камер сгорания, сопел ракетных двигателей (на основе диоксида циркония, стабилизированного иттрием — YSZ).
• Износостойкие покрытия для элементов шасси, гидроцилиндров, компрессорных лопаток (карбид вольфрама, карбид хрома).
• Антикоррозионные покрытия для деталей планера и двигателей.

Энергетика

• Защита от эрозии и коррозии лопаток паровых и газовых турбин, труб парогенераторов, деталей насосов.
• Покрытия для экранирования от электромагнитных полей в электротехническом оборудовании.
• Восстановление изношенных валов, роторов, корпусов насосов.

Автомобилестроение

• Нанесение антифрикционных покрытий на поршни, цилиндры, распредвалы (снижение трения, повышение износостойкости).
• Защита от коррозии элементов выхлопной системы, кузовных деталей.
• Восстановление посадочных мест подшипников, шлицевых соединений.

Нефтегазовая и химическая промышленность

• Защита от коррозии и абразивного износа внутренних поверхностей трубопроводов, запорной арматуры, реакторов, центрифуг.
• Покрытия для деталей бурового оборудования, работающих в агрессивных средах.

Медицина

• Нанесение биосовместимых покрытий на имплантаты (гидроксиапатит, титан) для улучшения остеоинтеграции.
• Создание износостойких покрытий на эндопротезах суставов (кобальт-хромовые сплавы, керамика).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Возможность нанесения покрытий из широкого спектра материалов: металлы, сплавы, керамика, керметы, пластмассы.
• Высокая производительность процесса (до десятков килограммов материала в час для электродугового напыления).
• Отсутствие термического воздействия на подложку (температура детали обычно не превышает 150–250 °C, что позволяет наносить покрытия на детали из термочувствительных материалов).
• Возможность восстановления изношенных деталей без изменения их свойств и геометрии.
• Относительно низкая стоимость оборудования для газопламенного и электродугового напыления.

Недостатки

• Относительно высокая пористость покрытий (до 10–15% для газопламенного напыления) по сравнению с методами наплавки или гальваники.
• Неравномерность толщины покрытия на сложнопрофильных деталях.
• Необходимость тщательной подготовки поверхности (абразивоструйная обработка, обезжиривание).
• Ограниченная адгезия покрытия к подложке (обычно 10–70 МПа в зависимости от метода и материала).
• Образование пыли и шума в процессе напыления, требующее применения систем вентиляции и шумопоглощения.

Интересные факты

• В 1960-х годах в СССР технология газопламенного напыления активно применялась для восстановления коленчатых валов двигателей грузовых автомобилей ЗИЛ и КамАЗ.
• Детонационное напыление было разработано в 1955 году компанией Union Carbide (США) и первоначально использовалось для нанесения покрытий на детали авиационных двигателей.
• Холодное газодинамическое напыление было открыто в 1980-х годах в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН (Новосибирск) под руководством академика А. П. Алхимова.
• Плазменное напыление используется для создания теплозащитных покрытий на лопатках турбин авиадвигателей, что позволяет повысить рабочую температуру газа на входе в турбину на 100–200 °C и увеличить КПД двигателя.
• С помощью термического струйного нанесения можно создавать покрытия из стекла, керамики и даже полимеров (например, полиэтилена или полиамида).

Источники

• Борисов Ю. С., Бобров Г. В. Газотермические покрытия. — М.: Машиностроение, 1988.
• Кудинов В. В., Бобров Г. В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология, оборудование. — М.: Металлургия, 1992.
• Алхимов А. П., Клинков С. В., Косарев В. Ф. Холодное газодинамическое напыление. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010.
• Павлов А. В., Шестаков А. И. Технология газотермического напыления покрытий. — М.: Высшая школа, 2005.
• Handbook of Thermal Spray Technology / Ed. by J. R. Davis. — ASM International, 2004.