Холодное напыление металлических покрытий

Холодное газодинамическое напыление

Холодное газодинамическое напыление — новейший метод в области термического напыления. По сравнению с обычными процессами термического напыления холодное газодинамическое напыление имеет особые преимущества, поскольку распыляемый материал не расплавляется и не плавится во время процесса. Таким образом, тепловое воздействие на покрытие и материал подложки остается низким.

Высокая кинетическая энергия частиц и высокая степень деформации при воздействии на подложку, которая связана с ней, позволяет изготавливать однородные и очень плотные покрытия. Диапазон толщины покрытия варьируется от нескольких сотых долей миллиметра до нескольких сантиметров.

В получаемых металлических покрытиях, физические и химические свойства практически не отличаются от свойств базового материала.

Согласно новейшей системной технологии компании «Impact Innovations GmbH» инертный газ — предпочтительно азот или гелий — подается в пистолет-распылитель под давлением до 50 бар (725 фунтов на кв. дюйм) и нагревается до максимальной температуры 1100 °C (2012 °F) в корпусе пистолета.

Последующее расширение нагретого и находящегося под высоким давлением газа в сужающемся-расширяющемся сопле до давления окружающей среды приводит к ускорению технологического инертного газа до сверхзвуковой скорости и в то же время к охлаждению газа до температуры ниже 100 °C (373 °F).

Распыляемые порошки впрыскиваются в сужающуюся часть сопла с помощью устройства подачи порошка и газа-носителя и ускоряются до скорости частиц 1200 м/с в основном газовом потоке.

В сильно суженом сопле распылителя частицы ударяются о необработанные, в большинстве случаев, поверхности компонентов, деформируются и превращаются в сильно адгезионное/когезионное и низкооксидное покрытие.

Технология

Суть метода состоит в нанесении на обрабатываемую поверхность порошков металлов (или их смесей с керамическими порошками) с помощью сверхзвуковых потоков воздуха. Частицы напыляемого порошка ускоряются сверхзвуковой струей газа и направляются на покрываемую поверхность. При этом температура процесса существенно меньшей температуры плавления материала частиц.

Путем изменения режимов работы оборудования можно наносить однородные покрытия, либо создавать композиционные покрытия из механической смеси порошков. Можно также менять твердость, пористость и толщину напыляемого покрытия и др.

Метод реставрации металлических изделий

В наше время метод газодинамического напыления металлов «Димет» бесспорно занял лидирующее место в реставрации металлических изделий

«Оборонка» поделилась методом реставрации металлических изделий

Газотермический способ восстановления различных металлических деталей и поверхностей давно известен и использовался повсеместно. По сути газодинамический способ просто более продвинутый, чем вышеупомянутый. Но он значительно расширяет возможности»горячего» метода.

В настоящее время, «Димет» бесспорно, самая передовая технология восстановления и защиты материалов, получившая широкое распространение как в промышленном секторе, так и гражданской сфере.

Принцип действия, плюсы и минусы холодного газодинамического напыления

Технология «Димет» имеет два основных отличия от газотермического метода реставрации.

Во-первых, напыление защитного или восстановительного покрытия происходит при пониженной температуре, не превышающей 150 °С. Это не вызывает напряжения в обрабатываемых деталях, а значит их деформации.

Во-вторых, «холодная» технология позволяет создавать слой регулируемой толщины и в точно заданных границах. О других плюсах и минусах расскажем чуть позже, а пока об авторах метода и о том, как он работает.

Оборудование «Димет»

Его разработчиком является «Обнинский центр порошкового напыления» (Россия). Производимое ими оборудование получило название ДИМЕТ®. Оно сертифицировано по системе ГОСТ Р и защищено патентами России, США, Канады и других стран.

В основу технологии заложен принцип сверхзвукового воздействия мельчайшими частицами легкоплавких и других материалов на обрабатываемую поверхность.

Материалы, используемые в аппарате «Димет» — это полимеры или сплавы карбидов с металлами с размером частиц 0,01-0,5 мкм. Смешиваясь с газом они подаются на изделие со скоростью 500-1000 м/с.

Технология газодинамического напыления

В зависимости от состава расходного материала (порошка) и изменения режимов его нанесения можно получить однородное или композиционное покрытие с твердой или пористой структурой и своей функциональной задачей. Это может быть:

• восстановление геометрии изделия;
• упрочнение и защита металла от коррозии;
• повышение тепло- и электропроводности материала;
• образование износостойкого покрытия, выдерживающего воздействие химически активных сред, высоких тепловых нагрузок и т. д.

