Восстановление детали газотермическим напылением

Повышение надежности современной техники, снижение себестоимости ее обслуживания, обеспечение конкурентоспособности, продление ресурса эксплуатации, а также ее реновация путем применения современных технологий для восстановления работоспособности узлов до уровня новых изделий - наиболее приоритетные направления развития техники.

Применение технологий нанесения защитных покрытий, среди которых газотермические процессы занимают значительное место, является одним из кардинальных путей решения данного вопроса. С использованием существующих в настоящее время оборудования, материалов и технологий газотермического напыления стало возможным значительно снизить или исключить влияние на изнашивание деталей таких факторов, как эрозия, коррозия (в том числе высокотемпературная), кавитация и др. Защитные покрытия могут быть также предназначены, например, для создания термобарьерного слоя, обеспечения электроизоляционных свойств, поглощения излучения продуктов радиоактивного распада, обеспечения определенных оптических свойств, реализации селективного смачивания, создания биологически активных поверхностных свойств для различных искусственных органов и многого другого.

В промышленно развитых странах с целью решения экологических проблем освоение техники газотермического напыления происходит путем вытеснения гальванических "грязных" технологий. Ситуация в России, сложившаяся в 80-90 гг. и приведшая к распаду промышленности, в настоящее время дает возможность не реанимировать устаревшие технологии, а адаптируясь к новым условиям, вместо гальванических методов использовать новейшие технологии термического напыления.

Метод газотермического напыления характеризуется широтой технологических возможностей:

• защитные покрытия можно наносить на объекты любых размеров: мосты, суда, трубопроводы, строительные конструкции, котлы, коленчатые валы, лопатки турбин и др.;

• толщина покрытия может составлять от 0,01 до 10 и более мм; покрытия могут иметь заданную пористость (от 0 до 30 и более процентов);

• защитные покрытия могут быть изготовлены из любых материалов, имеющих точку плавления или интервал размягчения;

• в качестве подложки можно использовать дерево, стекло, пластмассы, керамику, композиционные материалы, металлы;

• нанесение защитных покрытий может производиться в широком диапазоне состава покрытия, температуры и давления - в низком вакууме в специальной камере с контролируемой инертной атмосферой, в воздухе при нормальных условиях, под водой;

• нанесение металлических и керамических покрытий не вызывает значительного нагрева напыляемой поверхности, следовательно, обеспечивается сохранение геометрических размеров деталей.

Газотермические покрытия применяют при ремонте оборудования и упрочнении рабочих поверхностей новых деталей. В зависимости от назначения покрытия и условий его работы меняются требования к точности соблюдения основных параметров покрытия - его состава, толщины, плотности и прочности сцепления с подложкой.

Основные технологические процессы, которые сегодня используются в мировой практике, - это высокоскоростное напыление, плазменное напыление на воздухе с использованием таких плазмообразующих газов, как аргон, азот, гелий, воздух; детонационное и газопламенное напыление, а также электродуговая металлизация и наплавка. По косвенной оценке (число продаваемого оборудования для газотермического нанесения покрытий), насыщенность европейской промышленности выше насыщенности российских предприятий примерно в 350-400 раз. За рубежом 75% запорной арматуры (шаровые краны большого диаметра) производится с покрытием из карбида вольфрама на связке кобальт-хром, а остальная часть - с гальваническим нанесением хрома или никеля. У нас же 100% шаровых кранов такого же типоразмера имеют гальванические покрытия. Такое состояние дел можно объяснить большим количеством отрицательных результатов, полученных при использовании покрытий в прежние годы. Анализ опыта внедрения техники и технологии газотермических покрытий в производство в прежние годы показывает, что получение отрицательных результатов можно объяснить низким качеством и несовершенством технологического оборудования и средств контроля процессов нанесения покрытий, отсутствием подхода, определяющего обоснованность выбранной технологической схемы, и критериев, позволяющих оценить применимость методов напыления для решения той или иной задачи. В настоящее время отечественные предприятия, борющиеся за свое место на рынке, все чаще начинают внедрять современные методы газотермического нанесения покрытий для повышения качества выпускаемой продукции.

По своему назначению покрытия делятся на следующие:

• защитные покрытия, обеспечивающие более длительную работу деталей в рабочих условиях;

• технологические покрытия, обеспечивающие защиту поверхности деталей при технологическом переделе;

• конструкционные покрытия, с помощью которых восстанавливаются размер и форма детали, придаются новые свойства ее поверхности или когда покрытие выполняет роль конструкционных материалов.

Износостойкие покрытия

Изнашивание металлов - процесс разрушения поверхностных слоев трущихся тел - характеризуется разнообразием условий их нагружения. В зависимости от этих условий следует выбирать те материалы, которые имеют большее сопротивление изнашиванию. В качестве износостойких в условиях пленочной жидкой смазки применяют антифрикционные материалы (баббиты, бронзы). При сухом трении до 500оС - сочетание твердых материалов и мягкой связки (карбид вольфрама - кобальт или никель). При повышенных температурах (до 900оС) - карбид хрома - нихром. При высоких температурах - материалы, дающие устойчивые оксиды: алюминид никеля, нихром, или покрытия, содержащие твердые смазки ( графит, дисульфид молибдена, нитрид бора). При возможности абразивного изнашивания применяют твердые наплавочные материалы - самофлюсующиеся покрытия, содержащие бориды, карбиды. Газотермические покрытия пористостью 5-15% при жидкостном трении обладают более высокой износостойкостью, чем новая деталь. Так, у нового стального вала двигателя внутреннего сгорания после прекращения подачи обычной моторной смазки через 2,5…3 ч происходит разрушение масляной пленки и заедание в баббитовом подшипнике, что приводит к резкому увеличению коэффициента трения и разрушению подшипника. Заедание вала с напыленным стальным покрытием происходит через 22,5 ч после прекращения подачи смазки при постепенном повышении коэффициента трения. Если в качестве смазочного материала использовали графитизированное масло, то заедания вала с напыленным покрытием не наблюдалось после 190 ч с момента прекращения подачи смазки.

Жаростойкие покрытия

Жаростойкие покрытия образуют плотную оксидную пленку, которая защищает покрытие и подложку от окисления. Оксиды алюминия, хрома, кремния имеют плотное строение и высокую прочность сцепления. Жаростойкими являются

сплавы в системах Ni-Al, Ni-Cr, Ni-Cr-Al, Ni-Co-Cr-Al-X, MoSi2 и др.

Теплозащитные покрытия (ТЗП) должны иметь низкое значение коэффициента теплопроводности l и высокую температуру плавления.Наиболее подходящим материалом для ТЗП является оксид циркония ТЗП лопаток турбины ГТД должно иметь l менее 2,5 Вт/(м•К). ГТП из ZrO2 имеет пористость 15±5%, при которой l < 0,8 Вт/(м•К).

В качестве теплозащиты в зависимости от материала подложки и условий применения следует выбирать керамические материалы с заданной пористостью. Для лопаток турбины ГТД предпочтительнее кубическая структура оксида циркония и оксида иттрия или церия.

Коррозионно-стойкие покрытия

Коррозионные разрушения металлов обусловлены химическими и электрохимическими процессами, происходящими на поверхности металла при взаимодействии со средой. Различают коррозию атмосферную, в морской воде, грунтовую, в агрессивных средах (кислотную, щелочную и т.д.), высокотемпературную газовую (сульфидную, сульфидно-оксидную и т.д.). По характеру поражения различают питтинговую (язвенную), когда на поверхности образуются язвы и полости, фреттинг-коррозию (износ в условиях малых перемещений, когда поверхности не выходят из зоны контакта и продукты износа и коррозии не имеют возможности выхода из зоны образования), коррозию под напряжением (коррозионное растрескивание), коррозионное расслаивание и др.

Для защиты от атмосферной, морской, подземной коррозии стальных конструкций, трубопроводов, судов и т.д. широко применяют металлы-протекторы, имеющие более отрицательный потенциал, чем железо (анодные покрытия) - Zn, Al. В качестве защитных покрытий катодного типа применяют коррозионно-стойкие металлы - Pb, Cr, Cu, Ti. Главное требование к катодным покрытиям - это их сплошность, исключающая попадание жидкости (электролита) между подложкой и покрытием. В этом случае будет разрушаться подложка, т.е. защищаемый металл. Такие коррозионно-стойкие покрытия могут быть изолирующими, что обеспечивается их плотностью и химическим составом.

Высокотемпературная коррозия связана с образованием легкоплавких сульфидов (и других соединений) с никелем и железом, которые растворяют металл подложки при сравнительно невысоких температурах. Кобальт и хром химически более устойчивы и применяются для защиты лопаток турбины ГТД.

В ряде случаев покрытия служат для восстановления формы детали (профиль лопатки турбины ГТД). В качестве материала используют жаростойкие сплавы

Электропроводные электроизоляционные покрытия

Электропроводные (медь), электроизоляционные (оксид алюминия, алюмомагнезиальная шпинель), нейтронно-поглощающие (гафний и оксид гафния) покрытия выполняют роль проводников, изоляторов, защитных экранов в ядерных установках, являясь также конструкционными покрытиями.

Уплотнительные покрытия

Уплотнительные покрытия (УП) применяются взамен вставок из уплотнительных материалов в ГТД. Назначение УП - уменьшить зазор между статором и ротором газогенератора (компрессор и турбина). Особенностью УП является их податливость (кромка лопатки или лабиринт легко врезаются в слой УП, которое, однако, достаточно прочно, чтобы выдерживать напор газового потока при повышенных температурах.) В качестве твердой смазки в УП используют графит и нитрид бора. В качестве матрицы с увеличением рабочей температуры - алюминий, никель, алюминид никеля, оксид циркония.

Декоративные покрытия

Декоративные покрытия (бронзовые покрытия на силуминовых скульптурах) также можно считать конструкционными, так как они позволяют экономить более дорогие медные сплавы подобно тому, как бронзовый цилиндр гидросистемы шасси был заменен деталью из алюминиевого сплава с покрытием из бронзы, нанесенным на внутреннюю поверхность цилиндра. Такая замена позволила снизить массу узла шасси на 4 кг. Восстановление скульптурной группы "Квадрига" на фронтоне Большого театра производилось напылением медной проволокой способами ГП и ЭДМ. Толщина стенки скульптуры составляла изначально 4 мм, на момент восстановления - 2 мм. Толщина стенки