Ural Welding Institute

Оборудование сверхзвукового газовоздушного напыления

Для совершенствования оборудования для газотермического напыления В. Барановский, изобретатель AC-HVAF процесса (Activated High Velocity Air-Fuel spraying process, российский аналог этого термина сверхзвуковое газовоздушное напыление, СГВ-процесс), в 1998 году основал компанию UniqueCoatTechnologies, США, где развивает направление по высокоскоростному напылению нерасплавленных частиц. Компания является разработчиком и производителем современного оборудования для газотермического напыления, и расположена в Ойлвилле, Виржиния, США.  Основываясь на десятилетиях опыта в этой области, компания превратилась в №1 поставщика AC-HVAF оборудования в мире. Представителем компании в России является Уральский институт сварки, имеющий большой опыт по разработке и внедрению технологий газотермического напыления.

AC-HVAF система была создана для нанесения всех стандартных HVOF материалов с более высоким качеством и производительностью. При этом устранены трудности, связанные с внедрением HVOF систем, такие как потребление большого количества кислорода, водяное охлаждение и т.д.

AC-HVAF системы нашли свое применение в США, Японии, Канаде, Австралии, Китае, Финляндии, Бельгии, России, Новой Зеландии, Южной Корее. Потребители указывают на большую эффективность этого оборудования в сравнении как с базовыми HVOF системами, такими как JP8000 (Praxair), DJ2700/2700 (Sulzer-Metco), так и с менее популярными, как K2 (GTV).  AC-HVAF cистемы завоевали репутацию за счет исключительного качества покрытий, простоты управления и технического обслуживании, надежности и очень высокой производительности (см. Коробов Ю. С. Повышение срока службы деталей сверхзвуковым газопламенным напылением. // Тяжелое машиностроение. – 2006. - № 7. С. 34-36).

Компания производит и продает также оборудование для высокоскоростной дуговой металлизации, питатели порошкового материала, порошки широкой номенклатуры, а также вспомогательное оборудование.

Компания производит, устанавливает у заказчика и сдает “под ключ” камеры для напыления, включающие все, что необходимо для процесса напыления, а именно: шумо- и пылеизолирующие комнаты, роботы, AC-HVAF системы, механизмы для вращения деталей, вентиляционные и пылеулавливающие системы, воздушные компрессоры, вспомогательное оборудование для подачи пропана высокого давления и т.д.

 

Краткое описание AC-HVAF процесса

В процессе порошкового высокоскоростного газотермического напыления AC-HVAF (Activated High Velocity Air-Fuel, российский аналог этого термина сверхзвуковое газовоздушное напыление, СГВ) используется энергии сгорания топливо-воздушной смеси. Процесс позволяет наносить высококачественные покрытия из металлов, сплавов, металлокерамики  и боридов на металлические поверхности.

Материал покрытия в форме сплава или композитного порошка подается в устройство для его нагрева и ускорения. Смесь горючего газа (пропана, пропан-бутана, пропилена, природного газа) сжигается в каталитической камере сгорания пистолета генерируя высокоскоростную струю продуктов сгорания. Напыляемый порошок нагревается в камере сгорания и ускоряется в струе, формируя покрытие при ударе частиц о подложку. Данная схема обуславливает ряд особенностей процесса

 

Особенности распыляющей струи AC-HVAF процесса

Хотя ускоряющая струя AC-HVAF-процесса во многом напоминает струю HP-HVOF пистолета, между ними существуют существенные различия, создающие уникальность AC-HVAF процесса. Это во-первых размер струи и, во-вторых ее относительно низкая температура. AC-HVAF-пистолет генерирует струю диаметром более 16 мм и длиной более 250 мм. (рис. 1). Это гораздо больше дистанции напыления, которая обычно составляет 125-180 мм. Несмотря на большие размеры струи, нагрев подложки под ее воздействием обычно незначителен, так как активная фаза горения топлива происходит в каталитической камере сгорания.

