Напыление, плазматрон, плазменное напыление, установка плазменного напыления, газопламенное напыление, металлизация, металлизатор, газотермическое напыление, плазменные покрытия

Напыление, плазматрон, плазменное напыление, установка плазменного напыления, газопламенное напыление, металлизация, металлизатор, газотермическое напыление, плазменные покрытия.

Источником тепла при данном способе напыления выступает ацетиленокислородное пламя, температура которого не превышает 3000°С. Использование газопламенного метода характеризуется относительной простотой применяемого оборудования и требует наличия ацетилена и кислорода. Распыляемый материал, попадая в факел ацетиленокислородного пламени горелки, разогревается до температуры, близкой к температуре плавления, и разгоняется до скорости 20-30 м/сек. При соударении с изделием разогретые частицы соединяются с поверхностью детали и между собой, образуя достаточно плотное и равномерное покрытие. С помощью газопламенных горелок производят напыление полимерных материалов (пластмассы), металлов (алюминий, бронза, баббит, никель и т.д.) и керамических соединений (окись титана, окись алюминия и др.). Различают два способа подачи напыляемого материала в ацетилено-кислородное пламя горелок: в виде порошка и в виде проволоки. В газопламенной горелке Castodyn-8000 фирмы Castolin — Eutectic (Рис.7) напыляемый материал подают в виде порошка.

