СПОСОБ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЯ
METHOD OF ELECTRIC ARC SPRAYING OF COATING

Изобретение относится к способам нанесения защитных газотермических коррозионно-стойких, антифрикционных, антиобледенительных и антиобрастающих металлополимерных покрытий из проволочных материалов при помощи электродуговых устройств, и может быть использовано для защиты изделий в химической, машиностроительной, авиационной, судостроительной и других отраслях промышленности.
Известен способ получения металлополимерного покрытия (RU 2332524 С1, МКП С23С 24/04, C09D 5/10), при котором смешивают порошкообразные полимерные частицы и порошкообразные частицы металлсодержащего прекурсора. Далее осаждают порошкообразную смесь на поверхность детали, нагревают, оплавляют полимерные частицы. Затем проводят термолиз прекурсора и монолитизацию покрытия.
Недостатком данного способа является предварительный нагрев изделия до температуры плавления полимера, что не применимо для больших поверхностей.
Также известен способ, описанный в журнале "Journal of Thermal Spray Technology", Volume 23(1-2), January 2014, p. 40-50, "Metal Matrix Composites Deposition in Twin Wire Arc Spraying Utilizing an External Powder Injection Composition" W. Tillmann, M. Abdulgader, L. Hagen, and J. Nellesen, (Submitted May 15, 2013; in revised form November 5, 2013). Описан способ электродугового нанесения покрытий, путем подачи проволочных материалов, при соприкосновении которых возбуждается электрическая дуга и включающий нанесение покрытия с помощью металлизационной струи и инжектирование в металлизационную струю легирующего материала.
Недостатком (ограничением) данного способа является то, что он позволяет подавать в металлизационную струю только тугоплавкие материалы (оксиды, карбиды) и создавать металлизационные покрытия с включениями оксидов или карбидов.
В качестве прототипа предлагается способ электродугового напыления покрытий (SU 1359336 А1, МПК С23С 4/04, опубликовано 15.12.1987),, включающий нанесение покрытия с помощью металлизационной струи и инжектирование в металлизационную струю полимерных термопластичных материалов
Недостатком вышеуказанного способа является сложность изготовления порошковой проволоки, сложность и необходимость поддержания постоянного расстояния от токоотводов до точки пересечения электродов не более 12 мм, так как увеличение вылета электродов приводит к недопустимому нагреву и разложению материала сердечника, а также невозможность вести раздельно напыление металла без полимера (металлизационный слой) и полимера без металла (финишнный слой).
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является сочетание в одном устройстве процесса электродуговой металлизации с процессом нанесения термопластических полимерных материалов для получения металлополимерных покрытий.
Желаемым техническим результатом является:
- сокращение количества технологического оборудования (объединение двух видов технологического оборудования в один),
- уменьшение времени нанесения металлополимерного покрытия (за счет исключения времени на переналадку оборудования под другой процесс нанесения покрытий),
- формирование металлополимерного покрытия в рамках одного процесса без переналадки оборудования,
- получение функционального металлополимерного покрытия с требуемыми свойствами, за счет и включения в металлизационное покрытие различных термопластичных полимерных порошковых материалов с возможностью изменять их концентрацию по толщине,
- эргономика (за счет исключения отдельного оборудования под каждый вид процесса).
Желаемый технический результат достигается тем, что создают металлизационную струю и сначала наносят металлический слой толщиной 20-600 мкм, затем наносят композитный слой толщиной 20-600 мкм таким образом, что инжектируют в металлизационную струю полимерные термопластичные материалы и затем отключают металлизационную струю и наносят полимерный слой толщиной 20-600 мкм без участия металлизационной струи, при этом при выполнении слоев с участием полимерных термопластичных материалов дополнительно вводят пропан или пропан-бутан, или пропан-воздушную смесь.
