Газодинамическое напыление порошковых материалов

Метод холодного газодинамического напыления (ХГН) используется с целью восстановления поверхности изделий, упрочнения и защиты металлов от коррозии, повышения тепло- и электропроводности и т.д. Технология ХГН расширяет возможности газотермического напыления и позволяет формировать покрытия при пониженных температурах, что весьма важно для изделий и материалов, не допускающих воздействия высоких температур.

Технологии газотермического и газодинамического напыления используются для нанесения покрытий на поверхность металлов и изделий. Объединяет оба этих метода то, что для покрытия используются порошковые материалы. Но, при газотермическом напылении попадающие на подложку частицы имеют высокую температуру, обычно выше температуры плавления материала. В газодинамической технологии на подложку наносятся частицы с более низкой температурой, но имеющие очень высокую скорость (500...1000 м/с).

Распыляемые материалы – полимеры, карбиды, металлы – образуют термобарьерные, износо- и коррозионностойкие покрытия, которые выдерживают воздействия химически активных сред, высокие тепловые нагрузки. В качестве напыляемых (расходных) материалов используются мелко- и ультрадисперсные порошки с размером частиц 0,01-0,5 мкм.

Технология

Суть метода состоит в нанесении на обрабатываемую поверхность порошков металлов (или их смесей с керамическими порошками) с помощью сверхзвуковых потоков воздуха. Частицы напыляемого порошка ускоряются сверхзвуковой струей газа и направляются на покрываемую поверхность. При этом температура процесса существенно меньшей температуры плавления материала частиц.

Путем изменения режимов работы оборудования можно наносить однородные покрытия, либо создавать композиционные покрытия из механической смеси порошков. Можно также менять твердость, пористость и толщину напыляемого покрытия и др.

Покрытия

Структура покрытий представляет собой однородный металлический слой (в случае чисто металлических покрытий, создаваемых из одного металла) или металлический слой, структурированный частицами другого металла или керамики. Возможно нанесение нескольких слоев разнородных покрытий различных (заданных) толщин каждого из слоев.

ХГН обеспечивает получение покрытий высокого качества 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.

Оборудование

Конструкция оборудования обеспечивает создание воздушного сверхзвукового потока, введение в этот поток частиц напыляемого порошкового материала и ускорение этих частиц до скоростей, достаточных для эффективного формирования металлических покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками.

К настоящему времени выпускается несколько модификаций оборудования для ручного или автоматизированного нанесения покрытий. Производителем промышленного оборудования для газодинамического напыления является «Обнинский центр порошкового напыления» (Россия). Оборудованию присвоен товарный знак ДИМЕТ®, оно сертифицировано по системе ГОСТ Р и защищено патентами России, США, Канады и других стран. Для работы оборудования необходим сжатый воздух давлением 0,6-1,0 МПа и расходом 0,3-0,4 м3/мин., и электросеть напряжением 220 В. На базе этого оборудования выпускаются специализированные комплексы для восстановления радиальных зазоров осевых компрессоров газоперекачивающих аппаратов, и комплексы для нанесения покрытий на малоразмерные плоские изделия.

Преимущества и недостатки газодинамического метода

По сравнению с термическими способами, газодинамический метод обладает рядом преимуществ:

• Покрытие наносится в воздушной атмосфере при нормальном давлении, при любых значениях температуры и влажности атмосферного воздуха;
• При нанесении покрытий оказывается незначительное тепловое воздействие на покрываемое изделие (изделие в зоне нанесения покрытия не нагревается выше 100-150 °С), что исключает возникновение внутренних напряжений в изделиях и их деформацию, а также окисление материалов покрытия и детали;
• Технология нанесения покрытий экологически безопасна (отсутствуют высокие температуры, опасные газы и излучения, нет химически агрессивных отходов, требующих специальной нейтрализации);
• При воздействии высокоскоростного потока напыляемых частиц происходит очистка поверхности от технических загрязнений, масел, красок и активация кристаллической решетки материала изделия;
• Поток напыляемых частиц является узконаправленным и имеет небольшое поперечное сечение. Это позволяет, в отличие от традиционных газотермических методов напыления, наносить покрытия на локальные (с четкими границами) участки поверхности изделий;
• Возможно нанесение многокомпонентных покрытий с переменным содержанием компонентов по его толщине;
• Возможно нанесение различных типов покрытий с помощью одной установки;
• Возможно использование оборудования не только в стационарных, но и в полевых условиях.

