Нанесение эрозионно- и коррозионностойких покрытий

Эрозионная стойкость – свойство поверхностных слоев материалов не подвергаться разрушению в результате воздействия потоков газа, жидкости, твердых частиц, а также при кавитационных явлениях или под влиянием электрических разрядов.

Материалы для этих покрытий не должны иметь рабочие температуры значительно ниже фазовых переходов с существенным изменением объема, образовывать легкоплавкие эвтектики с материалом подложки. Вместе с тем они должны отличаться высокими механическими свойствами, большой твердостью, высокой коррозионной стойкостью и близкими коэффициентами термического расширения с КТР материала подложки.

Процесс нанесения эрозионностойких покрытий должен обеспечивать создание управляемых и стабильных в пространстве структур для композиционных материалов, минимальную пористость, а также высокие когезионную прочность и прочность сцепления с подложкой.

В условиях эксплуатации турбомашин имеет место эрозионное разрушение лобовых и набегающих боковых поверхностей крыла лопаток, связанное с ударным воздействием потока газа, содержащего инородные включения (песчинки пыли, масляный дождь, частицы, образующиеся вследствие трения деталей и др.). Интенсивность разрушения определяется скоростью удара, концентрацией частиц в окружающей среде, а также характером зависимости скорости уноса массы от времени. Износ лопаток ведет к дисбалансу, значительным вибрационным нагрузкам, увеличенному шуму и требует их замены.

Повышение долговечности и надежности лопаток турбомашин может быть обеспечено, например, нанесением эрозионностойкого газотермического (плазменного) покрытия. Одним из видов газотермического напыления является технология, основанная на воздушно-плазменном методе.

Процесс воздушно-плазменного напыления при низких скоростях плазменного потока обеспечивает повышенную когезионную прочность покрытия за счет увеличения времени пребывания напыляемых частиц в зоне нагрева плазменной струи. Однако особенности формирования покрытия и его состав имеют достаточно важное значение. Например, эрозионная стойкость покрытия из электрокорунда марки 25А, нанесенного при малых скоростях плазменного потока превышает стойкость покрытия из этого же материала, нанесенного при повышенных скоростях плазменного потока. Уменьшение эрозионной стойкости покрытий из электрокорунда марки 15А объясняется наличием добавок, которые уменьшают равнопрочность фаз в покрытии. Это приводит к выборочному уносу более мягких фаз (Fe ₂ O ₃, TiO ₂ и др.) и более интенсивному разрушению покрытия в целом. Для сравнения, относительная эрозионная стойкость покрытия из стеллита составляет 1,94, т.е. практически в два раза превышает стойкость стали 27ГСЛ. Незначительное увеличение эрозионной стойкости (на 10–30%) при угле атаки 22,5˚ получено на некоторых режимах нанесения покрытий из порошков интерметаллидов (Ni - Ti), карбидов (КХНп25) и оксида хрома (Cr ₂ O ₃) [1, 2].

Рис. 3.5. Процесс напыления лопатки турбомашины

1– лопатка турбомашины; 2 – плазменная струя с наносимым материалом;

3 – плазменная горелка; 4, 5 – устройство для закрепления и перемещения детали

Выбор технологии нанесения покрытия и наносимый материал должен учитывать условия эксплуатации. При увеличении угла атаки абразивных частиц происходит повышение эрозионной стойкости при напылении порошка КХНп-25 (в 1,22 раза). Эрозионная стойкость, близкая к стойкости материала 27ГСЛ, получена при плазменном и детонационном напылении электрокорунда белого марки 25А [1, 2].

Исследования показали, что эрозионная стойкость деталей с покрытиями для условий эксплуатации при малых углах атаки эрозионного потока, максимальна при напылении с низкими скоростями плазменного потока покрытий следующего состава: электрокорунда (повышение эрозионной стойкости в 6 раз), стеллита (повышение эрозионной стойкости в 2 раза).

Газотермическое нанесение алмазоподобных покрытий на детали машин с целью повышения износостойкости при различных условиях эксплуатации является достаточно актуальной задачей.

С целью повышения надежности и долговечности деталей используется алмазоподобное тонкопленочное покрытие, наносимое на финишной стадии изготовления.

Рис. 3.6. Процесс газотермического нанесения

алмазоподобных покрытий

Наносимое покрытие обеспечивает снижение трения и износа в условиях высокого и сверхвысокого вакуума, позволяет повысить надежность и износостойкость в условиях больших перепадов температур, больших контактных давлений, радиационного воздействия. Покрытие как твердая смазка обеспечивает отсутствие газовыделения при работе в сверхвысоком вакууме, является эффективным средством в борьбе против водородного износа. Нанесение коррозионностойких покрытий на металлоконструкции методом газотермического напыления является достаточно прогрессивным технологическим методом, обеспечивающим длительную и надежную коррозионную стойкость деталей.

Для получения коррозионностойких покрытий используют алюминиевые, цинковые, алюминиево-цинковые и другие материалы. Покрытие наносят плазмотронами, обеспечивающими создание направленных высокоскоростных и высокотемпературных газовых потоков, в которые подаются порошковые или проволочные исходные материалы. Осаждаемые на поверхности деталей покрытия формируются из расплавленных и затвердевших частиц напыляемого материала.

Рис. 3.7. Детали с газотермическим коррозионостойким покрытием

Коррозионостойкие покрытия используют для защиты деталей, находящихся в различных условиях эксплуатации: воздушной, промышленной, морской атмосферах; морской, технологической холодной или горячей воде; минеральном масле; грунтовых водах при повышенной температуре; нефтепродуктах, содержащих сернистые соединения; растворах уксусной, винной, лимонной кислот и др. органических продуктах. Коррозионностойкие плазменные покрытия гарантируют защиту от коррозии в течение 30–50 лет.

Эффект коррозионной стойкости покрытия достигается за счет использования процесса катодной защиты металла от коррозии, для чего на поверхность защищаемого изделия наносится покрытие из материала, имеющего более электроотрицательный электродный потенциал. В этом случае покрытие, выполняя функцию анода, «жертвует» собой в пользу катода (стали), подвергаясь окислению с образованием плотных и прочных, плохо растворимых продуктов, заполняющих возможную пористость в покрытии. В результате оно становится непроницаемым для влаги, а доступ кислорода к основному металлу полностью прекращается, что обеспечивает надежную защиту металла от коррозии. В случае механического нарушения покрытия срабатывает эффект самозалечивания, аналогичный процессу заполнения пор, и дефектное место в покрытии «зарубцовывается». При окислении алюминиевого покрытия образуется инертный оксид алюминия, после образования которого дальнейшее окисление быстро прекращается. В среде, загрязненной промышленными отходами, скорость коррозии алюминиевого покрытия, установленная в среднем за шестилетний период, составляет 2–5 мкм в год (в течение шестого года эксплуатации скорость коррозии составляет 25% от первого года). Для сравнения: низкоуглеродистая сталь корродирует со скоростью 200–250 мкм в год, и скорость распространения коррозии в основном постоянна и не зависит от времени ее протекания. Скорость коррозии цинкового покрытия в атмосфере промышленных объектов составляет около 15 мкм в год. Причина низкой скорости коррозии – образование основного хлорида цинка и карбонатных продуктов коррозии, которые замедляют ее воздействие. Исключительно высокую коррозионную стойкость обеспечивают алюминиево-цинковые покрытия, положительный эффект которых объясняется быстрым заполнением пор в нанесённом покрытии плотным слоем продуктов коррозии и алюминия, и цинка. Объём продуктов коррозии значительно превосходит объем металлов, из которых они образовались. Контакт алюминия с цинком безопасен, так как электродный потенциал цинка в большинстве электролитов отрицательнее потенциала алюминия, и, следовательно, цинк, растворяясь, электрохимически защищает алюминий.

В качестве оборудования для нанесения покрытий используют различные установки для газопламенного, электродугового и плазменного напыления, адаптированные к условиям нанесения алюминиевых, цинковых и алюминиево-цинковых порошковых или проволочных материалов. Минимальная производительность оборудования, например, при напылении алюминиевого порошка – 5 кг/час, что при оптимальной толщине покрытия 0,15 мм соответствует примерно 20 м²/час обработанной площади.

Процесс напыления осуществляется, как правило, при атмосферном давлении (в закрытом помещении или на монтаже) и состоит из операций предварительной очистки (любым известным методом), абразивно-струйной обработки и непосредственно – нанесения покрытия путем взаимного перемещения ручной или механизированной горелки (пистолета, плазмотрона) относительно изделия. В качестве вспомогательного материала для формирования высокотемпературных струй используется сжатый воздух, ацетилен, кислород, пропан-бутан, природный газ.

Качество покрытия оценивается как визуально (по наличию защитного покрытия и замерам его толщины), так использованием образцов-свидетелей.

Кроме применения в авиационной технике, газотермические коррозионностойкие покрытия используются для защиты деталей и элементов конструкций и оборудования: нефте- и бензохранилищ, газгольдеров, трубопроводов в теплотрассах, бункеров шахтных вагонеток, профилированной кровли и стеновых панелей, автомобильных кузовов, глушителей, крупногабаритных строительных профилей (швеллера, двутавры, уголки), стальных листов, арматуры, сварных и сборных строительных конструкций мостов, дымовых труб, резервуаров, гидротехнических сооружений, нефтяных буровых вышек, металлоограждений дорог, дорожных знаков, опор высоковольтных передач, палубного оборудования, пристаней, понтонов, шлюз, доков, рефрижераторов, емкостей для хранения и перевозки химических реактивов, затворов гидроэлектростанций, металлоконструкций контактной сети железных дорог, шасси подвижного состава, обода колес и др.

По сравнению с такими методами получения покрытий как погружением в расплав, гальваническими, термодиффузионными, стеклоэмалевыми, лакокрасочными покрытиями, а также процессами протекторной защиты, электрохимической защиты с использованием внешнего источника напряжения, процесс газотермического напыления коррозионностойких покрытий позволяет обеспечить следующие преимущества:

- обеспечение двойного эффекта защиты от коррозии: на основе электрохимической природы и в качестве преграды для проникновения коррозионных возбудителей (для сравнения: например при протекторной защите обеспечивается эффективность борьбы с коррозией только в ограниченной зоне и с использованием только одного электрохимического принципа защиты);

- более длительный срок службы защищаемого изделия, часто равный сроку его эксплуатации (для сравнения: срок службы лакокрасочных покрытий обычно не превышает 3–8 лет);

- значительное снижение эксплуатационных расходов;

- возможность нанесения покрытия на детали любых габаритов и сложной конфигурации;

- отсутствие коробления и ухудшения свойств основного металла из-за возникновения водородной хрупкости вследствие обработки травителем (травление, как способ подготовки поверхности, при газотермическом напылении не требуется);

- повышенные характеристики усталостной прочности за счёт создания сжимающих остаточных напряжений, образующихся в поверхностном слое после предварительной операции – абразивно-струйной обработки;

- шероховатость поверхности напыляемого металла увеличивает трение в болтовых соединениях и, таким образом, снижает вероятность образования фреттинг-коррозии;

- микропористость напыленного покрытия способствует сохранению в порах продуктов коррозии и тем самым значительно замедляет коррозионный процесс (по сравнению с процессом горячего цинкования, где отсутствует пористость);

- возможность получения покрытий значительно большей толщины, чем при горячем погружении в расплав или при термодиффузионном методе (например, при горячем цинковании максимальная толщина покрытия – от 50 до 60 мкм, при термодиффузионном методе – от 12 до 50 мкм);

- получаемые покрытия вследствие своей шероховатости и пористости являются высококачественной основой для антикоррозионных смазок, мастик, лакокрасочных, полимерных и других материалов;

- обеспечение хорошего сцепления с бетоном в различных закладных элементах;

- возможность обеспечения дополнительной защиты зон сварки обработанных изделий непосредственно на месте монтажа конструкций;

- относительная простота процесса, не требующего повышенной квалификации обслуживающего персонала (в отличие от катодной защиты с использованием внешнего источника напряжения, где применяются сложные станции катодной защиты и необходим периодический замер потенциала);

- экологическая чистота процесса в связи с отсутствием отходов производства.

Применение газотермического напыления коррозионностойких покрытий обеспечивает долговременную защиту металлоконструкций, работающих как в атмосферных условиях, так и в водных и других средах. Тем самым исключается необходимость частого восстановления (как, например, лакокрасочных покрытий, которые необходимо обновлять или устранять их повреждения примерно раз в 3 года), что, помимо больших затрат труда и материалов, может быть связано и с временным прекращением эксплуатации объектов. Расходы на газотермическое напыление по сравнению с окраской составляют около 250%. Однако такие покрытия требуют восстановительного ремонта только через 30–50 лет, причем расходы на его ремонт составляют лишь 25% расходов на восстановление лакокрасочного покрытия. Как показывают данные сравнительной стоимости различных видов антикоррозионной защиты, в зависимости от сроков эксплуатации при условии не менее 20-летнего срока службы защищаемого изделия, затраты на газотермическое напыление составляют менее половины затрат на окраску.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К П. 3.1

1. Материалы сайта ОАО НПО «ЦНИИТМАШ». Институт технологии поверхности и наноматериалов, отдел покрытий и оборудования. URL: http://coatings-pvd.ru/nanoarc.php.

2. Материалы сайта НПФ «ПЛАЗМАЦЕНТР». Санкт-Петербург, Россия.

3. Материалы сайта "НЕЙТРИНО". Высокие технологии.

4. Тополянский П. А., Соснин Н. А. Нанесение эрозионностойких покрытий на вентиляционные лопатки турбогенераторов методом плазменного напыления. НПФ «ПЛАЗМАЦЕНТР». Санкт-Петербург, Россия.

Поиск по сайту: