Детонационный метод напыления покрытий. Технология и оборудование.

 

Начиная изложение материалов нашего доклада, хочу отметить одну общую особенность, связанную с любыми процессами, целью которых является получение покрытий. Они (покрытия), образно говоря, как зубные пломбы, могут представлять интерес для потребителя лишь в одном случае - если хорошо держатся . В противоположном случае - будь хотя бы алмазные - они никому не нужны. Поэтому высокая адгезионная прочность (адгезия) является необходимым (но не достаточным) условием применения покрытий. Предлагаемый детонационный метод напыления покрытий при его правильном применении обеспечивает хорошую адгезию получаемых покрытий, в чем легко убедиться визуально проанализировав представленные здесь детали с покрытиями, частично изношенные до основного материала потоком абразивных частиц. Переход от основы к покрытию носит плавных характер, отсутствует ступенька, что свидетельствует о высокой адгезионной прочности, способной удержать покрытие вплоть до его полного износа частицами.

Описание технологии.

Сущность метода детонационного напыления ( ДН ) весьма проста: в водоохлаждаемую трубу (ствол) заполненную газовой взрывчатой смесью помещаются напыляемые частицы порошка после чего в газе возбуждается детонация. Взаимодействуя с продуктами детонации, частицы нагреваются и ускоряются в направлении напыляемой поверхности детали, при столкновении с которой они образуют плотное и хорошо сцепленное с ней покрытие. Далее следует релаксация давления, продукты детонации почти полностью выходят из ствола, который продувается не реагирующим газом, вновь наполняется газовой взрывчатой смесью, (причем свежая взрывчатая смесь отделена от оставшихся в стволе продуктов детонации упомянутым не реагирующим газом - для предотвращения спонтанного инициирования), происходит вбрасывание порции порошка, инициирование детонации и так далее. При каждом выстреле напыляется 1 - 7 мкм толщины покрытия на площади, приблизительно равной диаметру ствола (20-30 мм). Выход детонационной волны в атмосферу сопровождается интенсивной звуковой волной амплитудой 140 ДБ на расстоянии 3 метров от среза ствола. Очевидно, что природа ДН - взаимодействие с газообразными продуктами экзотермической химической реакции - близка к газопламенному напылению. Однако, в отличие от него отсутствует сильный нагрев детали, что связано с импульсным характером процесса ДН.

 

Напылительное оборудование.

 

Как понятно из сказанного выше, в применяемом оборудовании необходимо реализовать приведенный основной алгоритм т.е. последовательность событий, происходящих при каждом выстреле (продувка, наполнение, вбрасывание, инициирование). Существуют по крайней мере два пути реализации этого алгоритма: первый - принудительный, например, с помощью командоаппарата или компьютера или распредвала и второй - естественный - с помощью импульсного характера детонационного процесса. В большинстве существующих конструкций напылительного оборудования выбран принудительный вариант, в нашей - естественный, как в автомате Калашникова, где для перезарядки и инициирования используется часть энергии продуктов сгорания пороха, ( в нашем случае - продуктов детонации).

 

После прохождения детонационной волной уровня трубки ввода порошка V начинается подъем давления в порошковом дозаторе VI, соединенном с последней, и это продолжается вплоть до момента прихода волны разрежения со стороны открытого конца ствола IV, после чего начинается релаксация (спад) давления в дозаторе VI. Он сопровождается вбрасыванием порошка в трубку ввода V и далее в ствол. В тоже время происходит наполнение ствола взрывчатой смесью из смесителя I через демпфер II , причем первыми в ствол поступают охлажденные продукты детонации, первоначально находящиеся в демпфере II . Они выполняют роль продувочного не реагирующего газа, отделяющего свежую взрывчатую смесь от еще горячих продуктов детонации, оставшихся в стволе. Далее следует инициирование детонации, нагрев и ускорение частиц порошка и напыление покрытия.

 

Области применения детонационного напыления.

