Высокоскоростное газопламенноенапыление

ГАЗОТЕРМИЧЕСКОЕ НАПЫЛЕНИЕ

Сущность газопламенного напыления (ГПН) заключается в том, что при ГПН горение топлива происходит за срезом сопла в условиях воздушного потока, окружающего пламя, при избыточном давлении воздуха (0,35 МПа). Скорость газа порошкового распылителя на расстоянии от среза сопла 50, 100, 150 мм соответственно равна 80, 50, 30 м/с. Ско­рость частиц — менее 50—60 м/с [37- 39].

Сущность детонационного напыления (ДН) заключается в том, что горение происходит в трубе, где скорость горения быстро достигает скорости детона­ции. Процесс осуществляется импульсами. Скорость газа превышает 2000 м/с, скорость частиц — свыше 1000 м/с. Известно, что с увеличением скорости частиц увеличивается прочность сцепления покрытия. Увеличение скорости частиц яви­лось основным требованием к установкам газотермического напыления (ГТН). Недостатком детонационного напыления является низкая производительность, вызванная прерывистым ха­рактером напыления.

Известно, что получение покрытий основано на ак­тивации физико-механических процессов взаимодействия между упрочняемой или восстанавливаемой поверхностью и наносимым мате­риалом. Активация необходима для сообщения системе «подложка — наносимый материал» дополнительной энергии, расходуемой на пре­одоление энергетического барьера и установление связей между покрытием и основой. Как правило, методы активации, реализуемые на практике, заключаются в:

- интенсификации процесса смешения рабочих газов;

- сообщении дополнительной энергии частицам распыленного материала путем их нагрева, ускорения или того и дру­гого одновременно;

- сообщении дополнительной энергии подложке путем ее предва­рительного нагрева;

- увеличении общей площади поверхности частиц при распыле­нии монолитных материалов (уменьшение среднего размера распыленных частиц);

- повышении активности поверхности частиц и подложки механи­ческим (повышение шероховатости) или химическим (восстановление окислов, нанесение легкоплавких оболочек и т.п.) путем;

- повышении энтальпии потока введением термореагирующих ком­понентов;

- нанесении покрытий при внешнем воздействии (ультразвуковые колебания, электромагнитное поле и т.д.);

- последующей термообработке покрытия;

- последующей модификации покрытия (химико-термическая обработка, ионно-вакуумное легирование, микродуговая обработка и т.п.).

Таким образом, основным направлением повышения качества покрытий и увеличе­ния долговечности упрочняемых или восстанавливаемых деталей является применение тех приёмов активации, кото­рые действуют в процессе напыления, а именно интенсифицируют процессы теплообмена в системе «транспортирующий газ — частица», увеличивают динамические параметры частиц, позволяют уменьшать размер час­тиц.

Поэтому следующим этапом развития газопламенного напыления и детонационного напыления стало появление высокоскоростного напыления (ВСН). Процесс горения топлива осуществляется при повышенном давлении в камере сгора­ния, к которой примыкает длинное сопло, как при ДН. В то же время процесс непрерывный, как при ГПН. Поэтому ВСН можно представить как способ, в ко­тором объединены ДН и ГПН. Горение топлива в распылителях последних моде­лей происходит при давлении 2,5 МПа. Скорость газа достигает 2000 м/с. Ско­рость частиц — более 1000 м/с. За рубежом этот процесс получил название High Velocity Oxygen Fuel (HVOF).

Прототипом энергетического узла высокоскоростного распылителя являет­ся жидкостный реактивный двигатель (ЖРД), тем более, что в качестве топлива для него часто используют керосин (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Схема высокоскоростного распыления: 1 — подача порошка (осевая);2 — подача кислорода;3 — подача топлива;4 — подача порошка (радиаль­ная); 5— ствол; 6 — сопло; 7— камера сгорания

Выбор температуры нагрева частиц осуществлялся подбором газов и соот­ношением окислитель/топливо (табл. 6.1).

Таблица 6.1. Параметры горения топлива

Топливо	Тmax, °С	Q, МДж/м^3	Отношение кислород/топливо
При Ттах	При нейтраль­ном пламени	При HVOF- напылении
Пропан		93,2	4,5	5,0	3-6
Пропилен		87,6	3,7	4,5	3,5-7
Этилен		59,5	2,4	3,0	2-5
Ацетилен		56,4	1,5	2,5	1,3-4
Керосин		37,3 МДж/л	2,9	3,4	2,8-4,8
Водород		10,8	0,42	0,5	0,3-0,6

Порошковое высокоскоростное напыление (ВСН). На рис. 6.2 приведена схема конструкции распылителя Jet Kote. В качестве горючего использовалась смесь газов, причем вместо взрывоопас­ного при давлении выше 0,2 МПа ацетилена (С₂Н₂), использовался метилацетилен (С₃Н₄). Смесь газов (С₃Н₄ - 0,4 МПа, О₂ - 0,8 МПа, Н₂ — 0,1 МПа, N₂ — 0,53 МПа) обеспечила сверхзвуковое истечение продуктов сгорания. Дис­танция напыления — 300 мм, длина сопла горелки — 150 мм.

Как и в детонационном способе, ВСН имеет осевую или радиальную пода­чу порошка с аналогичными преимуществами и недостатками каждого способа подачи материала.

Осевая подача применяется для нагрева непластичных материалов с высо­кой температурой плавления, например, керамики. Порошок интенсивно про­гревается на всем пути горячего тракта (Top Gun, Standard Diamond Jet, Gibrid Diamond Jet).

Радиальная подача способствует более равномерному распределению час­тиц по сечению струи, нагреву частиц до менее высокой температуры. Такие условия наиболее полно отвечают требованиям к металлическим и карбид­ным покрытиям с металлической связкой (Со, Ni). В этом случае карбиды не плавятся, сохраняют свой состав и форму, а пластичная связка удерживает карбиды в составе плотного покрытия. (Carbide Jet, JP-5000). Кроме того, бо­лее низкая температура частиц сохраняет металлы от окисления и насыщения газами.

Рис. 6.2. Схема распылителя Jet Kote: 1 — подача порошка;2 — каналы подачи порошка;3 — каналы подачи газа,4 — охлаждение сопла; 5 — сопло;6 — газопорошковая струя; 7 — подача топлива;8 — подача кислорода;9 — камера сгорания

На рис. 6.3 приведены схемы конструкций для осуществления технологии HVOF.

Рис. 6.3. Схемы конструкций для осуществления технологии HVOF: а – система с околозвуковым ускоряющим каналом; б – со сверхзвуковым; в – комбинированная конструкция с дополнительным нагревом (1 – подвод горючего газа; 2 – инжектируемый порошок напыляемого материала; 3 – подвод кислорода)

Первое поколение ВСН схематично представлено на рис. 6.4, а. Давление в камере сгорания 0,3—0,5 МПа, скорость частиц — 450 м/с для WC-Co грануляцией 10—45 мкм. Во втором поколении ВСН использовалось коническое расширяющееся сопло (рис. 6.4, б).

Дальнейшее развитие способа шло по пути увеличения скорости газа и частиц путем увеличения давления в камере сгорания до 2,5 МПа и применения про­фильного сопла Лаваля. (Третье поколение высокоскоростных установок высо­кого давления — HP/HVOF).

а)

б)

Рис. 6.4. Схемы ВСН 1-го (а) и 2 - го (б) поколений: 1 — кислород; 2 — керосин; 3— порошок; 4— воздух (азот)

Модернизация распылителя Top Gun привела к небольшим конструктив­ным изменениям и применению в качестве топлива керосина (Top Gun Kerosene). Для зажигания топлива использовался водород. После запуска горелки водород выключался и включался только в конце работы перед выключением горелки. Водород обеспечивал выгорание нагара (углерода) от неполностью сгоревшего керосина. После прекращения подачи водорода топ­ливные магистрали продувались азотом. Камера сгорания была отсоединена от сопла. Порошок в горелку подавался по оси сопла и в радиальном направлений в зоне пониженного давления сопла Лаваля.

