Регион:

Детонационное и индукционное напыление


Детонационно-газовый метод напыления относится к газотермическим способам нанесения покрытий и использует энергию взрыва газовых смесей. Этот метод является циклическим процессом, обладает высокой удельной мощностью и значительным упрощением преобразования энергии в полезную работу.

Преимуществами детонационного метода напыления являются: высокая адгезия покрытия (80-250 МПа), низкая пористость покрытия (0,5-1 %) и отсутствие деформации напыляемой детали. К недостаткам следует отнести низкую производительность и повышенную опасность при использовании.

Схема процесса напыления

В общем виде детонационные установки включают:

  • блок подготовки и подачи газа 1, служащий для создания требуемого состава газовой смеси и заполнения ей ствола детонационной установки с заданной скоростью;
  • блок поджига 3 с воспламенителем 2, предназначенный для инициирования взрыва рабочей смеси;
  • блок подачи напыляемого порошка 4, содержащий порошковый питатель и дозирующее устройство;
  • ствол 5, представляющий собой трубу диаметром 20-50 мм и длиной 1-2,5 м и предназначенный для направленного распространения взрывной волны в сторону открытого конца ствола (рис. 3.15).

Схема установки для детонационного напыления

 

Рис. 3.15. Схема установки для детонационного напыления.

Принцип действия установки состоит в следующем. Из блока 1 газовая (рабочая) смесь подается в ствол 5. Одновременно из порошкового питателя через дозирующее устройство (блок 4) заданными порциями вдувают транспортирующим газом - азотом или воздухом - мелкодисперсный порошок в рабочую смесь непосредственно перед ее зажиганием. Затем воспламенителем 2 газовую смесь поджигают. В результате воспламенения и перемещения по каналу горючей смеси происходит ее взрыв с выделением значительного количества теплоты и образованием детонационной волны, которая ускоряет и переносит через ствол на поверхность детали 6 напыляемые частицы 7 со скоростью, определяемой геометрией ствола и составом газа.

Особенности

Отличительная особенность детонационного напыления - циклический характер подачи порошка на поверхность обрабатываемой детали со скоростью, превышающей скорость звука. При детонационном напылении скорость частиц в отличие от плазменного напыления (100-200 м/с) достигает 400-1000 м/с. Поэтому кроме термической активации существенное влияние на механизм и кинетику формирования напыленных слоев оказывает пластическая деформация в зоне соударения частиц и подложки.

Представленные в работе экспериментальные исследования по процессу формирования покрытий детонационным напылением показывают, что состояние частиц, находящихся в двухфазном потоке, неоднородно. В начале и середине потока они находятся в расплавленном или оплавленном состоянии, и температура при контакте с поверхностью детали близка к температуре их плавления. При этом за счет теплоты, выделяемой при ударе о подложку частиц, имеющих скорость приблизительно 400 м/с, температура в зоне контакта повышается примерно еще на 100 °С.

Более крупные частицы из конца (хвоста) концентрированного потока обладают меньшей скоростью и наносятся на поверхность детали чаще всего в нерасплавленном виде. При формировании покрытия такие частицы играют двоякую роль:

  • полезную - удаляют дефектные участки ранее нанесенного покрытия, повышая его плотность и физико-механические свойства;
  • вредную - при значительном повышении кинетической энергии крупных частиц в покрытии могут появиться трещины и даже полное его отслоение.

Эти явления можно регулировать, изменяя режим скорострельности установки и грануляцию напыляемого порошка.

При напылении порошковыми материалами с температурой плавления, превышающей температуру плавления основного металла, происходит подплавление последнего. Так, например, при нанесении покрытий из оксида алюминия Аl2О3 и порошковыми твердыми сплавами типа ВК на коррозионно-стойкие стали последние подплавляются и перемешиваются с напыляемыми расплавленными частицами порошка, повышая тем самым прочность сцепления.

Повышению адгезии, как и при других способах газотермического напыления, способствует предварительная дробеструйная обработка напыляемой поверхности. При напылении первого слоя возможно возникновение пор. При напылении второго слоя частицы порошка деформируют и уплотняют кристаллизующийся первый слой, что способствует устранению или полному уменьшению пористости.

Параметры метода

Процесс детонационного напыления характеризуется значительным количеством технологических параметров. Основные из них:

  • глубина загрузки порошка, т.е. расстояние от места ввода порошка до среза ствола;
  • соотношение расходов газов: горючего, кислорода, азота или воздуха (т.е. состав рабочей взрывчатой смеси);
  • степень заполнения ствола - отношение суммарного расхода газа за один цикл к суммарному объёму ствола и камеры смешения;
  • расход азота продувки ствола;
  • толщина напыляемого слоя за один цикл;
  • дистанция напыления;
  • химический и гранулометрический состав и способ изготовления порошка.

Состав взрывчатой смеси и степень заполнения ствола существенно влияют на степень разогрева порошка. Некоторые характеристики горения и взрыва газовых смесей разного состава приведены в табл. 3.6.

Наибольшее использование для детонационного напыления нашел ацетилен. Кроме ацетилена, в качестве горючего могут использоваться другие газы, например, метан или пропан-бутан. При этом протяжённость зоны перехода процесса горения в детонацию увеличивается. Для снижения температуры нагрева частиц напыляемого материала взрывчатая смесь разбавляется азотом или воздухом. Нагрев частиц до пластического состояния в сочетании с приобретаемой значительной кинетической энергией позволяет получать покрытия с высокой прочностью сцепления (до 250 МПа) и низкой пористостью (менее 2 %).

В зависимости от конструкции установки частота циклов может достигать 8-10 Гц, но в большинстве случаев она равна 3-4 Гц. Дистанция напыления определяется из условия минимального воздействия на поток частиц, отражённой от поверхности детали ударной волны. Практически для стволов различного диаметра эта величина составляет 150-200 мм.

Рекомендуемые режимы детонационного напыления для некоторых материалов представлены в табл. 3.7.

Таблица 3.6. Характеристики горения и взрыва газов.

Характеристики

Газовые смеси

Ацетилен

Пропан

Водород

Метан

2C2H2+5O2 = 4CO2+2H2+Q

C3H8+5O2 = 3CO2+4H2O+Q

2H2+O2 = 2H2O+Q

2CH4+4O2 = 2CO2+4H2O+Q

Отношение горючего газа к кислороду:
при полном сгорании
при нейтральном сгорании


1:2,5
1:5


1:5
1:3,1


2:1
4:1


1:2
2:1

Теплотворная способность, МДж/м3

56,5

93,5

10,8

35,8

Cкорость воспламенения, м/с

13 500

370

890

-

Тепловой поток пламени, кД ж/ (см2 *с)

44,8

10,8

14,0

-

Cкорость детонации, м/с

2391

2530

2800

2300

Температура детонации, °C

4650

-

3530

4160

При детонационном напылении можно получать покрытия из любых материалов, тугоплавких соединений, оксидов и др. Для получения износостойких покрытий и при восстановлении деталей применяют оксид алюминия Аl2Оз, самофлюсующиеся сплавы. Для повышения износостойкости используют карбиды вольфрама WC, титана TiC, хрома Cr2C3, борид хрома CrB2 с добавками 8-20 % Ni или Co.

Таблица 3.7. Режимы нанесения детонационных покрытий из некоторых материалов.

Материал

Отношение O2/C2H2

Глубина загрузки порошка, мм

Дистанция напыления, мм

Навеска порошка, мг

Грануляция, мкм

Длина ствола, м

Диаметр ствола, мм

Al2O3 > 99 %

2,5

750

150

50

20-40

2

20

WC + 8-20 % Co (механическая смесь)

1,2

300

150

200

1-5

1,6

16

WC + 8-20 % Co (гомогенный сплав)

1,2

300

150

200

10-20

1,6

16

75 % Cr2C3 + 25 % NiCr

1,2

300

100

200

40-50

2

20

При детонационном напылении можно получить слои значительной толщины, но наибольшей прочностью сцепления обладают напыленные покрытия толщиной 0,2-0,4 мм, обеспечивающие прочность сцепления в пределах 130-160 МПа. Поэтому наиболее рационально восстанавливать детали с небольшими износами. Толщина покрытия в центре металлизационного пятна, наносимого за один выстрел, зависит от дозы порошка, подаваемого в ствол, и обычно составляет 8-20 мкм при площади покрытия 4-6 см2. При напылении самофлюсующимися сплавами обычно применяют порошки с диаметром частиц 7-70 мкм. Шероховатость (Rа) после нанесения детонационных покрытий составляет, как правило, 3-4 мкм.

Производительность детонационного напыления (10-60 см2/ мин) ниже плазменного (до 100 см2/мин). Повышения производительности можно добиться увеличением диаметра ствола установки, однако применение ствола диаметром свыше 25 мм влечет за собой снижение качества формирования покрытий, а использование ствола диаметром свыше 50 мм не рекомендуется по соображениям техники безопасности.

Повысить скорострельность можно за счет уменьшения длины ствола, а следовательно, сокращения времени его заполнения рабочей смесью. Однако сокращение времени заполнения ствола и уменьшение его длины (до 400 мм) возможно только при нанесении легкоплавких металлических порошков. Для получения качественных покрытий напылением более тугоплавкими сплавами требуется длина ствола около 2000 мм.

Применение многоствольных установок также позволяет повысить производительность в несколько раз. В то же время из-за технических трудностей, связанных с управлением сразу несколькими стволами, эти установки пока что не нашли практического применения.

Детонационное напыление применяют для упрочнения различных видов инструмента, штампов, коленчатых валов и блоков цилиндров двигателей. Для восстановления изношенных деталей детонационное напыление пока применяют ограниченно, главным образом для нанесения покрытий на посадочные места под подшипники. Восстановлению детонационным методом подлежат валы диаметром от 20 до 250 мм, торцевые поверхности диаметром до 600 мм.

Схема высокочастотного напыления

Рис. 3.16. Схема высокочастотного напыления.

Индукционное напыление и металлизация

Сущность процесса высокочастотного индукционного напыления состоит в том, что присадочная проволока 6 с помощью подающих роликов 7 направляется в канал втулки 8 кольцевого индуктора 4, питаемого от генератора тока высокой частоты. По мере перемещения по каналу вылет проволоки попадает под действие индукционного тока, плавится на небольшом участке ее длины, а проходящая через воздушный канал 5 струя воздуха распыляет полученный объем жидкого металла на мелкие частицы 3 и переносит их на поверхность детали 1, формируя таким образом покрытие 2 (рис. 3.16).

В качестве напыляемого материала применяют стальные проволоки диаметром 4-5 мм тех же марок, что и для электродуговой металлизации. По сравнению с электродуговым процессом высокочастотная металлизация уменьшает выгорание элементов, повышает плотность покрытий, но используемое оборудование более сложное и дорогое.

Если режим процесса выбран правильно, то при толщине покрытия 0,5-0,7 мм поверхностный слой детали нагревает до 70 °С; при толщине покрытий 2-3 мм и более температура этого слоя достигает 100-150 °С. Нагрев может явиться причиной возникновения высоких напряжений в полученном слое. Поэтому для их уменьшения покрытие наносят тонкими слоями отдельными участками. Так, при напылении шеек валов диаметром 150 мм и значительной длине этих шеек за один проход напыляют поверхность площадью не более 800-1000 мм2.

comments powered by HyperComments