 

1.jpg

Рис. 1 Ускоряющая струя AC-HVAF-процесса

 

Струя частиц

Диаметр потока напыляемых частиц обычно составляет 3…5 мм (рис. 2). Учитывая размеры самой струи, это означает, что все частицы нагретого порошка до момента соударения с подложкой находятся в восстановительной атмосфере, то есть происходит минимальное окисление напыляемого материала. По этому показателю процесс очень близок к процессу холодного напыления. Малый диаметр порошковой струи позволяет эффективно напылять детали малого размера. В тоже время использование робота является необходимостью для получения равномерного покрытия.

Поскольку температура сгорания топлив в воздухе гораздо ниже, чем в чистом кислороде, становится возможным формировать покрытие из частиц в пластичном состоянии. В сочетании с высоким уровнем кинетической энергии  частиц порошка, ускоренных  до очень высоких скоростей, порядка 700…800 м/с, это позволяет получать высокоплотные покрытия высокой прочности сцепления с материалом подложки. Точное регулирование температуры частиц и поддержание ее ниже температуры плавления материала, а так же очень высокие скорости соударения частиц с подложкой, являются очень важными отличительными характеристиками AC-HVAF процесса.

2.jpg

Рис. 2 AC-HVAF-процесс, Струя распыляемых частиц металла. Пистолет M2.

 

Уменьшение окисления частиц в покрытии

Низкая температура струи AC-HVAF процесса позволяет избежать перегрева частиц выше точки плавления, характерного для HVOF, плазменного, дугового и детонационного процессов. Поэтому окисление частиц в полете значительно ниже по сравнению с расплавленными частицами при HVOF. Также существенно снижается декарбюризация карбидо-вольфрамового порошка при его напылении.


Остаточные напряжения

Напыление высокоскоростными пластичными частицами вместо расплавленных ведет к образованию напряжений сжатия в покрытии, или существенному снижению напряжений растяжения.


Постоянство свойств покрытий

Ускоренные до высокой скорости частицы обладая дробеструйным эффектом, удаляют частицы плохо сцепленные с подложкой, устраняя источник возможных дефектов в покрытии.

 

AC-HVAF/СГВ оборудование

С 2008 года фирма поменяла линейку оборудования. Вместо выпускавшихся ранее моделей SB9300/9500 UniqueCoatTechnologies выпускает сейчас AC-HVAF оборудование, которое включает пистолет M2 / M3, систему управления UltraCoat™, питатель порошкового материала PF100 / PF100WL, все необходимые контрольные кабеля и шланги, а также вспомогательное оборудование, такое как испаритель пропана, тепловые одеяла (если необходимо). Система AC-HVAF исключительно надежна и проста в управлении, и может наносить все HVOF порошковые материалы. По качеству наносимого покрытия, коэффициенту использования материала и производительности она превосходит как лидирующие HVOF системы JP8000 (Praxair) и DJ2600/2700 (Sulzer Metco), так и менее популярные K2 (GTV), а также аналогичное HVAF-оборудование других компаний, недавно появившееся на рынке.

 

Пистолет M2

Особенности:

M2 эффективно распыляет керметы, металлы, металлические сплавы, включая самофлюсы (рис. 3). Экономичное воздушное охлаждение исключает потребность в подаче охлажденной воды. Пистолет может работать непрерывно часами без залипания сопла. Самое длинное сопло используется для распыления керметов, более короткие – для металлических порошков. Возможна поставка укороченного выходного сопла малого диаметра, которое позволяет вести распыление керметов вручную.  Опция впрыска водорода позволяет повысить коэффициент использования распыляемых материалов на 15…20 % при улучшении качества покрытий. Обтекаемая форма упрощает использование пистолета в составе роботизированного комплекса. Конструкция обеспечивает получение узкого факела распыла, однако его величину можно регулировать заменой порошкового инжектора, соответствующего требуемому пятну распыления.

