14.4. Детонационное напыление

Детонационные покрытия формируются с помощью ударных волн, периодически инициируемых микровзрывами смеси кисло­рода и ацетилена.

Установка детонационного напыления (рис. 14.8) состоит из камеры сгорания, выполненной совместно с водоохлаждаемой трубкой-створом 5, электрической свечи 2, газопроводом по кис­лороду и ацетилену 1, порошкового дозатора 4 и источника тока 3. Детали устанавливаются на мишени на расстоянии 70... 150 мм от края створа детонационной пушки.

Технология нанесения покрытия заключается в следующем:

подача кислорода и ацетилена в камеру сгорания; подача до­зируемого количества напыля­емого порошка из питателя в потоке азота; смесь кислорода и ацетилена поджигается элек­трической искрой; взрыв (вы­деляется большое количество тепла); возрастание давление в трубке-стволе; выстрел порош­ка из трубки-ствола по направ­лению мишени.

В результате взрыва и после него в камеру непрерывно по­ступает азот; защищающий га­зовые клапаны от действия взрыва и очищающий от про­дуктов сгорания ствола и ка­меру сгорания.

Рис. 14.8. Схема установки для нане­сения детонационного покрытия:

1 — газопровод; 2 — электрическая све­ча; 3 — источник тока; 4 — порошковый дозатор; 5 — трубка-створ; 6 — подлож­ка; 7 — покрытие; 8 — порошок

Цикл взрыва длится 0,23 с, т.е. в секунду производится 3...4 взрыва.

При каждом взрыве на ограниченный участок поверхности на­носится покрытие толщиной 6,3 мкм. Последовательным нанесе­нием порошка на отдельные участки создаются сплошные покры­тия. Обычно это достигается перемещением детали относительно канала ствола.

Во взрывной волне газ сжимается до давления десятков атмос­фер с температурой несколько тысяч градусов. Несмотря на высо­кие температуры, развивающиеся в месте контакта частиц порош­ка с подложкой, деталь не нагревается до температуры более 200°С.

Уровень шума при работе детонационной установки — 140 дБ, что выше предела допустимого техникой безопасности (80 дБ). Поэтому установка помещается в звуконепроницаемую камеру и управляется оператором, расположенным за перегородкой.

После достижения детонационной волной открытого конца ствола она увлекает напыляющие частицы и в виде двухфазного пото­ка (продукты детонации и напыляемые частицы) движется к ми­шени. Скорость потока на выходе из ствола составляет 875 м/с, материал покрытия выбрасывается взрывной волной на обрабаты­ваемую поверхность со сверхзвуковой скоростью.

В двухфазном потоке продукты детонации нагреваются и уско­ряют напыляемые частицы, которые могут плавиться и испаряться. Вблизи обрабатываемой подложки поток газа тормозится и расте­кается вдоль поверхности. Покрытие может формироваться из пол­ностью расплавленных частиц и из смеси расплавленного и нерас­плавленного материалов. Высокая скорость в момент удара и высокая температура в зоне взаимодействия вызывают приваривание И кристаллизацию частиц порошка на поверхности подложки.

В отличие от газопламенных и плазменных методов детонаци­онные покрытия формируются при более высоких скоростях час­тиц и наличии более крупных непроплавленных частиц в конце двухфазного потока. Это приводит к эффектам ударного прессова­ния и абразивного воздействия потока на поверхность, в результа­те чего возможно отделение частиц покрытия от подложки и уве­личение плотности уже сформированного покрытия.

Формирование первого слоя детонационного покрытия характеризуется плотным прилеганием к подложке и отсутствием пор. Это связано с плавлением микрообъемов обрабатываемой поверхности, перемешиванием материала подложки с покрытием, что способствует образованию прочной связи. Несмотря на низкую общую температуру подложки (200...250°С), контактная температура в отдельных точках достигает температуры плавления стали (-1500 °С). Поры, образующиеся при напылении первого слоя, при фор­мировании последующих слоев уменьшаются в объеме или исчезают в результате эффекта горячего ударного прессования.

