+7 (343) 247-81-32

Инжиниринг Производство Строительство и монтаж

Публикации

27.08.2013

Оборудование газопламенного сверхзвукового нанесения покрытий, применение покрытий

Коробов Ю.С, Девятьяров М.С. Уральский государственный технический университет-УПИ, ЗАО «НПП «Машпром»

В последнее десятилетие быстро развивается группа газопламенных высокоскоростных методов нанесения порошковых покрытий, объединенных, в английском, терминами  HVOF/HVAF (High Velocity Oxy/Air-Fuel), русский аналог которых ГПС/СГВ (газопламенное сверхзвуковое/сверхзвуковое газовоздушное) [1, 2].  Качество ГПС/СГВ-покрытий, исключая оксиды, аналогично альтернативам (детонационное, плазменное, холодное газодинамическое).  Быстрое развитие этих методов обусловлено высокими производительностью и  технологичностью в сочетании со снижением  удельных затрат.

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. 1).

 

Рис. 1. Сравнительная характеристика способов газотермического напыления по температуре и скорости частиц. Виды напыления: ГП – газопламенное, ЭМ – дуговая 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.

Распыляемые материалы - полимеры, карбиды, металлы - образуют термобарьерные, износо- и коррозионностойкие покрытия  высокого качества, которые выдерживают воздействие ударно-абразивных и химически активных  сред, тепловых нагрузок. ГПС/СГВ-покрытия эффективны для защиты от этих воздействий [3-5]:

Шиберные вентиля и шаровые краны в нефте- и газопереработке подвержены интенсивному износу при Т > 600 °С. Эрозионная стойкость ГПС-покрытий в 1,5…2 раза выше, чем у аналогичных детонационных.

В энергетике и авиакосмической промышленности применяются для повышения ресурса лопаток паровых и газовых турбин, при ремонте элементов теплообменников тепловых станций.

Заменяют электролитический хром (шасси самолетов, 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 представлены рядом фирм - Sabaros, ТЗСП, Уральский институт сварки [6-8].

Анализ опубликованных материалов производителей [9-14] 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 распылителя. K2 отличается системой впрыска керосина. Значительных отличий в параметрах аналогов от базовых моделей не отмечено [15,16]. В СГВ-установках в качестве окислителя используется сжатый воздух. Базовой СГВ-моделью является установка  Intelli-Jet, модели  SB 9300/9500 (UniqueCoat Technologies, США), после улучшений получившая название Quasar, модели M2, M3.

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 Quasar 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 исполнении подачи порошка, схеме смешения газов и вида 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 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, Quasar 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.

Из табл. 1 видно, что наиболее технологичны установки Intelli-Jet, Quasar. Они не требуют использования кислорода в качестве окислителя, водяного охлаждения.

 

Табл. 1 Расход материалов за 1 час работы

Материалы

Intelli-Jet, Quasar

JP -5000

DJ2700

Кислород, м3

-

60

18

Сжатый воздух, м3

300

-

23

Топливо

Вид

Пропилен

Керосин

Пропилен

Расход, кг

30

21

17

Азот, м3

0,96

1,2

1,08

Вода на охлаждение, м3

-

1

0,72

 

Анализ микроструктур позволяет сделать заключение об одинаковом уровне качества покрытий, полученных на различном оборудовании рис. 2.

 

Рис. 2 Микроструктура покрытий WC-17Co. а) Intelli-Jet ; б) DJ2700; в) JP-5000

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 JP-5000/8000 (JP), DJ 2600/2700 (DJ), Intelli-Jet (IJ), QuasarM3 (M3)  было выполнено применительно к распылению порошка WC-10Co-4Cr, фракции (–45+10) мкм.

M3 на рабочей дистанции обеспечивает максимальные скорости частиц, выше в 1,3…1,5 раза, при их минимальном нагреве, рис. 3 а, б. 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, рис. 3, однако производительность напыления IJи M3 выше в 2…2,5 раза, рис. 3 в, г.

Повышенные производительность и коэффициент использования порошка в IJи M3 обусловлены эффективностью многоступенчатой схемой горения смеси и схемой ввода порошка в струю.

 

Рис. 3 Выходные параметры базовых ГПС/СГВ-установок (средние значения).

а) скорости частиц ; б) температуры частиц; в) КИМ, г) производительность.

 Совместное влияние высоких КИМ и производительности, а также соотношение затрат на расходные материалы обуславливает для IJи M3 снижение в 1,6…2,5 раза относительной стоимости покрытий, рис. 4.


Рис.4. Относительные затраты на выполнение ГПС/СГВ-процесса

 СГВ-установка Intelli-Jet модели SB-9500, оснащенная роботом, используется в ЗАО НПП МАШПРОМ, Екатеринбург для напыления деталей оборудования производства стали и других применений, рис. 5.