Последующее усовершенствование позволило создать аппарат Top Gun К2, который не требовал применения водорода для поджига, а также обеспечивал более высокие скорости напыляемых частиц и производительность.

Установка CJS (Carbide Jet System) предназначена для нанесения из­носостойких покрытий на основе карбидов с радиальной оппозиционной по­дачей порошка. Давление в камере сгорания 0,4—1,2 МПа Топливо: керосино-водородная смесь. Окислитель — кислород. Модернизация рас­пылителя и установки в целом привела к созданию нового поколения — компь­ютеризированного распылителя: С-CJS (Computerized Carbide Jet System). Керосин подавался по оси горелки, водород — снаружи, чем способствовал распылению керосина на мелкие капли при снижении турбулентности. Это приводило к более интенсивному сгоранию топлива при сниженном уровне пульсации. Сверхзвуковое истечение потока обеспечивало сопло Лаваля и по­вышенное давление до 1,4—2,5 МПа в камере сгорания.

В табл. 6.2 представлены сравнительные данные основной и модифициро­ванной систем семейства CJS.

Таблица 6.2. Основные характеристики распылителей

Параметр	Тип
CJS	C- CJS
Давление в камере сгорания, МПа	0,4-1,2	1,4-2,5
Длина струи, мм
Дистанция напыления, мм
Мощность, кВт
Температура подложки (пруток d= 50, l= 300, сталь; покры­тие Сr3С2-NiСr, d=200 мкм), °С

Фирма Sulzer Metco в 80-х годах выпустила установку Diamond Jet (DJ), ра­ботающую на пропане и пропилене, а в конце 90-х годов усовершенствованную Hybrid Diamond Jet (HDJ). В табл. 6.3 представлены технические характеристики установок.

Таблица 6.3. Параметры установок DJ

Параметр	Стандартная установка SDJ	Гибридные установки HDJ
DJ 2600	DJ 2700
Топливо	пропан	пропилен	водород	пропан	пропилен
Давление, МПа	0,58	0,69	1,3	0,66	0,69
Расход, л/ч
Окислитель	Кислород
Давление, МПа	1,03	1,03	1,2	1,03	1,03
Расход, л/ч
Зона горения	За соплом	Внутри сопла
Расход порошка, кг/ч	1,4-5,4	1,4-9,0
Скорость газа, м/с
Температура пламени, °С	2650-2700		2650-2700
Тип охлаждения	воздушное	воздух + вода 0,28 МПа, 9 л/мин воды
Материал для напыления	Металлы, самофлюсы, сплавы, карбиды	Металлы, но не Аl, или самофлюсы, карбиды	Металлы, самофлюсы, карбиды

Фирмой Tafa была разработана порошковая высокоскоростная установка JP-5000 (рис. 6.5). Параметры представлены в табл. 6.4.

Таблица 6.4. Параметры установок JP-5000

Параметр	Величина
Расход порошка, кг/ч
Расход керосина, л/ч
Расход кислорода, м^3/ч
Давление в камере сгорания, МПа
Мощность, кВт
Температура газа, °С
Скорость частиц, м/с	1000-1300
Скорость газа, м/с

Рис. 6.5. Схема распылителя JP-5000 (а), параметры газа (б): 1 — камера сгорания, давление 1,0 МПа, температура 3100 К; 2— подача керосина и кислорода; 3 — ствол; П — подача порошка 9,1 кг/ч; 4 — скорость газа 2194 м/с; скорость частиц 1000—1200 м/с

В табл. 6.5 приведены сравнительные характеристики некоторых установок ВСН.

Таблица 6.5. Параметры установок ВСН (HVOF)

Система	Топливо, м^3/ч	Кислород, м^3/ч	Сжатый воздух, м^3/ч	Окислитель топливо	Дистанция напыления, мм
Jet Kote	Водород	25,9	18,1	-	0,7
Пропан		21,0	-	7,0
Этилен	4,8	20,2	-	4,2
Top Gun	Водород	25,9		-	0,5
Пропан			-	5,0
Этилен	4,8	14,4	-	3,0
DJ 2600	Водород	38,2	12,8	20,6	0,45^1	230-250
DJ2700	Пропан	4,1	15,2	22,0	4,8^1	230-250
JP-5000	Керосин, л/ч		53,5	-	4,2^2	350-380

Примечание: 1 – с учетом кислорода воздуха; 2 – отношение масс.

На рис. 6.6 приведена микротвердость покрытия (WC+17Со) как косвен­ная оценка плотности напыленных слоев.

Широкий диапазон микротвердости покрытий на JP-5000 говорит о широ­ких возможностях получить требуемые свойства покрытий в зависимости от регулировки параметров напыления.

На рис. 6.7 представлены температурно-скоростные (для напыляемых час­тиц) области работы высокоскоростных порошковых распылителей в сравне­нии с более ранними способами. Из рисунка видно, что скорость частиц при использовании JP-5000 больше, а температура частиц меньше, что указывает на предпочтительность распылителя при напылении износостойких карбидо-содержащих покрытий.

При напылении на наружные поверхности наиболее простым методом повышения динамических параметров газопорошкового потока является активация газовыми струями, обжимающими факел пламени и ускоряющими полет частиц. Активаторы, рекомендуемые к исполь­зованию на оборудовании с торговыми марками «Metco» и «Castolin» для напыления порошков из тугоплавких материалов, представляют собой два штуцера, установленные на кожухе распылительной головки пистолета и подключенные к рукаву высокого давления, по которому подается осушенный воздух. Струи воздуха, выходя из штуцеров под давлением 0,3...0,6 МПа, обжимают факел и увеличивают скорость полета частиц порошка. Разработанный в ИМИНМАШ воздушный активатор выполнен таким образом, чтобы угол атаки струи воздуха по отношению к оси факела пламени мог изменяться от 0 до 70°.

В МГТУ им. H. Э. Баумана разработана сверхзвуковая уста­новка (рис. 6.8).

Рис. 6.6. Микротвердость покрытий: 1 – ГП; 2 – ПН; 3 – ВСН (воздушного охлаждения); 4 — ВСН (водяного охлаждения); 5 – ДН; 6 – JP-5000; 7 – прессованная или литая заготовка (для сравнения)

Рис. 6.7. Скорость частиц и их температура при различных способах напыления (для сравнения): 1 – ЭДМ; 2 – ГН; 3 – ПН; 4 – LPPS, 5 – Top Gun (С₂Н₂); 6 – Top Gun, DJ 1000, Jet Kote; 7 – JP-5000, DJ 2600, DJ 2700

Рис. 6.8. Схема установки ВСН МГТУ им. И.Э. Баумана: 1 – распылитель; 2 – порошковый питатель; 3 – пульт управления; 4 – пропан; 5 – кислород

Приведённые способы напыления обеспечивают получение покрытий вы­сокого качества, но успешное использование их будет определяться выполне­нием различных по своему характеру условий:

- стабильностью работы распылителей, которая обеспечивается оборудо­ванием управления, включая роботизированный пост;

- стабильностью чистоты и размера частиц материала, подаваемого в рас­пылитель, залогом чего является соответствие порошка сертификату;

- стандартизацией методов контроля качества покрытий, и соответствием методик определения свойств покрытий стандартам, надлежащей подготовке персонала и ответственностью каждого члена коллектива за порученное дело.

Проволочное ВСН. Известно, что при распылении проволоки методом ГПН в покрытии содер­жится меньше оксидов, чем при порошковом напылении. Это имеет важное значение для получения коррозионностойких покрытий. Однако, относитель­но малая скорость частиц при ГПН не обеспечивает плотного формирования по­крытий. Частицы успевают окислиться с поверхности.

Особенность подачи материала (по оси горячего тракта) принудила конст­рукторов проволочного высокоскоростного распылителя приблизить камеру сгорания к выходному отверстию сопла. Увеличение скорости час­тиц при меньшей их температуре снизило уровень их окисленности и повыси­ло плотность покрытия. В табл. 6.6 приведены сравнительные газовые пара­метры проволочного газопламенного напыления ГПН и проволочного высоко­скоростного напыления ВСН.