Кстати, обнинские инженеры разработали уже несколько модификаций установок ДИМЕТ®. Учитывая широкую востребованность данного оборудования, сейчас серийно выпускаются как ручные, так и автоматизированные аппараты холодного газодинамического напыления. Это позволяет использовать их как в промышленности, так и в малом бизнесе для обработки небольших деталей.

Тем более, что ничего особо сложного в самой технологии нет. Для работы комплекса (помимо материала для напыления) необходим только сжатый воздух (подается под давлением 0,6-1,0 МПа и расходом 0,3-0,4 м3/мин.) и электросеть напряжением 220 В.

О преимуществах и недостатках метода

Во-первых, в отличие от газотермического способа ХГН может эффективно применяться при обычном давлении, в любом температурном диапазоне и уровне влажности.
В-вторых, он экологически абсолютно безопасен. В-третьих, благодаря большой скорости, может применяться и для абразивной чистки поверхности.
Ну, а единственным недостатком технологии является возможность нанесения покрытий только из относительно пластичных металлов, таких как медь, алюминий, цинк, никель и др.

Область применения газодинамического напыления

Более подробно хотелось бы остановиться на сферах использования технологии холодного газодинамического напыления порошковыми материалами, чтобы наглядно показать насколько она сегодня востребована.

Устранение дефектов, восстановление поверхностей и герметизация

Всё это – работа, которой могут заниматься даже малые предприятия. К примеру, в небольших мастерских можно ремонтировать детали из легких сплавов (части автомобильной конструкции, допустим), прежде всего, алюминиевых и алюминиевомагниевых.

Причем, легко устраняются дефекты, возникшие как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации. А отсутствие сильного нагрева и низкая энергетика метода позволяют чинить даже тонкостенные изделия.

Особенности технологии [ править ]

Технология обладает рядом особенностей, отличающих её от наиболее близких к ней газотермических технологий нанесения металлов, в частности:

• для работы необходим только сжатый воздух и электроэнергия;

• нет нагрева и окисления металла частиц и подложки, деформаций, изменения структуры металлов (температура подложки меньше 100—150 град С) ;

• нет вредных и агрессивных газов, веществ, излучений и др. опасных факторов;

• технологическая простота нанесения покрытий.

Ремонт каких металлических деталей мы осуществляем?

Как мы уже отмечали ранее, одно из важнейших преимуществ метода нанесения на металлическое покрытие в том, что температура не может быть выше 150 градусов. А это значит мы можем широко применять его в любых авторемонтных работах:

• Осуществляем ремонт радиаторов, генераторов;
• Устраняем коррозию и места прогаров на блоках цилиндров,
• Заделываем повреждения в БЦ, ГБЦ и других механизмах авто,
• Восстанавливаем и герметизируем места утечки в автомобильных кондиционерах,
• Обрабатываем швы и сварные участки для защиты от коррозии (в случаях ремонта кузовов и глушителей) и локальных мест,
• Ремонтируем посадочные места коленвалов и обогреватели задних стекол;
• Герметизируем топливные баки.

Помимо авторемонта газодинамическое напыление применяется для многих других видов ремонтных работ по восстановлению металла:

• Наращивание металла,
• Герметизация агрегатов (для устранения течей)
• Нанесение антифрикционных и теплоизлучающих покрытий, подслоев для пайки, электропроводящих покрытий
• Герметизация сварных швов и стыков
• Защита от коррозии, образующейся при высоких температурах,
• Применение для декоративных и отделочных целей.

И это лишь малая часть тех услуг, что оказывает компания «АРГОН-СЕРВИС». Как правило, мы стараемся подходить к своей работе индивидуально, и заранее консультируем своего клиента по вопросу возможности восстановления его металлической запчасти посредством технологии напыления. Несмотря на доступность метода, существуют и ограничения, которые могут определить специалисты, в том числе и уточнив самые важные детали по телефону.

Главные плюсы метода

• выполнение работ при любых климатических условиях (давлении, температуре, влажности);
• возможность применения оборудования стационарного и переносного типа, что в последнем случае позволяет осуществлять работы по месту их проведения;
• возможность нанесения покрытия на локальные участки (дефектные места);
• возможность создания слоев с разными свойствами;
• возможность создания слоя необходимой толщины или разных по толщине в многослойных покрытиях;
• процесс не оказывает влияния на структуру изделия, на которое наносится напыление, что является важным преимуществом;
• безопасность;
• экологичность.

