Аппарат газодинамического напыления металла

Металлизация — эффективный метод защиты от коррозии

Холодное газодинамическое напыление — новейший метод в области термического напыления. По сравнению с обычными процессами термического напыления холодное газодинамическое напыление имеет особые преимущества, поскольку распыляемый материал не расплавляется и не плавится во время процесса. Таким образом, тепловое воздействие на покрытие и материал подложки остается низким.
Высокая кинетическая энергия частиц и высокая степень деформации при воздействии на подложку, которая связана с ней, позволяет изготавливать однородные и очень плотные покрытия. Диапазон толщины покрытия варьируется от нескольких сотых долей миллиметра до нескольких сантиметров.

В получаемых металлических покрытиях, физические и химические свойства практически не отличаются от свойств базового материала.

Согласно новейшей системной технологии инертный газ — предпочтительно азот или гелий — подается в пистолет-распылитель под давлением до 50 бар (725 фунтов на кв. дюйм) и нагревается до максимальной температуры 1100 °C (2012 °F) в корпусе пистолета.

Последующее расширение нагретого и находящегося под высоким давлением газа в сужающемся-расширяющемся сопле до давления окружающей среды приводит к ускорению технологического инертного газа до сверхзвуковой скорости и в то же время к охлаждению газа до температуры ниже 100 °C (373 °F).

Распыляемые порошки впрыскиваются в сужающуюся часть сопла с помощью устройства подачи порошка и газа-носителя и ускоряются до скорости частиц 1200 м/с в основном газовом потоке.

В сильно суженом сопле распылителя частицы ударяются о необработанные, в большинстве случаев, поверхности компонентов, деформируются и превращаются в сильно адгезионное/когезионное и низкооксидное покрытие.

Холодное газодинамическое напыление - схема процесса



Холодное газодинамическое напыление «БУРАТИНО»

Газодинамическое напыление металла выполняется с целью придания поверхностям металлических и неметаллических изделий необходимых свойств. Это может быть повышение электро- и теплопроводности, прочности, защита от воздействия коррозионных процессов, восстановление геометрических размеров и т. д. При этом в зависимости от конкретной задачи, зависящей от металла изделия, подбирается необходимое оборудование, расходные материалы и технология выполнения напыления. Чаще всего поверхности подлежат металлизации, при этом наносимое покрытие имеет высокую адгезию с материалом, на которую оно наносится, а изделие получается механически прочным. Напыляться могут чисто металлические порошки или смеси, в состав которых, помимо металлической составляющей, вводится керамический порошок в определенных количествах. Это значительно удешевляет технологию получения порошкового покрытия и не сказывается на его свойствах.

Холодное напыление. Оборудование для холодного газодинамического напыления металлов

Холодное газодинамическое напыление - схема процесса

Холодное газодинамическое напыление — новейший метод в области термического напыления. По сравнению с обычными процессами термического напыления холодное газодинамическое напыление имеет особые преимущества, поскольку распыляемый материал не расплавляется и не плавится во время процесса. Таким образом, тепловое воздействие на покрытие и материал подложки остается низким.
Высокая кинетическая энергия частиц и высокая степень деформации при воздействии на подложку, которая связана с ней, позволяет изготавливать однородные и очень плотные покрытия. Диапазон толщины покрытия варьируется от нескольких сотых долей миллиметра до нескольких сантиметров.

В получаемых металлических покрытиях, физические и химические свойства практически не отличаются от свойств базового материала.

Согласно новейшей системной технологии инертный газ — предпочтительно азот или гелий — подается в пистолет-распылитель под давлением до 50 бар (725 фунтов на кв. дюйм) и нагревается до максимальной температуры 1100 °C (2012 °F) в корпусе пистолета.

Последующее расширение нагретого и находящегося под высоким давлением газа в сужающемся-расширяющемся сопле до давления окружающей среды приводит к ускорению технологического инертного газа до сверхзвуковой скорости и в то же время к охлаждению газа до температуры ниже 100 °C (373 °F).

