Детонационное распыление - Detonation spraying

Плазменное напыление: еще один метод термического напыления, аналогичный детонационному напылению.

Детонационное распыление одна из многих форм термическое напыление методы, которые используются для нанесения защитного покрытия на материал со сверхзвуковой скоростью с целью изменения его поверхностных характеристик. Это в первую очередь для улучшения долговечность компонента. Впервые он был изобретен в 1955 году Х. Сарджент, Р. Пурмана и Х. Миноги и наносится на компонент с помощью специально разработанной детонационной пушки (D-пушки). Распыляемый компонент должен быть правильно подготовлен путем удаления всех поверхностных масел, смазок, мусора и шероховатости поверхности, чтобы получить прочно связанное детонационное напыляемое покрытие. В этом процессе участвуют самые высокие скорости (≈3500 м / с ударная волна который продвигает материалы покрытия) и температуры (≈4000 ° C) материалов покрытия по сравнению со всеми другими видами методов термического напыления. Это означает, что детонационное распыление может применяться с низким пористый (ниже 1%) и низкий содержание кислорода (0,1-0,5%) защитные покрытия, защищающие от коррозия, истирание и адгезия при низкой нагрузке.

Этот процесс позволяет наносить очень твердые и плотные поверхностные покрытия, которые используются в качестве носить стойкие покрытия. По этой причине детонационное распыление обычно используется для защитных покрытий в авиационных двигателях, пробках и кольцевых калибрах, режущих кромках (шлифовальных ножах), трубчатых сверлах, лопатках ротора и статора, направляющих рельсах или любом другом металлическом материале, который подвержен сильному износу и рвать. Обычно материалы, которые распыляются на компоненты во время детонационного распыления, представляют собой порошки металлов, металлических сплавов и металлокерамика; а также их оксиды (алюминий, медь, железо и др.).

Детонационное распыление - это промышленный процесс, который может быть опасным при неправильном выполнении и в безопасной среде. Таким образом, существует множество мер предосторожности, которые необходимо соблюдать при использовании этого метода термического напыления.

История

Процесс детонационного напыления был впервые разработан в 1955 году Х. Сарджент, Р. Пурман и Х. Минога^[1] и впоследствии был запатентован. Впервые он был коммерчески доступен как D-Gun Process компанией Union Carbide в том же году.^[2] В дальнейшем она была развита в 1960-х годах Институтом Патона в Киеве (Украина) и превратилась в технологию, которая в настоящее время коммерчески доступна в США компанией Demeton Technologies (Западный Вавилон).^[3]

D-Gun

Покрытия детонационным распылением наносятся с помощью детонационной пушки (D-пушки), которая состоит из металлического цилиндра с длинным водяным охлаждением, содержащего впускные клапаны для ввода газов и порошков в камеру.^[4] Предварительно выбранное количество желаемого материала защитного покрытия, известного как сырье (в виде порошка с размером частиц 5–60 мкм) вводится в камеру (при обычных расходах порошка 16–40 г / мин).^[3] Здесь кислород и топливо (обычно ацетилен ) воспламеняются свечой зажигания, чтобы создать сверхзвуковой ударная волна, которая выталкивает смесь расплавленного и / или частично расплавленного и / или твердого сырья (в зависимости от типа используемого материала) из ствола на распыляемый объект.^{[нужна цитата ]} Затем ствол очищается короткой очередью. азот прежде, чем D-пушка будет готова к новой стрельбе. Это важный шаг, потому что тепло от остаточных газов может вызвать возгорание новой топливной смеси, что, в свою очередь, вызовет неконтролируемую реакцию. Также небольшое количество инертный газообразный азот, вставленный между двумя смесями топлива и сырья перед сжиганием, помогает предотвратить обратное возгорание.^[3] D-пушки обычно работают с частотой стрельбы от 1 до 10 Гц.^{[нужна цитата ]} Во время распыления материала детонационным пистолетом можно использовать множество различных смесей порошков для покрытия и настройки D-пистолета, все из которых влияют на конечные характеристики поверхности напыляемого покрытия. Общие используемые порошковые материалы включают, но не ограничиваются ими: оксид алюминия-диоксид титана, оксид алюминия, вольфрам карбид -вольфрам-хром карбидная смесь с никель -хром связующее из сплава, карбид хрома, карбид вольфрама с кобальт связующее.^[5]

Металлурги считают измерения поверхностного содержания кислорода, макро- и микро-твердость, пористость, прочность сцепления и шероховатость поверхности при определении качества термически напыляемого покрытия.^[6]

