Защитные покрытия из алюминия на металлах, сплавах и других материалах

Преимущества алюминия и его сплавов – отличная отражательная способность, высокая коррозионная стойкость, хорошая проводимость, экологичность и эстетичность поверхности, пластичность и пригодность к различным видам обработки – в некоторых областях не находят применения из-за относительно высокой стоимостью алюминия, особенно в сравнении с железом (сталью). Отличный компромисс между требуемыми свойствами и стоимостью – покрытие более дешевых металлов тонким сплошным слоем алюминия или сплавами на его основе, называемое алюминированием (или алитированием).

Алюминиевые покрытия надежно защищают металлические конструкции в атмосфере с повышенным содержанием серы, азотных и фосфатных соединений, автомобильных выхлопов, органических кислот, при высоких температурах. Покрытые алюминием обычные стали часто могут заменить более дорогие высоколегированные коррозионнои жаростойкие. Алюминированные стальные детали обладают большими преимуществами перед обычными стальными, успешно используются в термических печах, требующих устойчивости к окислению и науглероживанию, к высокотемпературной коррозии. Они широко используются в нефтехимической, химической, цементной отраслях промышленности, в топливных камерах, для спекания руд и стекловарения, для защиты труб паровых котлов от сульфидизации и окисления, в агрегатах газификации угля, в печах для сжигания отходов.

Алюминирование дает возможность защищать от коррозии детали самолетов, ракет и автомобилей, сварные трубы, стенные и кровельные панели, обогревательные приборы, сельскохозяйственный инвентарь и инструменты, изделия бытового назначения. Алюминированную жесть используют взамен луженой в консервной промышленности. Экономическая эффективность алюминирования основывается на его низкой себестоимости, на существенном повышении срока службы алюминированных изделий, прежде всего изделий из сталей и алюминиевых сплавов.

Алюминиевые покрытия устойчивее цинковых примерно в 6 раз при их одинаковой массе и в 2,5 раза при одинаковой толщине. В атмосфере промышленных предприятий стойкость алюминированных изделий в 10 раз выше стойкости горячеоцинкованных, в горячей воде – в 15 раз. Алюминированные изделия сохраняют блеск при нагревании до 470 °С, отражая 85 % теплоты и света. Вакуумное алюминиевое покрытие в 15–20 раз повышает стойкость стали к газовой коррозии при температуре 700–800 °С. В промышленной атмосфере панели из алюминированной стали оставались пригодными после 25 лет эксплуатации, в то время как панели с гальваническим цинковым покрытием ржавели уже через 6 лет. Продолжительность службы алюминированных труб в теплообменниках газ–газ составляет более 20 лет, что в 4–5 раз дольше, чем у обычных стальных труб, при этом теплообменники остаются свободными от окалины и коррозии.

Принято считать, что алюминиевое покрытие защищает базовый металл за счет комбинации электрохимического эффекта и создания слоя плотного поверхностного покрытия; алюминий защищает сталь гальванически вследствие разницы электрохимического потенциала между ними и физически, образуя сплошную коррозионностойкую пленку.

При повышенных температурах защита обеспечивается за счет образования сплава алюминия с железом. При температуре выше 480 °С алюминий диффундирует в железо, образуя с ним переходный слой, устойчивый к истиранию и коррозии в окислительной атмосфере до температуры 1150 °С. Алюминиевые покрытия помимо защитных функций имеют хорошие декоративные свойства.

Факторы, определяющие выбор предпочтительного покрытия для данного материала и области его применения: назначение, толщина и требуемая стойкость покрытия, форма и размеры покрываемого объекта, состав подложки, объем продукции.

Структура и свойства алюминиевых покрытий в значительной степени определяются способом их нанесения. Так, структура вакуумных покрытий, как и полученных горячим способом через металлический расплав, подобна структуре отожженного алюминия. Структура покрытий, образуемых газопламенным и плазменным напылением алюминиевого порошка, во многом обусловлена наличием оксидов алюминия. У таких покрытий твердость выше, но электропроводность ниже по сравнению с чистым алюминием.

На эксплуатационные свойства алюминиевых покрытий, в частности на прочность сцепления и деформируемость, влияет толщина переходного слоя (диффузионного слоя между поверхностью и покрытием), зависящая от температуры и времени алюминирования, термообработки, химического состава изделия. Хорошими эксплуатационными свойствами отличаются алюминированные изделия с толщиной переходного слоя не более 5–7 мкм. При вакуумном алюминировании толщина переходного слоя, как правило, не превышает долей микрометра.

В промышленности способы горячего и электрохимического алюминирования (через расплав солевого электролита) не распроcтранены, а порошковые способы нашли широкое применение.

На использовании алюминиевых порошков для нанесения функциональных покрытий базируются следующие способы:

• нанесение порошка из жидкой фазы, электростатический, термодиффузионный,
• нанесение композиционных покрытий, напрессовывание,
• термовибрационное алюминирование, напыление.

1. Нанесение покрытий порошком из жидкой фазы

Этот способ алюминирования поверхности условно может быть причислен к порошковым. Он основан на получении порошка при разложении жидких алюминийорганических соединений и одновременном образовании из этого порошка сплошного покрытия. Способ реализуется, например, следующим образом. Раствор диэтилгидрида алюминия напыляют на изделие, нагретое до температуры разложения этого соединения с образованием порошкообразного алюминия (не менее 260 °С). Спекаясь, слой порошка образует сплошное покрытие поверхности, скорость нанесения покрытия составляет 100–600 мкм/мин. Процесс проводят в инертной среде во избежание воспламенения диэтилгидрида алюминия. Толщину покрытия в пределах 0,5 мкм – 1 мм регулируют температурой нагревания изделия. Покрытие отличается высокими чистотой, плотностью, адгезией (прочностью сцепления с основой на отрыв). Процесс характеризуется большей производительностью, чем электролитическое алюминирование.

