Детонационное напыление

Плазменное напыление: еще один метод термического напыления, аналогичный детонационному напылению.

Детонационное напыление — это одна из многих форм термического напыления , которая используется для нанесения защитного покрытия на материал со сверхзвуковой скоростью с целью изменения его поверхностных характеристик. В первую очередь это необходимо для повышения долговечности компонента. Впервые он был изобретен в 1955 году Х.Б. Сарджентом, Р.М. Пурманом и Х. Миноги и наносился на деталь с помощью специально разработанного детонационного пистолета (D-пистолета). Напыляемый компонент необходимо правильно подготовить, удалив с поверхности все масла, смазки, мусор и обработав поверхность шероховатой поверхностью, чтобы добиться прочного сцепления покрытия детонационным напылением. Этот процесс предполагает самые высокие скорости (≈3500 м/с ударной волны , которая приводит в движение материалы покрытия) и температуру (≈4000 °C) материалов покрытия по сравнению со всеми другими методами термического напыления. Это означает, что детонационное напыление позволяет наносить низкопористые ( ниже 1%) и низкокислородные ( от 0,1 до 0,5%) защитные покрытия, защищающие от коррозии , истирания. и адгезия при низкой нагрузке.

Этот процесс позволяет наносить очень твердые и плотные поверхностные покрытия, которые можно использовать в качестве износостойких покрытий. По этой причине детонационное напыление обычно используется для защитных покрытий в авиационных двигателях, калибрах свечей и колец, режущих кромках (ножах для заточки), трубчатых сверлах, лопатках ротора и статора, направляющих рельсах или любом другом металлическом материале, который подвержен сильному износу и рвать. Обычно материалами, напыляемыми на детали при детонационном напылении, являются порошки металлов, металлических сплавов и металлокерамики ; а также их оксиды (алюминий, медь, железо и др.).

Детонационное распыление — это промышленный процесс, который может быть опасным, если его не выполнять правильно и в безопасной среде. Таким образом, существует множество мер предосторожности, которые необходимо соблюдать при использовании этого метода термического напыления.

История

Процесс детонационного распыления был впервые разработан в 1955 году Х. Б. Сарджентом, Р. М. Пурманом и Х. Лэмпри. и впоследствии был запатентован. он был коммерчески доступен под названием «D-Gun Process» компанией Union Carbide . Впервые в том же году В 1960-х годах она получила дальнейшее развитие в Институте Патона в Киеве (Украина) и превратилась в технологию, которая до сих пор коммерчески доступна в США компанией Demeton Technologies (Западный Вавилон).

D-пистолет

Нанесение детонационных напылительных покрытий осуществляется с помощью детонационной пушки (Д-пушки), которая представляет собой длинный металлический ствол с водяным охлаждением, содержащий впускные клапаны для подачи газов и порошков в камеру. Предварительно выбранное количество желаемого материала защитного покрытия, известного как сырье (в виде порошка с размером частиц 5–60 мкм), вводится в камеру (при обычной скорости потока порошка 16–40 г/мин). Здесь кислород и топливо (обычно ацетилен ) воспламеняются свечой зажигания, создавая сверхзвуковую ударную волну, которая выталкивает смесь расплавленного и/или частично расплавленного и/или твердого сырья (в зависимости от типа используемого материала) из ствола. и на объект распыления. Затем ствол очищают коротким разрядом азота , прежде чем пистолет D будет готов к повторному выстрелу. Это важный шаг, поскольку тепло остаточных газов может привести к возгоранию новой топливной смеси, что, в свою очередь, приведет к неконтролируемой реакции. Кроме того, небольшое количество инертного газообразного азота, введенное между двумя смесями топлива и сырья перед сжиганием, помогает предотвратить обратное возгорание. D-пушки обычно работают с частотой стрельбы 1–10 Гц. Во время распыления материала детонационным пистолетом можно использовать множество различных смесей порошков для покрытия и настроек D-пистолета, и все они влияют на конечные характеристики поверхности напыляемого покрытия. Обычно используемые порошковые материалы включают, помимо прочего: глинозем-титан, глинозем, карбида вольфрама смесь , карбида вольфрама и хрома со связкой из сплава никеля и хрома , карбид хрома, карбид вольфрама со из кобальта связкой .