Металлизационный слой (подслой Bond Coat) - нанесение выполняется по стандартной технологии, толщина данного слоя при этом составляет 20-600 мкм, данный слой обеспечивает адгезию покрытия и формирует поверхность для нанесения последующего композитного слоя. В качестве материалов для нанесения металлизационного слоя могут использоваться проволочные материалы диаметром 1,0-4,0 мм из антикоррозионных нержавеющих металлов и сплавов, цинка, алюминия, алюминия-магния, цинк-алюминия, псевдосплавов, а также порошковая проволока с заданным химическим составом.
Композитный слой (переходный слой «металл-полимер») - данный слой выполняется с инжектированием в зону распыления проволок термопластичных полимерных порошковых материалов или их суспензий. Толщина данного слоя при этом составляет 20-600 мкм, данный слой обеспечивает переход от металлического слоя к полимерному слою.
Полимерный слой (поверхностный финишный слой Top Coat) - данный слой выполняется без участия металлизационной струи и формируется только за счет полимерной составляющей и дополнительного подогрева поверхности и при необходимости оплавлением на поверхности термопластичного полимерного материала пропановым или пропан-бутановым, или пропан-воздушным пламенем, подаваемым из кольцевого контура, смонтированного на сопле пистолета металлизатора. Также для дополнительного подогрева термопластичного полимерного материала в центральный воздушный канал для транспортирующего газа на пистолете металлизатора выполняется подача пропана или пропан-бутана, или пропан-воздушной смеси с последующим поджигом на выходе из сопла. При этом термопластичнй полимерный материал, присутствующий в предыдущем композиционном слое, обеспечивает прочное соединение с поверхностным полимерным слоем. Толщина данного слоя при этом составляет 20-600 мкм, данный слой обеспечивает поверхностную антикоррозионную защиту от агрессивной среды эксплуатации. В качестве термпопластичных полимерных материалов могут использоваться полиэтилен, полипропилен, полиамид, полиимид, поливинилиденфторид, политетрафторэтилен, полиэфирэфиркетон с фракционным составом 20-600 мкм.
Также для активации и дополнительного подогрева металлизационной струи и напыляемой поверхности используется пропановое или пропан-бутановое, или пропан-воздушное пламя, подаваемое из кольцевого контура, смонтированного на корпусе пистолета металлизатора.
В основу технологического процесса нанесения металлополимерного покрытия положен процесс электродуговой металлизации, в котором традиционно осуществляется подача двух проволочных материалов (электродов), при соприкосновении которых возбуждается электрическая дуга, за счет чего происходит их расплавление и последующее распыление расплавленного металла струей сжатого воздуха. Расплавленные частицы металла, попадая на покрываемую поверхность, сцепляются с ней и образуют сплошное покрытие, при этом толщина слоя регулируется числом проходов и скоростью перемещения пистолета металлизатора относительно поверхности.
Отличием технологии нанесения металлополимерного покрытия от стандартной технологии электродуговой металлизации является инжектирование в зону распыления проволок термопластичных полимерных порошковых материалов или их суспензии. Также для активации и дополнительного подогрева напыляемой поверхности и металлизационной струи используется пропановое или пропан-бутановое, или пропан-воздушное пламя, подаваемое из кольцевого контура, смонтированного на корпусе пистолета.
В качестве оборудования в технологии нанесения металлополимерного покрытия используется устройство для нанесения металлополимерного покрытия, которое представляет собой пистолет-металлизатор с насадкой, используемый для нанесения покрытий в составе оборудования для процесса электродуговой металлизации, который обеспечивает инжектирование в зону распыления термопластичных полимерных порошковых материалов. Также для активации и дополнительного подогрева напыляемой поверхности и металлизационной струи используется пропановое или пропан-бутановое, или пропан-воздушное пламя, подаваемое из кольцевого контура, смонтированного на корпусе пистолета.
Технологический процесс нанесения металлополимерных покрытий (МПП) объединяет и совмещает в себе технологию нанесения металлизационных и полимерных покрытий. Технология позволяет наносить металлополимерные покрытия в «один прием» без разделения технологических операций на нанесение металлического и полимерного слоев.