2. Электростатический способ нанесения покрытий

Этот способ алюминирования основан на переносе отрицательно заряженных частиц алюминиевого порошка в электростатическом поле напряженностью до 20 кВ/м, когда на очищенную и увлажненную поверхность изделия (стальной полосы) вибропитателем через отрицательно заряженное сито наносят сухой порошок алюминия.

Частицы алюминия, приобретая отрицательный заряд при прохождении сита, взаимно отталкиваются и равномерно осаждаются на поверхности. Потеряв заряд при контакте с изделием, порошок удерживается на его поверхности за счет сил смачивания водной пленкой. Изделие нагревают в электрической радиационной печи в течение минуты до температуры 350 оС, затем покрытие уплотняют прокаткой и очищают. На заключительной стадии изделие подвергают термической обработке по одному из двух вариантов:

• быстрое (около 15 с) нагревание на воздухе до температуры 500–600 °С → самопроизвольное охлаждение;
• медленное (в течение 15 ч) нагревание в печи до 450 °С → охлаждение на воздухе.

Толщину покрытия (0,05 мкм – 1 мм) регулируют скоростью подачи порошка вибропитателем. Покрытия, полученные электростатическим способом, имеют удовлетворительные свойства, однако процесс их нанесения нерационален.

3. Нанесение покрытий термодиффузией

Температурная диффузия – основа целого ряда процессов нанесения алюминиевого покрытия на сплавы из железа, никеля и кобальта. Формирующиеся при диффузии покрытия могут быть очень твердыми, придают алюминированной детали высокую степень стойкости к истиранию, защищают от высокотемпературной сульфидной коррозии, от окисления и науглероживания.

Оснастка машиностроительных заводов (кузнечные штампы, формы для литья под давлением и прочее) изготавливается из дефицитных легированных сталей. В условиях интенсивного механического воздействия при высоких температурах оснастка быстро выходит из строя. Это приводит к значительным трудозатратам и большому расходу металла на восстановление или изготовление новой оснастки.

Нанесение диффузионных алюминиевых покрытий на изделия такого рода, а также на лопасти турбин, теплообменники, используемые в производстве серной кислоты и в десульфуризирующих печах, на обменники диоксида углерода и вентили, реторты и конденсаторы в крекинг-газовых и коксовых печах позволяет существенно продлить срок и эффективность их службы.

Процесс диффузионного покрытия с использованием порошков включает цементацию и алюминирование. В герметичный контейнер помещают покрываемую деталь и смесь, состоящую из порошка алюминия или сплава на его основе, инертный материал для предотвращения агломерации (например, глинозем) и летучее галоидное соединение, являющееся средством переноса алюминия. При нагревании контейнера в печи образуется железоалюминиевое диффузионное покрытие детали толщиной от 2,5·10–3 до 100 мкм в зависимости от температуры, продолжительности выдержки и состава смеси. Стандартная толщина диффузионного слоя на углеродистой стали – 0,025–0,040 мкм, при необходимости она может быть увеличена до 0,08 мкм.

В покрытиях деталей из сплавов на основе железа содержание алюминия обычно ниже 25 %, а на основе кобальта и никеля – ниже 12 %, вместе с тем могут быть получены покрытия, содержащие до 60 % алюминия. Таким способом можно покрывать как плоские поверхности, так и внутренние открытые полости и линейные контуры. Поскольку алюминий диффундирует в основу, покрытие может быть удалено только с помощью механической обработки, оно не шелушится и не подвергается окислению.

При использовании бороалитирующего состава из недефицитных материалов (алюмоборидной композиции с активатором NaBF4) в результате насыщения легированных сталей в течение 6–8 ч при 860–950 С образуется слой толщиной примерно

100 мкм. При упрочнении получаются слои с микротвердостью 1350–1500 HV0,05, срок службы оснастки увеличивается не менее чем в два раза. Состав может быть использован трижды.

Применение для низкотемпературного алюминирования стальных деталей смеси, состоящей из 92–94 % порошкового алюминия и 6–8 % безводного AlCl3, позволяет интенсифицировать процесс насыщения и повысить коррозионную стойкость получаемых покрытий .

Для создания диффузионных жаростойких покрытий, защищающих металлические изделия от окисления (до 1100 С) и сульфидной коррозии, применяются порошки многокомпонентных алюминиевых сплавов марок ПАК (табл. 17). Термодиффузионные покрытия из суспензий этих порошков однородны по химическому и фазовому составу, обладают структурной устойчивостью, имеют низкие внутренние напряжения, высокую адгезию к подложке, долговечность и надежность в условиях совместного воздействия высоких температур и агрессивных сред. Нейтрализация вредного действия сернистых соединений достигается за счет введения в сплавы церия.

Таблица 17

Характеристика порошков марок ПАК по ТУ 48-0005-39/0–89

Для приготовления суспензий используют недорогие органические или неорганические связки, компоненты смешиваются в механических смесителях. Покрытия наносят краскораспылителем, кистью или окунанием; коэффициент использования порошка и рентабельность процесса достаточно высоки. Формирование термодиффузионного слоя происходит при нагреве в обычных электрических или газовых печах.

Покрытия на основе порошков ПАК позволяют защищать как наружные, так и внутренние поверхности изделий любых габаритов и конфигураций из никелевых, кобальтовых и железных сплавов, например:

• детали горячего тракта турбинных установок и двигателей;
• узлы конвейерных линий, радиационные трубы и другую арматуру термических печей;
• металлическую арматуру энергетического оборудования; нагревательные элементы и наконечники термопар.

