X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Существует несколько методов напыления металлов на подложку. В данной работе рассмотрены способы нанесения металлов на поверхность керамической подложки деталей и изделий.

Цель работы – выяснить, какой из способов нанесения металлов на керамическую подложку более эффективен. Самыми распространенными являются холодное напыление металла, технология нанесения металических покрытий «Димет» [1], плазменное напыление.

Керамическое покрытие

Наносимые методами плазменного и высокоскоростного газопламенного напыления, получили широкое распространение в промышленности благодаря технологичности производства, высокой твердости, электроизоляционным и теплоизоляционным свойствам покрытий, неизменно высокому качеству результата.

Сфера применения керамических покрытий довольно широка:

авиация, энергетика, транспорт газа – для напыления термобарьерных поверхностей на лопатки и элементы горячего тракта газотурбинных двигателей;

энергетика – наносится на уплотнительные поверхности насосов, также используется при создании электроизоляционных подшипников;

металлургия – используется для защиты от высоких температур пресс-форм, создания теплозащитных покрытий печных роликов и деталей линий металлопроката;

порошковая металлургия — защита изделий от науглероживания от графитовой подложки;

геофизика – для создания электроизоляционного покрытия электродов ГИЦН;

нефте- и газопереработка – покрытие факельных оголовков;

текстильная промышленность – защита истираемых нитями поверхностей;

полиграфия – восстановление геометрии валов коронаторов и анилоксовых керамических валов.

Керамические оксидные покрытия, обладая высокой твердостью, позволяют обеспечивать дополнительные свойства. Основными из них являются теплозащита, термостойкость, электроизоляция, регулируемая проводимость, возможность качественной лазерной гравировки. Керамическое покрытие наносится как на наружные, так и на внутренние поверхности изделий. При этом они должны быть предварительно обработаны. [2].

Холодное газодинамическое напыление

Метод холодного газодинамического напыления металла состоит в том, что твердые частицы металла, температура которых значительно меньше их температуры плавления, разгоняются до сверхзвуковой скорости и закрепляются на поверхности при соударении с нею [3].

Сущность метода холодного газодинамического напыления металла включает в себя формирование в сопле сверхзвукового газового потока, подачу в этот поток порошкового материала с размерами частиц 0,01 - 50 мкм, его сверхзвуковое ускорение в сопле и направление частиц порошка на поверхность изделия. Ускорение частиц возможно в среде холодных или подогретых газов, таких как: воздух, гелий, азот. Значения температуры существенно ниже температуры плавления материала порошка (0,4 - 0,7Т_пл). Технология холодного газодинамического напыления позволяет наносить металлические покрытия не только на металлы, но и на стекло, керамику, камень, бетон. Покрытия, нанесенные этим методом, механически прочны и имеют высокую степень сцепления с подложкой.

Наиболее важным параметром при холодном напылении является скорость частиц, именно от ее величины зависят адгезия, пористость, микротвердость покрытий и др. Для всех частиц с диаметром 50 мкм существует «пороговая» величина скорости взаимодействия их с подложкой (500-600 м/с). Если скорость ниже этого значения, то наблюдается процесс эрозии. При скорости выше «пороговой» процесс эрозии переходит в напыление.

При расходе частиц выше критической величины частицы прочно сцепляются с поверхностью изделия и между собой, образуя в напыленном слое плотную упаковку. Из рис. 1, а видно, что внешняя часть покрытия представляет собой совокупность деформированных частиц напыляемого материала с характерным размером d = 20 - 40 мкм и следами (кратерами) от ударов бомбардирующих частиц. Поперечный разрез (шлиф) покрытия (рис. 2, б) показывает, что оно отличается малой пористостью и хорошей однородностью по всей толщине слоя. Наличие шероховатой границы между напылённым слоем и поверхностью тела, которая предварительно обрабатывалась по 10 классу чистоты, свидетельствует о том, что перед образованием напыления также имеет место пластическая деформация и эрозия поверхности тела.

Рис. 2. Микрофотографии внешнего слоя (х150) и поперечного шлифа покрытия из частиц алюминия (электронный микроскоп, х300)

Существует 2 разновидности холодного газодинамического напыления: высокого и низкого давления [3]. .