металлурги учитывают измерения содержания поверхностного кислорода, макро- и микротвердости , пористости, прочности сцепления и шероховатости поверхности . При определении качества термически напыленного покрытия

Значения свойств, определяющие качество распыляемых покрытий для распыления D-пистолетом

Толщина (мкм)	Пористость (%)	Содержание кислорода (%)	Твердость ( ВХН )	Прочность связи ( фунты на квадратный дюйм )	Шероховатость поверхности (мкм)
75 - 125	0.25 -1	0.1 - 0.5	1350	10 000	3-6

Компоненты

Скорости и температуры для различных методов термического напыления

• Свеча зажигания
• Ствол с водяным охлаждением
• Впускной клапан азота
• Впускной клапан топлива
• Впускной клапан кислорода
• Впускной клапан порошкового сырья

Обзор рабочего цикла

1. Смесь топлива и кислорода впрыскивается в камеру сгорания.
2. Порошковое сырье вводится в камеру.
3. Газообразный азот добавляется между топливно-кислородной смесью и порошковым сырьем, чтобы предотвратить обратное воспламенение.
4. Смесь воспламеняется, и нагретый порошок выбрасывается из ствола на материал мишени.
5. Затем ствол продувается азотом и снова готов к стрельбе.
6. Этот процесс повторяется с частотой 1–10 Гц до тех пор, пока не будет достигнута желаемая толщина покрытия.

Подготовка поверхности

Покрытия, напыляемые детонационным методом, в основном связываются механически. Это означает, что поверхность напыляемого компонента должна быть должным образом подготовлена, чтобы обеспечить максимальную прочность сцепления между напыляемым покрытием и подложкой. Для успешной подготовки поверхности ее необходимо очистить от всех жиров, масел, грязи и других загрязнений и придать ей достаточную шероховатость, чтобы обеспечить достаточную неровность поверхности, за которую покрытие может держаться. Химические процессы, как правило, являются наиболее подходящими методами очистки поверхности подложки. После этого необходимо соблюдать осторожность, чтобы не прикасаться и/или не загрязнять поверхность перед распылением. Для придания шероховатости поверхности подложки используются три метода: абразивно-струйная обработка , механическая обработка и нанесение связующего покрытия. Очистка происходит только после придания поверхности шероховатости, за исключением случаев использования связующего покрытия; поверхность необходимо очистить до и, возможно, после этого процесса. Нанесение покрытия детонационным напылением следует производить как можно скорее после подготовки поверхности подложки.

Абразивно-струйная очистка

Абразивно-струйная очистка, также известная как пескоструйная обработка, предполагает использование сжатого воздуха для подачи пара чистой, острой, измельченной стальной крошки или оксида алюминия на поверхность детали. Алюминий – хороший вариант, поскольку он относительно дешев. Обожженная крошка отрывает небольшие выступы на поверхности подложки, создавая равномерно шероховатую поверхность для формирования хороших механических связей. Перед распылением основание необходимо очистить от мусора и остатков песка, оставшихся после струйной обработки.

Обработка

# Подрез, на который можно распылить покрытие. # Отступ без подрезов.

В случаях, когда требуется очень прочное механическое соединение (например, для компонентов, которые будут использоваться для механической обработки), поверхность компонента часто подвергается механической обработке для создания канавок для сцепления покрытия. Канавки «ласточкин хвост» обеспечивают прочное положительное соединение, но могут быть трудоемкими и дорогостоящими. Более дешевый метод — вырезать простые частично открытые канавки, однако этот метод обеспечивает меньшую конечную прочность соединения. Края и углы детали представляют собой возможные слабые места в структуре покрытия, поскольку могут отколоться от детали. Для увеличения прочности соединения в этих точках углы и края детали следует закруглить. Если покрытие не должно доходить до краев компонента, можно использовать подрез (как показано на рисунке справа), чтобы закрепить покрытие на подложке. Хотя подрезы можно использовать и в других сценариях.

Покрытия часто имеют тенденцию к усадке после нанесения из-за процесса охлаждения. Это означает, что необходимо предпринять шаги для минимизации негативных последствий сокращения экономики. В противном случае покрытие может подвергнуться напряжению из-за напряжения, которое ослабит покрытие, а в некоторых случаях может привести к его отслаиванию. Тот факт, что усадка покрытия может быть использована для увеличения прочности сцепления, если применять его с умом. Покрытие всей внешней поверхности компонента означает, что покрытие будет сжиматься вокруг компонента при охлаждении, создавая своего рода силу захвата, которая увеличивает прочность механического соединения. Это также имеет место, если плоский компонент распыляется по краям, покрытие будет захватывать поверхность, как зажим; снова увеличивая прочность связи. Внутренние покрытия страдают от эффекта усадки, поскольку они отрываются от поверхности детали. Чтобы противостоять этому, компонент можно нагреть, чтобы уменьшить относительный эффект усадки при охлаждении.

Детали следует обрабатывать всухую (без масла), чтобы избежать осаждения масел на детали перед распылением. Если этого невозможно избежать, то перед детонационным напылением поверхность необходимо будет очистить еще раз.

Связующее покрытие

После абразивоструйной и/или механической обработки поверхности можно напылить тонкий слой молибдена , никель-хромовых сплавов или алюминида никеля перед окончательным детонационным напылением для улучшения прочности соединения. Это известно как связующее покрытие. Связующие покрытия часто используются при нанесении распыляемых материалов из керамических композитов. Возможно, компонент придется подвергнуть механической обработке и/или абразивоструйной обработке немного глубже, чтобы освободить место для связующего покрытия и напыленного покрытия, чтобы оно плотно прилегало к поверхности компонента.

Области, которые не подлежат распылению, должны быть покрыты защитными химикатами (химикатами, препятствующими склеиванию распыления) или лентой. После остывания покрытия химикаты и ленту удаляют.

Покрытия детонационного напыления

Детонационное напыление позволяет получить покрытия с очень высокой прочностью химической связи и твердостью. Покрытия имеют низкую пористость, содержание кислорода и шероховатость поверхности от низкой до средней. Это достигается за счет чрезвычайно высоких температур и скоростей, создаваемых детонационной пушкой во время нанесения поверхностного покрытия. Эти свойства делают детонационное напыление эталоном сравнения для всех других покрытий, наносимых термическим напылением (дуговая проволока, плазма, пламя, HVAF, HVOF, теплое, холодное ).

Существует множество факторов, определяющих конечные свойства покрытия детонационной пушки. В первую очередь свойства поверхности определяются типом и свойствами используемого порошкообразного сырья (составом и размером частиц), но на них также влияют настройки, используемые в пистолете D. Это скорость подачи пороха, скорострельность, расстояние от пушки до цели, способ перемещения Д-пушки для нанесения покрытия, размер ствола, количество и состав топливно-кислородной смеси.

Детонационное напыление позволяет наносить защитные покрытия на относительно чувствительные и деликатные материалы. Это связано с особенностями нанесения покрытий детонационной пушки, поскольку процесс нанесения покрытий происходит очень быстро и источник тепла удаляется из материала мишени. Это обеспечивает широкий спектр подходящих применений для детонационного распыления.

Виды материалов

Многие материалы можно распылять в виде покрытий с помощью D-пистолета. В качестве сырья используются порошки металлов, сплавов и металлокерамики ; а также их оксиды. Однако в основном используются высокотехнологичные покрытия, к ним относится керамика, сложные композиты. При выборе материала покрытия учитываются такие характеристики, как прочность, твердость, усадка, коррозионная стойкость и износостойкость возможных напыляемых материалов.

Вот некоторые примеры:

• Al2O3
• Cu–Al
• Cu–SiC
• Al–Al2O3
• Cu–Al2O3
• Al – SiC
• Аль-Ти
• TiMo(CN)–36NiCo
• Fe–A

Приложения

Основными функциями детонационно-напыленных покрытий являются защита от коррозии (из-за низкого содержания кислорода), истирания и адгезии при малых нагрузках. Это означает, что детонационное напыление позволяет получить твердые долговечные покрытия, которые подходят для:

Детонационное напыление применяется на различных компонентах современных самолетов.

• Различные компоненты общего машиностроения: валы, уплотнения, втулки, подшипники, уплотнения.
• Авиация:
  • лопатки ротора и статора
  • компоненты двигателя
  • направляющие
• Нефтяная и газовая промышленность:
  • втулки и уплотнительные кольца ЭЦН блоков
  • задвижки
  • запорные клапаны
  • рабочая поверхность сверлильного инструмента
• Ракетно-космическая промышленность
• Электронная и радиопромышленность
• приборостроение
• Инструментальная промышленность
  • Трубчатые сверла
  • Ножи для заточки резины и пластика.
• Судостроительная промышленность
• Пробка и кольцевые калибры с покрытием D-пистолетом

Ограничения

Есть несколько ограничений детонационного распыления, а именно:

• Детонационное напыление создает покрытие, которое в основном связано механически, а не металлургически, что является гораздо более прочным типом связи.
• Детонационное напыление — это процесс «на прямой видимости», означающий, что компоненты обычно необходимо покрывать перед использованием или сборкой. Это связано с тем, что детонационный пистолет должен иметь доступ к поверхности, чтобы нанести эффективное покрытие.
• Покрытия, несмотря на свою значительную прочность при сжатии, слабы при растяжении, а это означает, что их нельзя наносить на податливые или расширяющиеся компоненты.
• Покрытия имеют тенденцию к усталости при точечной нагрузке.
• Детонационные пушки довольно большие и громкие.
• Детонационное распыление должно выполняться в специально предназначенном для этого месте, поскольку пистолет имеет достаточно большие размеры, и это громкий процесс, вызывающий значительный шум. По этой причине его обычно устанавливают в звукоизолированном помещении (с бетонными стенами толщиной 45 см).
• Этот процесс включает в себя значительный объем механизации и автоматизации, поскольку оператор не может находиться в помещении, пока D-пистолет работает.

Безопасность

Распыление детонационным пистолетом, как и любой другой промышленный процесс, сопряжено с рядом угроз безопасности, которыми необходимо правильно управлять, чтобы обеспечить безопасность оператора во время использования. Эти меры предосторожности в первую очередь относятся к следующим категориям, и предлагаемые методы минимизации опасности в некоторых случаях оказывают положительное влияние на полученное детонационное напыление. Например, необходимость автоматизации процесса распыления означает, что можно получить очень равномерное и однородное покрытие.

Шум

Работа детонационного пистолета представляет собой очень громкий процесс из-за множества взрывов, происходящих в камере в секунду. Это может привести к повреждению слуха оператора, если он находится в непосредственной близости от пистолета D. Поэтому детонационное напыление следует проводить в звукоизолированном помещении, и во время работы в помещении не должно быть никого. Также операторы должны носить средства защиты органов слуха (например, наушники и/или беруши) во время работы с D-пистолетом.

Нагревать

С помощью пистолета D достигаются чрезвычайно высокие температуры (≈4000 °C). пока в эксплуатации. Легковоспламеняющееся и взрывчатое топливо (обычно ацетилен ) используется при детонационном распылении для создания сверхзвуковой ударной волны, которая перемещает материалы порошкового покрытия на целевые компоненты. Это создает серьезную опасность ожога и взрыва. Опять же, никто не должен находиться в помещении, пока работает пистолет D, и помещение должно быть спроектировано таким образом, чтобы выдерживать любые неисправности пистолета D. Также при работе с D-пистолетом и распыляемыми компонентами следует использовать защитные перчатки, чтобы избежать ожогов от горячих компонентов после распыления.

Пыль и дым

D-пистолет распыляет порошковое сырье на чрезвычайно мелкие частицы (80–95% частиц от общего количества имеют размер <100 нм). Это означает, что для обеспечения безопасности органов дыхания необходимы надлежащие вытяжные устройства. Также рекомендуется изолировать D-пистолет, чтобы операторы не вдыхали опасную пыль и пары. Если операторы должны войти в помещение, им следует надеть соответствующие пылезащитные маски или респираторы. Многие соединения, используемые в качестве сырья при детонационном распылении, вредны для здоровья человека при проглатывании или вдыхании. Металлы, переносимые по воздуху из детонационного пистолета, особенно вредны для легких. Например, воздействие кадмия может нанести вред почкам и легким, вызвать рвоту, потерю сознания и даже снизить фертильность. Также в недавних исследованиях было показано, что тяжелые металлы, такие как свинец, никель, хром и кадмий, являются канцерогенными. Некоторые серьезные заболевания легких, вызванные вдыханием металлической пыли, включают:

• Силикоз – заболевание легких, вызываемое вдыханием кремнезема, присутствующего в соединениях сырья.
• Сидероз - (легкие полировщика серебра или легкие сварщика), заболевание легких, вызываемое вдыханием железа, присутствующего в соединениях исходного сырья.
• болезнь Альцгеймера Некоторые исследования показали, что – болезнь потери памяти, более распространенная среди пожилых людей, – вызвана высоким уровнем воздействия алюминия (среди многих других причин). Однако следует отметить, что эти исследования не были окончательными, а другие доказали обратное.
• Лихорадка металлического дыма – у некоторых людей она может возникнуть после воздействия определенных соединений металлов (таких как сплавы или оксиды меди, цинка, магния и алюминия), которые имеют особенно неприятный запах. Пары возникают как побочный продукт при нагревании металлов и могут вызвать лихорадочную реакцию, которая может потребовать медицинской помощи.