Двухфазный поток ударной волны неоднороден по длине. Для нерасплавленного металла он минимален в начале потока и мак­симален в конце.

В результате воздействия непроплавленных частиц в конце двух­фазного потока происходит отделение верхних слоев покрытия (эффект абразивного отделения). Верхние слои покрытия слабо связаны с материалом покрытия из-за отсутствия дополнительно­го упрочнения при напылении последующих слоев и большого количества нерасплавленных частиц.

Износостойкость поверхностных слоев покрытия толщиной 10...30 мкм низкая. Не удается нанести твердосплавные покрытия на гладкую поверхность, имеющую высокую твердость. Причиной этого служат следующие процессы:

при напылении твердые нерасплавленные частицы (например, карбид, вольфрам) внедряются в подложку; другие частицы, по­падая на горячий слой металла, проникают в него, входя в состав покрытия;

частицы карбида, попадая на внедренные частицы карбида, отскакивают от нее и не участвуют в формировании покрытия.

Толщина детонационных покрытий обычно составляет 40... 220 мкм. Покрытие состоит из трех зон: переходная зона толщиной 5... 30 мкм определяет прочность сцепления покрытия с подложкой; основная зона, толщина которой в зависимости от назначения покрытия со­ставляет 30... 150 мкм; поверхностная зона толщиной 10...40 мкм обычно удаляется при доводочных операциях.

Детонационными методами напыляют порошки чистых метал­лов — №, А1, Мо, К, окислов, карбидов, нитридов и т.д.

Комплект оборудования для нанесения покрытия включает: элек­тропечь (СНОЛ-1.6.2.5 1/13,5); вихревой аппарат (АВСП-100); пес­коструйный шкаф с инжекторным аппаратом (ВНИИАВТОГЕН-маш № 02-71.12); пескоструйный пистолет (027110); стойку с га­зовыми баллонами (не менее 3); масловлагоотделитель (ДВ 41-16); сито с ячейками; лабораторные весы (ВПА-200 г-М); твердомер и микрометрический инструмент.

Для детонационного нанесения покрытий применяются уста­новки УДН-2М, Днепр, АДК, ЛНП5, КПИ-6, АУДН-2М.

Технологический процесс детонационного нанесения покры­тий состоит из следующих операций: подготовка поверхности де­талей перед нанесением покрытий; подготовка порошка; нанесе­ние покрытий; контроль качества покрытий; механическая обра­ботка; контроль качества покрытий после механической обработки.

Для образования прочной связи между материалами детали и покрытия необходимо нанести промежуточный слой, если наблю­дается слабая адгезия между покрытием и материалом детали, если коэффициент термического расширения между покрытием и ма­териалом детали резко отличается, и если деталь работает в усло­виях переменных температур. Толщина промежуточного слоя составляет 0,05...0,15 мм. Для нанесения промежуточного слоя ис­пользуются порошки нихрома, молибдена, никель-алюминиевых сплавов, стали 12Х18Н9 и т.п.

В качестве рабочих газов используют азот и кислород, техни­ческий ацетилен и пропан-бутан. Выбор газа зависит от техничес­кой характеристики детонационно-газовой установки.

При нанесении покрытий на участки поверхности деталей ос­тальные ее части закрывают накладными экранами из тонких лис­тов металла. Для малых по площади деталей используют специаль­ные маски-экраны, которые устанавливают на расстоянии не бо­лее 50 мм от напыляемой поверхности.

Дистанцию напыления задают в зависимости от материала, раз­меров и форм детали, материала и необходимой толщины покры­тия и изменяют от 50 до 200 мм.

Необходимую толщину покрытий получают многократным по­вторением циклов стрельбы. Смещение детали между двумя цик­лами не должно превышать 0,5 диаметра створа.