Текст

(51)05 7/20 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ГОРЕЛКА ДЛЯ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ЛЕГКОПЛАВКИХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики и надежности машин Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Белоцерковский Марат Артемович Пунтус Игорь Леонидович Федаравичус Александр Владимирович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики и надежности машин Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Горелка для газопламенного напыления легкоплавких порошковых материалов,преимущественно термопластичных полимеров, содержащая корпус с каналами подачи воздуха, горючего газа и порошкового материала, мундштук с осевым каналом для выхода порошка, газосмесительную камеру, коаксиально охватывающую мундштук, накидную гайку и сопловый наконечник с отверстиями для выхода горючей смеси, отличающаяся тем, что сопловый наконечник имеет хвостовик, на наружной поверхности которого выполнена винтовая канавка, а со стороны торца горелки между сопловым наконечником и накидной гайкой выполнена кольцевая щель шириной 25 мм. 7926 1 2006.04.30 2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что между мундштуком и сопловым наконечником образован зазор 0,250,5 мм. 3. Горелка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на сопловом наконечнике со стороны торца по центру выполнена выемка глубиной 39 мм. Устройство относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для формирования покрытий из порошков легкоплавких материалов, преимущественно термопластичных полимеров, и может быть использовано для защиты от коррозии деталей машин и элементов конструкций, а также для нанесения антифрикционных покрытий на рабочие поверхности деталей узлов трения. Известна горелка для газопламенного напыления легкоплавких порошковых материалов, преимущественно термопластичных полимеров 1, содержащая корпус с каналами подачи воздушно-порошковой смеси, ацетилена и кислорода, мундштук с осевым каналом для выхода порошка и цилиндрический сопловой наконечник с отверстиями для выхода горючей смеси. Недостатками известной конструкции горелки являются, во-первых, необходимость использования как кислорода, так и воздуха для нанесения покрытий, что экономически нецелесообразно, а во-вторых, большие радиальные размеры соплового наконечника для получения относительно небольших значений плотности теплового потока,не вызывающих деструкцию полимерного материала, потому что факел пламени ацетилен-кислородной смеси имеет температуру 30003150 С. В качестве ближайшего аналога служит горелка для газопламенного напыления легкоплавких порошковых материалов, преимущественно термопластичных полимеров 2. Горелка содержит корпус с каналами подачи воздуха, горючего газа и порошкового материала, мундштук с осевым каналом для выхода порошка, газосмесительную камеру, коаксиально охватывающую мундштук, накидную гайку и сопловой наконечник с отверстиями для выхода горючей смеси. Недостатком данного устройства является низкое качество покрытий и плохая стабильность процесса из-за налипания напыляемого полимера на торец сопла. Кроме того, недостатком является невозможность обеспечения качественного смешения рабочих газов в газосмесительной камере, что оказывает влияние на качество наносимых покрытий. Задачей изобретения является улучшение смешения компонентов горючей смеси для повышения качества наносимых покрытий и ликвидация налипания полимерного материала на торец сопла для обеспечения стабильности работы горелки. Поставленная задача решена в горелке для газопламенного напыления легкоплавких порошковых материалов, преимущественно термопластичных полимеров, содержащей корпус с каналами подачи воздуха, горючего газа и порошкового материала, мундштук с осевым каналом для выхода порошка, газосмесительную камеру, коаксиально охватывающую мундштук, накидную гайку и сопловой наконечник с отверстиями для выхода горючей смеси, в которой, согласно изобретению, сопловой наконечник имеет хвостовик,на наружной поверхности которого выполнена винтовая канавка, а со стороны торца горелки между сопловым наконечником и накидной гайкой выполнена кольцевая щель шириной 25 мм. Кроме того, между мундштуком и сопловым наконечником образован зазор 0,250,50 мм. Помимо того на сопловом наконечнике со стороны торца по центру выполнена выемка глубиной 39 мм. Повышение качества покрытий достигается за счет лучшего смешения компонентов горючей смеси в газосмесительной камере, имеющей форму винтовой канавки. При движении по винтовой канавке горючего газа и воздуха возникают циркуляционные токи или так называемая вторичная циркуляция, обусловливающая возникновение развитого турбулентного течения, которое повышает интенсивность перемешивания и обеспечивает получение качественной смеси. Выполненная на сопловом наконечнике со стороны торца по центру выемка глубиной 39 мм обеспечивает попадание частиц порошка непосредст 2 7926 1 2006.04.30 венно в самую горячую зону факела. Это позволяет интенсифицировать теплообмен между порошком и факелом, что также положительно сказывается на качестве наносимых покрытий. При выполнении выемки глубиной более 9 мм происходит налипание порошкового материала на торец сопла, а выемка с глубиной менее 3 мм не обеспечивает попадание частиц порошка непосредственно в самую горячую зону факела. Повышение стабильности работы горелки достигается за счет ликвидации налипания полимерного материала на торец соплового наконечника путем изменения его конструкции. Воздух, движущийся в зазоре шириной 0,250,50 мм между мундштуком и сопловым наконечником, с одной стороны, охлаждает мундштук, препятствуя налипанию полимерных частиц на его внутреннюю поверхность, а с другой — не позволяет налипать порошку на наружный торец мундштука. При выполнении кольцевого зазора вне указанных пределов происходит налипание полимерного материала на торец соплового наконечника. Кольцевая щель шириной 25 мм, выполненная со стороны торца горелки между сопловым наконечником и накидной гайкой, обеспечивает равномерное истечение газовой смеси. Кольцевая щель шириной менее 2 мм, препятствуя равномерному истечению газовой смеси, ухудшает процесс образования газового пламени. А при выполнении кольцевой щели шириной более 5 мм значительно увеличивается расход горючего газа, что экономически нецелесообразно. На рисунке представлена принципиальная схема предложенной горелки для газопламенного напыления. Горелка содержит корпус 1, к которому с помощью накидной гайки 2 крепится сопловой наконечник 3, содержащий хвостовик 4. В хвостовике 4 выполнены канал 5 подачи воздуха, канал 6 подачи горючего газа. Мундштук 7 коаксиально вставлен в сопловой наконечник с зазором 8 и содержит осевой канал 9 для подачи порошка. На наружной поверхности хвостовика 4 имеется винтовая канавка, образующая газосмесительную камеру 10 с внутренней поверхностью корпуса 1. Прокладка 11 препятствует выходу горючей смеси в обратном направлении, а стопорное кольцо 12 фиксирует положение вставки относительно корпуса в осевом направлении. На наружной поверхности корпуса выполнены кольцевые ребра 13, предназначенные для улучшения теплообмена корпуса горелки с окружающей средой. Со стороны торца горелки между сопловым наконечником 3 накидной гайкой 2 имеется кольцевая щель 14. В сопловом наконечнике 3 выполнены газовые сопла 15 для выхода горючей смеси. Горелка работает следующим образом. Из порошкового питателя (не показан) в осевой канал 9 мундштука 7 поступает непрерывной струей порошковый материал. В канал 5 поступает сжатый воздух, количество которого регулируется вентилем (не показан). В канал 6 поступает горючий газ, количество которого также регулируется вентилем (не показан). В газосмесительной камере 10 горючий газ и воздух равномерно перемешиваются и образуют горючую смесь, которая,поступая в сопла 15, образует на выходе из кольцевой щели 14 газовое пламя. Частицы порошка, проходя осевой канал 9, поступают в это газовое пламя и прогреваются до плавления, а затем под динамическим воздействием факела движутся в сторону заранее подготовленной поверхности подложки. Здесь частицы порошка деформируются, сцепляются с поверхностью и образуют сплошное полимерное покрытие. Горелка для напыления легкоплавких порошковых материалов, преимущественно термопластичных полимеров, улучшает смешение компонентов горючей смеси и ликвидирует налипание полимерного материала на торец сопла, а также обеспечивает возможность проведения процесса газопламенного напыления с высокой производительностью и с получением высоких коэффициентов использования напыляемого порошкового материала и качества напыленных покрытий. Кроме того, горелка имеет достаточно высокую технологичность конструкции, определяемую простотой в изготовлении, эксплуатации и ремонте, а также возможностью регулирования режимов нанесения покрытий непосредственно в процессе напыления. 3 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4