 

Наиболее распространенными порошковыми материалами являются корунд т.е. альфа фаза оксида алюминия и спеченная смесь карбида вольфрама и кобальта (или карбид вольфрама,плакированный кобальтом) ВК-15, ВК-20, ВК-25, (цифры означают процентное содержание кобальта). Напыление корунда позволяет получать покрытия, (содержащие до 30% альфа фазы) толщиной от 0.01 до 1 мм, обладающие адгезионной прочностью не менее 5 кг на 1 кв. мм, пористостью не более 5% и твердостью около 70 единиц HRC. Покрытия из оксида алюминия могут применяться для повышения износостойкости деталей, работающих в условиях трения в паре с мягкими материалами - резиной, фторопластом и другими, используемыми для уплотнительных узлов; в паре с твердыми материалами в подшипниках скольжения, работающими со смазкой, во фрикционных парах. Кроме того эти покрытия обладают теплоизолирующими и электроизоляционными свойствами, а также в некоторых случаях могут использоваться для защиты от коррозии. (Использованию в последнем качестве препятствует сквозная пористость покрытий из оксида алюминия). Ниже перечислены детали, износостойкость которых была значительно (в 2 и более раз) повышена за счет напыления покрытий из оксида алюминия: алюминиевые автомобильные диски сцепления, которые прошли 6 гонок на выживание; тормозные диски <Багги>; диски сцепления спортивных игровых мотоциклов; штоки тормозной системы автобуса <Икарус>, которые были одновременно восстановлены и упрочнены; огнепреградители в виде сеток из проволоки (диаметром 0.1 мм) из нержавеющей стали; алюминиевые ролики для поддержки проволоки; алюминиевые воздушные турбинки (веретена), используемые для скручивания нитей; поддерживающие планки для пряжи; опорные ролики с электроизолирующим покрытием из оксида алюминия, используемые при производстве алюминия; торцевые уплотнения, контактирующие с фторопластовыми шайбами применяемыми в пищевой промышленности; места под сальниковые уплотнения на всевозможных валах, контактирующие с уплотнительными материалами; ручьи алюминиевых шкивов. Помимо покрытий из оксида алюминия могут также наноситься покрытия из окиси хрома, вольфрама, титана, стабилизированного диоксида циркония и диоксида гафния.

Покрытия из ВК обладают высокой адгезионной прочностью (около 20 кг на кв.см ) стойкостью к износу трением и эрозионному износу, к ударным нагрузкам и к коррозии; пористость покрытий - не более 0.5%. Их использование ограничено температурой эксплуатации деталей 500 градусов Цельсия; при более высоких температурах вместо ВК применяют композитный порошок карбида хрома с нихромом. Детали, на которые обычно напыляют ВК, это - лопатки турбин авиационных двигателей, подшипники скольжения, режущие кромки ножей для мягких материалов (для бумаги, глины и др.).

Остановимся еще на одном достаточно важном, особенно для России в настоящее время, применении ДН - для восстановления изношенных поверхностей деталей. Наиболее характерным примером здесь может служить вполне конкретная деталь - чашка дифференциала заднего моста троллейбуса, у которой было необходимо напылить на шейках два места под подшипники, где ранее произошло их заклинивание и сильный износ поверхностей. Здесь преимущества метода ДН проявились в полной мере: напыление высокоуглеродистой стали при отсутствии каких либо термических деформаций (поводок) восстановило деталь и далее может быть проведено неоднократно. Предыдущие попытки провести напыление газопламенным методом или наплавкой электродом приводили часто к охрупчиванию вследствие перегрева и потери прочности материала шеек. Другая деталь - фланец заднего моста, контактирующий с сальниковым уплотнением: износ металла под сальником составлял около 0.7 мм на диаметр. Напыление слоя оксида алюминия толщиной 0.45 мм с последующей шлифовкой позволило не только вернуть эту деталь в эксплуатацию, но и упрочнить ее поверхность, обеспечив гарантированное прохождение ресурса.

 

Доклад на "Автосалоне-2002"

Авторы: Гончаров А.А., Крылов Е.А.