К недостатку этого вида напыления относят только один факт. Слои можно наносить на пластичные металлы, такие как медь, цинк, алюминий, никель и сплавы на их основе.

Производители разных стран выпускают оборудование стационарного и переносного типа для ручного и автоматизированного нанесения покрытий разной производительности на разные металлы.

Задачи и варианты напыления

Металлическая поверхность после порошковой обработки приобретает важные защитные свойства. В зависимости от назначения и области применения, металлическим деталям придают огнеупорные, антикоррозийные, износостойкие характеристики.

Основная цель напыления базовой основы из металла – обеспечить продолжительный эксплуатационный ресурс деталей и механизмов в результате воздействия вибрационных процессов, высоких температур, знакопеременных нагрузок, влияния агрессивных сред.

Процессы напыления металлов выполняют несколькими способами:

• Вакуумная обработка – материал при сильном нагревании в вакуумной среде преобразуется в пар, который в процессе конденсации осаживается на обрабатываемой поверхности.
• Плазменное или газоплазменное напыление металла – в основу метода обработки положено использование электродуги, образующейся между парой электродов с нагнетанием инертного газа и ионизацией.
• Газодинамический способ обработки – защитное покрытие образуется при контакте и взаимодействии микрочастиц холодного металла, скорость которых увеличена ультразвуковой струей газа, с подложкой.
• Напыление лазерным лучом – генерация процесса происходит с использованием оптико-квантового оборудования. Локальное лазерное излучение позволяет проводить обработку сложных деталей.
• Магнетронное напыление – выполняется при воздействии катодного распыления в плазменной среде для нанесения на поверхность тонких пленок. В технологии магнетронных способов обработки используются магнетроны.
• Защита металлических поверхностей ионно-плазменным способом – основана на распылении материалов в вакуумной среде с образованием конденсата и осаждением его на обрабатываемой основе. Вакуумный метод не дает металлам нагреваться и деформироваться.

Технологический метод напыления деталей, механизмов, поверхностей из металла подбирают, в зависимости от характеристик, которые нужно придать напыляемой основе. Поскольку метод объемного легирования экономически затратный, в промышленных масштабах широко используют передовые технологии лазерной, плазменной, вакуумной металлизации.

Напыление в магнетронных установках

Металлизация поверхностей по технологии магнетронного напыления основана на расплавлении металла, из которого выполнена мишень магнетрона. Обработка происходит в процессе ударного действия ионами рабочей газовой среды, сформированными в плазме разряда. Особенности использования магнетронных установок:

• Основными элементами рабочей системы являются катод, анод, магнитная среда, которая способствует локализации плазменной струи у поверхности распыляемой мишени.
• Действие магнитной системы активизирует использование магнитов постоянного поля (самарий-кобальт, неодим), установленных на основании из магнитомягких материалов.
• При подаче напряжения от источника электропитания на катод ионной установки происходит распыление мишени, причем силу тока нужно поддерживать на стабильно высоком уровне.
• Магнетронный процесс основан на использовании рабочей среды, которой выступает соединение инертных и реакционных газов высокой чистоты, подающихся в камеру вакуумного оборудования под давлением.

Преимущества магнетронного напыления позволяют применять данную технологию обработки для получения тонких пленок металлов. Например, алюминиевые, медные, золотые, серебряные изделия. Происходит формирование пленок полупроводников – кремний, германий, карбид кремния, арсенид галлия, а также образование покрытий диэлектриков.

Главное достоинство магнетронного метода – высокая скорость распыления мишени, осаждения частиц, точность воспроизведения химического состава, отсутствие перегрева обрабатываемой детали, равномерность нанесенного покрытия.

Использование при напылении магнетронного оборудования дает возможность обрабатывать металлы и полупроводники с высокой скоростью осаждения частиц, создавать на напыляемой поверхности тонкие пленки с плотной кристаллической структурой, высокими адгезивными свойствами. К основному перечню работ по магнетронной металлизации относятся хромирование, никелирование, реактивное напыление оксидов, карбо- и оксинитридов, сверхскоростная наплавка меди.

Технология ионно-плазменной наплавки

Чтобы получать многомикронные покрытия на изделиях из металла, широко используют метод ионно-плазменного напыления. Он основан на использовании вакуумной среды и физико-химических свойств материалов испаряться и распыляться в безвоздушном пространстве.

Технологически сложный процесс позволяет решать важные технические задачи по металлизации изделий благодаря использованию установки ионно-плазменного напыления:

• Увеличение параметров износоустойчивости, исключение спекания при эксплуатации изделий в условиях высоких температур.
• Повышение коррозийной устойчивости металлов при эксплуатации в агрессивных водных, химических средах.
• Придание электромагнитных свойств и характеристик, эксплуатация в границах инфракрасного и оптического диапазона.
• Получение высококачественных гальванических покрытий, придание изделиям декоративно-защитных свойств, обработки деталей и механизмов, используемых в разных отраслях промышленности.

Процесс ионно-плазменного напыления базируется на использовании вакуумной среды. После поджига катода формируются пятна первого и второго уровня, которые перемещаются с высокой скоростью и образуют плазменную струю в ионном слое. Полученная в результате эродирования катодов струя проходит через вакуумную среду и вступает во взаимодействие с конденсируемыми поверхностями, осаживаясь плотнокристаллическим покрытием.

Использование ионно-плазменного напыления позволяет наносить защитные покрытия при температуре поджига катода до 100°C, отличается достаточно простой схемой получения слоев толщиной до 20 мкм.

С помощью ионно-плазменного напыления на металл удается придавать требуемые свойства конструктивно сложным изделиям нестандартной геометрической формы. После обработки металлическую поверхность не требуется покрывать финишным слоем.

Особенности плазменной металлизации

Наряду с ионно-плазменным напылением и магнетронными способами обработки металлов применяют еще один метод – плазменная металлизация. Главная задача технологии – защита изделий от окислительных процессов в агрессивных средах, повышение эксплуатационных качеств, упрочнение обрабатываемой поверхности, усиление сопротивляемости механическим нагрузкам.

Плазменное напыление алюминия и других металлов основано на высокоскоростном разгоне металлического порошка в потоке плазмы с осаждением микрочастиц в виде покрывающего слоя.

Особенности и преимущества технологии плазменного напыления на металл:

• Высокотемпературный метод нанесения защитного слоя на обрабатываемую поверхность (порядка 5000-6000 °C) происходит за доли секунд.
• Используя методы регулирования газового состава, можно получать комбинированное насыщение металлической поверхности атомами порошковых покрытий.
• Благодаря равномерности потока плазменной струи удается получать одинаково пористое, качественное покрытие. Конечная продукция превосходит результаты традиционных способов металлизации.
• Длительность процесса напыления невысока, что помогает достичь стопроцентной экономической эффективности использования плазменного оборудования в разных производственных масштабах.

Основные компоненты рабочей установки – высокочастотный генератор, камера герметизации, резервуар газовой среды, насосная установка для подачи давления, система управления. Использовать технологию плазменного напыления на металл допускается в домашних условиях при наличии необходимого оборудования с вакуумной камерой – воздействие кислорода приводит к окислению горячих металлических поверхностей и мишени.

На видео: восстановление деталей напылением.

Процесс лазерной обработки

Наплавка металлов лазерным методом позволяет восстанавливать детали и механизмы потоками света, генерируемыми от оптико-квантового оборудования. Вакуумное напыление лазером является одним из наиболее перспективных методов получения наноструктурированных пленок. В основу процесса положено распыление мишени световым лучом с последующим осаждением частиц на подложке.

Преимущества технологии: простота реализации металлизации, равномерное испарение химических элементов, получение пленочных покрытий с заданным стехиометрическим составом. Благодаря узкой направленности лазерного потока в месте его сосредоточения удается получить наплавку изделия любыми металлами.

Механизмы формирования жидкокапельных фаз:

• Крупные капли частиц расплавленной мишени образуются путем воздействия гидродинамического механизма. При этом диаметр крупных капель варьируется в диапазоне 1-100 мкм.
• Капли среднего размера формируются вследствие процессов объемного парообразования. Размер капель колеблется в диапазоне 0,01-1 мкм.
• При воздействии на мишень коротких и частых импульсов лазерного луча в эрозийном факеле образуются частицы мишени небольшой величины – 40-60 нм.

Если в лазерной установке при наплавке металлов на мишень одновременно действуют все три механизма рабочего процесса (гидродинамика, парообразование, высокочастотный импульс), приобретение изделием требуемых характеристик зависит от величины влияния конкретного механизма наплавки.

Одно из условий качественной лазерной обработки – воздействие на мишень таким режимом облучения, чтобы на выходе получить лазерные факелы с наименьшим включением жидкокапельных частиц.

Сверхзвуковое газопламенное напыление HVAF

Высокоскоростное газопламенное напыление HVAF или High Velocity Air-Fuel — это процесс термического напыления для нанесения покрытий с очень низкой пористостью и высокой прочностью сцепления из всех стандартных HVAF металлических и металлокерамических порошков, имеющихся на рынке.

Покрытия HVAF

Нанесенные по технологии HVAF покрытия , аналогичны и в целом сопоставимы с покрытиями, производимыми HVOF и Cold Spray.

HVAF — это процесс «теплого распыления», который холоднее, чем HVOF, но горячее, чем холодное распыление.

Пистолеты HVAF используют осевой впрыск порошка в воздушно-топливную струю с температурой около 1900-1950 ° C. Таким образом, этот процесс позволяет эффективно применять материалы на основе карбидов, но поскольку воздушно-топливная струя производит значительно меньше оксидов, чем высокотемпературные кислородно-топливные струи.

Процесс HVAF также может применять металлы с почти нулевым окислением, как и в случае холодного напыления. HVAF можно наносить на все обычные порошковые материалы для термического напыления, за исключением керамики.

Преимущества технологии и оборудования HVAF

Технология высокоскоростного напыления HVAF исключает трудности, связанные с применением HVAF систем, такие как потребление большого количества кислорода, водяное охлаждение и т.д. Можно распылять непрерывно в течение нескольких часов без остановки/

Возможность напыления материалов на поверхность деталей и предварительной абразивоструйной обработки поверхности одним пистолетом. Далее на видео показана работа установки абразивоструйной обработки и напыления депозита карбида вольфрама, без смены пистолета.

Особенности технологии сверхзвукового напыления HVAF:

• является производной от технологии процесса обычного HVOF
• использует сжатый воздух вместо кислорода
• более высокая скорость распыления и эффективность отложений
• более быстрое распыление и более низкая стоимость нанесения
• более твердые покрытия с лучшими эксплуатационными характеристиками за счет «теплого распыления» процесса
• подготовка поверхности осуществляется с помощью пистолета распылителя HVAF

Минимум затрат на замену или преобразование участка HVOF

Легко реализовать с существующей камерой металлизации и оборудованием HVOF .

Покрытия лучшего качества: более высокая плотность, лучшая износостойкость, лучшая прочность сцепления

Покрытия лучше работают.

Более высокая скорость распыления

Выполняйте задания за меньшее время и с меньшими затратами.

Более высокая эффективность депозита

Для покрытия используйте меньше порошка.

Намного более низкий расход запчастей

Пистолет не изнашивается быстро, расходы на техническое обслуживание значительно снижаются.

Прочные материалы конструкции

Пистолет нелегко повредить из-за ошибок оператора.

Легко настраивается для распыления широкого спектра материалов и достижения различных свойств покрытия

Пистолет HVAF может распылять практически любой металл или сплав, просто изменив конфигурацию оборудования.

Нет необходимости поддерживать запасы кислорода

Для установки системы HVAF требуется меньше площади.

Не требуется охлажденная вода

Пистолет проще в обслуживании, в разобранном состоянии не возникает беспорядка.

Может использоваться в мастерской или на объектах.

Контроллер отслеживает условия на входе и выходе для поддержания заданных значений.

Встроенный журнал данных

Обеспечивает подробную запись истории распыления для документации.

Неограниченное хранилище рецептов

Сохраняйте наборы пользовательских параметров с описательным текстом для каждого материала покрытия или детали.

Функция автоматического распыления полностью автоматизирует процесс распыления

Экономит время и труд, любой может нанести хорошее покрытие.

Пескоструйная очистка из пистолета

Операторы устанавливают детали один раз, дробеструйная очистка и нанесение покрытия происходят в одном месте. Значительно сокращает время и стоимость подготовки.

Заводская помощь доступна бесплатно, нет необходимости ждать, пока технический специалист поедет к заказчику.

Стоимость сверхзвукового напыления HVAF

Стоимость газопламенное напыление HVAF при нанесении покрытия с M3 ™ в 2-4 раза ниже по сравнению с процессом HVOF за счет использования воздуха вместо кислорода и высокой скорости распыления, что сокращает время распыления.