Распыляемые порошки впрыскиваются в сужающуюся часть сопла с помощью устройства подачи порошка и газа-носителя и ускоряются до скорости частиц 1200 м/с в основном газовом потоке.

В сильно суженом сопле распылителя частицы ударяются о необработанные, в большинстве случаев, поверхности компонентов, деформируются и превращаются в сильно адгезионное/когезионное и низкооксидное покрытие.

Холодное газодинамическое напыление - схема процесса

Защита грузовых подъемников от коррозии при установке на улице. Технология газопламенного напыления цинка. Гарантия до 25 лет.

Цинк отличается от железа более высоким отрицательным потенциалом (0,2-0,3 мВ). Поэтому цинковое покрытие выступает в качестве анода и защищает сталь на электрохимическом уровне. Этот металл очень медленно растворяется в электролитах, содержащихся в городской и промышленной атмосфере, морской воде, влажном бетоне, Поэтому он играет роль эффективного протектора, нанесенного тонким слоем по поверхности конструкции, которой требуется защита.

Толщина слоя определяется исходя из степени агрессивности среды, в которой приходится эксплуатировать изделие. Дополнительную антикоррозийную устойчивость получают с помощью лакокрасочного покрытия, уложенного на слой цинка. Такое решение многократно повышает защиту и обеспечивает привлекательный вид.

Суть и назначение технологии газодинамического напыления

Сущность метода холодного газодинамического напыления заключается в нанесении и закреплении на поверхности изделия или детали твердых частиц металла или смеси материалов размером от 0,01 до 50 мкм, разогнанных до необходимой скорости в воздухе, азоте или гелии. Такой материал называют порошковым. Это частицы алюминия, олова, никеля, баббиты разных марок, смесь алюминиевого порошка с цинком. Среда, с помощью которой осуществляют перемещение материала, может быть холодной или подогреваться до температуры не выше 700 °C.

При контакте с поверхностью изделия происходит трансформация пластического типа, а энергия кинематического вида переходит в адгезионную и тепловую, что способствует получению прочного поверхностного слоя металла. Порошок может наноситься не только на металлические поверхности, но и на выполненные из бетона, стекла, керамики, камня, что значительно расширяет область применения способа создания поверхностей с особыми свойствами.

В зависимости от давления различают такие виды холодного газодинамического напыления:

  • высокого;
  • низкого.

В первом случае в качестве рабочей среды, перемещающей порошковый материал размером от 5 до 50 мк, используют гелий и азот. Частицы металла, если они движутся, имеют давление больше 15 атм. Во втором случае используется сжатый воздух, который подается под давлением, не превышающим 10 атм. Различаются эти виды еще и такими показателями, как мощность подогрева и расход рабочей среды.

Этапы напыления следующие:

  • подготовка поверхности изделия к напылению механическим или абразивным способом;
  • нагревание рабочей среды (воздух, азот, гелий) до установленной в технологическом процессе температуры;
  • подача нагретого газа в сопло оборудования вместе с порошком под необходимым давлением.

В результате порошок разгоняется в потоке до сверхзвуковых скоростей и соударяется с поверхностью детали или изделия. Происходит напыление слоя металла толщиной, величина которой зависит от температуры нагрева подаваемого газа и давления.

Подготовку поверхности изделия абразивным способом выполняют, применяя само оборудование для нанесения газодинамического напыления простой сменой параметров режима.

Область применения этого вида напыления довольно обширная. С помощью метода осуществляют герметизацию течей в емкостях и трубопроводах, ремонт деталей и отливок из легких сплавов, наносят электропроводящие, антикоррозионные и антифрикционные покрытия, устраняют механические повреждения, восстанавливают посадочные места в подшипниках.

Почему большинство отдает предпочтение газодинамическому напылению?