Единственным недостатком газодинамического напыления является возможность нанесения покрытий только из относительно пластичных металлов, таких как медь, алюминий, цинк, никель и др.

Область применения 

Ремонт дефектов деталей из легких сплавов
Устранение повреждений деталей из легких сплавов, прежде всего алюминиевых или алюминиевомагниевых сплавов, возникающих как в процессе их производства, так и в процессе эксплуатации, является наиболее эффективным направлением применения этой технологии. Важно подчеркнуть, что низкая энергетика процесса позволяет устранять дефекты и повреждения даже тонкостенных деталей, восстановление которых другими способами оказывается просто невозможным. Причина этого – отсутствие нагрева обрабатываемой детали (деталь не нагревается выше 100-150°С), а следовательно, и отсутствие окисления напыляемого материала и подложки, отсутствие тепловых деформаций изделия и внутренних напряжений.

Ремонт отливок
В производстве отливок из легких сплавов технология применяется для устранения дефектов литья (свищи, каверны, раковины) в тех случаях, когда они не влияют на прочностные характеристики изделия, но нарушают их герметичность, требуемые геометрические параметры или товарный вид. Экономическая эффективность ремонта возрастает, если дефекты являются скрытыми и обнаруживаются только на этапе механической обработки.

Устранение механических повреждений
Повреждения деталей, сопровождающиеся изменением геометрических размеров, возникают как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации деталей в составе механизмов. Эти повреждения, связанные с уносом массы металла – коррозионные повреждения, износ, сколы, прогары, трещины, пробоины и др.

Технология газодинамического напыления используется для устранения таких повреждений при выполнении ремонтно-восстановительных работ автотракторной, авиационной, железнодорожной, военной техники, сельскохозяйственных машин, технологического оборудования и т.п. Отдельным направлением применения технологии является восстановление геометрических размеров деталей и узлов газоперекачивающих аппаратов магистральных газопроводов.

Восстановление посадочных мест подшипников
Восстановление посадочных мест подшипников позволяет облегчить традиционную технологию ремонта и ее трудоемкость. Покрытия наносятся непосредственно на изношенную поверхность; процесс «наращивания» металла унифицируется в силу того, что покрытия могут наноситься на любые металлы, из которых могут быть изготовлены подшипниковые щиты.

Герметизация течей жидкостей и газов
Технология позволяет устранять течи рабочих газов и жидкостей в случаях, когда невозможно использование герметиков: для ремонта сосудов, работающих под давлением или при низких и высоких температурах (элементов криогенных систем, систем охлаждения, трубопроводов, теплообменников и т.п.).

Нанесение электропроводящих покрытий
Технологическая простота нанесения покрытий на любую металлическую, керамическую и стеклянную основу обуславливает их применение в производстве различных электротехнических изделий. Технология используется для создания контактных площадок заземления корпусов различного электротехнического оборудования, меднения токопроводящих шин печей-электролизеров в производстве алюминия, соединительной арматуры силовых токонесущих цепей, нанесения токовводов на стеклянные и керамические изделиях, изготовления подслоев под пайку керамических изоляторов.

Антифрикционные покрытия
Весьма эффективным оказывается применение новой технологии для устранения локальных повреждений (сколов, царапин, задиров и т.п.) поверхностей скольжения путем нанесения покрытий на дефектные места. Использование этого способа позволяет продлить ресурс подшипника и избежать сложной процедуры полной его перезаливки или замены.

Антикоррозионные покрытия
Пленки из алюминия и цинка защищают поверхности от коррозии лучше, чем лакокрасочные и многие другие металлические покрытия. С помощью напыления цинка или алюминия удается приостановить коррозию в местах появления «жучков» на крашеных поверхностях кузовов автомобилей. Также возможно нанесение антикоррозионных алюминиевых, цинковых и алюмоцинковых покрытий на внешнюю и внутреннюю поверхность труб диаметром от 100 мм и более, длиной до 12 м.

Кроме упомянутых выше направлений, эффективно применение газодинамической технологии и оборудования и для обеспечения защиты от высокотемпературной коррозии, предотвращения «схватывания» в силовых резьбовых соединениях, герметизации теплообменников и хладоагрегатов, корпусов электрооборудования, создания светоотражающих технических и декоративных изделий.