Таким образом, технология нанесения МПП позволяет получить покрытия нового типа объединяющие свойства химически стойких сплавов и полимерных материалов.
Получаемая структура покрытий является композитной и содержит как металлические, так и полимерные составляющие практически по всей толщине покрытия.
Адгезия металлополимерных покрытий при этом будет соответствовать адгезии металлических покрытий, наносимых методами газотермического напыления (5-20 МПа) или быть выше.
Повышение характеристик обеспечивается за счет разработанной технологии нанесения материалов, позволяющих формировать защитные функциональные покрытия, химически коррозионно-эрозионно-стойкие, на поверхностях, подвергаемых воздействию агрессивных сред - высокосернистых соединений, меркаптанов, хлоридов, снижающих эксплуатационную надежность оборудования и аппаратов в процессе добычи, транспортировки и переработки природного газа и других углеводородов.
Основные характеристики технологии:
2
- Производительность нанесения покрытия 1-5 м/ч и более (зависит от характеристик оборудования).
- Возможность применения внутри резервуаров и аппаратов.
- Возможность использования в составе роботизированных комплексов по нанесению покрытия и вручную.
Типовые характеристики металлополимерных покрытий:
- Адгезия - 5-20 МПа.
- Толщина - 250-1000 мкм.
- Стойкость в средах: сырая нефть и нефтепродукты, кислые и другие агрессивные компоненты, содержащиеся в нефти и нефтепродуктах.
- Температура эксплуатации - до 200-340°C.
Пример 1
Металлополимерное покрытие (МПП) напыляют с использованием электродугового металлизатора М-2 на образцы из стали 09Г2С. Поверхность под нанесение покрытия готовят абразивно-струйной обработкой. В качестве материалов при нанесении МПП для металлизационного слоя используют антикоррозионную проволоку НМЖМц 28-2,5-1,5 (аналог монель) диаметром 1,6 мм, для полимерного покрытия используют полимерный термопластичный порошок политетрафторэтилен (фторопласт Ф-4), фракционный состав 50-100 мкм. Давление воздуха на входе в металлизатор 0,5 МПа, дистанция напыления 200-250 мм, ток дуги 250-270 А, напряжение 25-30 В. Металлополимерное покрытие наносят толщиной 500-600 мкм. Прочность сцепления покрытия с подложкой определяют по штифтовой методике. Коррозионную стойкость определяют по результатам испытания образцов в камере соляного тумана в растворе NaCl при концентрации 5% и температуре 35°C в течение 240 ч.
Таким образом, изобретение позволяет получать металлополимерные покрытия прочно сцепленные с подложкой и обеспечивающие надежную защиту от коррозии. Это позволяет рекомендовать использование изобретения для антикоррозионной защиты оборудования нефтегазового сектора.
Пример 2
Металлополимерное покрытие (МПП) напыляют с использованием электродугового металлизатора М-2 на образцы из стали 3. Поверхность под нанесение покрытия готовят абразивно-струйной обработкой. В качестве материалов при нанесении МПП для металлизационного слоя используют антикоррозионную проволоку AlMg5 диаметром 2,5 мм, для полимерного покрытия полимерный термопластичный порошок - полиэтилен (фракционный состав 200-300 мкм). Давление воздуха на входе в металлизатор 0,5 МПа, дистанция напыления 150-180 мм, ток дуги 200-250 А, напряжение 20-25 В. Металлополимерное покрытие наносят толщиной 800-1000 мкм. Прочность сцепления покрытия с подложкой определяют по штифтовой методике. Коррозионную стойкость определяют по результатам испытания образцов в камере соляного тумана в растворе NaCl при концентрации 5% и температуре 35°C в течение 240 ч.
Таким образом, изобретение позволяет получать металлополимерные покрытия прочно сцепленные с подложкой и обеспечивающие надежную защиту от коррозии. Это позволяет рекомендовать использование изобретения для антикоррозионной защиты оборудования судостроительной отрасли.