Газ под высоким давлением нагревается и смешивается с порошком, затем газопорошковая смесь поступает в сопло, где она ускоряется до сверхзвуковой скорости и направляется на подложку, формируя покрытие (рис. 2).

Рис. 2. Схема холодного газодинамического напыления высокого давления

При методе холодного напыления низкого давления обычно напыляют различные металлические порошки вместе с добавкой керамических частиц (Al2O3, SiC). Считается, что эти добавки активируют поверхность подложки, улучшая адгезию, и благодаря им прочищается сопло.

Газотермические технологии нанесения покрытий

Газотермические технологии нанесения покрытий являются одним из способов обработки поверхности материалов, которые используются уже в течение нескольких десятилетий. [4].

Следует отдельно отметить высокую эффективность применения газотермических покрытий для защиты от коррозии в различных средах (индустриальной, морской, кислотно-щелочной и т.д.), в том числе, от коррозии различных строительных конструкций и резервуаров. Также в комбинации с различными красками и мастиками. Известны применения газотермических покрытий в электротехнической и электронной промышленной, в авиационной и ракетной технике, при создании новых материалов и конструкций («корковые изделия»). Свойства газотермических покрытий (механические, электрические, теплофизические, оптические и другие) в силу строения и их образования принципиально отличаются, например, от литой структуры металла. Свойства покрытий определяются условиями их формирования. Частицы напыляемого материала размером 5 – 200 мкм, при большинстве способов напыления находясь в расплавленном состоянии, с высокой скоростью 50 – 1000 м/сек ударяются о напыляемую поверхность (подложку) практически холодную. Происходит расплющивание этих частиц и иногда частичное разбрызгивание. При этом они резко охлаждаются со всеми возможными последствиями для формирования кристаллической или аморфной структуры расплющенной частицы. Эти расплющенные частицы (чешуйки) наслаиваются друг на друга, образуя чешуйчатую структуру покрытия. Чешуйки отделены друг от друга окисной плёнкой, которая в ряде случаев образует керамический каркас покрытия. Именно эти особенности формирования и строения газотермических покрытий и определяют их уникальные свойства. Общим для всех газотермических покрытий является наличие диспергированного напыляемого материала, ускоряемого газовой струёй. Термин «газотермические технологии» в настоящее время объединяет следующие способы нанесения покрытий:

Газопламенное напыление проволокой или стержнями. [4]. При газопламенном напылении проволокой или стержнями распыляемый материал непрерывно подаётся в центр ацетилен-кислородного пламени и там оплавляется. С помощью распыляющего (диспергирующего) газа, например, сжатого воздуха или азота, расплавленные капли выдуваются из зоны плавления и ускоряются в направлении подготовленной детали. Газопламенное напыление проволокой является одним из самых распространенных способов с очень высоким качеством покрытия. В автомобилестроении ежегодно более сотни тонн молибдена напыляется на вилки переключателей, кольца синхронизации и поршневые кольца.

Газопламенное напыление порошком. [4]. При газопламенном напылении порошком порошкообразные частицы напыляемого материала плавятся или оплавляются в ацетилен-кислородном пламени и с помощью расширяющегося горючего газа ускоряются в направлении подготовленной поверхности детали. Если требуется, то для ускорения порошка можно использовать ещё дополнительный газ (например, аргон или азот). Существует более 100 различных порошковых материалов. Среди порошков различают самофлюсующиеся и термореагирующие порошки. Для самофлюсующихся обычно требуется дополнительная термообработка оплавлением ацетиен-кисородной горелкой. Термореагирующие порошки используют для подслоя, увеличивающего прочность сцепления покрываемой поверхности и основного покрытия. Термореагирующими их называют в связи с тем, что исходная частица состоит из двух «склеенных» частичек разнородных материалов, которые при нагревании в газовой струе вступают в реакцию образования интерметаллида с выделением тепла, например, Ni-Al, Al-Fe и т.д. Области применения: втулки переключения, ролики рольгангов, посадочные места подшипников, вентиляторы, роторы шнеков и т.д.

Газопламенное напыление пластиков. [4]. Газопламенное напыление пластиков отличается от других газопламенных технологий тем, что при этом способе пластик не имеет прямого контакта с ацетилен-кислородным пламенем. В центре газопламенного пистолета имеется подающее газопламенное сопло. Вокруг два кольцевых сопла. Внутреннее для воздуха или инертного газа, внешнее кольцо для энергоносителя, ацетилен- кислородного пламени. Процесс оплавления пластика происходит не прямо от пламени, а от нагретого воздуха и излучения. Применение: перила, кирпичные трубопроводы, ёмкости для воды, садовая мебель, маркировка бассейнов и т.д.

Плазменное напыление металла

При плазменном способе нанесения покрытий напыляемый материал разогревается до жидкого состояния и переносится на обрабатываемую поверхность при помощи потока плазмы с высокой температурой (рис. 5). [5] Напыляемый материал выпускается в виде прутков, порошков или проволоки. Порошковый способ наиболее распространенный.

Уникальность метода плазменного напыления заключается в высокой температуре (до 50 тыс. градусов по Цельсию) плазменной струи и высокой скорости (до 500 м/с) движения частиц в струе. Нагрев же напыляемой поверхности невелик и составляет не более 200 град.

Рис. 5. Плазменное напыление.

Плазменно-дуговое напыление в сочетании с одновременной обработкой поверхности вращающейся металлической щеткой позволяет уменьшить пористость покрытия до 1-4%, а общую толщину напыления увеличить до 20 мм.

Плазмообразующими газами служат азот, гелий, аргон, водород, их смеси и смесь воздуха с метаном, пропаном или бутаном.

Для плазменного напыления используют проволоку, в том числе порошкового типа, порошки из черных и цветных металлов, никеля, молибдена, хрома, меди, оксиды металлов, карбиды металлов и их композиции с никелем и кобальтом, сплавы металлов, композиционные материалы (никель-графит, никель-алюминий и др.) и механические смеси металлов, сплавов и карбидов.

Регулирование режима напыления позволяет наносить как тугоплавкие материалы, так и легкоплавкие.

Основой для плазменного напыления могут служить металлы и неметаллы (керамика, пластмасса, кирпич, бетон, графит и др.). Для нанесения покрытий на небольшие поверхности применяется микроплазменный способ напыления, который позволяет сэкономить потери напыляемого материала (ширина напыления 1-3 мм).

С целью повышения адгезии напылённых покрытий, защиты от окисления, уменьшения пористости используется метод плазменного напыления в защитной среде (вакуум, азот, смесь азота с аргоном и водородом) и с применением специальных сопел, закрывающих область между распылителем и обрабатываемой поверхностью. Перспективным направлением в технологии плазменного напыления является сверхзвуковое напыление.

Технология нанесения металических покрытий «Димет»

Технология нанесения покрытий [1] включает в себя нагрев сжатого газа (воздуха), подачу его в сверхзвуковое сопло и формирование в этом сопле сверхзвукового воздушного потока, подачу в этот поток порошкового материала, ускорение этого материала в сопле сверхзвуковым потоком воздуха и направление его на поверхность обрабатываемого изделия (рис. 3).

В качестве порошковых материалов используются порошки металлов, сплавов или их механические смеси с керамическими порошками. При этом путем изменения режимов работы оборудования можно либо проводить эрозионную обработку поверхности изделия, либо наносить металлические покрытия требуемых составов. Изменением режимов можно также менять пористость и толщину напыляемого покрытия.

Рис.3. Основные элементы технологии «Димет»

В наиболее распространенных газотермических методах нанесения покрытий для формирования покрытий из потока частиц необходимо, чтобы падающие на подложку частицы имели высокую температуру, обычно выше температуры плавления материала.

