Всё для надежной сварки
Печатная версия материала с сайта svarkainfo.ru - портала о сварке. При использовании материалов с сайта, пожалуйста, всегда указывайте источник или гиперссылку.
показать меню

Главная / Библиотека / Наш блог (статьи) / Сравнение газопламенных сверхзвуковых способов нанесения покрытий

Наш блог (статьи)

Сравнение газопламенных сверхзвуковых способов нанесения покрытий

Напыление, покрытия: Рассмотрены сферы применения и особенности газопламенных сверхзвуковых способов нанесения покрытий. Выполнен сравнительный анализ характерных моделей оборудования для этих процессов – JP-5000, DJ, Intelli-Jet - по газодинамическим параметрам, производительности, коэффициенту использования материала, затратам по нанесению покрытий...

В последнее десятилетие быстро развивается группа высокоскоростных методов нанесения порошковых покрытий, объединенных, в английском, термином HVOF (High Velocity Oxy-Fuel), русский аналог которого ГПС (газопламенное сверхзвуковое) [1]. Распыляемые материалы - полимеры, карбиды, металлы - образуют термобарьерные, износо- и коррозионностойкие покрытия высокого качества, которые выдерживают воздействие ударно-абразивных и химически активных сред, высоких тепловых нагрузок.

Альтернативные методы - холодное газодинамическое (ХГН), детонационное (ДН) и плазменное (ПН) способы напыления.

ХГН обеспечивает получение покрытий высокого качества [2]. Однако это возможно только 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. Кроме того, требуется подача газов под давлением до 2,2 МПа, что в производственных условиях нетехнологично и опасно для применения.

Сравнение ДН [3] и ГПС [4-8] напыления показывает, что качество покрытий, выраженное в параметрах: адгезии, пористости, степени окисления - одного уровня. Однако ГПС-методы более технологичны, выше производительность, а удельные затраты по нанесению покрытий снижены.

При ПН распыляемый материала перегревается на 1000…3000 К выше точки плавления. Это приводит к интенсивному насыщению газами, низкому тепловому КПД, высоким остаточным напряжениям в покрытии. Использование вакуума исключает первый недостаток, однако повышает стоимость оборудования.

По относительной стоимости ГПС-покрытия одного уровня с ПН и в 2 раза дешевле ДН, вакуумно-плазменных [1]. Отечественные ГПС-разработки [9, 10] находятся на опытной стадии, или уступают зарубежным аналогам по производственным параметрам. Ниже проведен сравнительный анализ особенностей передового оборудования в этой области. Данные будут полезны при выработке направлений технического развития и для принятия решения об использовании определенного вида оборудования на предприятии.

За рубежом сейчас используется несколько сотен ГПС-установок в различных отраслях промышленности – машиностроении, металлургии, энергетике, авиастроении. Серийно выпускается более десятка ГПС-систем, из них на российском рынке представлены установки Intelli-Jet (фирма Шторм-ИТС) и DJ Hybrid (немецкое отделение фирмы Sulzer Metco).

Шиберные вентиля и шаровые краны в нефте- и газоперерабатывающей промышленности подвержены интенсивному абразивному и эрозионному износу (среды - песок, отстой, твердые включения; давление > 130 МПа; температура > 600 С; коррозионные реагенты - морская вода, H2S, HCl). Ранее такие нагрузки выдерживали только детонационные покрытия WC-Co-Cr. Сравнительные испытания показали [4], что эрозионная стойкость аналогичных, по составу, ГПС-покрытий в 1,5…2 раза выше, чем у детонационных.

В энергетике и авиакосмической промышленности у лопаток паровых и газовых турбин восстанавливаются торцевые размеры, защищается рабочая поверхность от окисления и высокотемпературной коррозии, рис. 1.

Рис. 1. Напыление лопатки турбины [5,7], покрытие MСrAlY; а) восстановление размеров; б) защита поверхности от окисления и высокотемпературной коррозии

ГПС-покрытия заменяют электролитический хром (шасси самолетов, полиграфическое оборудование), рис. 2. При этом чистота обработки аналогична, износостойкость повышена, а также значительно снижены затраты на обеспечение экологичности производства.

Рис. 2. Модельный барабан для производства фотопленки “Кодак”[7].
WC- покрытие полировано до уровня оптического зеркала (Ra 0.012)

ГПС-покрытия обеспечивают эффективную защиту от агрессивных коррозионных сред. Они применяются при ремонте емкостей (бумажная, химическая промышленность), элементов теплообменников тепловых станций [4, 6].

Для ГПС характерно, что температура частиц распыляемого материала близка к точке плавления основных металлов, а их скорости повышены, в сравнении с другими методами. Эти особенности позволяют 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.

Развитие ГПС-оборудования началось с систем первого поколения (HVOF-1 на рис. 3) – Jet Kote, CDS, Top Gun, Diamond Jet . В этих установках горение осуществляетсяь при давлении 0,3…0,5 МПа, а струя газа достигала сверхзвуковых скоростей при расширении на выходе из сопла. Это обеспечивает скорости частиц ~ 450 м/с (WC-17Co, фракция -45+10 мкм). Современные установки - Top Gun К, JP-5000, OSU Carbide Jet, DJ2600/2700, Intelli-Jet - работают при давлении в камере сгорания 0,6…1,0 МПа, а увеличение скорости струи продуктов сгорания до сверхзвуковой происходит внутри горелки. Это обеспечивает повышение скорости частиц до 800 м/с. Кроме того, эффективность теплопередачи к частицам выше, что увеличивает производительность напыления при сравнимых расходах газов. Сравнение покрытий показывает, что по пористости, адгезии, микротвердости лучшие показатели у JP-5000, DJ2600/2700, Intelli Jet. Ниже приведен более подробный анализ современных установок и Top Gun, установки первого поколения.

