Ural Welding Institute

Сверхзвуковое газовоздушное напыление

Рациональный подход к восстановлению деталей оборудования газотермическим напылением

Показано, что для восстановления и упрочнения широкого спектра деталей, характерных для базовых отраслей промышленности, из способов газотермиче-ского напыления рационально использовать активированную дуговую металлизацию и сверхзвуковое газовоздушное напыление. Газотермическое напыление (ГТН) покрытий позволяет повысить ресурс машин в 2…8 раз. Обобщение данных анализа, выполненного в Германии, Китае, США, Франции, Южной Корее, Японии, показало, что годовой объём мирового рынка ГТН ежегодно растет на 8…9 % и в 2008 году составил $4 млрд. Нами был проведён анализ целесообразности выбора различных методов ГТН для получения покрытий на деталях машиностроительного профиля. Источниками информации были данные фирм-изготовителей, приведённые на сайтах, публикациях в журналах, сборниках конференций. В качестве распыляемых мате-риалов мы выбрали карбиды, металлы, образующие термобарьерные, износо- и коррозионностойкие покрытия, которые во многих практически важных случаях успешно противостоят разным видам износа, воздействию химически активных сред и тепловых нагрузок. Из рассмотрения исключены оксиды (алюминия, хрома, циркония и т.д.), которые успешно распыляются плазмой и служат для специаль-ных применений. В качестве критериев выбора были приняты производительность, относительные затраты и качество получаемых покрытий. По производительности предпочтительны ДМ и СГВ, по относительной стоимости ДМ-покрытия в 3…10 раз дешевле получаемых другими способами ГТН (рис. 1, 2). Это обусловлено его высокой тепловой эффективностью, производительностью, низкой стоимостью напыляемых материалов и простотой обслуживания.

1.png

Рис. 1. Производительность различных методов ГТН. Распыление металлов [1- 4]. Виды напыления: ДМ – дуговое; ХГН – холодное газодинамическое; ГП – газопламенное; ПН, ПДВ – плазменные способы (типовое, в динамическом вакууме); ГПС – газопламенное сверхзвуковое; СГВ – сверхзвуковое газовоздушное; ДН – дето-национное.

2.png

Рис. 2. Относительная стоимость покрытий, получаемых различными способами газотермического напыления [1-4]. По критериям производительности и стоимости для дальнейшего рассмотрения мы оставили ДМ, ГПС, СГВ. Исключённые из рассмотрения методы обеспечивают высокое качество, однако для многих практически важных случаев ограни-чение по производительности критично и не позволяет их применять в качестве производственной технологии. ДМ первым из ГТН был применён в широких промышленных масштабах ещё в начале XX века. Способ отличается простотой реализации, высокой производительностью и низкими удельными затратами. Доля применения дуговой металлизации в общем объёме ГТН составляет 20…25%. Это защита от атмосферной и высокотемпературной коррозии (металлоконструкции, элементы тепловых станций), от различных видов износа деталей машин, а также получение биметаллических изделий. Анализ показал, что технологически доля дуговой металлизации может быть увеличена в 1,5…2 раза. Однако качество (пористость, степень окисления) и КИМ покрытий, полученных типовой ДМ, недостаточны, чтобы обеспечить стабильную работоспособность деталей. Это препятствует расширению использования этого простого и дешёвого метода нанесения покрытий. На основе моделирования процесса ДМ разработаны и внедрены в производство оборудование и технологии активированной дуговой металлизации (АДМ) [5]. К отличительным особенностям АДМ относится совместное использование продуктов сгорания восстановительных смесей в качестве транспортирующего газа, определённого взаимного расположения сопел и электродов, целенаправленного воздействия на зону горения дуги (рис. 3).

3.png

Рис. 3- Напыление АДМ-аппаратом.

У АДМ-аппаратов угол распыла уменьшен до 10 градусов, коэффициент использования материала достигает 85%, скорость частиц составляет 140…500 м/с, степень окисления стального покрытия – 2,1…2,9%, пористость – 2%. В среднем уровень параметров на 40% выше в сравнении как с отечественными, так и с зарубежными ДМ-установками [6 - 8], рис. 4. При этом производительность и тепловая эффективность процесса остались на уровне ДМ. Результаты промышленных испытаний показали, что для большой группы покрытий качество металлических из-носостойких и антикоррозионных АДМ-покрытий одного уровня с плазменными. Затраты по организации участка АДМ-восстановления деталей в среднем окупаются в течение полугода, как показал опыт.