Назначение и применение метода

• нанесение антикоррозийного покрытия;
• восстановление баббитового слоя подшипников;
• создание электропроводящего или электроизоляционного слоя;
• декоративная обработка различных поверхностей;
• устранение дефектов цветного и черного литья;
• ремонт деталей вращения: валов, цапф или кулачков.

Свойства поверхности зависят от типа состава. Например, для повешения жаростойкости поверхности применяют газопламенное напыление алюминиевым порошком. Такая процедура называется алитированием.

Для чего предназначается газопламенное оборудование?

Представленное у нас оборудование для газопламенной обработки металлов предназначается для использования в газовой сварке, которая, в свою очередь, применяется для решения следующих задач:

• работа с изделиями, выполненными из тонколистовой стали;
• использование газопламенного оборудования является целесообразным при ремонтной сварке литых изделий, выполненных из алюминиевых сплавов, бронзы и чугуна;
• монтажная сварка трубопроводных стыков малых и средних диаметров (до 100 мм) со стандартной толщиной стенки не более 5 мм;
• газопламенное оборудование может применяться при сварке узлов конструкций, изготовленных из тонкостенных труб;
• работы с изделиями, выполненными из свинца, латуни, меди, алюминия и его сплавов;
• газопламенного оборудование является оптимальным при необходимости выполнения надежной наплавки износостойких и твердых сплавов;
• наплавка и сварка чугуна;
• использование газопламенного оборудования является целесообразным при пайке-сварке высокопрочного и ковкого чугуна.

Системы и технология покрытий HVAF от Kermetico.

Kermetico High-Velocity Air-Fuel (HVAF) высокоскоростное напыление газ-воздух – один из процессов напыления высококачественных покрытий из металлов, сплавов, карбидов и боридов на металлической поверхности.

Напыляемый материал в виде легированного или композитного порошка подается в горелку Kermetico. В горелке сгорает топливный газ (пропан, пропилен, природный газ и т.п.) и сжатый воздух, образуя высокоскоростную струю продуктов сгорания. В струе напыляемый порошок нагревается, разгоняется и, при попадании на обрабатываемую поверхность (подложку), формирует требуемое покрытие.

Качество и эффективность систем семейства Kermetico – это результат сравнительно низкой температуры сгорания воздушно-топливной смеси, комбинированной с осевой инжекцией исходного материала через длинную камеру сгорания, где низкая скорость газа обеспечивает достаточное время для постепенного нагрева частиц порошка.