Рис. 5. Роботизированное СГВ напыление направляющего ролика линии транспортировки стана прокатки арматурного прутка

Наши исследования показали, что получаемые с помощью Intelli-Jet покрытия по запатентованной технологии успешно выдерживают более жесткие тепловые циклические нагрузки, чем эксплуатационные: "нагрев 450 °С – охлаждение".На рис. 6 видно, что в покрытии после этих испытаний отслоения и трещины отсутствуют. При этом технология обеспечивает высокую адгезионную прочность. Рентгеноструктурный анализ и оценка микротвердости показали, что это обусловлено образованием протяженной диффузионной зоны на границе "покрытие – основа".

 

Рис. 6. Медный образец с покрытием на основе никеля, толщина 4 мм,

после испытаний на термоциклирование "нагрев 450°С-охлаждение в воде до 30 °

 Набор порошковых материалов дает возможность получать СГВ-покрытия твердостью до HRСэ 72, работающие при температурах до 900 °С, стойких к воздействию агрессивных сред, рис.7-8.

  

Рис.7. Плунжера насоса установки гидромеханической очистки. Давление 60 МПа, гидроабразивная среда. Стойкость СГВ-покрытия в 2,5 раза выше, чем у закаленной стали 40Х13

 Рис.8.Погружной ролик линии гальванопокрытий. Работает в контакте с расплавленным цинком. Повышены стойкость к коррозии, отсутствие налипания

 

 Рис.9.Вал перфорированный Æ 600. Работает в системе переработки высокобиоактивных стоков аэрационной станции. СГВ покрытие состава Cr3C2 – NiCr толщиной 200 мкм

  

 Рис.10. Кабестаны стана протяжки проволоки, увеличена стойкость к износу в 5 раз

 Выводы:

1.В развитых странах наблюдается быстрый рост применения процесса газопламенного сверхзвукового напыления покрытий (ГПС/СГВ) применительно к деталям, работающим под воздействием ударно-абразивных и химически активных  сред, высоких тепловых нагрузок.

2.ГПС/СГВ успешно конкурирует с плазменным в динамическом вакууме, детонационным методами напыления по качеству покрытий и производительности.

3.ГПС/СГВ -установки DJHybrid, GP-5000/8000, Intelli-Jet/Quasar позволяют наносить покрытия одинакового уровня качества. По технологичности, производительности, относительным затратам на выполнение ГПС-процесса наиболее предпочтительна СГВ-установка Intelli-Jet/Quasar 

 

 

Литература

1.    Харламов Ю. А. Газотермическое напыление покрытий и экологичность производства, эксплуатации и ремонта машин. // Тяжелое машиностроение. - 2000. - №  2. - С. 10–13.

2.     Коробов Ю. С. Повышение срока службы деталей сверхзвуковым газопламенным напылением. // Тяжелое машиностроение. – 2006. - № 7. С. 34-36.

3.     Handbook of Thermal Spray Technology // Ed. by J. R. Davis, ASM International 2004.

4.     Thermal Spraying Technology and Its Applications in the Iron & Steel Industry in China / R. L. Hao // Global Coating Solutions: proc. of ITSC 2007. (Ed.) B.R. Marple, May 14–16, 2007 (Beijing, China), ASM International 2007, p. 291-296.

5.     Impigement Resistance of HVAF WC-based Coatings / C. Deng et al. Journal of thermal spraying. 5-6 (2007) Vol. 16, - p. 604-609.

6.     http://www.sulzermetco.ru/

7.     http://www.tspc.ru/

8.     http://ural-welding.ru/

9.     HVOF-solutions:  Информационный бюллетень. // Sulzer Metco – 2008.

10.  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.

11.  Praxair surface technologies -TAFA: HP/HVOF equipment solutions. 2009.

12.  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-2003. – 2003. - Vol. 1.

13.  AC-HVAF Process Information: Информационныйбюллетень. // UniqueCoat Technologies, USA. – 2010.

14.  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.

15.  Evaluation of modern HVOF systems concerning the application of Hot corrosion protective coatings / Fr.-W. Bach etc. // Proc of ITSS'2003, China.  2003, p. 10-25.

16.  Comparison of Operating Characteristics for Gas and Liquid Fuel HVOF Torches / W. Rusch // Thermal Spray 2007: Global Coating Solutions: proc. of ITSC 2007 Pub. Materials Park, Ohio, USA, (China, Beijing), ASM International, 2007, pp 572-576.

 

Интересует сверхзвуковое газопламенное напыление?

«Машпром» оказывает услуги по газопламенному напылению. Обращайтесь к нам по телефону +7 (343) 288-70-90 или задавайте вопросы через форму обратной связи на сайте.

Вернуться к списку публикаций