Таблица 6.6. Давление топливных газов и воздуха

Газы	Давление, МПа
ВСН	ГПН
Пропан	0,4	0,3
Кислород	0,8	0,3
Воздух	0,7	0,45

Размер распыляемых частиц при ВСН мельче, а плотность покрытия выше, оксидная фаза снижена значительно. Дополнительно для снижения окисления вместо воздуха используют азот.

Известно, что горение газовоздушных смесей в перфорированных системах позволяет сжигать значительно большее количество горючей смеси в малых объемах. Газовоздуш­ная смесь проходит через параллельные цилиндрические каналы. Горение в начальный период происходит в зоне малой толщины над поверхностью, а затем пламя заходит в устье каналов. Так реализуется принцип микрофакельного сжигания газовоздушной смеси.

На основе этого принципа было предложено два ос­новных варианта устройств с активаторами установок высокоскоростного напыления (рис. 6.9).

В первом разработанном устройстве для высокоскоростного газо­термического напыления (рис. 6.9, а) окислитель и топливо поступают через воз­душный и топливный жиклеры 9 и 10 соответственно в полость сме­шения 4, где образуется горючая смесь. Из полости смешения 4 через каналы перфорированного элемента 3, горючая смесь поступает в полость сжигания рабочей смеси 5 и воспламеняется посредством устройства поджига рабочей смеси 7.

а)	б)

Рис. 6.9. Схемы устройств высокоскоростного напыления с микрофакельным горением: 1 – корпус; 2 – сопловой канал; 3 – перфорированный элемент;
4 - полость смешения; 5 – полость сжигания рабо­чей смеси; 6 – устройства подачи напыляемого материала; 7 - устройства поджига рабочей смеси; 8 – огневая поверхность; 9 – воз­душный жиклер; 10 – топливный жиклер; 11 – распылительная головка термораспылителя

В процессе работы, по мере того как нагреваются детали и элементы устройства высокоскоростного напыления, скорость горения рабочей смеси увеличивается и пламя втягивается в каналы перфорированного элемента 3. Причем горение смеси за перфорированным элементом 3 идет в зоне малой тол­щины в виде плоского пламени. Получаемый высокоскоростной поток горячих продуктов сгора­ния топливно-воздушной смеси подхватывает частицы напыляемого ма­териала, поступающие в полость сжигания рабочей смеси 5 при помо­щи устройства подачи расходного материала 6, выходное сопло которого помещено в отверстие перфорированного элемента 3, прогревает и расплавляет их, сжимает в струю мало­го диаметра и разгоняет до высоких скоростей.

Наличие полости смешения позволяет улучшить условия смесеоб­разования при раздельной подаче компонентов для формирования го­рючей смеси и полностью исключить использование дополнительного кислорода как в момент запуска устройства, так и на рабочем режиме. Кроме того, применение принципов микрофакельного сжигания позво­ляет стабилизировать процесс сжигания газовоздушной смеси при од­новременном увеличении скорости ее горения в каналах перфориро­ванного элемента без отрыва и проскока, что, в свою очередь, дает возможность сжигать значительное количество горючей смеси в гораз­до меньшем объеме. Причем горение газа за перфорированным элемен­том на его огневой поверхности идет в зоне малой толщины в виде плоского пламени. Такая форма пламени позволя­ет резко сократить длину полости сжигания рабочей смеси.

В другом варианте (рис. 6.9, б) в качестве узла подачи материалов используется термораспылитель, распылительная головка 11 ко­торого расположена в отверстии перфорированного элемента, выпол­ненного по его оси. Такое конструктивное исполнение дает возможность реализовать двухструйную схему газотермического напыления, когда первичный высокотемпературный поток, обладающий относительно невысокой ско­ростью, расплавляет транспортируемые частицы расходного материа­ла, а вторичный, низкотемпературный, но высокоскоростной поток раз­гоняет расплавленные частицы до скоростей более 250 м/с. Причем первичный поток представляет собой высокотемпературную струю, про­изводимую термораспылительным устройством для газотермического напыления, в то время как вторичный поток — это высокоскоростная струя продуктов сгорания топливно-воздушной смеси.

Дата добавления: 2015-05-06