Марку порошка ПАК выбирают с учетом конструктивных особенностей изделий, условий их эксплуатации и технических возможностей оборудования, используемого для нанесения покрытия.

4. Композиционные покрытия

Композиционные покрытия наносятся из суспензий – смесей алюминиевых порошков с различными органическими или неорганическими веществами и являются в основном антикоррозионными. Способ наиболее часто используют для ремонта частей самолетов (например, лопастей турбин, которые подвергаются действию горячих продуктов сгорания топлива) и для защиты оборудования от воздействия высоких температур (например, в химической и нефтехимической промышленности). Иногда такие покрытия называют алюмокерамическими красками на водной основе. Разновидности таких суспензий (составов) – алюмофосфатные и алюмосиликатные антикоррозионные и жаростойкие покрытия.

Суспензию порошка алюминия или алюминиевого сплава распыляют на защищаемую поверхность или наносят иным способом, например погружением детали или кистью. Затем производят термическую обработку покрытия при температуре выше 200 С в течение 30 мин для испарения растворителя и внедрения (диффузии) алюминия в материал основы.

Композиционные фосфатные покрытия типа АФП (например, по ГОСТ 24424–80) применяются для противокоррозионной защиты стальных конструкций от воздействия неагрессивной и слабоагрессивной атмосферы воздуха и жидких сред. Их применение позволяет сократить число операций окраски до двух (вместо 3–4), снизить пожароопасность и исключить взрывоопасность производства, улучшить условия охраны окружающей среды, вдвое увеличить срок действия противокоррозионной защиты и получить значительный экономический эффект.

Состав АФП : фосфатное связующее ФС-1 по ТУ 6-18-2–77, пудра ПАП-1 или ПАП-2*, сополимерная акриловая эмульсия, натрий азотнокислый.

В табл. 18 приведены данные о некоторых отечественных алюмокерамических красках.

Таблица 18

Алюмокерамические краски

* В отечественной и зарубежной практике отдается предпочтение алюминиевым пастам взамен пудр ввиду легкости и удобства перемешивания композиций и отсутствия пыления.

Покрытие имеет толщину до 200 мкм (2–3 слоя). Расход красок на один слой – 150 г/м2. Для надежной защиты изделий рекомендуется наносить два слоя, например, АФХА + АФХА, АФХА + фосфатная связка, АФХА + силикатная связка, АФХА + АС, практически могут использоваться другие сочетания слоев в зависимости от коррозионной среды и требований к покрытию.

После нанесения покрытия скорость коррозии стали Ст20 в среде аммиака снижается в 8–16 раз, в среде сернистого газа – в 12–20 раз, в водном растворе серной кислоты – в 3 раза.

Алюмосиликатные антикоррозионные покрытия используют отечественные строители для защиты арматурной стали в изделиях из ячеистого бетона автоклавного твердения. Нанесение покрытия осуществляют окунанием. Состав покрытия, мас. %: связующее (натриевое жидкое стекло) – 44; минеральный наполнитель (молотый известняк) – 35; наполнитель, термоотвердитель (алюминиевый порошок) – 20; добавки (бура, NaNO3, стеарат кальция) – 1. Вода вводится до достижения требуемой консистенции смеси.

Защитный слой на электродах электродуговых печей для выплавки стали получают нанесением на поверхность электрода вязкой массы, состоящей из (мас. %): порошка алюминия – 50–65; водного раствора жидкого стекла – 30–40; песка – 3–11. Электрод с покрытием термообрабатывают в нейтральной атмосфере при 770– 870 °С. Получаемый защитный слой обладает высокой адгезионной способностью и газопроницаемостью .

Известно о применении порошков сплавов на основе алюминия и кремния для нанесения защитного слоя и пропитки огнеупорных изделий, например, шиберных плит и т. п.

Для изготовления алюмокерамических красок используют алюминиевые порошки с предпочтительным размером частиц менее 100 мкм. Возможно применение порошков алюминиевых сплавов или алюминиевых отходов аналогичной крупности.

По коррозионной стойкости с алюмокерамическими красками сравнимы алюмонаполненные эпоксидные покрытия, однако они имеют ограниченную жаростойкость. Покрытия на основе эпоксидных материалов (например, эмаль ЭП-140, смола ЭД-20 и др.) с алюминиевым наполнителем (в основном алюминиевая пудра) применяются для оборудования, работающего в агрессивных средах предприятий пищевой промышленности.

Порошки сплава Al–Zn используют в покрытиях с протекторными свойствами, заменяя в ряде случаев более дефицитный цинк.

Такие покрытия наносят на трубопроводы (как изнутри, так и снаружи), применяют в качестве грунтовок.

Высокодисперсный алюминиевый порошок в смеси с жидким полиуретановым связующим, отверждаемым влагой воздуха, используется для получения светоотражающего покрытия. Рынок предлагает одноупаковочную антикоррозионную композицию “ЛАПТЕКСАЛ”.

Композиционное покрытие, состоящее из алюминиевой пасты (ППВ > 2,0 м2/г) и связующего на основе перхлорвинила, имеет пониженную излучательную способность в диапазоне 50–150 °С. Такое покрытие применяется, в частности, для окраски ниши шасси сверхзвуковых самолетов и позволяет избежать нагрева колес от тепла двигателей в полете.