4.png

Рис. 4. Сравнение параметров ДМ и АДМ. АДМ позволяет наносить покрытия из стали, бронзы, цинка, алюминия, ни-хрома производительностью до 18 кг/ч. Для нанесения износостойких покрытий металлизацией специально была разработана экономная легированная порошко-вая проволока системы легирования Fe-C-Cr-Ti-Al, марки ППМ-6 ряда модификаций [9]. Микротвёрдость покрытия составляет 500…700 HV100, это обеспечивает его износостойкость при абразивном износе в 1,5…2 раза выше, чем из сплошной проволоки 20Х13. При этом адгезионная прочность по методике «на срез» выше, чем у нихрома на 10…15%, и в 3 раза в сравнении с 08Г2С. АДМ-процесс сочетает высокую производительность – в 2 - 5 раз выше, низкие удельные затраты – в 4…10 раз ниже, а также при защите от износа и атмосферной коррозии качество покрытий одного уровня, в сравнении с другими способами газотермического напыления (плазменное, ГПС/СГВ), рис. 4.3. Это делает его предпочтительным при нанесении защитных покрытий для широкого круга деталей. Успешно восстанавливаются шейки валов под подшипники скольжения, качения, подшипниковые гнёзда, плунжеры гидроцилиндров, наносятся антикоррозионные покрытия из Al, Zn, коррозионностойких и жаропрочных сталей, изготав-ливаются биметаллические детали «сталь-бронза», «сталь-баббит» (рис. 5). Как видно, возможности АДМ позволяют закрыть проблемы восстановления широкого спектра деталей.

5а.png

а)

5б.png

б)

5в.png

в)

5г.png

г)

5д.png

д)

5е.png

е)  

Рис. 5. Характерные примеры АДМ-напыления: а) коленчатый вал; б) шток-поршень гидроцилиндра пресса, L 1090 мм, диаметр 657 мм; в) резервуар очистного сооружения, г) поршень гидроцилиндра диаметром 280 мм, давление 30 МПа; д) подшипниковые шиты электродвигателей диаметром 250…1200 мм; е) баббитовое покрытие 5 мм, припуск на обработку 0,5 мм.

В последнее десятилетие быстро развивается группа газопламенных высокоскоростных методов нанесения порошковых покрытий, объединённых в английском языке терминами HVOF/HVAF (High Velocity Oxy/Air-Fuel), русский аналог которых ГПС/СГВ (газопламенное сверхзвуковое/сверхзвуковое газовоз-душное). Качество ГПС/СГВ-покрытий, исключая оксиды, аналогично альтернати-вам (детонационное, плазменное, холодное газодинамическое). Для ГПС/СГВ характерно, что температура частиц распыляемого материала близка к точке плавления основных металлов, а их скорости повышены в сравнении с другими методами (рис. 6).

6.png

Рис. 6. Сравнительная характеристика способов газотермического напыления по температуре и скорости частиц. Виды напыления: ГП – газопламенное, ЭМ – дуго-вая металлизация, ПН – плазменное, ХГН – холодное газодинамическое. Это позволяет снизить насыщение распыляемых частиц газами атмосферы при обеспечении высокого импульсного давления при ударе частиц о поверхность основы. В результате структура покрытия сочетает низкие пористость и степень окисления с высокой адгезионной прочностью, 80…150 МПа. ГПС/СГВ-покрытия эффективны для защиты от различных воздействий [4, 10, 11]: Шиберные вентиля и шаровые краны в нефте- и газопереработке подвержены интенсивному износу при Т > 600С. Эрозионная стойкость ГПС-покрытий в 1,5…2 раза выше, чем у аналогичных детонационных. В энергетике и авиакосмической промышленности применяются для повы-шения ресурса лопаток паровых и газовых турбин, при ремонте элементов тепло-обменников тепловых станций. Заменяют электролитический хром (шасси самолётов, полиграфическое оборудование). При этом чистота обработки аналогична, износостойкость повышена и снижены затраты на обеспечение экологичности производства. В металлургии применяются для защиты от воздействия контактных нагрузок, агрессивных сред и высоких температур. За рубежом сейчас используется несколько сотен ГПС/СГВ-установок. Серийно выпускается более десятка ГПС/СГВ-систем, на российском рынке пред-ставлены рядом фирм – Sabaros, ТЗСП, Уральский институт сварки . Анализ опубликованных материалов производителей показал наличие нескольких видов оборудования, отличающихся по используемым газам, способам охлаждения, подачи порошка и производительности. В ГПС-установках используется кислород в качестве окислителя. Базовые ГПС-модели – это JP-5000/8000 (Tafa-Praxair, США), DJ 2600/2700 (Sulzer Metco, США), CJS (Thermico, Германия). Имеется оборудование и других производителей, которое аналогично по схемам исполнения, однако с патентованными конструктивными отличиями. Так, аналогами JP-8000 являются установки WokaStar (Sulzer Metco, США) и K2 (GTV, Германия). WokaStar улучшена по конструкции камеры сгорания и распыли-теля. K2 отличается системой впрыска керосина. Значительных отличий в пара-метрах аналогов от базовых моделей не отмечено . В СГВ-установках в ка-честве окислителя используется сжатый воздух. Крупнейший поставщик – UniqueCoat Technologies, США, модели: Intelli-Jet SB 9300/9500, после обновления выпускаются под марками M2 Spray Gun/M3 Supersonic Spray Gun (далее М2/М3). Несмотря на высокие параметры покрытий, из рассмотрения исключена CJS. Здесь в камере сгорания давление 2,5 МПа. Применительно к планируемому производству это требует чрезмерных затрат на обеспечение безопасности. В JP-8000 в сравнении с JP-5000 улучшена система управления. В M3 внесены конструктивные изменения, в сравнении с Intelli-Jet, позволившие улучшить выходные параметры. Все установки стабильны в работе, оснащены блоками дистанционного компьютеризованного управления и соответствуют требованиям электро- и пожаробезопасности. Они различаются видами применяемых газов и порошков, а также схемами их подачи. В установках JP-5000/8000 и Diamond Jet Hybrid (DJ2600/2700) в камеру сгорания подаются кислород и горючий газ. Отличия – в конструктивном исполне-нии подачи порошка, схеме смешения газов и виде горючего газа. Для JP-5000 это керосин, для DJ – пропан, пропилен, этилен (DJ2700) или водород (DJ2600). В этих системах предусмотрено водяное охлаждение, а в DJ-установках тепло-нагруженные узлы дополнительно охлаждаются воздухом. Интенсивная теплоотдача стенкам сопла и ствола при водяном охлаждении обуславливает высокие энергетические потери струи продуктов сгорания. Это вынуждает снижать производительность для поддержания уровня качества. Intelli-Jet, М2/М3 отличаются использованием воздуха в качестве как окислителя, так и охлаждающей среды. Горючие газы – пропан, пропилен. Для повышения эффективности камера сгорания оснащена каталитическим элементом, а распыляющая струя дополнительно подогревается в каскадном сопле. Наиболее технологичны установки Intelli-Jet, М2/М3 (табл. 1). Они не требуют использования кислорода в качестве окислителя, водяного охлаждения. Табл. 1. Расход материалов за 1 час работы. МатериалыIntelli-Jet, М2/М3JP-5000DJ2700 Кислород, м3-6018 Сжатый воздух, м3300-23 ТопливоВидПропиленКеросинПропилен Расход, кг302117 Азот, м30,961,21,08 Вода на охлаждение, м3-10,72 Анализ микроструктур позволяет сделать заключение об одинаковом уровне качества покрытий, полученных на различном оборудовании рис. 7.

7а.png

а)

7б.png

б)

7в.png

в)

Рис. 7. Микроструктура покрытий WC-17Co: а) Intelli-Jet; б) DJ2700; в) JP-5000 (данные производителей).

Указанное оборудование обеспечивает показатели качества покрытий примерно одинакового уровня: пористость < 0,2%, адгезионная прочность > 70 MПa, содержание кислорода в покрытии < 1%. Далее сравнение параметров установок Intelli-Jet (IJ), JP-5000/8000 (JP), DJ 2600/2700 (DJ), M3 (M3) было выполнено применительно к распылению по-рошка WC-10Co-4Cr, фракции (–45+10) мкм, рис. 8.

8а.png

а)

8б.png

б)

8в.png

в)

8г.png

г)

Рис. 8. Выходные параметры базовых ГПС/СГВ-установок (средние значения): а) скорости частиц; б) температуры частиц; в) КИМ, г) производительность.

M3 на рабочей дистанции обеспечивает максимальные скорости частиц, выше в 1,3…1,5 раза, при их минимальном нагреве, рис. 8а, 8б. При этом максимальные температуры частиц на 100 градусов ниже точки плавления матрицы сплава – кобальта. Такое соотношение кинетической и тепловой энергии частиц при ударе о подложку благоприятно для снижения термических напряжений в покрытии и окисления частиц. Установки IJ, M3 и DJ2700 обеспечивают наивысший КИМ, однако производительность напыления IJ и M3 выше в 2…2,5 раза, рис. 8в, 8г. Совместное влияние высоких КИМ и производительности, а также соотноше-ние затрат на расходные материалы обуславливает для IJ и M3 снижение в 1,6…2,5 раза относительной стоимости покрытий, рис. 9.

9.png

Рис.9-Относительные затраты на выполнение ГПС/СГВ-процесса

Пистолет M3 (рис. 10) обеспечивает скорости частиц 1000… 1200 м/с. Это примерно вдвое выше, чем у предыдущих HVAF-моделей, таких как М2 и SB9500 и у базовых HVOF-моделей (JP-5000, DJ 2600/2700).

10а.png

а)

10б.png

б)  

Рис. 10. M3 Supersonic Spray Gun в работе, порошок WC-Co-Cr 86-10-4: а) общий вид при работе, б) вид распыляемой струи в области сопла.

Высокая кинетическая энергия твёрдых частиц обеспечивает высокое контактное давление при ударе о подложку, что приводит к повышению адгезии к подложке и послойной когезии покрытия. В результате улучшаются физические и механические свойства напылённого покрытия. Например, твёрдость покрытия состава WC86-Co10-4Cr (агломерированный и спечённый порошок) превышает 1400 HV300, что на 30% выше, чем у покрытий, полученных на предыдущих HVAF-моделях (М2 и SB9500). Электропроводность медного покрытия, полученного на пистолете М3, превышает этот параметр, полученный способом холодного напыления. Вследствие практически нулевой пористости, коррозионной стойкости М3-покрытия используются для замены гальванического хрома, превышая их по качеству. Пониженная, в сравнении с HVOF, температура частиц обуславливает снижение декарбюризации первичных карбидов (WC) в керметах, рис. 11а. Это при-водит к повышению износостойкости HVAF-покрытий в сравнении с базовыми HVOF-моделями, где распыляемый порошок нагревается до более высоких температур, рис. 11б.

11а.png а)

12а.png б)

Рис. 11. а) Изменение доли декарбюризированных первичных карбидов WC в зависимости от температуры нагрева частиц; б) Сравнительный износ HVAF и HVOF покрытий, WC-10Co-4Cr, абразивный износ по схеме «резиновый диск – образец», ASTM G65, абразив корунд 360…500 мкм.

Высокие характеристики HVAF-покрытий позволяют успешно их использовать при жёстком износе и агрессивном воздействии в энергетике, металлургии, авиации, нефтегазопереработке, полиграфии, рис. 12.

12а1.png

а)

12б.png

б)

12в.png

в)

12г.png

г)

12д.png

д)

12е.png

е) Рис. 12. Характерные примеры HVAF-напыления: а) барабан для производства фотоплёнки «Кодак», покрытие отполировано до уровня оптического зеркала (Ra 0,012), заменён электролитический хром, увеличена стойкость к царапинам и ударам; б) экран сепарационный для подготовки угля на тепловой станции, снижение абразивного износа в 8 раз в сравнении с закалённым; в) ротор винтового насоса для перекачки абразивных растворов, повышение стойкости против гидроабразивного износа в 4 раза в сравнении с гальванохромом; г) погружной ролик линии гальванопокрытий (металлургия), среда расплав цинка, алюминия; д) седло гид-роклапана (транспортировка нефти), среды: абразив, коррозионные реагенты, Т > 600°С, давление > 130 МПа; е) лопатка газовой турбины (авиация, энергетика), газовая коррозия, Т > 1000°С.

Вывод: Для нанесения износо- и коррозионностойких газотермических покрытий на детали оборудования широкого спектра различных отраслей машиностроения наиболее рационально по критериям производительности, экономичности и технологичности использовать сочетание активированной дуговой металлизации и сверхзвукового газовоздушного напыления.