  • Дешевизна. Цена на аппарат для напыления металла «Димет» — пожалуй, самая большая трата. Потому что расход и стоимость наносимых металлов (с учетом долговечности установки и количества рабочих циклов) минимальны.
  • Удобство и практичность. Металлический слой наносится без ущерба для обрабатываемого изделия, которое практически не нагревается, не окисляется, не происходит выгорание легирующих сплавов и коробления.
  • Полностью безвредно для человека и окружающей среды, так как в процессе эксплуатации не образует токсичных соединений.
  • Не требует создания определенных условий для эксплуатации.

Эти преимущества делают агрегаты «Димет» удобными, практичными и очень эффективными в использовании.

Воздействие скорости частиц на качество и эффективность покрытия

  1. Частица покрытия достигла минимальной скорости удара, которая необходима для возбуждения механизма взаимодействия с поверхностью подложки (обрабатываемого образца). Эта так называемая «критическая скорость» влияет на свойства материала покрытия.
  2. Поскольку скорость удара выше критической скорости, деформация и качество сцепления частиц возрастают.
  3. Если скорость удара слишком высока («скорость эрозии»), происходит больше разрушения материала, чем его добавления. Покрытие не образуется.
  4. Чтобы образовалось плотное и хорошо сформированное покрытие, значение скорости удара частиц должно быть между значениями критической скорости и скорости эрозии.

Применение оцинковки

Цинкование металлоконструкций необходимо при производстве и обработке таких конструктивных элементов:

  • Бетонируемые стальные конструкции, которые, согласно СНиП и ГОСТ должны иметь дополнительную защиту от коррозии. Такие детали перед закладкой подвергаются цинкованию газотермическим напылением, термодиффузионным или горячим или методом, покрытием цинкнаполненными красками (холодным цинкованием).
  • Поверхности, узлы и детали спецтехники. Благодаря высокой степени адгезии, цинк прочно держится на поверхности, а нанесенное на него лакокрасочное покрытие не отслаивается и не трескается.
  • Технические трубопроводы, поверхность которых улучшает степень защиты от коррозии.
  • Задвижки, затворы и другие запорные элементы гидротехнических сооружений.
  • Мосты и прочие важные сооружения, подвергающиеся воздействию агрессивной среды.
  • Корпуса судов.
  • Памятники и архитектурные сооружения.
  • Сваи, столбы и прочие несущие элементы, которые закапывают в грунт.

Главные плюсы метода

К преимуществам технологии относят:

  • выполнение работ при любых климатических условиях (давлении, температуре, влажности);
  • возможность применения оборудования стационарного и переносного типа, что в последнем случае позволяет осуществлять работы по месту их проведения;
  • возможность нанесения покрытия на локальные участки (дефектные места);
  • возможность создания слоев с разными свойствами;
  • возможность создания слоя необходимой толщины или разных по толщине в многослойных покрытиях;
  • процесс не оказывает влияния на структуру изделия, на которое наносится напыление, что является важным преимуществом;
  • безопасность;
  • экологичность.

К недостатку этого вида напыления относят только один факт. Слои можно наносить на пластичные металлы, такие как медь, цинк, алюминий, никель и сплавы на их основе.

Производители разных стран выпускают оборудование стационарного и переносного типа для ручного и автоматизированного нанесения покрытий разной производительности на разные металлы.

Метод газопламенной обработки

Если в предыдущей технологии предусматривается тщательная подготовка основы, которая должна подвергаться покрытию, то в данном случае особое внимание уделяется частицам металлизации. Современное газопламенное напыление может выполняться с помощью полимерного порошка, проволочного или шнурового материала. Данная масса направляется в пламя кислородно-пропановой или ацетиленокислородной горелки, в которой происходит расплавление и перенос на напыляемую основу сжатым воздухом.

Далее состав остывает, формируя готовое к применению покрытие.