Для создания покрытий с регулирующей излучательной способностью помимо чешуйчатых алюминиевых порошков используются сферические порошки с крупностью частиц, соизмеримой с длиной волны излучаемого спектра. Покрытие из алюминиевых сферических порошков с частицами диаметром 5–10 мкм позволяет снизить коэффициент излучения поверхностью также в диапазоне длины волны 5–10 мкм (инфракрасная часть спектра).

5. Нанесение покрытий напрессовыванием порошка

Формирование напрессованного покрытия базируется на механическом связывании его с основой. В отличие от термодиффузии алюминиевое покрытие, получаемое этим способом, не формирует хрупкого переходного слоя сплавов. Частный случай напрессовывания – накатка. Это один из наиболее прогрессивных, высокоэффективных и ресурсосберегающих способов алюминирования стали.

Технологическая схема порошкового алюминирования стальной полосы:

стальная полоса (сталь 20) →

зачистка (сухая, лепестковыми абразивными кругами, шероховатость поверхности после зачистки 0,4–1,0 мкм) →

подогрев (до 100–180 С в зависимости от толщины и скорости движения полосы) →

насыпка алюминиевого порошка (фракции –60 мкм) на полосу →

прокатка (прокатные валки цилиндрические, скорость прокатки 50 мм/с; степень деформирования 30–50 %) →

термообработка для спекания и припекания к полосе порошкового покрытия (скорость нагрева 20 °С/с до температуры 725 °С; нагрев электроконтактный (как наиболее экономичный)) →

быстрое охлаждение (водяное) →

контроль качества .

По данным металлографических исследований, напрессованное покрытие толщиной 0,24 мм имеет интерметаллидную прослойку толщиной менее 1,5 мкм, пластичность покрытия не ниже пластичности основы (выдерживает два изгиба на 180 с радиусом кривизны, равным толщине полосы с покрытием, образование трещин наблюдается одновременно с основой). Плотность покрытия 95–96,5 % от теоретической. Микротвердость 260–280 МПа. Прочность сцепления с основой более 150 МПа (разрыв по материалу покрытия).

Стальной лист с алюминиевым порошковым покрытием выдержал испытания на коррозионную стойкость при температуре 40 °С в атмосфере со следами 3%-ного раствора NаCl, в пересыщенном растворе (NH4)2SO4, при влажности 70–80 %.

Разновидность процесса нанесения покрытия напрессовыванием порошка на стальную основу – алюмосварка. Она позволяет металлургически соединить слой алюминиевого порошка со стальной проволочной основой.

Биметаллическая сталеалюминиевая проволока БСА-КПЛ, технология производства которой разработана ИПМ Украины, представляет собой высокопрочную стальную проволоку, покрытую оболочкой из накатанного алюминиевого порошка марки АКП с последующим спеканием. Технологическая схема процесса:

стальной непрерывно движущийся сердечник →

холодное опрессовывание (~ 400 МПа) алюминиевым порошком →

волочение на готовый размер →

нагревание (до 250–350 °С с выдержкой в течение 30–60 мин для обеспечения диффузионного упрочнения связи алюминия со сталью и минимизации образования слоя хрупкого промежуточного сплава).

Благодаря достаточно прочной связи между сталью и алюминием проволока обладает высокой коррозионной стойкостью, электропроводностью и прочностью, повышенной долговечностью.

Проводимость алюминия составляет 62 % от проводимости меди, но вследствие малой плотности проводимость единицы массы алюминия вдвое больше, чем меди, т. е. очевидна экономичность применения сталеалюминиевой проволоки взамен сталемедной. По сравнению со стальной проволокой сталеалюминиевая имеет в 3 раза б´ольшую проводимость.

Коррозионная стойкость проволоки БСА-КПЛ соответствует коррозионной стойкости сталемедной проволоки, срок службы соответствует алюминию, а отношение прочности к весу в 3 раза больше, чем у алюминия.

Проволока БСА-КПЛ эффективно используется для армированных алюминиевых конструкций, высотных воздушных линий электропередач, в качестве растяжек, основы для АСSR-проводников, нейтральных несущих тросов, проводов телефонных линий и кабелей. Особенно применима там, где требуются высокая коррозионная устойчивость и прочность. Она хорошо зарекомендовала себя в различных климатических районах России.

Таблица 19

Характеристика сталеалюминиевой проволоки

Содержание алюминия в поперечном сечении сталеалюминиевой проволоки 30–50 %. Свойства проволоки представлены в табл. 19.

6. Термовибрационное алюминирование

Термовибрационное алюминирование производится совмещенной с нагреванием вибрационной обработкой поверхности стальными шарами. Процесс сочетает в единой технологии термическую обработку, наклеп приповерхностных слоев материала и нанесение покрытия всухую (сухая сварка). Как и при механолегировании, при термовибрационной обработке создаются условия для механического разрушения оксидной пленки в результате трения частиц об обрабатываемую поверхность, а также из-за их существенной пластической деформации. В зоне удара металлы сближаются до возникновения межатомных сил взаимодействия, получаются металлические связи, переходящие иногда в соединения металлов с образованием интерметаллидов и твердых растворов.

Процесс осуществляется следующим образом. В термокамеру загружают алюминиевый порошок и стальные шары, выполняющие функцию ударных тел и поставщиков материала покрытия. Камеру нагревают до 120–150 С (дальнейшее увеличение температуры нежелательно по причине уменьшения толщины покрытия, адгезии и увеличения пористости из-за интенсивного образования интерметаллидов, повышающих хрупкость переходной зоны, возможности разрушения и отслаивания покрытия) и подвергают виброобработке. Толщина получаемого покрытия определяется помимо технологических параметров твердостью и шероховатостью покрываемой поверхности.