В газодинамической технологии напыления (которую на практике удобно называть "наращиванием" металла), это условие не является обязательным, что и обуславливает ее уникальность. В данном случае с твердой подложкой взаимодействуют частицы, находящиеся в нерасплавленном состоянии, но обладающие очень высокой скоростью (рис. 4). Ускорение частиц до нужных скоростей осуществляется сверхзвуковым воздушным потоком с помощью разработанных в ОЦПН оригинальных установок серии ДИМЕТ®, не имеющих аналогов в традиционных методах нанесения покрытий.

Способ формирования металлических покрытий оборудованием ДИМЕТ® - в газодинамическом методе, т.е. закрепление твердых металлических частиц, обладающих большой кинетической энергией, на поверхность подложки в процессе высокоскоростного удара.

Привлекательность технологии нанесения металла на поверхность деталей и изделий газодинамическим методом состоит в том, что оборудование и создаваемые с его помощью покрытия свободны от большинства недостатков, присущих другим методам нанесения металлических покрытий, и обладают рядом технологических, экономических и экологических преимуществ.

Рис.4 Взаимодействие частиц с подложкой

Газодинамический метод нанесения металлических покрытий обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами. Эти преимущества состоят в следующем:

покрытие наносится в воздушной атмосфере при нормальном давлении, при любых значениях температуры и влажности атмосферного воздуха;

при нанесении покрытий оказывается незначительное тепловое воздействие на покрываемое изделие;

технология нанесения покрытий экологически безопасна (отсутствуют высокие температуры, опасные газы и излучения, нет химически агрессивных отходов, требующих специальной нейтрализации);

не требуется подогрев покрываемого изделия;

при отсутствии на подложках пластовой ржавчины или окалины на металлическом изделии не требуется тщательной подготовки поверхности (при воздействии высокоскоростного потока частиц происходит очистка поверхности от технических загрязнений, масел, красок и активация кристаллической решетки материала изделия);

поток напыляемых частиц является узконаправленным и имеет небольшое поперечное сечение. Это позволяет, в отличие от традиционных газотермических методов напыления, наносить покрытия на локальные (с четкими границами) участки поверхности изделий;

возможно нанесение многокомпонентных покрытий с переменным содержанием компонентов по его толщине;

оборудование отличается компактностью, мобильностью, технически доступно практически для любого промышленного предприятия, может встраиваться в автоматизированные линии, не требует высококвалифицированного персонала для своей эксплуатации;

путем простой смены технологического режима оборудование позволяет проводить микроэрозионную (струйно-абразивную) обработку поверхностей для последующего нанесения покрытий или достижения декоративного эффекта;

возможно нанесение различных типов покрытий с помощью одной установки;

возможно использование оборудования в полевых условиях.

В качестве порошковых материалов используются порошки металлов, сплавов или их механические смеси с керамическими порошками. При этом путем изменения режимов работы оборудования можно либо проводить эрозионную обработку поверхности изделия, либо наносить металлические покрытия требуемых составов. Изменением режимов можно также менять пористость и толщину напыляемого покрытия.

Вывод

Были рассмотрены методы напыления металлических покрытий на подложку. Мои исследования показали, что у каждого метода есть свои преимущества и недостатки. Но, так как я была более заинтересована в методе напыления металла именно на керамическую подложку, технология нанесения покрытий «Димет» является самой оптимальной. По таким критериям, как прочное сцепление с поверхностью подложки, соотношения цена/качество, не требуется подогрев изделия, можно наносить покрытия на небольшие участки подложки, компактное и мобильное оборудование, возможность нанесения разных типов покрытий одним оборудованием.

Литература

Димет – оборудование для напыления металлов. [Электронный ресурс]. URL: http://dimet.info/ (дата обращения 25.01.2018).

Керамические покрытия. [Электронный ресурс]. URL: http://www.plackart.com/ (дата обращения 25.01.2018).

Холодное газодинамическое напыление. [Электронный ресурс]. URL: https://worldofmaterials.ru/ (дата обращения 25.01.2018).

Газотермические технологии нанесения покрытий. [Электронный ресурс]. URL: http://t-s-t.ru/ (дата обращения 25.01.2018).

Плазменное напыление металла. [Электронный ресурс]. URL: http://www.electrolibrary.info (дата обращения 25.01.2018).

Код для цитирования: Скопировать