Значения свойств, определяющие качество аэрозольных покрытий для распыления D-Gun^[5]^[7]^[6]
Толщина (мкм)	Пористость (%)	Содержание кислорода (%)	Твердость (VHN )	Прочность сцепления (psi )	Шероховатость поверхности (мкм)
75 - 125	0.25 -1	0.1 - 0.5	1350	10 000	3-6

Составные части^[4]

Скорости и температуры для различных методов термического напыления

Свеча зажигания
Бочка с водяным охлаждением
Впускной клапан азота
Впускной топливный клапан
Впускной кислородный клапан
Впускной клапан порошкового сырья

Обзор цикла работы^[3]^[8]

В камеру сгорания впрыскивается смесь топлива и кислорода.
Порошковое сырье вводится в камеру.
Газообразный азот добавляется между топливно-кислородной смесью и порошковым сырьем для предотвращения обратного воспламенения.
Смесь поджигается, и нагретый порошок выбрасывается из ствола на целевой материал.
Затем ствол продувают азотом и снова готов к стрельбе.
Этот процесс повторяется с частотой от 1 до 10 Гц, пока не будет достигнута желаемая толщина покрытия.

Подготовка поверхности

Покрытия, нанесенные методом детонационного напыления, в основном связаны механическим способом. Это означает, что поверхность распыляемого компонента должна быть должным образом подготовлена, чтобы максимизировать прочность связи между напыляемым покрытием и субстратом. Для успешной подготовки поверхности ее необходимо очистить от всех жиров, масел, грязи и других загрязнений и придать ей достаточную шероховатость, чтобы обеспечить достаточную неровность поверхности, чтобы покрытие могло цепляться. Химические процессы, как правило, являются наиболее подходящими методами очистки поверхности подложки. После этого необходимо соблюдать осторожность, чтобы не прикасаться и / или не загрязнять поверхность перед распылением. Для придания шероховатости поверхности подложки используются три метода: абразивоструйная очистка, механическая обработка и связующее покрытие. Очистка происходит только после придания шероховатости поверхности, за исключением использования связующего покрытия; поверхность должна быть очищена до и, возможно, после этого процесса. Нанесение покрытия из детонационного распылителя следует производить как можно скорее после подготовки поверхности основания.^[5]

Абразивоструйная очистка

Абразивно-струйная очистка, также известная как пескоструйная очистка, включает использование сжатого воздуха для выжигания пара из чистого, острого, измельченного стального песка или оксид алюминия на поверхность детали. Алюминий хороший вариант, так как он относительно дешевый. Обожженная крошка отламывает небольшие кусочки поверхности подложки, создавая ровную шероховатую поверхность для образования хороших механических соединений. Перед распылением основание необходимо очистить от мусора и остатков песка после струйной обработки.^[9]

Обработка

# Поднутрение, на которое можно напылить покрытие. # Отступ без подрезов.

В случаях, когда требуется очень прочное механическое соединение (например, для компонентов, которые будут использоваться для обработки), поверхность компонентов часто обрабатывается для создания канавок для сцепления покрытия. Канавки «ласточкин хвост» обеспечивают прочное сцепление, но могут быть трудоемкими и дорогостоящими. Более дешевый метод - вырезать простые частично открытые канавки, но этот метод дает худшую конечную прочность соединения. Края и углы компонента представляют собой возможные слабые места в структуре покрытия, поскольку они могут отломиться от компонента. Для увеличения прочности сцепления в этих точках углы и края детали должны быть скруглены. Если покрытие не должно доходить до краев компонента, можно использовать поднутрение (как показано на схеме справа) для закрепления покрытия на основе. Хотя поднутрения можно использовать и в других сценариях.^[10]

Покрытия часто имеют тенденцию к усадке после нанесения из-за процесса охлаждения. Это означает, что необходимо предпринять шаги, чтобы свести к минимуму негативные последствия усадки. В противном случае покрытие может пострадать от напряжения из-за натяжения, которое ослабит покрытие и в некоторых случаях может вызвать его отслаивание. Усадку покрытий можно использовать для увеличения прочности сцепления при правильном применении. Нанесение покрытия на всю внешнюю поверхность компонента означает, что покрытие будет сжиматься вокруг компонента при охлаждении, создавая своего рода силу захвата, которая увеличивает механическую прочность соединения. Это также относится к случаям, когда плоский компонент распыляется по краям, покрытие будет зажимать поверхность, как зажим; снова увеличивает прочность сцепления. Внутренние покрытия страдают от усадки, так как они отрываются от поверхности детали. Чтобы противостоять этому, компонент можно нагреть, чтобы уменьшить влияние относительной усадки при охлаждении.^[5]

Компоненты должны подвергаться сухой механической обработке (без масел), чтобы масло не попало на них перед распылением. Если этого нельзя избежать, то перед детонационным распылением подложку необходимо снова очистить.^[5]

Связующее покрытие

После абразивно-струйной обработки и / или механической обработки поверхности нанесите тонкий слой молибден, никель-хромовые сплавы или алюминид никеля может быть распылен перед окончательным нанесением покрытия методом детонационного распыления для улучшения прочности сцепления. Это известно как связующее покрытие. Связующие покрытия часто используются при нанесении напылением материалов керамических композитов. Компонент может нуждаться в механической обработке и / или пескоструйной очистке немного глубже, чтобы оставить место для связующего покрытия и напыляемого покрытия, чтобы оно плотно прилегало к поверхности компонента.

Области, которые не подлежат опрыскиванию, должны быть покрыты защитными химикатами (химикатами, препятствующими склеиванию спрея) или лентой. После охлаждения покрытия химикаты и ленту удаляют.^[5]^[11]

Покрытия для детонационного распыления

Детонационное распыление позволяет получить покрытия с очень высокой прочностью и твердостью химической связи. Покрытия имеют низкую пористость, содержание кислорода и шероховатость поверхности от низкой до средней. Это достигается за счет чрезвычайно высоких температур и скоростей, создаваемых детонационной пушкой во время нанесения покрытия на поверхность.^[6] Эти свойства делают детонационное напыление стандартом сравнения для всех других покрытий термическим напылением (проволочная дуга, плазма, пламя, HVAF, HVOF, Warm, Холодный ).^[2]

Есть много факторов, которые определяют окончательные свойства покрытия детонационной пушки. В первую очередь, свойства поверхности определяются типом и свойствами используемого порошкового сырья (составом и размером частиц), но на них также влияют настройки, используемые на D-пистолете. Это расход пороха, скорострельность, расстояние от пушки до цели, то, как D-пушка перемещается для нанесения покрытия, размер ствола, количество и состав смеси топлива и кислорода.^{[нужна цитата ]}

Детонационное распыление позволяет наносить защитные покрытия на относительно чувствительные и деликатные материалы. Это связано с тем, что покрытие для детонационной пушки наносится очень быстро, а источник тепла удаляется из материала мишени. Это позволяет использовать множество подходящих применений для детонационного распыления.^{[нужна цитата ]}

Типы материалов

Многие материалы можно распылять в виде покрытий с помощью D-пистолета.^[8] Эти материалы, используемые в качестве сырья, представляют собой порошки металлов, сплавов и металлокерамика; а также их оксиды.^[7] Однако в основном используются высокотехнологичные покрытия, в том числе керамика и сложные композиты. Такие характеристики, как прочность, твердость, усадка, коррозионная стойкость и износостойкость возможных напыляемых материалов, учитываются при выборе материала покрытия.^[5]

Вот некоторые примеры:

Al2O3
Cu – Al
Cu – SiC
Al – Al2O3
Cu – Al2O3
Al – SiC
Al – Ti
TiMo (CN) –36NiCo
Fe – A^{[нужна цитата ]}

Приложения

Основными функциями покрытий с детонационным напылением являются защита от коррозии (из-за низкого содержания кислорода), истирания и адгезии при низких нагрузках.^[7] Это означает, что при детонационном распылении получаются твердые и долговечные покрытия, подходящие для:^[5]

Детонационное напыление используется на различных компонентах современных самолетов.

Различные компоненты общего оборудования: валы, уплотнения, втулки, подшипники, уплотнения.^[8]
Авиация:
- лопатки ротора и статора
- компоненты двигателя^[2]
- направляющие рельсы
Нефтегазовая промышленность:
- втулки и уплотнительные кольца ESP единицы
- Задвижки
- запорная арматура
- рабочая поверхность бурового инструмента
Ракетно-космическая промышленность
Электронная и радиопромышленность
Приборостроение
Инструментальная промышленность
- Трубчатые сверла^[5]
- Зубчатые ножи для резины и пластика
Судостроительная промышленность
Плунжер и кольцевые калибры с покрытием D-пистолетом

Ограничения

Есть несколько ограничений детонационного распыления, а именно:

Детонационное распыление создает покрытие, которое в основном связано механически, а не металлургически, что является гораздо более прочным типом связи.
Детонационное распыление - это процесс «прямой видимости», означающий, что компоненты, как правило, должны быть покрыты перед использованием или сборкой. Это связано с тем, что детонационная пушка должна иметь доступ к поверхности, чтобы можно было нанести эффективное покрытие.
Покрытия, несмотря на то, что они достаточно сильны при сжатии, являются слабыми при растяжении, что означает, что они не могут быть нанесены на податливые или расширяющиеся компоненты.
Покрытия склонны к усталости при точечной нагрузке.
Детонационные пушки довольно большие и громкие.^[12]
Распыление с помощью детонации должно производиться в специально предназначенном для этого месте, поскольку пистолет достаточно большой и это громкий процесс, производящий значительный шум. По этой причине его обычно устанавливают в звукоизолированном помещении (с бетонными стенами толщиной 45 см).
Процесс включает в себя значительную механизацию и автоматизацию, поскольку оператор не может находиться в помещении, пока работает D-пистолет.^[5]

Безопасность

Распыление с помощью детонационного пистолета, как и любой другой производственный процесс, сопряжено с рядом опасностей, с которыми необходимо правильно справляться, чтобы гарантировать безопасность оператора во время использования. Эти меры предосторожности в основном относятся к следующим категориям, а предлагаемые методы минимизации опасности в некоторых случаях положительно влияют на получаемое в результате детонационное распыление покрытие. Например, необходимость автоматизации процесса распыления означает, что можно получить очень равномерное и равномерное покрытие распылением.

Шум

Срабатывание детонационной пушки - очень громкий процесс из-за многократных взрывов, происходящих в камере в секунду. Это может привести к повреждению слуха оператора, если он находится в непосредственной близости от D-пистолета. В результате детонационное распыление следует проводить в звукоизолированном помещении, и во время работы в помещении никого не должно быть.^[5] Также операторы должны носить средства защиты органов слуха (например, наушники и / или беруши) при работе с D-пистолетом.

Высокая температура

Пистолет D достигает чрезвычайно высоких температур (≈4000 ° C)^{[нужна цитата ]} во время работы. Легковоспламеняющиеся и взрывоопасные виды топлива (обычно ацетилен ) используются при детонационном напылении для создания сверхзвуковой ударной волны, которая толкает материалы порошкового покрытия на их целевые компоненты. Это создает серьезную опасность ожога и взрыва. Опять же, никто не должен находиться в комнате во время работы D-пистолета, и комната должна быть спроектирована таким образом, чтобы выдерживать любую неисправность D-пистолета. Также следует использовать защитные перчатки при обращении с D-пистолетом и распыляемыми компонентами, чтобы избежать ожогов от горячих компонентов после распыления.^[13]

Пыль и пары

D-пушка распыляет порошковое сырье на очень мелкие частицы (80–95% частиц по общему количеству имеют размер <100 нм). Это означает, что для обеспечения безопасности при вдыхании необходимы надлежащие устройства для извлечения. Также рекомендуется изолировать D-пистолет, чтобы операторы не вдыхали опасную пыль и пары.^[14] Если операторы должны войти в комнату, они должны носить соответствующие респираторы или респираторы. Многие из соединений, используемых в качестве сырья при детонационном распылении, вредны для здоровья человека при проглатывании или вдыхании. Металлы, находящиеся в воздухе из детонационной пушки, особенно опасны для легких. Например, воздействие кадмия может нанести вред почкам и легким, вызвать рвоту, потерю сознания и даже снизить фертильность.^[15] Также недавние исследования показали, что тяжелые металлы, такие как свинец, никель, хром и кадмий, являются канцерогенными. Некоторые серьезные заболевания легких, вызванные вдыханием металлической пыли, включают:

Силикоз - заболевание легких, вызванное вдыханием кремнезема, присутствующего в исходных соединениях.
Сидероз - (легкое полировщика серебра или легкое сварщика), заболевание легких, вызываемое вдыханием железа, присутствующего в исходных соединениях.^[16]
Болезнь Альцгеймера - Заболевание потери памяти, более распространенное среди пожилых людей, как показали некоторые исследования, вызвано высоким уровнем воздействия алюминия (среди многих других причин). Однако следует отметить, что эти исследования не были окончательными, а другие доказали обратное.^[17]
Металлическая лихорадка - это может произойти у некоторых людей после воздействия определенных соединений металлов (таких как сплавы или оксиды меди, цинка, магния и алюминия), которые имеют особенно неприятный запах. Испарения образуются как побочный продукт при нагревании металлов и могут вызвать лихорадочную реакцию, которая может потребовать медицинской помощи.^[18]