Сравнение методов нанесения защитных покрытий на промышленное оборудование: плакирование, напыление и наплавка.

Сравним различные методы нанесения защитных покрытий на промышленное оборудование: плакирование, напыление и наплавка.

Плакирование. Плакированные металлы: двух- или более слойные комбинации металл — метал, получаемые различными способами. Плакированные слои металла, как правило, гораздо толще слоев, полученным другими способами обработки поверхности, что объясняется способом их получения.
Известны плакированные листы, полосы, трубы и сортовые профили. Плакированием обеспечивается такое сочетание свойств отдельных слоев, чтобы эффективность использования плакированных материалов была выше, чем каждого из компонентов, их составляющих.
В промышленных условиях применяют различные комбинации металлов: алюминий + углеродистая сталь; алюминий + коррозионностойкая сталь, алюминий + титан, бронза + сталь; хромоникелевая сталь + углеродистая сталь, молибден + коррозионностойкая сталь; латунь + углеродистая сталь, ниобий + углеродистая сталь, никель + медь; титан + углеродистая сталь и др.
Основные свойства, которых стараются добиться при плакировании: прочность, пластичность, коррозионная стойкость, износостойкость, теплопроводность и др.
Плакированные материалы являются не только заменителями однородных (сплошных дорогостоящих материалов). Во многих случаях, благодаря сочетанию свойств своих компонентов они имеют более благоприятные показатели, чем однородные дорогостоящие материалы сами по себе.
Большинство способов получения плакированных материалов сводится к двум переделам:
(1)получение исходного биметаллической заготовки и (2)обработка давлением биметаллической заготовки с получением готового плакированного биметалла. Исключениями являются накатка полосы или порошка на полосу и, отчасти, плакирование взрывом.
Среди способов получения плакированных металлов, распространены следующие:

1) комбинированное литье, когда в изложницу для слитков закладывают перфорированные разделительные листы, отмечающие положение будущей плоскости соединения между сталями А и Б, затем заливают стали А и Б одновременно из двух ковшей через две воронки, контролируя равенство высот зеркала жидкого металла в обеих частях изложницы. Затем биметаллический слиток прокатывают на плакированные листы или фасонные профили;

2) комбинацией твердого металла с жидким, при котором твердые металлические плиты с химическим составом А закладывают в соответствующую изложницу для слитка и закрепляют, а затем заливают вокруг нее жидкий металл Б. Соединение (схватывание слоев) обычно обеспечивается только во время прокатки биметаллического слитка;

3) способ пакетной прокатки, при котором плакированные листы получают путем прокатки собранных и сваренных многослойных пакетов. В зависимости от назначения, расположение и количество слоев может быть различным (двух-, трех- и четырехслойные пакеты). Листы могут быть с одно- и двухсторонним плакированием.
Этот способ получил наибольшее распространение. Его сущность заключается в том, что основной и плакирующий металл собираются вместе в пакет, который обваривают герметичными швами. Затем, пакет перед прокаткой нагревают до температур 1450…1550 К, при который происходит растворение и восстановление окислов на всех поверхностях герметичного объема. Последующая прокатка с величиной обжатия не менее 60% приводит к сварке основного металла с плакирующим слоем.

4) плакирование взрывом. Применяется преимущественно для таких пар материалов, соединить которые другими способами плакирования трудно или же для изготовления изделий специального назначения. Соединение (схватывание) в этом случае возможно и между такими металлами, которые не растворяются один в одном, образуют интерметаллические соединения при повышенных температурах или резко различаются по сопротивлению деформации. Для этого способа характерно применение основного металла и плакирующего материала (покрытия) в холодном состоянии. Сущность плакирования взрывом заключается в том, что на поверхность плакирующего листа помещают взрывчатое вещество с детонатором. Как правило, плакирующий лист располагают под углом к основе. При взрыве, во время соударения пластин возникает струя металла, выходящая с поверхностных слоев основного и плакирующего материала. Вместе с ней удаляется и загрязнение, что способствует образованию ювенильно чистых поверхностей при соединении материалов. Процессы деформации во время соударения протекают при давлениях от нормального атмосферного до 15 МПа, соответствующих движению фронтов ударных волн.
Среди прочих способов плакирования используют получение двух- или трехслойных плакированных полос холодной прокаткой, например Al + Fe + А. Плакирование также производят накаткой порошка на полосу, а также путем прокатки порошковой ленты.
Перечисленные способы плакирования предусматривают получение плакирующих слоев от нескольких до 20 мм.
Наплавка. Плакирование от процессов нанесения слоев наплавкой отличается прежде всего отсутствием разбавления основным металлом рабочего слоя. Независимо от способов соединения рабочего слоя с основным металлом (прокаткой, ковкой, взрывом и др.) всегда в основе плакирования лежит применение способов сварки давлением или ее разновидности. Плакирование поверхности наплавкой сопровождается разбавлением металла плакирующего слоя с основным.
Основные способы дуговой наплавки приведены на (рис. 1)