Ускорение материала происходит в сопле большого диаметра.

Это позволяет частицам не соприкасаться со стенками сопла, что обеспечивает разгон исходного материала до скоростей, обычно составляющих от 800 до более 1 000 м/с. Керамическая каталитическая вставка используется в камере сгорания для обеспечения широкой области горения со стабильными параметрами.

Схема горелки сверхзвукового напыления Kermetico HVAF

Поддержание температуры напыляемого материала около точки плавления и высокая скорость удара частиц о напыляемую поверхность – это отличительные характеристики процесса нанесения покрытий Kermetico HVAF.

Качество покрытий HVAF

Температура сгорания воздушно-топливной смеси обычно на 1000°C ниже, чем при кислородно-топливном горении HVOF. Такая низкая температура идеальна для постепенного нагрева частиц исходного порошка металлов и твердых сплавов и ненамного выше температуры плавления металлов. Начальное содержание кислорода в газообразных продуктах сгорания смеси при HVAF процессе в 5 раз ниже по сравнению с любым процессом HVOF. Оба фактора предотвращают окисление металлов, разложение карбидов и их растворение в металлической связке. Эти факторы позволяют сохранить исходную пластичность порошкового материала, используемого в качестве сырья для покрытия, даже в случае, когда твердость покрытия WCCoCr превышает 1 600 HV₃₀₀.

мтомд.инфо

Газопламенное напыление

Газопламенное напыление в зависимости от состояния напыляемого материала может быть трех типов: напыление проволокой, прутком или порошком. Напыляемый материал, имеющий форму прутка или проволоки, подают через центральное отверстие горелки и расплавляют пламенем горючей смеси. Расплавленные частицы металла подхватываются струей сжатого воздуха и в мелкораспыленном виде направляются на поверхность изделия.

Рисунок 1 — Схема газопламенного напыления

П – покрытие; С – струя напыляемого материала и продуктов сгорания газов

Проволока подаётся с заданной скоростью роликами, приводимыми в движение встроенной в горелку воздушной турбиной, работающей на сжатом воздухе, используемом при напылении, или электродвигателем через редуктор. Для напыления обычно используют проволоку диаметром не более 3 мм, однако при напылении легкоплавкими металлами (алюминий, цинк и т. п.) в интересах повышения производительности процесса допускается использование проволоки диаметром 5—7 мм.

В качестве горючего газа в большинстве случаев используют ацетилен, можно также применять пропан и водород, а в качестве окислителя – кислород. При газопламенном способе напыление осуществляется в основном теми материалами, температура плавления которых ниже температуры пламени.

После напыления иногда проводят оплавление покрытия, которому, в частности, подвергают покрытия, напыленные самофлюсующимися сплавами на никелевой и кобальтовой основе с добавлением в них в качестве флюсующих добавок бора и кремния. Оплавление обеспечивает получение плотного покрытия, практически без пористости.

Рисунок 2 — Установка газопламенного напыления

1- пистолет-распылитель; 2 — стойка для катушек и пульта; 3 — пульт управления; 4 — блок подготовки воздуха; 5,10,13 — регуляторы расхода соответственно воздуха, кислорода и горючего газа; 6,8,11 — регуляторы давления соответственно воздуха, кислорода и горючего газа; 7, 9,12 — манометры соответственно сжатого воздуха, кислорода и горючего газа; 14,15 — штуцеры входа соответственно горючего газа и кислорода; 16,17,18 — штуцеры выхода соответственно горючего газа, кислорода и воздуха; 19 — пламягасители; 20,21, 22 — шланги соответственно горючего газа, кислорода и сжатого воздуха; 23 — баллон для горючего газа; 24 — редуктор горючего газа; 25 — кислородный баллон; 26 — кислородный редуктор

Технология газопламенного напыления довольно проста, а стоимость оборудования и затраты на эксплуатацию низкие, в связи с этим данный способ находит широкое применение в практике. Процесс газопламенного напыления хорошо поддаётся автоматизации.

Краткие характеристики покрытия:

• Пористость покрытия 5-12 %.
• Прочность сцепления покрытия с основой (адгезия) 2,5 -5,0 кг/ мм².
• Толщина напыленного слоя 0,5 -10 мм.

Результатом этого процесса газопламенного напыления является формирование стабильного непрерывного напыления, которое достигается в ходе выполнения строгой последовательности действий: нагрев, плавление, диспергирование полученной смеси, перенос расплавленных частиц ацетилено-кислотного пламени материала на металлическую поверхность детали.

В процессе газопламенного напыления используется горелка на основе ацетилен-кислорода или пропан-кислорода. В ее пламя от питателя передается субстанция (например, проволока — установка FS15), она расплавляется и, с помощью сжатого воздуха, поступает на поверхность детали. Нагретая смесь, остывая, формирует на детали прочное покрытие.

Использовать такой способ работы допускается как в ручном режиме, так и с применением специального оборудования.

С помощью газопламенного напыления допускается наносить покрытия из следующих сплавов: железных, никелевых, медных, алюминиевых, цинковых.

Применение газопламенного напыления:

• восстановление работоспособности оборудования;
• усиление прочности новых деталей;
• изготовление запорной арматуры (75% от всех изготовленных за рубежом шаровых кранов);
• для восстановления геометрии деталей насосно-компрессорного оборудования, крышек и валов электродвигателей;
• восстановление баббитового покрытия подшипников;
• создание антикоррозийных покрытий;
• покрытия рилсан (изоляционные покрытия для трубопроводных систем);
• декоративные покрытия предметов, подвергающихся неблагоприятному внешнему воздействию окружающей среды (барельефы, памятники, фонтаны и т.д.)

В зависимости от того, для чего требуется создать покрытие, к нему предъявляются различные требования, т.е. изменяется его состав, толщина, плотность, плотность сцепления с поверхностью подложки.

В дальнейшем, после затвердевания, обрабатывать созданное напыление допускается с помощью шлифования или резанием. Такой способ обработки объясняется пористостью в 2-10% всех покрытий, созданных с помощью газопламенного напыления.

Преимущества газопламенного напыления:

• допускается использовать на объектах с любыми габаритами (трубопроводы, корабли, мосты, лопатки турбин и т.д.);
• можно задать необходимую пористость покрытия (до 30%) и его толщину;
• в качестве подложки используется дерево, стекло, металлы, пластмассы разных типов, композиционные материалы;
• при выполнении напыления покрываемая деталь не деформируется (т.к. не требуется ее сильный нагрев);
• наносить можно любые материалы, имеющие точку плавления или интервал размягчения;
• выполнять напыление допускается при нормальных погодных условиях, в воде, в специальном помещении с контролируемой инертной атмосферой;
• покрытие выполняется металлами, сплавами, карбидами, нитридами, боридами, пластмассами и комбинациями материалов с температурой плавления от 300°С до 3500°С;
• достигается снижение себестоимости конечного объекта, т.к. для его первоначального покрытия (до обработки) допустимо использовать менее дорогостоящие материалы;
• более эффективное использование материалов и энергоресурсов;
• повышение долговечности изделий, срока их эксплуатации;
• минимизировано влияние на детали таких явлений как коррозия, эрозия;
• относительно небольшие временные затраты на создание покрытия;
• низкий уровень шума в ходе работы;
• не высокий радиационный фон;
• возможность настройки процесса работы в автономном режиме;
• оборудованию не требуется сложный уход и техническое обслуживание;
• само оборудование мобильно и выполнять процесс напыления возможно непосредственно на объекте, без демонтажа деталей.

Недостатки технологии:

• при испытании прочности сцепления созданного напыления с поверхностью детали на нормальный прорыв иногда достигаются неприемлемые результаты (5–45 МПа);
• без дополнительной обработки запрещается использовать изделия с подобным покрытием в коррозийных средах из-за высокой пористости (5-25%);
• невозможно нанести покрытие из материалов, чья температура плавления выше 2800 °С;
• невысокий коэффициент использования энергии газопламенного потока на нагрев порошка (2–12 %).

Этапы работ

1 этап. Подготовка поверхности.

В состав этапа подготовки поверхности входят следующие операции:

• обезжиривание поверхности изделия с помощью углеводородных растворителей в случае присутствия масляно-жировых включений.
• обмыв участков изделия с целью удаления солей, атмосферных загрязнений, закоксованностей;
• абразивоструйная, гидроабразивная или гидродинамическая очистка поверхности с целью удаления старого покрытия, ржавчины, окалины и придания шероховатости;
• сушка поверхности ( при использовании технологий гидроабразивной или гидродинамической очистки)
• ручная очистка и закругление острых углов, кромок, удаление заусенцев и варочных брызг.
• обдувка сжатым воздухом и обеспыливание поверхности.

Контроль качества подготовленной поверхности осуществляется на предмет соответствия следующим критериям:

• абразивоструйная очистка должна быть осуществлена до степени, определенной регламентом (ППР), как правило, это степень SA 2- 2,5 — 3 по ISO 8501 и проверена визуально путем сравнения с эталоном;
• ручная очистка должна быть осуществлена до степени St 2- 2,5- 3 по ISO 8501 и проверена визуально путем сравнения эталоном;
• шероховатость Rz мкм (в зависимости от условий ППР) — проверяется с помощью компаратора или профилометра по ISO 8503-1
• степень обеспыливания по ISO 8502-3 — проверяется по количеству и размеру частиц пыли;
• степень обезжиривания проверяется люминесцентным способом по ГОСТ 12.2.052-81.

2 этап. Газопламенное напыление

При газоплазменном напылении формируются капельки (микрочастицы) расплавленного металла, которые затем переносятся на обрабатываемую поверхность, создавая на ней сплошное металлопокрытие. Присадочный материал подается к факелу пламени горелки, плавится, и сжатым воздухом распыляется по обрабатываемой поверхности. После остывания на поверхности обрабатываемого изделия формируется достаточно прочное покрытие.

Процесс газопламенного покрытия допускается выполнять с одновременным оплавлением, но это возможно только при использовании газового пламени. Из-за сильного, но не равномерного нагревания напыленного слоя, плазменная струя не может обеспечить получение в результате работы качественного покрытия. Этапы выполнения напыления с одновременным оплавлением:

• прогрев всей обрабатываемой поверхности до температуры 250-300 °С;
• для исключения окисления рекомендуется нанести на восстанавливаемые участки защитный слой толщиной 0,2-0,3 мм;
• напыленный участок поверхности нагреть до состояния «запотевания»;
• на предварительно оплавленный слой напылить новый, довести его до состояния оплавления.

В процессе оплавления важно не допустить перегрева напыленного слоя до состояния жидкой ванны, а после завершения технологического процесса требуется обеспечить плавное охлаждение поверхности детали. Это легко достигается при использовании песка, асбеста. Нарушение этого технологического процесса привезет к повышенной пористости слоя, стеканию металла в случае перегрева, к появлению трещин, отслаиванию в случае неравномерного охлаждения.

3 этап. Контроль качества.

Контроль качества газопламенного напыления по внешнему виду производится путем осмотра изделий на наличие таких механических повреждений как сколы, вздутия, отслоения, трещины, раковины. При этом внешний осмотр проводится с помощью десятикратной лупы.

Замеры толщины напыления следует производить в доступных местах, где отсутствуют накатки, дефекты поверхности, которые отстоят на 5 мм и более от ребер узлов, кромок, мест контакта и отверстий.

• осуществить осмотр внешнего вида напыления невооруженным глазом на предмет выявления трещин, пор, отслоений. Данные дефекты, обнаруживаемые таким способом, в покрытии не допустимы;
• измерить твердость покрытия востановленной поверхности в трех и более точках. Фактической величиной твёрдости покрытия следует считать среднее значение полученных замеров. Использование для этих целей приборов, выполняющих измерения ультразвуковым методом, недопустимо. В первую очередь это связано с пористостью (хотя и незначительной) газопламенного напыления.