Способ газопламенного напыления порошковых материалов с получением покрытия на никелевой основе посредством распылителя
METHOD FOR FLAME SPRAYING OF POWDER MATERIALS TO OBTAIN A NICKEL-BASED COATING BY MEANS OF A SPRAYER

Изобретение относится к области газотермических технологий и может быть использовано при нанесении порошковых покрытий методом низкоскоростного газопламенного напыления.
Из научно технической литературы известно, что адгезионная прочность низкоскоростных газопламенных покрытий напрямую связана с расплавленным состоянием и заданной скоростью частиц в момент их столкновения с подложкой. С этих позиций перспективу имеет способ активированного газопламенного напыления, способствующий существенному росту адгезионной прочности за счет вклада прочных химических связей, полученных с помощью дислокационного механизма путем значительного повышения термического и скоростного потенциала двухфазного пламени.
2
Известные способы получения низкоскоростного газопламенного порошкового напыления состоят в том, что определенная смесь кислорода (или воздуха) с горючим газом поступает в горелку, где поджигается и образует факел. В этот низкоскоростной высокотемпературный поток газа подается порошковый материал, который нагревается до пластичного состояния и уносится на основу, где образует покрытие с низкой (4-5 кг/см) адгезионной прочностью (см. книгу В.А. Линик, П.Ю. Пекшев. ʺСовременная техника газотермического нанесения покрытий″. - М., Машиностроение, 1985, с. 7).
Известен способ напыления деталей с помощью увеличения протяженности ʺактивной″ зоны пламени путем формирования вторичного соосного факела, горящего с отрывом на некотором расстоянии от сопла распылителя (SU №1787171 A3, С23С 4/12, опубл. 07.01.1993 г.). Согласно данному изобретению в результате роста термической активирующей составляющей пламени металлические частицы стандартного размера сталкиваются с подложкой в расплавленном состоянии, но при этом динамической энергии частицы недостаточно, чтобы за счет совместного пластического течения взаимодействующих материалов запустить ведущий дислокационный механизм образования прочных адгезионных химических связей.
Известен способ газопламенного напыления металлических порошков (патент RU №2169792 С2, МПК С23С 4/12, опубл. 27.06.2001 г.), включающий введение в пламя, образованное при сгорании ацетилена и кислорода, струи, состоящей из транспортирующего газа-аммиака и напыляемого порошка. В результате диссоциации аммиака в ядре основного пламени и внешнего бескамерного горения смеси атомарного водорода с воздухом происходит существенное удлинение эффективной зоны, плавление порошка, выравнивание профилей температур, интенсификация процесса передачи тепла от струи к порошку. Адгезионная прочность после такого напыления повышается. Однако эффект повышения физико-механических свойств невелик из-за недостаточной скорости соударения частиц с подложкой, которая не обеспечивает необходимый уровень пластической деформации контактной зоны подложки. Кроме того транспортирующие функции аммиака существенно ограничивают возможность его применения в качестве независимой активирующей добавки.
Наиболее близким аналогом является способ газопламенного напыления порошкового материала с получением покрытия на никелевой основе посредством термораспылителя (патент RU 2709312. C23C4/129, опубл. 17.12.2019) включающий активирование пламени, образованного при сгорании ацетилена и кислорода, и подачу порошкового материала под срез сопла термораспылителя, при этом в качестве активирующей добавки используют водный раствор аммиака, а активирование пламени осуществляют путем подачи активирующей добавки до термического контакта с ядром основного пламени через термический диссоциатор, установленный соосно внутри центрального канала термораспылителя, при этом глубина его проникновения в высокотемпературное ядро основного пламени регулируется.
Однако эффект повышения адгезии покрытия невелик.
Задача предлагаемого изобретения - улучшение адгезии покрытия поверхностей деталей машин и инструмента.
Сущность изобретения заключается в том, что способ газопламенного напыления порошкового материала с получением покрытия на никелевой основе посредством термораспылителя включает активирование пламени, образованного при сгорании ацетилена и кислорода, подачу порошкового материала под срез сопла термораспылителя, активирование пламени осуществляют путем подачи активирующей добавки до термического контакта с ядром основного пламени через термический диссоциатор, установленный соосно внутри центрального канала термораспылителя, а глубина его проникновения в высокотемпературное ядро основного пламени регулируется путем выполнения трубчатого термического диссоциатора подвижным, при этом исходная активирующая добавка аммиак предварительно барботируется через воду и обогащается влагой до заявляемого уровня 0,2-0,4 мас.% по отношению к технологическому расходу аммиака, а порошковый материал представлен в виде металлического порошка.
Заявленные в изобретении уровень (0,2-0,4 мас.%) влажности аммиака и метод обработки выбраны из условия, при котором с одной стороны, можно получить оптимальные параметры динамической паровой составляющей спутного потока и минимизировать негативное захолаживание основного стандартного пламени в процессе парообразования, а с другой стороны - расход транспортирующего влагу аммиака, как источника дополнительных объемов горючего водорода, достаточен, чтобы при сгорании компенсировать технологические потери тепла и существенно увеличить тепловую мощность основного пламени.
Получение компонентов активирующей пара-водородной смеси начинается с термического контакта с высокотемпературным ядром основного пламени через термический диссоциатор, установленный соосно внутри центрального канала термораспылителя, при этом интенсивность парообразования регулируется глубиной его проникновения в струю.
Технический результат направлен на улучшение адгезии покрытия поверхностей деталей машин и инструментов.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе газопламенного напыления порошковых материалов с получением покрытия на никелевой основе посредством термораспылителя с помощью активированного спутным потоком газового пламени предусматривается возможность одновременного повышения до необходимого уровня эффективной тепловой мощности и скорости истечения основного двухфазного пламени введением под давлением исходной активирующей добавки в виде независимого потока аммиака, предварительно барботированного через воду и обогащенного влагой в количестве указанном в изобретении 0,2-0,4 мас.% по отношению к расходу газообразного аммиака в удлиненный до термического контакта с ядром основного пламени центральный канал термораспылителя с помощью термического диссоциатора. На выходном участке металлического диссоциатора длинной 10-12 мм в условиях ограниченного объема и температуре порядка 1000°С идет полная диссоциация увлажненного аммиака с образованием быстро расширяющихся дополнительных, реагируемых объемов горючего газа в виде атомарного водорода, а также фазовый переход влаги, когда пары воды занимают объем в 1700 раз больше объема той же массы воды. При заданном составе мас.%, уровне влажности и уникальном увеличении объема, сопровождающимися ростом скорости и температуры паровой составляющей, получаем равенство объемных расходов активирующего и основного потоков, а также превышение в 15,-2,0 раза скорости активирующего спутного потока, относительно основного ацитилено-кислородной струи. При этом парциальное давление более плотного и высокоскоростного спутного потока суммируется с одноименным давлением основного двухфазного потока и таким образом появляется дополнительный силовой фактор, повышающий скорость движения расплавленных частиц в момент их столкновения с подложкой до уровня плазменного напыления (80-100 м/с).
Кроме того, дополнительное количество тепла, выделенное при бескамерном сгорании заданных объемов атомарного водорода, достаточно, чтобы компенсировать теплоотвод в массу диссоциатора на стадии парообразования и одновременно повысить в 1,5-2,0 раза эффективную тепловую мощность и скорость двухфазного потока при постоянных стандартных расходах исходной горючей смеси. В результате законченных фазовых превращений увлажненного аммиака в дисссоциаторе термораспылителя, например УПН-8-68, образуется активная расширяющаяся газовая смесь с оптимальным соотношением объемов активирующих компонентов, которая в зоне бескамерного горения атомарного водорода переходит в гибко управляемый независимый, термоактивирующий высокоскоростной спутный поток, истекающий в ацетилено-кислородное пламя.
Происходит существенное увеличение полной тепловой мощности и скорости основного пламени, выравнивание профилей температур, интенсификация передачи термодинамической энергии от струи к порошку. В результате совместного действия указанных факторов появляется возможность за счет роста динамической энергии (удара) расплавленных частиц обеспечить на поверхности подложки точки массового выхода в контактную зону носителей энергии в виде дислокаций, которые становятся потенциальными центрами зарождения топохимического процесса образования прочных адгезионных химических связей по дислокационному механизму.
Способ поясняется чертежом, в котором представлена схема структуры активированного спутным потоком основного факела, где L-длина неограниченной стехиометрическими соотношениями, увеличенной до требуемой для гарантированного расплавления и заданной скорости соударения порошкового материала, ʺактивной″ зоны.
Термораспылитель состоит из водяного колонного типа барборатора аммиака 1, центрального канала 2, внутри которого соосно с каналом 2 установлен трубчатый подвижный термический диссоциатор 3, для регулирования глубины проникновения на 10-12 мм в высокотемпературное, около 3200°С ядро основного пламени.
Результат достигается подачей через водяной барборатор газообразного аммиака, который в увлажненном состоянии до указанного в изобретении уровня попадает в термический диссоциатор, установленный соосно с центральным каналом термораспылителя, где на выходном участке длинной 10-12 мм, в условиях термического контакта с ядром (~3100°С) пламени в ограниченном объеме при температуре ~1000°С идет интенсивное фазовое превращение, сопровождающееся многократным расширением компонентов, с образованием на выходе высокоскоростного спутного потока, состоящего из термоактивирующей струи атомарного водорода и повышающих скорость пламени, перегретых водяных паров и введение напыляемого порошкового материала в струе воздуха под срез сопла термораспылителя.
В основной струе дополнительные объемы атомарного водорода активирующего потока, имея меньшую скорость горения и не требующие для этого избытка воздуха (кислорода), при сгорании в широких пределах увеличивают длину ʺактивной″ зоны (не менее 2100°С) пламени.
При осуществлении способа можно использовать любое серийное оборудование работающее с применением известных горючих газов. Реализацию технологического решения осуществляли с помощью модернизированного газопламенного комплекта установки УПН-8-68 отечественного производства дополненного водяным колонным барборатором и термическим диссоциатором, установленным соосно с центральным каналом термораспылителя.
Процесс насыщения влагой до заданного уровня протекает в режиме оптимальной скорости (расхода) подачи аммиака, обеспечивающий равномерное перемешивание мелких частиц воды с потоком газа.
Наибольшая интенсивность нагрева напыляемых металлических порошков в основном пламени имеет место при основном пламени с избытком кислорода, что при работе на ацетилене соответствует соотношению расхода между кислородом и ацетиленом, равному 1,7-1,8. Степень влажности исходной активирующей добавки регулируется специальным аммиачным вентилем, а о выходе на оптимальные параметры рабочего пламени свидетельствует характерная длина (80-100 мм) высокотемпературной (не менее 2100°С) зоны активированной струи, где термодинамические параметры гарантируют приваривание частиц стандартных размеров в режиме топохимической реакции. Напыляемый материал подавался в активированное пламя под срез сопла.
Качественные характеристики напыленного слоя контролировались образцами - ʺсвидетелями″. Прочность адгезионных связей газопламенных покрытий равной толщины из сплавов на никелевой основе стандартных размеров, установленная по клеевой методике выросла с 3-5 до 25-30 МПа, что косвенно указывает на существенный вклад химических сил связи в зоне контакта частица-подложка.