Нанесенные таким способом алюминиевые покрытия повышают усталостную прочность отожженной стали 40Х на 27 %, а закаленной стали 65Г – на 43 % по сравнению с оцинкованной гальваническим способом.

7. Процессы термического напыления

Газотермическое напыление – наиболее типичный процесс создания покрытий. По сравнению с другими способами нанесения алюминиевых покрытий термическое напыление более затратно, но имеет важные преимущества:

• легко применимо к большим деталям неправильной формы; позволяет варьировать уровень и толщину покрытия, что удобно для ремонта или обновления поверхности изношенных деталей; процесс напыления производится портативным оборудованием, что удобно для работ в нестационарных условиях, при нанесении покрытий на крупные объекты;
• термические напряжения в процессе напыления и после охлаждения незначительны и близки к нулю;
• готовые покрытия имеют толщину 0,0076–0,04 мкм и более.

Напыленные покрытия по назначению разделяют на коррозионностойкие, антифрикционные, износостойкие, термостойкие и другие. Покрытия из порошков алюминия или его сплавов наносят на твердую поверхность несколькими динамическими способами, среди которых выделяют напыление: плазменное; газопламенное; детонационное.

При электродуговом напылении алюминия применяют, как правило, компактный металл (проволока, пруток), порошки при этом не применяют. Использование для термического напыления алюминиевых порошков взамен чаще применяемой проволоки позволяет получать более гладкие и однородные покрытия с меньшей толщиной.

Напыление широко применяют для покрытия железных выхлопных труб, деталей муфелей и печей, стальных деталей мостов, башен, резервуаров для хранения нефтепродуктов, конструкций доков, свай. Менее типичные применения: от декоративных покрытий до покрытий обшивки фюзеляжа самолета и теплопроводных покрытий керамической посуды.

Напыление смесей порошков на основе алюминия и/или титана и керамического материала позволяет получить покрытия для защиты от коррозионных, коррозионно-механических и эрозионных разрушений конструкций, для поверхностного упрочнения при изготовлении и ремонте деталей машин и механизмов в машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве.

Покрытия наносят на поверхности судовых конструкций, хранилищ и танков для нефтепродуктов, наземных конструкций мостов, эстакад, подземных трубопроводов различного назначения и т. п.

Применение защитных покрытий позволяет увеличить срок службы изделий до 10–50 лет, что в 2–5 раз превышает срок службы непокрытых деталей.

7.1 Плазменное напыление

Плазменное напыление – процесс нанесения покрытия на поверхность изделия с помощью плазменной струи, генерируемой плазмотроном. Сущность процесса заключается в том, что напыляемый материал подается в высокотемпературную плазменную струю, нагревается, плавится и из двухфазного потока наплавляется на подложку. При деформации от удара происходит взаимодействие частиц (капель) наплавляемого материала с поверхностью основы и формируется покрытие.

Плазменное напыление применяют в машиностроении, автомобильной промышленности, электротехнической и электронной промышленности, строительстве, углеи нефтеперерабатывающей, химической промышленности, при изготовлении бытовой техники.

Основные преимущества плазменного напыления:

• высокий коэффициент использования порошка – до 85 %;
• низкая пористость и высокая адгезия покрытия к поверхности; высокая производительность процесса;
• универсальность при получении покрытий из различных порошков без ограничения температур плавления и материала подложки;
• отсутствие ограничений по размерам и форме напыляемых изделий;
• низкое термическое воздействие на основу; нанесение покрытия на локальные поверхности;
• нанесение покрытия с минимальными припусками для последующей механической обработки;
• возможность использования для формообразования деталей формы-оправки, которая после окончания процесса удаляется, оставляя оболочку из напыленного материала заданной формы.

Покрываемую поверхность предварительно очищают, высушивают, проводят дробеструйную обработку для увеличения адгезии покрытия. На подготовленную поверхность напыляют алюминиевый порошок, подаваемый в плазмотрон потоком плазмообразующего газа – азота или аргона, к которым иногда добавляют водород; использование смеси воздуха с метаном позволяет повысить энергетические показатели плазмотрона.

КПД плазмотрона составляет 50–70 %. Скорость газа на выходе плазмотрона – от 10 до 1000 м/с в зависимости от расхода газа, диаметра сопла плазмотрона, мощности дуги. Среднемассовая температура нагретого газа при работе на одноатомных газах – 10 000 К, на двухатомных – 4000–5000 К. Максимальная температура на оси струи – от 10 000 до 50 000 К. Мощность плазмотрона – до 25 кВт. Расход газа – 10–20 л/мин.

В процессе напыления поддерживают следующие технологические параметры: скорость перемещения плазмотрона 2–30 мм/с, расстояние до изделия 100–150 мм, диаметр пятна напыления определяется размером сопла и производительностью подачи порошка и составляет 10–25 мм. Температура нагревания деталей при плазменном напылении не превышает 100–150 °С. Толщина напыленного слоя ограничивается, прежде всего, разницей термического уплотнения между холодной основой и горячим порошковым материалом и составляет 0,05–1,0 мм, в ряде случаев ее можно довести до 3–5 мм. Пористость покрытия – 4–8 %, адгезия – 50–80 МПа.

При нанесении покрытий таким способом порошки алюминия в смеси с керамическими частицами размером 20–150 мкм расплавляются и приобретают скорость 300–500 м/с. В результате образуется алюмокерамическое покрытие, представляющее собой алюминиевую матрицу с распределенными в ней частицами керамики. Пористость покрытия – 0,5 %, адгезия – ~40 МПа. По сравнению с алюминиевым покрытием алюмокерамическое имеет коррозионную стойкость в 2 раза, а износостойкость в 6–8 раз больше.

Напыленные алюминиевым порошком покрытия имеют слоистую структуру, содержат 0,5–1,5 мас. % оксида алюминия (в зависимости от крупности и формы частиц исходного порошка). Пористость может быть уменьшена в отдельных случаях практически до нуля путем обработки давлением или применения уплотнителей типа эпоксидных, феноловых смол, восков, виниловых сополимеров, виниловых алкидов или битумных материалов, полировкой, обработкой тонким кремниевым песком или проволочными щетками различной жесткости.

Сочетание термического напыления алюминиевым порошком с уплотнением полученного покрытия смесью битума с алюминиевой пудрой и последующей термообработкой детали в восстановительной атмосфере применяют для защиты стали от высокотемпературных окисляющих и сульфидирующих газов. Битумный уплотнитель защищает основу от окисления до образования поверхностного сплава.

Сочетание термического напыления алюминиевым порошком с уплотнением полученного покрытия смесью битума с алюминиевой пудрой и последующей термообработкой детали в восстановительной атмосфере применяют для защиты стали от высокотемпературных окисляющих и сульфидирующих газов. Битумный уплотнитель защищает основу от окисления до образования поверхностного сплава.

Разработана технология плазменно-детонационного напыления, при котором плазменная струя имеет удельную мощность от 10³ до 10⁷ Вт/см² при скорости (5–8)10³ м/с и мощности плазмотрона 10 кВт.

7.2 Газопламенное напыление

Газопламенный способ напыления основан на формировании на поверхности изделий слоя напыляемого материала в результате его диспергирования струей газового пламени, обладающей достаточным запасом тепловой и кинетической энергии. Образуемая вследствие сгорания горючей смеси струя пламени, вытекает из сопла горелки с большой скоростью и температурой до 3500 К. Горючий газ – ацетилен, пропан или метан, окислитель – кислород. Скорость соударения частиц с поверхностью составляет от 150–160 м/с до сверхзвуковых значений.

Получаемое покрытие имеет толщину до 3 мм, его адгезия – от 5 до 45 МПа, остаточная пористость – 5–25 %.

Газопламенный способ отличается относительной простотой, мобильностью, позволяющей напылять покрытия на крупногабаритные или протяженные детали, и обеспечивает возможность напыления покрытий в локальных труднодоступных местах. Этот способ наряду с плазменным считается наиболее предпочтительным для последующей лазерной обработки.

Разновидность газопламенного напыления – сверхзвуковое газопламенное напыление. В образующуюся в камере сгорания горелки сверхзвуковую струю газа, которая имеет температуру 2500–3000 К и скорость до 2600 м/с, подается напыляемый порошок. Покрытие, получаемое таким способом, имеет толщину 0,1–5 мм, уровень адгезии – до 150 МПа, пористость – не более 2 %.

Преимущество сверхзвукового газопламенного напыления состоит в том, что по уровню затрат и сложности оборудования оно соответствует дозвуковому напылению, но существенно превосходит его по качеству напыляемых покрытий (пористость, адгезия).

7.3 Детонационное напыление

Детонация – процесс химического превращения взрывчатого вещества при распространении по нему зоны горения в виде волны, которая движется с максимально возможной для данных условий скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе.

Процесс детонационного напыления можно представить следующим образом. Ствол детонационной установки заполняют взрывчатой газовой смесью (ацетиленокислородной или пропан-бутанокислородной, или смесью этих горючих газов со сжатым воздухом). Затем в ствол вводят порцию напыляемого материала. У дульного среза ствола располагают подложку. После этого инициируют химическую реакцию (взрыв) газовой смеси, например электрическим разрядом. Теплота реакции вызывает нагрев до 3300–3800 К, расширение газообразных продуктов детонации и повышение их давления до 200 МПа. Истекающий из ствола высокотемпературный и высокоскоростной (для ацетиленокислородных смесей – 2000–3000 м/с) газовый поток продуктов детонации нагревает и ускоряет частицы порошка напыляемого материала. Вследствие термического и ударного воздействия частиц порошка на подложку формируется слой детонационного покрытия.

Детонационные покрытия предназначены для защиты металлов от коррозии, эрозии и поверхностного износа. Для их нанесения могут быть использованы порошки различных материалов: металлов, в частности алюминия и его сплавов, а также оксидов, карбидов, нитридов металлов и смесей на их основе.

Особенность процессов, протекающих при детонационном напылении покрытий – их чрезвычайно кратковременная длительность. Так, детонация взрывчатой смеси, заполняющей ствол, завершается примерно через 0,5 мс после ее инициирования; продолжительность динамического и теплового воздействия газового потока на порошок обычно не превышает 3 мс; время ударной деформации частиц напыляемого материала в момент формирования покрытия не превышает 0,1 мкс.

Детонационный способ – циклический, обладает высокой удельной мощностью и значительно упрощает преобразование энергии в полезную работу.

Преимущества детонационного способа напыления:

• высокая адгезия покрытия – до 250 МПа;
• низкая пористость покрытия – 0,5–2 %;
• возможность напыления покрытий на практически любой конструкционный материал;
• возможность получения покрытий из материалов, имеющих низкие температуры плавления и диссоциации;
• отсутствие деформации напыляемой поверхности из-за незначительного нагрева подложки (до 150–250 °С).

В качестве примера можно привести характеристики промышленной малогабаритной детонационной установки:

• частота импульсов 15–30 Гц
• объем камеры сгорания 10–30 см3
• производительность напыления 2–6 кг/ч
• диаметр пятна напыления 5–20 мм коэффициент использования
• напыляемого материала до 0,8
• масса устройства 3–5 кг

Детонационный способ успешно применяется при изготовлении и восстановлении деталей во многих отраслях промышленности: в авиаи судостроении, нефтегазовой и горнодобывающей, полиграфической отраслях промышленности, при производстве и ремонте деталей автомобилей, насосов, компрессоров, лопаток турбин и т. п. Применение детонационных покрытий увеличивает срок службы узлов и агрегатов в 20–30 раз.

В Калининском политехническом институте разработана усовершенствованная конструкция автоматической детонационной установки КПИ-5 и освоены технологические режимы напыления алюминия, его оксида и нитрида, оксида магния и других соединений. В конструкции газораспределительного устройства этой установки использованы механические клапаны тарельчатого типа, простые и надежные при длительной эксплуатации. Наличие смесительной камеры гарантирует качественное усреднение компонентов детонирующей смеси, исключает образование углерода в процессе сгорания ацетилена и тем самым способствует формированию однородного плотного покрытия. Порошковый питатель осуществляет ввод напыляемого материала в детонирующую смесь в виде пылегазовой смеси, что также повышает качество покрытия. Система подачи газовых компонентов снабжена специальными системами защиты от самовоспламенения и устройствами для регулировки и стабилизации режимов напыления.

Техническая характеристика установки КПИ-5:

• давление компонентов
• детонирующей смеси 0,5–1,2 кгс/см2 расход компонентов детонирующей смеси 0,8–3 м3/с скорострельность 1–4 цикл/с
• производительность по толщине
• покрытия 0,005–0,01 мм/цикл
• габариты 900x1000x2200 мм
• масса 280 кг

8. Холодное газодинамическое напыление

В последнее время получил распространение новый способ напыления порошков – холодное газодинамическое напыление (ХГДН), иначе называемый низкотемпературной кинетической металлизацией.

Способ ХГДН заключается в нанесении на обрабатываемую поверхность порошков, ускоренных с помощью сверхзвукового газового потока, который создается эжекцией от подачи газа с высоким давлением на вход сверхзвукового сопла Лаваля. Для ускорения частиц порошка используются различные сжатые газы, например, сжатый воздух как наиболее дешевый газ может использоваться даже для порошков алюминиевых сплавов АМг6 и 1201. Для предотвращения окисления химически активных порошков процесс необходимо проводить в атмосфере инертного газа. Иногда используют методы ускорения частиц наложением электрического заряда. Формирование покрытия происходит в основном за счет кинетической энергии частиц порошка: набрав сверхзвуковую скорость, они при ударе о подложку (из стали, Ti, Cu, латуни и других материалов) размягчаются и привариваются к ней.

Газодинамическим способом получают покрытия только из относительно пластичных металлов – алюминия, меди, цинка, никеля и др. Используются порошки с крупностью частиц предпочтительно 20–50 мкм. В металлический порошок можно добавить мелкодисперсную керамику, которая за счет кинематической энергии частиц уплотняет металлическое покрытие и снижает его пористость.

Преимущество этого способа:

• простота конструкции, малый вес и габариты аппарата; необходимы только электроэнергия и сжатый воздух относительно невысокого давления (5–16 атм) с расходом ≈ 0,5 м3/мин;
• температура подложки не превышает 150 °С;
• покрытия обладают высокой адгезией (40–100 МПа) и низкой пористостью (1–3 %);
• процесс безопасен, покрытия наносятся в воздушной атмосфере при атмосферном давлении.

Области применения: герметизация микротечей в сварных швах на деталях из алюминиевых сплавов и других материалов, нанесение теплоизлучающих покрытий, восстановление размеров деталей, нанесение жарои коррозионностойких покрытий на основе алюминия, нанесение токопроводящих слоев и подслоев под пайку.

9. Особенности применения порошков сплавов на основе алюминия для различных видов покрытий

Тип алюминиевых порошков, используемых для напыления, зависит от вида покрытия и способа его нанесения.

Для создания коррозионностойких покрытий используют, как правило, порошки из алюминия технической чистоты с размером частиц от 20 до 200–300 мкм (в зависимости от способа напыления). Высокой коррозионной стойкостью обладают также покрытия, образованные плазменным напылением смеси порошков алюминия и керамики (Al2O3) или порошкового КМ типа Al/Al2O3.

Антифрикционные покрытия получают плазменным напылением порошков алюминиевых сплавов типа Al–Sn, Al–Sn–Cu (марки АО–6, АО–20, см. табл. 1.9). Например, сферические порошки сплавов системы Al–Sn–Cu фракции 40–140 мкм, напыленные на вкладыши судовых двигателей с последующей ультразвуковой обработкой, образуют покрытие со следующими показателями :

• нагрузка разрушения до 400 кг
• коэффициент трения 0,01–0,02 усталостная прочность до 10 млн. циклов
• адгезия 120–140 МПа
• схватывание при нагрузке 500 кг отсутствует

Использование порошков позволяет снизить расход энергоресурсов, дорогостоящих металлов (алюминий, олово, медь), повысить качество материала по сравнению со способом центробежной заливки вкладышей, увеличить ресурс работы и уменьшить коэффициент трения. Подшипники имеют усталостную прочность и служебные характеристики выше, чем у подшипников фирмы Mibo (Австрия). Процесс экологически безвреден.

Разработаны и согласованы с Морским и Речным Регистром состав и технология изготовления порошкового антифрикционного материала, а также способ напыления им покрытия. Организовано опытно-промышленное производство материала. Технология напыления разработана СПГУВК и фирмой “Флагман” и освоена в ЗАО “Судостроительный Судоремонтный завод им. Ленина” (г. Астрахань).

Эксплуатация напыленных таким способом подшипников показала, что износ антифрикционного слоя не превышает 0,01 мм после 10 тыс. часов эксплуатации. Разработка запатентована в России .

Покрытие с высоким коэффициентом скольжения и с высокой прочностью получают при использовании порошков сплавов, образующих квазикристаллическую структуру, например, сплавов типа Al–Cu–Fe–Cr, имеющих состав (мас. %): Al–32,9 Cu–21,7 Fe и Al– 15,9 Cu–16,3 Fe–15,2 Cr. Покрытия из этих сплавов обладают высокими антифрикционными свойствами и, несмотря на высокую твердость, имеют коэффициент трения 0,05–0,2, что существенно ниже, чем у чистых металлов.

Износостойкость покрытия достигается использованием смеси алюминиевых порошков с керамическими или механолегированных КМ из этих смесей, а также применением порошков алюминиевых сплавов, например Al–Ni.

Покрытия из термореагирующих порошков Al–Ni отличаются хорошими адгезионными свойствами, имеют высокую плотность и износостойкость, часто используются в качестве подслоя перед нанесением финишного покрытия.

Порошок Al–Ni можно получить прямым сплавлением компонентов с последующим измельчением, но для напыления чаще используют плакированные никелем алюминиевые порошки. Плакирование осуществляется с помощью карбонил-процесса в виброкипящем слое (180–250 °C) по реакции

Al + Ni(CO)4 → AlNi + 4CO.

Содержание никеля в плакированных порошках – 70–90 %, размер частиц — 50–100 мкм. При напылении покрытий при 625 С начинается экзотермический процесс сплавообразования, за счет теплоты которого обеспечивается улучшенная адгезия покрытия к подложке.

Разновидность антикоррозионного покрытия – протекторное покрытие, получившее широкое распространение в экономически развитых странах для защиты металлоконструкций в морских условиях (мосты, платформы нефтедобычи, причальные конструкции и т. д.). Протекторные покрытия наносятся одним из способов газотермического напыления механической смеси порошков Al, Mg, Zn, Sn или порошков соответствующего сплава и керамики.

Известно, что стальную поверхность буровых вышек в Северном море защищают покрытиями двух вариантов:

а) наносят слой порошка сплава АМг5 (Al–5Mg) толщиной 200 ± 50 мкм, затем слой эпоксидной грунтовки толщиной 25 мкм и на него – слой полиуретанового покрытия толщиной 50 мкм;

б) наносят аналогичный слой из порошкового сплава АМг5, на него – слой силикатной алюминиевой краски толщиной 25 мкм.

Покрытия обеспечивают защиту конструкций в тяжелых коррозионных условиях морской атмосферы в течение многих лет.

В отечественной практике известно об успешном использовании порошков сплава Al+(25–30) % Zn (<50 мкм) для напыления защитного покрытия на высоковольтные опоры.

Для защиты гидро- и мостовых сооружений, судовых конструкций, плавучих платформ, теплосетей и другого оборудования используют также алюмокерамические покрытия, наносимые плазменным напылением. Исходным материалом служит смесь алюминиевого порошка с 10–45 % керамики, в качестве которой используют FeTiO3 (ильменит).

Для получения газотермических износои коррозионностойких покрытий, наносимых на стальные изделия и детали различного назначения методами газопламенного или плазменного напыления или термодиффузии, используют данный анодный сплав из ванн рафинирования алюминия, который представляет собой сплав состава Cu–Fe–Si–Al, включающий фазы: CuAl2, Al7Cu2Fe, γ-AlFeSi, (Fe,Cu), Cu(AlCu)5 и элементарный кремний . Перед использованием конгломерат измельчают до порошкообразного состояния, просушивают и просеивают на сите с ячейкой 150 мкм.

Напыленное покрытие представляет собой в основном соединение типа FeAl3, в котором Fe и Al частично замещаются Cu: (Fe,Cu) × (AlCu)3. Покрытие имеет шероховатую поверхность серо-стального цвета, высокую адгезионную прочность, химическую стойкость, повышенную износостойкость и высокую твердость до 100 МПа, причем защитный слой толщиной 30–50 мкм имеет практически беспористую структуру. Применение этого материала для нанесения газотермических защитных покрытий позволяет снизить в 2 раза себестоимость площади покрытия по сравнению с алюминиевым покрытием, получаемым электродуговой металлизацией.

Для плазменного напыления на графитированные электроды марок ЭГ-25, ЭГ-20 и ЭГ-15 наиболее подходят порошки сплавов алюминия с 20–30 % кремния (марки АКД и САС-1) крупностью 50–200 мкм. Такая крупность обусловлена текучестью порошков, энергетическими параметрами применяемой плазмы и возможностью расплавления материалов.

Разработка и освоение напыления порошков типа САС-1 на электроды дуговых электрических печей с использованием нового плазменного оборудования на Новочеркасском электродном заводе позволили улучшить ряд показателей: стойкость к окислению, электропроводность, адгезию и производительность процесса напыления. Проведенные испытания графитированных электродов, защищенных плазменным алюмокремниевым покрытием, показали снижение удельного расхода электродов на 15 % в сравнении с незащищенными. Расход порошков марки САС-1 при напылении составил 4,5 кг на 1 т электродов.

На конвейерах АвтоВАЗа было освоено нанесение порошковых алюминийэпоксидных красок на диски колес и другие детали легковых автомашин. Напыленные порошковые краски обеспечивают вдвое большую долговечность покрытий. Применение метода экономически обосновано, значительно улучшает условия труда, экономит время и материалы.