Технология напыления металлов в домашних условиях

При помощи данной методики можно наделять материалы антикоррозийной стойкостью и механической прочностью. Активным материалом можно обрабатывать алюминиевые, никелевые, цинковые, железные и медные сплавы. В частности, газопламенное напыление используют для повышения эксплуатационных качеств подшипников скольжения, изоляционных покрытий, электротехнических деталей и т. д. Кроме этого, технология используется в интерьерном и архитектурном дизайне для обеспечения конструкций декоративными свойствами.

Принцип действия, плюсы и минусы ХГН

ХГН имеет два основных отличия от газотермического метода реставрации. Во-первых, напыление защитного или восстановительного покрытия происходит при пониженной температуре, не превышающей 150 °С, что в свою очередь не вызывает напряжения в обрабатываемых деталях и их деформации. Во-вторых, «холодная» технология позволяет создавать слой регулируемой толщины и в точно заданных границах. О других плюсах и минусах расскажем чуть позже, а пока об авторах метода и о том, как он работает.

Его разработчиком является «Обнинский центр порошкового напыления» (Россия). Производимое ими оборудование получило название ДИМЕТ®. Оно сертифицировано по системе ГОСТ Р и защищено патентами России, США, Канады и других стран. В основу технологии заложен принцип сверхзвукового воздействия мельчайшими частицами легкоплавких и других материалов на обрабатываемую поверхность. В основном это полимеры или сплавы карбидов с металлами с размером частиц 0,01-0,5 мкм. Смешиваясь с газом они подаются на изделие со скоростью 500-1000 м/с.

В зависимости от состава расходного материала (порошка) и изменения режимов его нанесения можно получить однородное или композиционное покрытие с твердой или пористой структурой и своей функциональной задачей. Это может быть: восстановление геометрии изделия, упрочнение и защита металла от коррозии, повышение тепло- и электропроводности материала, а также образование износостойкого покрытия, выдерживающего воздействие химически активных сред, высоких тепловых нагрузок и т. д.

Кстати, обнинские инженеры разработали уже несколько модификаций установок ДИМЕТ®. Учитывая широкую востребованность данного оборудования, сейчас серийно выпускаются как ручные, так и автоматизированные аппараты холодного газодинамического напыления, что позволяет использовать их в промышленности, нефтегазовой отрасли, а также в малом бизнесе для обработки небольших деталей. Тем более, что ничего особо сложного в самой технологии нет. Для работы комплекса (помимо материала для напыления) необходим только сжатый воздух (подается под давлением 0,6-1,0 МПа и расходом 0,3-0,4 м3/мин.) и электросеть напряжением 220 В. Теперь ещё о преимуществах и недостатках метода. Во-первых, в отличие от газотермического способа ХГН может эффективно применяться при обычном давлении, в любом температурном диапазоне и уровне влажности. В-вторых, он экологически абсолютно безопасен. В-третьих, благодаря большой скорости, может применяться и для абразивной чистки поверхности. Ну, а единственным недостатком технологии является возможность нанесения покрытий только из относительно пластичных металлов, таких как медь, алюминий, цинк, никель и др.

Газодинамическое цинкование

Покрытие, созданное газотермическим методом отличается пористостью и высоким внутренним напряжением, возникающим в результате быстрого охлаждения цинка на подложке. Газодинамический метод предусматривает оцинковку металла за счет кинетической энергии частиц металла, которую они приобретают в струе газа.

В цинковый порошок добавляют частицы твердого металла или мелкодисперсную керамику. Затем его разгоняют струей нагретого газа, исходящего из сопла. Частицы цинка, разогнавшись до огромной скорости, привариваются к подложке в результате удара и связанного с ним нагрева. Миниатюрные куски твердого металла или керамики работают в качестве миниатюрных кувалд. При ударе они уплотняют цинк и снижают пористость цинка.

Аппарат для газодинамического цинкования представляет собой сверхзвуковое сопло и портативный электронагреватель для сжатого воздуха. Последний обеспечивает температуру потока газа 500-600 градусов.

Аппарат работает по принципу пульверизатора. Для этого газ проходит по каналу с переменным сечением. В месте сужения его скорость увеличивается и статическое давление падает. Разреженный воздух затягивает порошок, находящийся в питателе.

Метод химического хромирования

В качестве активного компонента для реализации такого напыления используют химические реагенты. Классический состав включает хлористый хром, натрий, уксусную кислоту, а также воду с раствором едкого натра. Процесс напыления выполняется при температуре порядка 80 °С.

Начинается работа с подготовки материала. Обычно хромирование используют для обработки металлических поверхностей, в частности стали. Чем покрасить декоративный камень из гипса в домашних условиях? Перед самой операцией материал подвергается первичному покрытию медным слоем.

Далее производится химическое хромирование посредством пескоструйного аппарата, подключенного к компрессорной установке. После завершения процедуры изделие моется в чистой воде и просушивается.

Преимущества методики

Несмотря на схожесть с газотермическим способом, газодинамическое цинкование имеет следующие преимущества:

  • Устройство позволяет обработать детали и элементы независимо от размера.
  • Температура нагрева подложки не превышает 150 градусов.
  • Адгезия покрытия составляет 40-100 Н/мм2. Это выше показателя любой современной краски. Цинк не отслаивается даже при ударах или деформации поверхности.
  • Толщина слоя оцинковки меняется в широком диапазоне. Благодаря этому его можно равномерно нанести, сделав утолщения в местах, подверженных коррозии.
  • Низкая пористость покрытия — менее 1%
  • Цинк укрывает железо и работает в качестве протектора. 50 мкм цинка обеспечивают коррозионную стойкость 10 лет.

Оцинковка выполняется согласно ГОСТ 9.316-2006 и 51163-98. В работе используются руководящие документы, касающиеся цинковых покрытий морской техники и труб судовых систем.

Технология «Димет» и ее основные элементы

Краеугольным базисом технологии «Димет» является использование сжатых газов, которые, попадая в рабочее сопло «Димет»-установки, вырабатывают скорость звука. Также в сопло помещается порошковое вещество, которое под воздействием газа оборачивается на высочайших скоростях и вместе с воздушной струей наносится на обрабатываемую поверхность. Использование этого вещества — обязательное условие работы установки, поскольку, нагреваясь до температуры плавления и попадая на участок обрабатываемой детали, оно создает своеобразную клеящую основу, к которой, как к магниту, притягиваются микрочастицы металла. Застывая, вещество удерживает их на месте и обеспечивает идеально высокую адгезию нанесенного металлического напыления с рабочей плоскостью.

Как правило, в качестве порошкового материала используются чистые металлы или металлические сплавы, дополненные керамическими микрочастицами.

«Димет» может работать в двух режимах:

  • стандартный рабочий график (установка оборачивается на минимальных скоростях);
  • рабочий режим эрозии (устанавливается для реализации струйно-абразивного метода нанесения напыления).

Смена рабочего режима позволяет изменить степень пористости получаемого покрытия и его толщину.

Применяемое оборудование

Аппарат газодинамического напыления металла состоит из таких основных частей:

  • емкости для порошка;
  • системы подачи рабочей среды, включая баллон для сжатого газа и все необходимые комплектующие к нему;
  • сопла (как правило, их несколько, они разной конфигурации и применяются для разных режимов напыления);
  • пульта управления.


В РФ качественное оборудование для напыления газодинамическим способом выпускает центр порошкового напыления в Обнинске под товарным знаком «ДИМЕТ». Оно соответствует требованиям отечественных ГОСТов, сертифицировано и защищено патентами во многих странах, включая Россию.
Процесс ремонта детали газодинамическим напылением показан на видео:

Просим тех, кто работал с разными типами оборудования по газодинамическому напылению и разными металлами и типами порошков поделиться опытом в комментариях к тексту и рассказать, каким способом выполнялись подготовка поверхности и сам процесс напыления.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий