газопламенного напыления порошков

Когда говорят про газопламенное напыление порошков, многие сразу представляют что-то вроде паяльной лампы, которая разбрызгивает расплавленный металл. Но на практике всё сложнее и капризнее. Самый частый миф — что это простой и ?грубый? способ получить покрытие. На деле, от регулировки соотношения кислорода и горючего газа до выбора фракции порошка — каждый шаг влияет на адгезию, пористость и остаточные напряжения. Иногда кажется, что процесс стабилен, а на образце появляются трещины или непроплавы. Вот об этих нюансах, которые в учебниках часто опускают, и хочется порассуждать.

От теории к практике: где кроются подводные камни

В теории всё гладко: подогреваешь газовую смесь, вводишь порошок, он плавится в струе и летит на подложку. Но начнём с газов. Используем обычно ацетилен или пропан-бутан с кислородом. Соотношение — дело тонкое. Избыток кислорода — порошок перегревается, частицы испаряются, покрытие получается с выгоревшими элементами и высокой окисленностью. Недостаток — неполное плавление, плохая адгезия, покрытие сыпется. Приходится подбирать почти для каждой марки порошка заново, особенно если работаешь с композитами, например, никель-алюминиевыми системами или карбидами в металлической матрице.

Дальше — дистанция. Расстояние от сопла до детали. Казалось бы, стандартные 150–200 мм. Но если деталь массивная и холодная, нужно сокращать дистанцию, иначе частицы успевают остыть и не ?прилипают? как следует. С тонкостенными изделиями — обратная история: слишком близко — перегрев основы, деформация. Помню случай с ремонтом направляющей гидроцилиндра. Дали порошок на основе самофлюсующегося никелевого сплава. Дистанцию выдержали по паспорту, но основа была чугунная, массивная. В итоге первые слои легли плохо, адгезия оказалась ниже расчётной. Пришлось экспериментировать на ходу, подогревать основу горелкой предварительно. Это тот самый момент, когда технологическая карта молчит, а опыт подсказывает.

И ещё про порошок. Фракция, обычно, 40–100 мкм. Но если в партии есть пересортица, мелкие частицы сгорают, крупные не успевают расплавиться. Контроль сырья — половина успеха. Часто проблемы списывают на оборудование, а корень — в некондиционном материале. Хранение тоже важно. Отсыревший порошок ведёт себя непредсказуемо, может забивать питатель, давать всплески в подаче.

Оборудование и его причуды

Работал с разными установками, от старых советских АГН до современных систем с числовым программным управлением. Современные, конечно, стабильнее, но и в них есть нюансы. Например, система подачи порошка. Пневматические питатели с вибрацией — классика. Но если вибратор настроен слишком сильно, порошок уплотняется в шланге, подача становится пульсирующей. Покрытие получается полосатым, с неравномерной толщиной. А если слабо — порошок зависает в бункере, процесс прерывается.

Сопла. Их износ — вечная тема. Особенно при работе с твёрдыми порошками, типа карбида вольфрама в кобальтовой связке. Форма факела меняется, фокус рассеивается. Начинаешь замечать по увеличению разброса толщины на контрольных образцах. Меняешь сопло — и параметры снова нужно выводить в режим. Это постоянный мониторинг, не раз в смену, а практически непрерывный.

Интеграция процесса в общую производственную цепочку — отдельная история. Например, для нанесения износостойких покрытий на детали силовых установок, как у той же компании ООО Сиань Синьханъи Силовые Установки Технологии (их сайт — https://www.xhydl.ru), где нужна стабильность и воспроизводимость. У них на площадке в 10 000 кв. метров, наверняка, стоит задача не просто напылить, а вписать процесс в общий цикл обработки деталей: подготовка, напыление, возможная механическая обработка или термообработка покрытия. Тут уже без чёткого протокола и понимания, как поведёт себя покрытие при дальнейших операциях, не обойтись.

Подготовка поверхности — то, о чём часто забывают

Можно идеально настроить газопламенное напыление, но если поверхность подготовлена кое-как, всё насмарку. Пескоструйная обработка — стандарт. Но не любой абразив и не любая шероховатость подходят. Для сталей часто берут электрокорунд, для титана или алюминия — окись алюминия помягче. Шероховатость Ra должна быть в районе 40–80 мкм, чтобы обеспечить механическое зацепление. Если поверхность слишком гладкая — покрытие отслоится. Если слишком грубая — вершины микронеровностей могут прогореть при напылении, образуются оксидные плёнки, которые ослабляют связь.