 

3.jpg

Рис. 3 Пистолет M2 в работе, распыление карбидов


Технические характеристики

 

Основные преимущества

1. Исключительное качество покрытия

M2 наносит высококачественные покрытия с очень низкой пористостью и высокой прочностью сцепления из всех металлических и металлокерамических порошков, имеющихся на рынке.

2. Простота исспользования 

Установка очень проста в работе. Оператор загружает порошок в питатель, устанавливает (или загружает сохраненные) параметры на сенсорном экране и нажимает кнопку "Старт". Под управлением микропроцессором происходит автоматический запуск пистолета и контроль параметров напыления.

3. Уникальная надежность

Простая и проверенная временем кострукция пистолета с использованием наилучших материалов, наилучшие компоненты и электроника в контрольной системе – все это обеспечивает простоту и надежность в эксплуатации. AC-HVAF технология напыления твердыми частицами полностью устраняет залипание сопла, что не требует остановки процесса в течение многих часов.  Это вместе с ‘прощающей ошибки” оператора конструкцией пистолета и надежным программным обеспечением, резко снижает потребность в запасных частях.

4. Лидер в производительности и низкой себестоимости напыления

M2 по производительности напыления не имеет себе равных в линейке оборудования высокоскоростного газопламенного напыления HVOF/HVAF, может напылять до 30 кг/час порошкового материала без остановки в течение многих часов. Высокая производительность напыления, использование воздуха вместо кислорода и низкое потребление запасных частей ведет к снижению себестоимости напыления деталей.


Пистолет М3

Воздухоохлаждаемый пистолет модели М3 сохранил достоинства М2, однако повысились эффективность процесса и качество покрытия.  Совершенствование конструкций сопла и системы охлаждения камеры сгорания значительно продлили срок службы этих теплонагруженных узлов и практически исключили налипание частиц порошка на сопло, характерную болезнь многих моделей оборудования этого класса. Пистолет стабильно работает в широком интервале соотношений воздух-топливо, что позволяет точно настраивать температуру струи на распыление порошков с различными физическими свойствами, рис. 4, 5

  

4.pngа)

5.jpg б)

Рис. 4 Сверхзвуковой пистолет HVAF Spray Gun M3. а – общий вид, б – истечение  транспортирующей газовой струи

5а.jpg а)

5б.jpg б) 

Рис. 5 HVAF Spray Gun M3 в работе. Материал WC-Co-Cr 86-10-4. а-общий вид, б- вид распыляемой струи в области сопла

Краткая техническая характеристика

-        Горючее пропан, пропилен и МАП-газ
Расход воздуха , 7,1м3 /мин

-        Давление воздуха 8,4 Бар

-        Скорость частиц свыше 1000 м/с

-        КИМ, карбиды/металлы, %  50…75 / 60…85

-        Максимальная производительность, карбиды/металлы,  кг/ч  30 / 23

 

Терминал управления UltraCoat™

Терминал UltraCoat™ (рис. 6) отслеживает параметры и управляет процессом сверхзвукового газовоздушного напыления AC-HVAF.

6.jpg

Рис. 6 Терминал UltraCoat™

     В нем реализован набор современных промышленных микропроцессорных средств управления. Программируемый логический контроллер автоматически реализует последовательность функций, необходимую для пуска/останова распылительного пистолета, а также точно выдерживает предварительно установленные параметры. Программа останавливает систему по окончании работы или в случае аварийной ситуации. Модульная конструкция упрощает обслуживание установки. Система отличается наглядным сенсорным экраном управления и дружественным интерфейсом. Это облегчает слежение и управление процессом. В соответствии с европейскими нормами безопасности ATEX, в терминале UltraCoat™ реализовано разделение газовых и электрических компонентов, а также воздушная продувка в блоке газораспределения. В шкафу газораспределения и на пистолете установлены соответственно датчики контроля воспламенения и превышения концентрации горючего газа. Дополнительный модуль сбора данных с программным обеспечением позволяет регистрировать и сохранять технологические параметры. В модуле предустановлен набор типовых технологических процессов и есть возможность создания собственных. Терминал UltraCoat™ универсален для всех систем типа АC-HVAF. Обеспечена возможность наблюдения за процессом напыления в режиме реального времени как из кабины оператора, так и в режиме удаленного доступа, через сеть Интернета, рис. 7. Терминал UltraCoat™ отличается прочностью, надежностью, возможностью транспортировки для выполнения работ в монтажных условиях. 

