Термическое напыление: Типы, применение и преимущества

Сегодня термические напыленные покрытия используются во многих отраслях. Они состоят из проволоки и расплавленного порошка, подвергаемых воздействию плазмы или окси-топливного горения. Поток из напылительного аппарата разгоняет нагретную смесь, которая при попадании на металл образует прочное покрытие.

Термические напыленные покрытия применяются в широком спектре задач: защита самолетов, зданий и сооружений от экстремальных температур, химикатов, влажности и дождя. В статье рассмотрим, что такое термическое напыление, как его выполняют, области применения и преимущества.

Что такое термическое напыление?

Термическое напыление — групповые названия процессов покрытия, при которых расплавленные (или нагретовые) материалы распыляются на поверхность. «Заряд» (предшественник покрытия) нагревают электрически (плазма, дуга) или химически (пламя сгорания).

Термическое напыление дает толстые покрытия (толщина ~20 мкм до нескольких мм, в зависимости от процесса и заряда), на больших площадях с высокой скоростью напыления по сравнению с гальваникой, физическим и химическим осаждением из паровой фазы.

Материалы покрытий: металлы, сплавы, керамика, пластики, композиты. Подаются в порошковой или проволочной форме, нагреваются до расплавленного или полурасплавленного состояния и разгоняются к субстрату в виде частиц размером в микрометры.

Источником энергии обычно служат горение или электрическая дуговая разряд. Покрытия образуются накоплением множества распыленных частиц. Субстрат может не нагреваться сильно, что позволяет покрывать легковоспламеняющиеся вещества.

Качество покрытия оценивают по пористости, оксидному содержанию, микротвердости и макротвердости, адгезии и шероховатости. Обычно качество растет с увеличением скорости частиц.

Помимо применения на новом оборудовании, термические напыленные покрытия используют для ремонта изношенных и поврежденных в эксплуатации деталей, восстановления размеров механически обработанных частей (печатающие валы, недоразмерные подшипники).

Как выполняется термическое напыление?

Термическое напыление — общая категория процессов, наносящих расходный материал в виде струи тонких расплавленных или полурасплавленных капель для образования покрытия.

Отличается способностью оседать покрытия из металлов, керметов, керамики и полимеров слоями существенной толщины (обычно 0,1–10 мм) для инженерных целей. Почти любой материал можно осадить, если он плавится или становится пластичным при напылении. На поверхности субстрата частицы образуют «брызги» или «плетлетты», сцепляясь и нарастая в покрытие.

Осадок не сплавляется с субстратом и не обязан образовывать твердый раствор для адгезии. Это ключевая особенность по сравнению с дуговой сваркой, лужением, лазерным напылением.

Связь термически напыленного покрытия с субстратом преимущественно механическая, а не металлургическая или диффузионная. Адгезия зависит от состояния поверхности субстрата: она должна быть чистой и зашерохованной (пескоструйная обработка или механическая) перед напылением.

Процессы термического напыления десятилетиями широко используются во всех основных отраслях машиностроения для защиты и восстановления компонентов. Недавние разработки оборудования и процессов улучшили качество и расширили применимость.

Типы процессов термического напыления

Выделяют несколько вариаций:

• Плазменное напыление
• Детонационное напыление
• Дуговое напыление проволокой (wire arc spraying)
• Пламенное напыление (flame spraying)
• Высокоскоростное окси-топливное напыление (HVOF)
• Высокоскоростное воздух-топливное напыление (HVAF)
• Теплое напыление (warm spraying)
• Холодное напыление (cold spraying)
• Напыление и сплавление (spray and fuse)

В классических процессах (разработаны 1910–1920 гг., все еще широко используемых) — пламенное и дуговое напыление проволокой — скорости частиц низкие (< 150 м/с), сырье должно быть расплавленным.

Плазменное напыление (1970-е) использует высокотемпературную плазменную струю от дугового разряда (типовые температуры >15 000 К), позволяя напылять рефрактерные материалы: оксиды, молибден и др.

Рассмотрим 5 самых распространенных процессов подробнее:

1. HVOF (Высокоскоростное окси-топливное напыление)

HVOF использует горелку, где пламя расширяется в сопле, разгоняя частицы смеси к высоким скоростям. Результат — исключительно тонкое, равномерное покрытие. Несмотря на малую толщину, оно прочное, хорошо адгезирует. Коррозионная стойкость выше, чем у плазменных покрытий, но плохо подходит для высоких температур.

2. Пламенное напыление при горении (Combustion Flame Spraying)

Хороший вариант для поверхностей, не предназначенных для экстремальных нагрузок. Покрытие слабо прикреплено из-за низкой скорости пламени. Пламя генерируется кислородом с топливом, расплавляя смесь. Популярен для низконапряженных применений благодаря низкой стоимости.

3. Плазменное напыление

Основной инструмент — плазменная горелка для нагрева и напыления. После расплава порошкового материала он наносится на изделие аналогично пламенному напылению.

Толщина покрытий: от нескольких микрометров до миллиметров. Чаще используют порошок, но также металлы и керамику. Процесс популярен за универсальность.

4. Вакуумное плазменное напыление

Выполняется в контролируемой среде при низких температурах. Сохраняет вакуум и снижает риск повреждения материала. Различные газовые смеси создают нужное давление.

Применяют для бамперов авто, панелей приборов, корпусов зеркал заднего вида. Также для предобработки полиэтиленовых формовочных изделий — обеспечивает адгезию водорастворимых эпоксидных клеев.

5. Двухпроволочное дуговое напыление (Two-Wire Electric Arc Spraying)

Метод использует дуговую точку между двумя электрически проводящими проволоками. Плавление происходит в точке контакта. Дуга обеспечивает нагрев, осаждение и плавление, как при пламенном напылении с горелкой.

Для распыления используют сжатый воздух. Процесс выгоден по стоимости, обычно базовые материалы — алюминий или цинк.

Преимущества термически напыленных покрытий

• Снижение затрат. Ремонт компонента дешевле замены. Часто покрытие служит дольше исходного материала.
• Низкий тепловой ввод. С редкими исключениями термическое напыление не меняет термическую историю детали.
• Универсальность. Почти любой металл, керамика или пластик можно напылить.
• Диапазон толщин. От 0,001 до более 1 дюйма (25 мм). Типичный диапазон 0,005–0,1 дюйма.
• Скорость обработки. Расход 3–60 кг/ч в зависимости от материала и установки. Типичные нормы 0,5–2 кг материала на кв. фут на 0,01 дюйма толщины.

Недостатки термически напыленных покрытий

• Маскирует субстрат — покрытие так эффективно скрывает материал основания, что без строгой документации невозможно определить, из чего была сделана деталь.
• Сложно точно оценить эффективность — после напыления часто трудно понять, насколько хорошо прошло покрытие, кроме визуальной оценки.
• Дорогое оборудование — некоторые методы требуют очень дорогого аппарата, что дает высокие начальные вложения.