Все эти 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 и Diamond Jet Hybrid (DJ2600/2700) в камеру сгорания подаются кислород и горючий газ. Отличия - в конструктивном исполнении подачи порошка, схеме смешения газов и вида горючего газа. Для JP-5000 это керосин, для Diamond Jet Hybrid – пропан, пропилен, этилен (DJ2700) или водород (DJ2600). В этих системах предусмотрено водяное охлаждение, а в DJ-установках теплонагруженные 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 отличается 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.

Анализ микроструктур, рис. 3, позволяет сделать заключение об одинаковом уровне качества покрытий, полученных на различном оборудовании.

Рис. 3. Микроструктура покрытий WC-17Co, нанесенных различными методами

Из табл. 1 видно, что наиболее технологична установка Intelli-Jet. Она не требует использования кислорода в качестве окислителя, водяного охлаждения.

Табл. 1 Расход материалов за 1 час работы [4-8]

Материалы Intelli-Jet JP -5000 DJ2700 Top Gun
Кислород, м3 - 60 18 21
Сжатый воздух, м3 300 - 23 -
Топливо Вид Пропилен Керосин Пропилен Пропилен
  Расход, кг 30 21 17 16
Азот, м3 0,96 1,2 1,08 1,02
Вода на охлаждение, м3 - 1 0,72 0,72

Согласно анализу данных производителей [4-8] (табл. 2) Intelli-Jet обеспечивает наибольшие скорости частиц, а максимальные их температуры на 100 градусов ниже точки плавления кобальта, составляющего матрицу сплава. Эти отличия от других установок приводят к снижению окисления частиц и дают возможность повысить производительность напыления. Повышенные производительность и коэффициент использования порошка в Intelli-Jet обусловлены эффективностью многоступенчатой схемой горения смеси и особенностями ввода порошка в струю. Соотношение затрат на расходные материалы обуславливает для Intelli-Jet снижение в 1,6…2,5 раза относительной стоимости покрытий.

Табл. 2 Выходные параметры ГПС-установок. Распыляемый материал WC-10Co-4Cr, фракции (–45+10) мкм

Параметры Intelli-Jet JP-5000 DJ2700 Top Gun
Средняя скорость частиц, м/с 775 665 570 420
Максимальная температура частиц, К 1543 2078 2253 2573
Производительность напыления, кг/ч 26 12 9 2,1
Коэффициент использования распыляемого материала, % 68 40 64 60
Относительная стоимость напыления (Включены затраты на запчасти, топливо, окислительный газ, порошок Покрытие толщиной 0,5 мм, площадью 1 м2) 1 2,5 1,6 1,7

Выводы:

  1. В развитых странах наблюдается быстрый рост применения процесса газопламенного сверхзвукового (ГПС) напыления покрытий применительно к деталям, работающим под воздействием ударно-абразивных и химически активных сред, высоких тепловых нагрузок.
  2. ГПС успешно конкурирует с плазменным в динамическом вакууме, детонационным методами напыления по качеству покрытий и производительности.
  3. ГПС-установки DJ Hybrid, GP-5000, Intelli-Jet позволяют наносить покрытия одинакового уровня качества. По технологичности, производительности, относительным затратам на выполнение ГПС-процесса наиболее предпочтительна установка Intelli Jet.

Литература

  1. Харламов Ю. А. Газотермическое напыление покрытий и экологичность производства, эксплуатации и ремонта машин. // Тяжелое машиностроение. - 2000. - № 2. - С. 10–13.
  2. Алхимов А. П., Клинков С. В., Косарев В. Ф. и др. Газодинамическое напыление. Состояние и перспективы. // Пленки и Покрытия'98: Тр. 5 МНТК. СПб. – 1998. – С. 20-25.
  3. Астахов Е. А. Научно-технологические основы управления свойствами детонационных покрытий. / Автореф. дис. … докт. техн. наук. - Киев. – 2005. – 35 с.
  4. Characteristics and advanced industrial applications using the “Diamond Jet Hybrid” – the third generation of HVOF systems / M. C. Nestler, U. Erning. // Пленки и Покрытия'98: Тр. 5 МНТК. СПб. – 1998. – С. 195-202.
  5. JP-5000, the HVOF of the 21st century / M. J. Breitsameter, M. Prosperini // 4th HVOF Colloquium at Erding/Munchen – Bavaria – Nov 13-14. 1997. – P. 119-125.
  6. Verstak A., Baranovski V. Activated Combustion HVAF Coatings for Protection against Wear and High Temperature Corrosion. // Thermal Spray 2003: Advancing the Science and Applying the Technology. Proc. of the ITSC. ASM Publication. – 2003. - Vol. 1.
  7. AC-HVAF Process Information: Информационный бюллетень. // UniqueCoat Technologies, USA. – 2005.
  8. A Comparison of HVOF Systems – Behavior of Materials and Coating Properties / H. Kreye // 4th HVOF Colloquium at Erding/Munchen – Bavaria – Nov 13-14. 1997. – P. 13-21.
  9. Балдаев Л. Х., Шестеркин Н. Г., Лупанов В. А. и др. Особенности процессов высокоскоростного газопламенного напыления. // Сварочное производство. - 2003. - № 5. - С. 43-46.
  10. Хромов В. Н., Верцов В. Г., Коровин А. Я. и др. От дозвукового к сверхзвуковому напылению покрытий при восстановлении и упрочнении деталей машин (обзор). // Сварочное производство. - 2001. – № 2. – С. 39-47.
Автор: Коробов Юрий Станиславович
Все документы автора