7.jpg

Рис. 7. Наблюдение за процессом через терминал UltraCoat™

Порошковый питатель PF100 / PF100WL

Питатель PF100 / PF100WL (рис. 8), предназначен для тяжёлого режима работы и подачи порошка с высоким расходом. Конструкция специально приспособлена под высокопроизводительные пистолеты сверхзвукового газовоздушного напыления серии HVAF. При этом обеспечена полная совместимость с оборудованием для других процессов термического напыления – плазменным, HVOF (сверхзвуковое газопламенное), холодным газодиамическим, а также для других промышленных применений. Питатель PF100 / PF100WL отличает высокая надежность вследствие отсутствия изнашиваемых уплотнений. Он обеспечивает подачу без пульсаций всех видов порошков для термического напыления. Питатель отличается простотой в обслуживании и легкостью чистки для замены порошка

Технические характеристики порошкового питателя PF100

•Варианты емкости бункера 10 л, 5 л

•Производительность подачи порошка до 45 кг/ч

•Давление в бункере 10 Бар (опция 34 Бар для бункера 5 л)

•Возможно управление как дистанционное (от системы управления пистолетом), так и местное (с панели)

•комплектуется тепловым одеялом с автоматическим отключением при перегреве

•Высокие прочность и надежность

•Конструктивно обеспечена чистота на рабочем месте – исключено просыпание порошка

•Стабильная, безпульсационная подача порошкового материала •отсутствие изнашиваемых уплотнений

•точная цифровая индикация скорости вращения диска подачи порошка

Порошковый питатель PF100WL

Отличается наличием системы управления потерь порошка, повышенной точностью индикации параметров за счет прямого замера массового расхода порошка.

8а.jpg а)

8б.jpg б)

а)б) Рис. 8 Питатель порошковый а) PF100; б) PF100WL

После обработки микропроцессором данных датчика нагрузки на сенсорный дисплей непрерывно выводится информация о фактическом расходе порошка.

PF100WL использует интуитивно понятный интерфейс сенсорного экрана, скорость подачи отображается и в имперских и в метрических единицах, рис. 9.

9.png

Рис. 9 Сенсорный экран питателя PF100WL

Камеры для напыления

Исторически камеры для напыления использовались для предохранения цеха от интенсивного шума, пыли, паров напыляемого материала, и ультрафиолетового излучения, генерируемых в процессе работы газотермического оборудования. Внедрение роботов привело к расширению роли камер за счет функции барьера для предохранения оператора от возможных травм от удара движущимися частями робота. Полностью автоматизированные камеры для напыления, которые не требуют присутствия оператора в непосредственной близости к рабочей зоне, все чаще становятся повседневной реальностью, и во многих случаях являются обязательными не только из-за необходимости повышения безопасности персонала,. Так, очень узкая струя распыла (диаметр порядка 6 мм) не позволяет обеспечить удовлетворительный КИМ при ручном нанесении покрытий на поверхности сложной формы.

Осуществляется поставка "под ключ" камер, полностью оснащенных для напыления (рис. 10). Они включают роботы, механическое оборудование, средства контроля качества, вентиляционно-очистительные системы, воздушные компрессоры, испарители пропана и другое вспомогательное оборудование. Имеются в наличии самые различные конфигурации камер в соответствии с требованиями заказчиков. Поставляются также отдельные компоненты, как новые, так и бывшие в употреблении, которые могут значительно снизить затраты на весь комплект оборудования. Возможна поставка порошковых материалов.

10.jpg

Рис. 10 Камера для напыления. Оснащена роботом, механическим вращателем, системами подготовки воздуха, вентиляции, звукоизоляции