Рис.1

Рис.1
1-присадочный материал; 2-защитные покрытия; 3-основной металл;
4-наплавленный металл.
А-РДС; Б-ПИП; В-ИНп; Г-Газовая; Д-Аф; Е-Лентой; 3-ЭШС

Автоматическая наплавка под флюсом — наиболее распространенный и хорошо изученный процесс, весьма эффективный при изготовлении биметаллических деталей. При дуговой наплавке под флюсом сварочная дуга между электродом и изделием горит под слоем сухого фанулированного флюса, одновременно плавится сварочная проволока, основной металл и флюс. Металл наплавленного валика, полученного под флюсом, состоит из расплавленного присадочного металла и переплавленного основного. Использование флюса обеспечивает уменьшение разбрызгивания и угара металла. Для уменьшения проплавления основного металла используют многоэлектродную наплавку или ведут процесс с колебанием электрода поперек шва.

Материалы для наплавки.
К разновидностям дуговой наплавки относятся: наплавка лентой, наплавка с поперечными колебаниями электрода, многоэлектродная и многодуговая наплавка.
Порошковые проволоки для наплавки ГОСТ 10543,
Порошковые ленты для наплавкиГОСТ 26467
Применение наплавки с поперечными колебаниями электрода способствует получению меньшей доли основного металла в наплавленном, увеличению ширины и уменьшению длины ванны. Многоэлектродная наплавка осуществляется несколькими электродами, расположенными в линию, перпендикулярно направлению движения. Электроды подключаются к одному полюсу источника тока. В процессе наплавки дуга, перемещаясь с одного электрода на другой с большой скоростью, образует общую ванну.
Наплавка ленточным электродом обеспечивает минимальную глубину проплавления основного металла, и, как результат, минимальный коэффициент смешивания основного металла с наплавленным. Используют электродные ленты шириной от 15 до 100 мм. Минимальное проплавление основного металла объясняется тем, что дуга постоянно перемещается по торцу ленты, что изменяет в каждый момент времени место тепловложения в основной металл.
Необходимой толщины покрытия за один проход позволяет осуществлять электрошлаковый процесс. При электрошлаковой наплавке ток проходит от электрода к детали через жидкий шлак, в результате выделяется тепло. Температура шлаковой ванны выше, чем температура плавления присадочного материала электрода Присадочный металл расплавляется, оседает и формируется охлаждаемым кристаллизатором, который придает нанесенному слою нужную форму. В зависимости от формы поверхности заготовки кристаллизаторы выполняют плоскими, цилиндрическими и других форм для формирования наплавленного слоя соответствующего профиля.
Традиционные схемы электрошлаковой наплавки обеспечивают толщину наплавленного слоя не менее 15…20 мм. Формирующее устройство, как правило, конструируется индивидуально для каждой серии однотипных деталей. Электродным материалом служат: проволока, катаные или литые стержни, пластины, трубы, ленты, дробь.
Плазменная наплавка относится к прецизионным процессам, так как позволяет наплавить слой заданной толщины от 0, 5 до 5 мм как на всю деталь, так и на определенный участок с лимитированной долей основного металла (5… 10%).
При плазменно-порошковой наплавке гранулированный порошок (фракции 50… 160 мкм) требуемого химического состава транспортируется газом в дугу и расплавляется или нагревается до температур, близких к температуре плавления, в столбе плазмы. Столб плазмы образуется за счет энергии дугового разряда, стабилизированного и сфокусированного потоком плазмообразующего газа.
В процессе плазменной наплавки между основным металлом детали и электродом горелки (катодом) возникает электрическая дуга, обеспечивающая переход в плазменное состояние рабочего газа, подаваемого в зону дуги. При этом из сопла горелки истекает высокотемпературная плазменная струя, обеспечивающая плавление наплавочного материала. Применяются и другие способы плазменной наплавки, когда порошок предварительно насыпается на изделие и затем расплавляется плазменной дугой прямого действия.
Используют также схему плазменной наплавки с подвижной присадкой. В качестве присадочного материала можно использовать как обычную так и порошковую проволоку, ленту. Присадка может быть как нейтральной, так и токоведущей. Можно использовать также одну или две проволоки, последовательно подключенные к источнику питания переменного тока, которые нагреваются за счет электрического сопротивления и подаются с постоянной скоростью в сварочную ванну под плазменной горелкой, где происходит их быстрое расплавление. При поперечных колебаниях плазменной горелки получают валик шириной до 64 мм.
Сущность газопорошковой лазерной наплавки заключается в получении поверхностных покрытий принудительной подачей порошка газовым потоком непосредственно в зону лазерного излучения. Частицы порошка, как правило, расплавляются только на обрабатываемой поверхности. Особенностью процесса лазерной наплавки является возможность регулирования времени существования жидкой фазы в минимальных пределах и обеспечении высоких скоростей охлаждения металла наплавки, вследствие чего структура покрытий отличается от полученных другими методами, как правило, в сторону существенного повышения твердости.
При всех указанных способах наплавки, в зависимости от назначения наплавленных слоев, в качестве наплавочных материалов используют проволочные или порошковые материалы, состав которых обеспечивает получение износостойких или коррозионностойких покрытий.
В отличие от перечисленных способов нанесения покрытий газотермическое напыление позволяет получать покрытия от десятых долей мм до нескольких мм.

Газотермическое напыление. Это процесс получения покрытия из нагретых и ускоренных частиц материала с использованием высокотемпературного газового потока, при соударении которых с основой или напыленным материалом идет их соединение за счет сваривания, адгезии и механического сцепления. По энергетическим признакам методы газотермического нанесения покрытий подразделяются на газопламенный, детонационный, плазменный и электродуговой. Эти методы отличаются типом источника энергии, расходуемой на нагрев и ускорение материала, создающего покрытие.
В газопламенных процессах нанесения покрытий используется тепло, которое выделяется при сгорании горючих газов (ацетилена, пропан-бутан, водорода, метана, природного газа и т.п.) в смеси с окислителем (кислородом или сжатым воздухом). Нагретый газ при истечении в объем, заполненный воздухом или другим газом, образовывает поток, или факел. При подаче в факел напыляемого материала, его частицы нагреваются и ускоряются продуктами сгорания.
При детонационном методе нанесения покрытий используется энергия взрыва газовых смесей. Этот метод напыления, в отличие от других газотермических методов, является импульсным. Порошок материала, использующийся для формирования покрытия, и смесь газов, периодически подаются в распылитель. После инициирования возгорания горючей смеси развивается процесс ее детонационного горения. При этом формируется поток частиц материала, которые нагреваются и ускоряются продуктами сгорания газовой смеси. Ударное взаимодействие импульсного двухфазного потока продуктов детонации и частиц порошка с поверхностью основы сопровождается образованием единичного пятна напыления. Процесс образования пятен напыления циклически повторяется.
Плазменный метод нанесения покрытий использует энергию дуговых или высокочастотных разрядов. Газ при взаимодействии с разрядом воспринимает часть его энергии и нагревается до температуры 5000… 55000 К, переходя в состояние низкотемпературной плаз мы. Плазменный поток — это поток вещества, состоящий из электронов, ионов и нейтральных атомов плазмообразующего газа. Частицы исходного материала, попадая в плазменный по ток, нагреваются и переносятся на поверхность обрабатываемого изделия.
Газотермическое напыление, при котором нагрев металла в виде проволоки, прутка или ленты осуществляется электрической дугой, а диспергирование — потоком сжатого газа, называется электродуговым напылением. Дуга горит между электродами — проволоками и плавит их. Расплавленный материал выдувается потоком газа, измельчается в мелкие кап ли и под действием потока газа приобретает определенную скорость. Расплавленные частицы материала при соударении с основой деформируются и охлаждаются, образуя при этом покрытие.
Порошок в высокотемпературный поток подается, как правило, в смеси с транспортирующим газом, функциональное назначение которого — создать газодисперсную смесь с максимально однородным распределением массы дисперсной фазы в объеме и придать частицам скорость, достаточную для их проникновения в наиболее нагретую, центральную часть потока.
Формирование потока частиц при распылении проволоки осуществляется в результате оплавления плазменным потоком ее торца и измельчения образующегося объема расплава на мелкие частицы.
Процесс формирования покрытия:
Элементарный индивидуальный акт взаимодействия при напылении, т.е. взаимодействие одной частицы с основой, может быть условно разделен на три этапа:

— установление химических связей в результате активации;
— объемное взаимодействие, которое сопровождается гетеродиффузией;
— образование новых фаз;

Для образования крепких адгезионных связей, которые обеспечиваются хемосорбцией, частицы напыляемого материала при соударении с поверхностью основы должны вы полнить работу, величина которой зависит от энергии кристаллической решетки, структуры и поверхностной энергии наносимого вещества. В случае соединения чистых металлов или твердых веществ процессы электронного взаимодействия ограничиваются коллективизацией валентных электронов положительными ионами, вследствие чего между системой атомов, которые образовывают кристаллическую решетку, возникает крепкая металлическая связь.
Одним из главных параметров, необходимых для оценки протекания химической реакции между напыляемым материалом и основой, является температура, устанавливающаяся в контакте «жидкая частица — твердая основа» (Тк). Температура Тк лежит в пределах между значениями температур основы и частицы. Для многих случаев Тк соответствует твердому состоянию обоих материалов (частицы и основы). Исключением является напыление тугоплавких материалов, которые подплавляют поверхности менее тугоплавких основ в месте контакта.
Температура Тк определяется температурой напыляемых частиц и основы, частично скоростью частиц, в связи с переходом части их кинетической энергии в тепло при ударе и наличием эндо- или экзотермических реакций при взаимодействии напыляемого материала и основы.
С повышением температуры основы одновременно протекают два процесса: увеличение диаметра пятна Dx, на котором частица в результате взаимодействия крепко закрепляется на основе, и увеличение прочности сцепления частицы с основой в самом пятне Dx за счет увеличения количества ячеек схватывания в нем (рис. 2). Прочное закрепление частицы наступает только при подогреве основы до определенной температуры, соответствующей заполнению контактной поверхности под ячейками схватывания на 40.. .70%.
Перегрев частиц выше температуры плавления также повышает прочность их сцепления с основой и увеличивает площадь пятна химического взаимодействия (s = п D 2x / 4 ).
Возрастание прочности объясняется тем, что при перегреве частиц повышается контактная температура и процесс химического взаимодействия резко ускоряется.

Рис. 2.

Рис. 2. Схема структуры газотермических покрытий: 1 — граница между покрытием и основой; 2 – межслойная граница, 3 — граница между частицами. ; Dx — диаметр участка пятна контакта, на котором происходит «приваривание» частицы.

Принципиально важным является то, что только общее действие повышения Тк, деформации и давления при ударе и растекании частицы на основе способно привести к ее крепкому закреплению на поверхности.
В зависимости от соотношения тепловой и кинетической энергии частиц в момент их встречи с основой, возможно образование двух типов структур — с преобладающим зернистым или слоистым строением. Каждая остывшая частица, в свою очередь, имеет в структурах обоих типов зернистое или чешуйчатое строение. Размеры образований внутри частицы зависят от дискретно-коллективных условий теплообмена дисперсной фазы при формировании слоя и лежат в пределах 0, 1… 10 мкм.
В соответствии с оценками характерных размеров границ неоднородности такой структуры: толщина границы между слоями составляет около 0, 1 … 10 мкм; толщина деформированных частиц — 2, 0 … 20 мкм; протяженность полиморфных зон в дискретных частицах-0, 1… 1, 0 мкм; толщина границ между частицами до 1 мкм; протяженность участков схватывания по границам частиц — 0, 1 … 0, 5 мкм; ширина трещин между частицами — 0, 08 … 0, 3 мкм. Субмикроструктура частиц состоит из зерен и трещин, ширина которых оценивается как (6…15) 1СТ4 мкм.
Таким образом, газотермическое покрытие — это слоистый материал, состоящий из сильно деформированных, напыленных частиц, соединенных между собой по контактным поверхностям сварными участками диаметром Dx и площадью s = л D 2x /4 . Сварные участки не заполняют всю площадь контакта между частицами и поэтому прочность и плотность напыленных покрытий ниже прочности и плотности материала покрытия в компактном со стоянии. Прочность самих сварных участков зависит от количества очагов схватывания, образующихся на площади S в период удара, деформации и затвердевания частицы, и опре деляется развитием химического взаимодействия материалов в контакте.
В покрытии можно выделить структурные элементы, которые отражают процессы его формирования и разделяются границами раздела с определенными свойствами. Граница раздела между покрытием и основой 1 (рис. 2) определяет прочность сцепления или прочность соединения между ними. Свойства самого покрытия обуславливаются прочностью сцепления частиц в нем 3. Сцепление покрытия и основы называют адгезией, а сцепление частиц в покрытии — когезией. Граница 2 раздела между слоями (межслойная граница), полученная за один проход распылителя возникает из-за различной длительности выдержки между нанесением частиц в слое и между слоями. Закалка выдержки межслойного нанесения поверхность ранее нанесенного слоя покрытия окисляется и контактные процессы между ней и напыляемыми частицами затрудняются, что является причиной возникновения границы.
Исходя из рассмотренных выше условий образования газотермических покрытий, можно считать, что в обычных условиях каждая частица (слой при импульсных методах нанесения покрытий) затвердевает в отдельности и не испытывает при этом дополнительного термического влияния от напыляемого материала. Это позволяет достигать высоких скоростей охлаждения и реализовывать условия последовательной, беспрерывной закалки малых порций расплава Закалка вещества из расплава при определенных условиях позволяет получать некристаллические (аморфные) материалы. Распределение материалов на кристаллические и некристаллические базируется на наличии или отсутствии трансляционной симметрии. Аморфные газотермические покрытия имеют повышенные эксплуатационные характеристики по сравнению с кристаллическими: прочность сцепления с основой, износостойкость, коррозийную стойкость.