Эксплуатационные расходы

Уменьшение окисления частиц в покрытии

Низкая температура струи газотермического сверхзвукового напыления позволяет избежать перегрева частиц выше точки плавления, характерного для HVAF, плазменного, дугового и детонационного процессов. Поэтому окисление частиц в полете значительно ниже по сравнению с расплавленными частицами при HVAF. Также сверхзвуковое газодинамическое напыление существенно снижается декарбюризация карбидо-вольфрамового порошка при его напылении.

Порошки и эффективность депозита

Газопламенное напылениеHVAF может наносить порошки металлов, карбидов и металлических сплавов с диапазоном размеров от 5 до 53 микрон, из которых наиболее распространена резка -30 + 10 мкм. Эффективность наплавки (DE) составляет 50-75% для порошков карбидов и 60-85% для порошков металлов.

Скорость распыления

Процесс HVAF обеспечивает скорость распыления до 30 кг / час карбидов и до 23 кг / час металлических порошков (система распыления M3 ™).

Скорость струи и частиц

Теоретический предел скорости струи при газопламенном напылении HVAF составляет 1400 м / с для диапазонов давления, которые могут быть обеспечены обычными воздушными компрессорами 125 psi. Скорость частиц составляет до 1100-1200 м / с и зависит от разрезаемого порошка, размера и конструкции пистолета-распылителя (ускоряющего расстояния и профиля сопла).

Применение карбида вольфрама

Ударопрочность

Как и в случае испытаний на усталость и нагрузку, покрытия HVAF демонстрируют очень хорошую ударопрочность. В испытании на удар стальной шар весом 450 гр. упал с высоты 152 см.. Обычно HVOF и сверхзвуковая плазма могут выдержать 18-22 попадания до отказа, как показано на плазменном покрытии WC / 20Cr3C2 / 7Ni слева. Справа — покрытие HVAF WC / 20Cr3C2 / 7Ni, напыленное из пистолета-распылителя M3 ™, которое выдержало 100 ударов, и испытание было остановлено.

Остаточные напряжения

Напыление высокоскоростными пластичными частицами вместо расплавленных ведет к образованию напряжений сжатия в покрытии, или существенному снижению напряжений растяжения.

Постоянство свойств покрытий

Ускоренные до высокой скорости частицы, обладая дробеструйным эффектом, удаляют частицы плохо сцепленные с подложкой, устраняя источник возможных дефектов в покрытии.

Требования к процессу высокоскоростного газопламенного напыления HVAF.

Процесс сверхзвукового газодинамического напыления HVAF работает на пропане, пропилене или природном газе (подаваемом из баллонов или газовой линии под давлением) и сжатом воздухе, подаваемом воздушным компрессором. Никаких дополнительных требований к охлаждению или работе нет.

# газопламенное напыление #сверхзвуковое напыление# высокоскоростное напыление# HVAF# газотермическое сверхзвуковое напыление # высокоскоростное газопламенное напыление HVAF# сверхзвуковое газопламенное напыление# оборудование для сверхзвукового газотермического напыления# сверхзвуковое газодинамическое напыление#

Порошки

При напылении и металлизации порошки являются одним из самых распространенных материалов. Размер частиц порошка колеблется от 5 до 800 мкм. Различают порошки общепромышленного и специализированного назначения. Для общепромышленного напыления применяют порошки с размером частиц не более 200 мкм. Специализированные порошки часто выпускают трех классов:

1. ОМ — особо мелкие с размером частиц 40-100 мкм;
2. М — мелкие с размером частиц 100-280 мкм;
3. С — средние с размером частиц 280-630 мкм.

Обязательной операцией при подготовке порошков является их сушка или прокаливание. При этом улучшается сыпучесть порошка, снижается количество связанной и адсорбированной влаги, органических загрязнений. Для сушки металлических порошков температура составляет 120-150 °С. При более высоких температурах наблюдается интенсивное окисление порошка. Оксидные порошки прокаливают при температуре 600-700 °С. Для сушки и прокаливания используют металлические противни с толщиной засыпки порошка 5-10 мм. Время обработки выбирают в пределах 2-5 ч. Сушку и прокалку порошков осуществляют в печах или шкафах.

Подготавливая порошки для напыления, полезно проверить их сыпучесть. Для этих целей используют методики, принятые в порошковой металлургии. При подготовке для напыления нестандартных порошков большое внимание уделяют рассеву. При этом используют как ситовый рассев, так и другие способы разделения. Для некоторых порошков целесообразна операция обезжиривания.

По химическому составу частиц применяют порошки двух типов: однокомпонентные и двух- или более компонентные. Последние называют композиционными порошками.

Однокомпонентные порошки содержат частицы, полученные из одного металла (алюминия, титана, молибдена и др.) или сплава (Ре-С; Ni-Al; W-С; Ni-Cr; Ni-Cr-B-Si и др.). Структура частиц может быть как гомогенной, так и гетерогенной. Обычно однокомпонентные порошки получают:

• механическим измельчением, которое предпочтительно для хрупких материалов (Si, Cr, Mn, ферросплавов);
• распылением (диспергированием) расплавов, которое может осуществлять водой, газовыми средами или механическим способом (например, центробежное распыление) и применяется для широкого перечня металлов и сплавов;
• восстановлением, которое приводит к изменению химического состава порошка за счет протекания в его объеме восстановительных реакций.

Основное достоинство однокомпонентных порошков состоит в получении покрытий с однородным химическим составом и структурой.

Композиционные порошки

Композиционные частицы порошка состоят из двух или более различных по свойствам компонентов, разделенных между собой четкой границей раздела. Строение композиционных порошковых частиц, получивших наибольшее распространение, показано на рис. 3.31.

При получении композиционных порошков в основном используют: плакирование и конгломерирование. Плакирование порошковых частиц осуществляют следующими методами: химическим восстановлением плакирующего элемента из солей; электролитическими способами; карбонильным разложением соединений; вакуумным конденсационным напылением; диффузионным насыщением.

Рис. 3.31. Строение порошковых композиционных частиц:
1, 3, 5 — плакированные; 2 — конгломерированные; 4, 6 — смешанного типа.

В настоящее время для плакировки порошков в основном используют восстановление металлов (никеля, кобальта, меди и др.) из их солей водородом, гипофосфитом натрия, гидразином и другими восстановителями. Толщина плакировки в пределах фракции порошка меняется незначительно и обычно составляет 2-5 мкм и более. При расчетах объемной и массовой доли осажденного металла необходимо учитывать проникновение его в поверхностные дефекты порошковых частиц. При выборе способа и режима напыления необходимо учитывать большую вероятность сворачивания плакировки на частицах вплоть до полного ее отделения.

Конгломерирование композиционных порошков осуществляют с применением связующих веществ. Благодаря этому возможны любые композиции, реализуется несложная технология, достигается высокая экономичность. Удаление растворителя осуществляется в процессе сушки порошков. Высокотемпературное спекание позволяет повысить прочность гранул и частично удалить связующее вещество.

Конгломерированные частицы с недостаточной механической прочностью распадаются в процессе нагрева и переноса при напылении. Эффективность композиции при этом снижается. Для получения однородных конгломерированиых частиц используют тонкодисперсные порошки с размером 1-10 мкм.

При напылении композиционными порошками обеспечивается:

• получение гетерогенных мелкодисперсных структур с равномерным распределением компонентов, например Со-WC-TiC, Ni-Ni₃Al-Al; Ni-Al₂O₃ и др.;
• протекание экзотермических реакций между компонентами порошка (Ni-Al; Ni-Ti; Со-Al; Ni-Cr-Al и др.);
• защита ядра напыляемой частицы плакировкой от взаимодействия с газовой фазой и др.

Композиционные порошки по характеру их поведения при напылении разделяются на две группы: экзотермически реагирующие и термонейтральные. Применение экзотермически реагирующих порошков характеризуется протеканием в их объеме химических реакций с активным выделением теплоты. Экзотермическими реакциями сопровождается взаимодействие большинства элементов периодической таблицы с бором, углеродом, азотом, кремнием, серой, алюминием и др.:

где X — металл (Ti, Zr, Nb, Ta, Mo, W); Y — металлоиды (В, C, N, Si, S, Se, Al); Z — продукты реакции: бориды, нитриды, интерме-таллиды, карбиды, силициды.

В экзотермических композициях различаются следующие типы:

• металлидные Ni-Al; Ni-Ti, Со-Al; Со-Si; Мо-Ni и др.;
• металлооксидные Al-NiO; Al-РеО; Сг-CuO; Ti-NiO и др.;
• металлоидные Al-WC; Ti-SiC; Ti-B4C; Ti-Si₃N₄ и др.

Металлидные термореагирующие порошки

Металлидные термореагирующие порошковые сплавы повышают прочность сцепления покрытия с основой и физикомеханические свойства в целом. Их применяют в качестве подслоя или для напыления основного слоя. Каждая частица таких экзотермических порошков состоит из ядра, например никелевого, покрытого тонким слоем мелкодисперсного алюминия.

Протекание реакций в объеме частицы экзотермически реагирующих порошков инициируется первичным подводом теплоты при напылении. При этом важно совмещение нагрева частиц от основного источника теплоты с теплотой, которая выделяется при протекании реакции. Tепловой эффект экзотермических реакций в порошках различного химического состава представлен на рис. 3.32.

Рис. 3.32. Тепловой эффект реакций:
1 — V₂O₅ + O₂; 2 — NiAl + O₂; 3 — Al + О₂; 4 — CuO + Al; 5 — CoO + Al; 6 — NiO + Al; 7 — WO₃ + Al; 8 — Cr₂O₃ + Al; 9 — 3Ni + Al = Ni₃Al; 10 — Ni + Al = NiAl; 11 — ZrO₂ + Al.

Наиболее значительные тепловые эффекты наблюдаются в металлооксидных композициях. Для большинства оксидов возрастание температуры напыляемых частиц за счет протекания экзотермических реакций превышает 2000 °C. В металлидных системах тепловой эффект реакции существенно ниже. Прирост температуры напыляемых частиц достигает от 300 до 1000 °C.

Для протекания экзотермической реакции необходимо частицу нагреть до определенной температуры. В зависимости от реагирующих систем эта температура составляет 600-1300 °C.

Для стимулирования экзотермических реакций важно иметь минимальную степень окисления исходных компонентов. Это особенно относится к алюминию, образующему на поверхности порошковых частиц прочную оксидную пленку. Наличие оксидов на порошковых частицах в композиции разобщает реагирующие компоненты и тормозит протекание реакции.

В ряде случаев целесообразно вводить в конгломерат вещества, обладающие восстановительной способностью по отношению к оксидам, например, некоторые галогениды.

Металлоидные термонейтральные порошки

В металлоидных термонейтральных порошках экзотермическая реакция не протекает или тепловой эффект ее пренебрежимо мал. Большинство соединений металлоидного типа характеризуется повышенной хрупкостью. В связи с этим в состав покрытия целесообразно вводить пластичный компонент, например, металл или сплав. Соотношение в покрытии между металлоидным соединением и пластичным металлом колеблется в широких пределах. При этом учитывают как свойства металлоидного соединения, так и условия эксплуатации напыленного изделия.

В таких порошках возможны различные типы композиций:

• металл (сплав) — тугоплавкое металлоидное соединение, чаще всего карбид: Сг-WC, Ni-WC; Ni-Cr₃C₂; Ni-Ti-В; Cu-SiC; Мо-Cr₃С₂; (Ni-Cr)-WC; (Ni-Cr-B-Si)-WC и др.;
• металл (сплав) — металлоидные соединения (Ni-Cr)-NiAl; (Ni-Cr-B-Si)-NiAl и др.;
• металл (сплав) — оксид: Ni-Al₂O₃; Ni-ZrO₂; Cu-ZrO₂; Ni-MgO; Мо-Аl₂O₃ и др.;
• оксид-оксид: SiO₂-Cr₂O₃; SiO₂-Al₂O₃ и др.;
• металл (сплав) — твердая смазка Al-BN; Ni-BN; никель-графит; (Ni-Cr)-CаF₂; Мо-S и др.

По назначению порошки предназначены для создания:

• износостойких покрытий, работающих в различных условиях контакта с изнашивающей средой;
• коррозионно-стойких и жаропрочных покрытий;
• теплостойких покрытий;
• электропроводных и электроизоляционных покрытий;
• уплотнительных покрытий;
• декоративных покрытий.

Износостойкие покрытия на поверхностях деталей при напылении могут быть получены при использовании порошков как на основе цветных металлов, так и на железной основе. Выбор требуемого состава порошка определяется условиями эксплуатации поверхностного слоя.

При работе в условиях наличия в зоне трения пленочной жидкой смазки широкое применение в качестве износостойких антифрикционных материалов нашли баббиты и бронзы. Некоторые марки порошков и их назначение представлены в табл. 3.11.

Таблица 3.11. Характеристики порошков для работы при трении со смазкой.