Ещё важный момент — обезжиривание. Остатки масла, даже невидимые глазу, при нагреве газовой струёй выгорают, но образуют газовые поры на границе раздела. Адгезия падает катастрофически. Проверял как-то на образцах из низкоуглеродистой стали. Казалось бы, всё по инструкции. Но адгезия на отрыв была ниже нормы. Оказалось, в цеху использовали новое моющее средство, которое оставляло тонкую силиконовую плёнку. Пришлось переходить на растворитель на основе ацетона.

И сразу после подготовки — нельзя тянуть. Поверхность быстро окисляется, особенно активные металлы. Максимум — пара часов, а лучше сразу в работу. Иногда, для ответственных деталей, применяют подогрев до 80–100 °C сразу после пескоструйки, чтобы удалить адсорбированную влагу.

Конкретные материалы и их поведение в пламени

Работа с самофлюсующимися сплавами, например, NiCrBSi — это один из самых предсказуемых процессов. Они хорошо плавятся, имеют широкий температурный интервал пластичности. Но и тут есть нюанс — скорость охлаждения. Если охлаждение слишком быстрое (массивная медная подложка, например), возникают высокие растягивающие напряжения, могут пойти трещины. Для таких случаев иногда применяют послойный подогрев детали или напыление с последующим медленным охлаждением в изоляционном материале.

С керамиками, например, оксидом алюминия или циркония, сложнее. Они имеют высокую температуру плавления и низкую теплопроводность. В пламени они часто не полностью переходят в расплавленное состояние, а лишь в пластичное. Покрытие получается с высокой пористостью, что хорошо для теплоизоляционных слоёв, но плохо для защиты от коррозии или абразивного износа. Тут часто идут на компромисс: наносят подслой из никель-алюминиевого сплава для адгезии, а сверху — керамику. Или используют плазменное напыление, но это уже другая история.

Металлокерамические порошки, типа WC-Co, требуют аккуратности с температурой. Перегрев — карбид вольфрама распадается на вольфрам и углерод, образуются хрупкие фазы, твёрдость падает. Недогрев — кобальтовая связка не обеспечит должного сцепления частиц. Нужно поймать момент, когда кобальт расплавился и обволок твёрдые частицы карбида. Контролируют по цвету и яркости факела, по звуку — опытный оператор на слух отличает правильный режим.

Контроль качества и типичные дефекты

Визуальный контроль — первый, но не главный. Шероховатая, матовая поверхность — обычно норма. Блестящие, глазированные участки — признак перегрева. Сквозные поры или непроплавы видны при увеличении. Но основное — это адгезия. Простой тест — простукивание. Звонкий, чистый звук — хорошо, глухой, дребезжащий — есть отслоения. Более объективно — испытание на отрыв по ГОСТ или ASTM. Но это уже лаборатория.

Толщина. Измеряют ультразвуковым толщиномером или микрометром на эталонном образце. Частая проблема — неравномерность. Причины — неравномерный износ сопла, биение детали во вращателе, пульсации в подаче порошка. Иногда помогает простая регулировка скорости вращения детали или траектории движения горелки.

Трещины. Появляются либо из-за высоких остаточных напряжений (несовпадение коэффициентов термического расширения покрытия и основы, слишком быстрое охлаждение), либо из-за перегрева основы. Сложно исправить, обычно — переделывать со снятием слоя. Поэтому так важен пробный запуск на образце из того же материала.

В заключение скажу, что газопламенное напыление порошков — это ремесло, где технология тесно переплетена с навыком оператора. Даже имея современное оборудование, как на крупных площадках (вспомним тот же завод ООО Сиань Синьханъи Силовые Установки Технологии), где масштабы и требования к воспроизводимости высоки, без глубокого понимания физики процесса и внимания к мелочам не обойтись. Это не просто ?напшикать? слой металла, это управление теплом, потоком и материалом в реальном времени, где каждая деталь — от влажности в цеху до срока хранения порошка — вносит свой вклад в конечный результат.