Конструкции покрытий. Служебные свойства изделий с покрытиями определяются не только свойствами материала, который был использован при создании рабочей поверхности. Сам процесс нанесения покрытия имеет большие потенциальные возможности как в плане создания новых видов покрытий, так и техники использования самой технологии.
Конструирование покрытия включает в себя определение толщины слоя материала, создающего рабочую поверхность, выбор его состава и структуры системы «покрытие — основа». Традиционно применяется несколько типов структуры газотермических покрытий (рис .3).

Рис. 3 Типы структуры покрытий

Рис. 3 Типы структуры покрытий

Довольно распространенным является однослойное покрытие (рис. 3, а). Его ис пользование целесообразно в случае создания конструкции «покрытие — основа» из мате риалов с соизмеримыми значениями коэффициентов термического расширения. Необходимым условием является также обеспечение прочности сцепления покрытия с основой. Как правило, такие условия выдерживаются при нанесении металлических покрытий на металлическую основу.
Более распространенным является покрытие с подслоем (рис. 3, б). Подслой имеет меньшую; относительного основного слоя покрытия, толщину, лежащую в пределах 0, 025… 0, 1 мм. Назначение подслоя — в обеспечении крепкой связи покрытия с основой. Кроме того, его часто используют как переходный слой между материалами основы и основного покрытия для уменьшения разности их коэффициентов термического расширения. Зачастую как подслой используются никель — алюминиевые материалы в виде композиционных порошков или сплавов; при нанесении оксидных покрытий для этого пригодны так же никель титановые сплавы.
За счет соединения свойств матрицы и наполнителей можно получить покрытие из многокомпонентной структурой (рис. 3, в). Покрытия такого типа могут быть получены при нанесении механических смесей покрытий или композиционных порошков. В случае эксплуатации покрытия в условиях механических ударных нагрузок и теплосмен используются многослойные и градиентные структуры (рис. 3 г, д). При этом, С градиентная структура может быть как слоистой (из нескольких слоев с различным соотношением компонентов) так и непрерывной (отношение компонентов по толщине покрытия из меняется плавно) в результате их раздельного дозирования в процессе напыления.

Пропитка. Используется для заполнения пор газотермических покрытий. Для этого на напыленную поверхность различными способами наносят пропиточный материал. При расплавлении за счет капиллярных сил материал проникает в несплошности покрытия и обеспечивает заполнение большинства сообщающихся открытых несплошностей. Так, например, ведут себя медь и большинство припоев при пропитке покрытий из карбидов вольфрама.
Оплавление. Является распространенным способом упрочнения покрытия. Процесс ведут с местным или общим нагревом напыленного изделия до температуры плавления материала покрытия. Для сохранения тонкой структуры процесс оплавления необходимо вести таким образом, чтобы исключить сливание расплавленных частиц между собой. Оплавление покрытий при температурах близких к солидусу сохраняет значительную часть исходной структуры напыленного материала. Наиболее легко процесс оплавления реализуется в покрытиях, напыленных из самофлюсующихся материалов. Типичными представителями самофлюсующихся материалов являются сплавы на железной никелевой или кобальтовой основе с добавками кремния и бора. Оксиды В2О3 — Cr2O3 — SiO2 образуют достаточно легкоплавкий шлак, легко удаляющийся при оплавлении покрытия.