Liczba wizyt: 1525962

NATRYSKIWANIE CIEPLNE  - PŁOMIENIOWE
Natryskiwanie płomieniowe (gazowe) jest procesem nakładania warstw z metali, a także niemetali na podłoża metaliczne, gdy źródłem ciepła potrzebnego do stopienia materiału powłokowego jest płomień gazowy.
W tej metodzie stosowane są dwie techniki natryskiwania różniące się parametrami procesu, konstrukcją urządzeń i w konsekwencji własnościami powłok. Jest to natryskiwanie płomieniowe klasyczne i naddźwiękowe.
Natryskiwanie płomieniowe klasyczne.
Źródłem ciepła stosowanym w tej technice jest płomień gazowy, ze spalania najczęściej
acetylenu w tlenie, o temperaturze płomienia ok. 3000°C, a natryskiwane cząstki osiągają prędkość od 100 do 350 m/s.
W zależności od postaci materiału powłokowego (drut lub proszek) wyróżnia się odpowiednie konstrukcje palników.
Drut jest podawany przez otwór środkowy dyszy gazowej. Wokół otworu środkowego rozmieszczone są małe otwory gazowe skierowane zbieżnie do osi drutu. Otwory gazowe otoczone są dyszą powietrza, przez którą wypływa z dużą prędkością strumień powietrza pod ciśnieniem 0,4 ÷1 MPa. Gdy drut przesuwany mechanizmem napędowym wchodzi w strefę płomienia gazowego, ulega stopieniu i rozpyleniu na kropelki, które są porywane przez gaz, a następnie strumieniem powietrza skierowane na natryskiwaną powierzchnię. Natryskiwana powierzchnia nieco nagrzewa się podczas natryskiwania, ale jej temperatura nie przekracza 100 ÷ 150°C. Zaleca się natomiast podgrzewanie wstępne podłoża metalicznego do ok. 100°C, w celu usunięcia wilgoci i obniżenia różnic rozszerzalności cieplnej warstwy i podłoża.
Natryskiwanie przy użyciu drutu możliwe jest dla metali i stopów, które są wytwarzane w tej postaci, nie parują ani nie dysocjują przed osiągnięciem temperatury 2800°C.

    Palnik musi być utrzymywany przez cały czas natryskiwania w stałej odległości od przedmiotu, a powinna ona wynosić 100 ÷ 250 mm, zależnie od typu palnika, rodzaju podłoża i natryskiwanego materiału:

  •     prędkość przesuwu musi być tak dobrana, aby zapewnić układanie równomiernej warstwy, o grubości nie przekraczającej 0,15 ÷ 0,25 mm, w zależności od natryskiwanego metalu,
  •     prędkość przesuwu musi być tak dobrana, aby przedmiot nie uległ nagrzaniu do temperatury 100-150° C

Pierwsza warstwa powinna być cieńsza, do ok. 0,15 mm, a następne ok. 0,25 mm. Po ułożeniu pierwszej warstwy kolejne układa się pod kątem 90°, aż do uzyskania wymaganej grubości powłoki.
Natryskiwanie płomieniowe z użyciem proszku, polega na podawaniu grawitacyjnym (lub pod ciśnieniem) proszku metalicznego ze zbiornika do komory mieszania się gazów, z którymi jest przenoszony do płomienia, gdzie ulega stopieniu lub nadtopieniu i pod ciśnieniem gazów płomienia kierowany jest strumieniem na natryskiwaną powierzchnię.
Najczęściej stosuje się proszki o ziarnach 0,1 ÷ 0,15 mm ze stali odpornych na korozję, żaroodpornych stopów na osnowie Ni, Cr, Co, Fe, stopów miedzi
Wyróżnia się natryskiwanie płomieniowe proszkowe: na zimno i na gorąco.
Natryskiwanie na zimno stosuje się do nakładania powłok, które ulegają zużywaniu ściernemu, adhezyjnemu, erozyjnemu, korozji ciernej, erozji kawitacyjnej. Powłoki są porowate, co wykorzystuje się do nasycenia ich materiałem smarnym, w celu przedłużenia trwałości elementu metalowego. Natryskuje się stale niskowęglowe i niskostopowe, stale odporne na korozję, stopy niklu, aluminium, miedź, brązy. Przedmioty są podgrzewane wstępnie do ok. 100°C, natryskiwane wstępnie spajającą warstwą aluminku niklu i kolejnymi warstwami materiału powłokowego do uzyskania wymaganej grubości.
Natryskiwanie na gorąco stosuje się do elementów, od których wymaga się wysokiej odporności na ścieranie, żaroodporności, odporności na korozję, erozję, udarności. Pokrywane elementy podgrzewa się do temperatury do 150 ÷ 500°C, nakładając warstwę wstępną o grubości 0,2 ÷ 0,5 mm w celu ochrony powierzchni podłoża przed utlenieniem. Następnie ponownie nagrzewa się do temperatury 600 ÷ 700°C i układa kolejne warstwy powłoki. Każdą kolejną warstwę przetapia się nagrzewając płomieniem palnika do temperatury w zakresie likwidus – solidus natryskiwanego stopu. Do natryskiwania na gorąco stosuje się proszki na osnowie Ni, Co, stopów Ni-Cr. W składzie chemicznym tych proszków występuje krzem i bor. Podczas utleniania w płomieniu gazowym pierwiastki te tworzą bardzo drobne cząstki tlenków, które wbudowują się do powłoki i zwiększają jej twardość.  

Natryskiwanie płomieniowe naddźwiękowe.  W metodzie natryskiwania naddźwiękowego stosuje się w zasadzie te same gazy co w przypadku metod poddźwiękowych, ale najpowszechniej stosuje się wodór, propan lub propylen. Natryskiwane cząstki materiału powłokowego w palnikach naddźwiękowych osiągają prędkości od 400 do 1200 m/s. Powłoki natryskane techniką naddźwiękową mają bardzo niską porowatość i małą zawartość tlenków oraz bardzo wysoką wytrzymałość obszaru dyfuzyjnego połączenia powłoki z natryskiwanym podłożem.
Zależnie od konstrukcji palników wyróżnia się:
    • natryskiwanie detonacyjne,
    • z dużymi prędkościami natryskiwanych cząstek,
    • z dużymi prędkościami cząstek i pod dużym ciśnieniem.
 

 - Natryskiwanie detonacyjne polega na wykorzystaniu energii wybuchu mieszaniny acetylenowo-tlenowej do stopienia lub nadtopienia cząstek materiału powłokowego w postaci proszku i nadania im dużej prędkości, do 800m/s.

Urządzenie do detonacyjnego natryskiwania pracuje okresowo. Składa się z długiej tulei do której wprowadza się pod ciśnieniem mieszaninę acetylenu i tlenu, bądź wodoru i tlenu oraz proszek do natryskiwania pod ciśnieniem gazu podającego. Cykl pracy palnika składa się z:
    - napełnienia komory roboczej gazową mieszaniną detonacyjną,
    - podania proszku do komory
    - zdetonowania mieszaniny,
    - uformowania strumienia cząstek proszku i spalonych gazów,
    - przyspieszenia gazów w kierunku rozprzestrzeniania się fali detonacyjnej,
    - wypływu strumienia z komory roboczej, lotu i uderzenia cząstek w pokrywane podłoże.


Do mieszaniny detonacyjnej dodaje się gaz obojętny – azot, argon lub hel, do przepłukiwania komory roboczej. Detonacje mieszaniny gazów wywołuje iskra świecy zapłonowej z częstotliwością 10 ÷ 20 Hz, a seria fal detonacyjnych stapia cząstki proszku i przyspiesza je do prędkości 500 do 800 m/s. Temperatura w komorze osiąga 3200°C, ale temperatura natryskiwanego przedmiotu nie przekracza 150°C. Po każdej serii detonacji komorę przepłukuje się azotem.
Powłoki natryskane detonacyjnie mają bardzo wysoką przyczepność do podłoża, kilka razy wyższą niż w innych metodach, wskutek połączenia adhezyjnego lub dyfuzyjnego, a także silną kohezją pomiędzy cząstkami w samej powłoce oraz niską porowatość, zwykle ok. 0,5%. Grubości natryskanych powłok najczęściej osiągają 0,5 mm. Wadą tej techniki jest bardzo wysoki poziom hałasu.
Powłoki detonacyjne są stosowane w celu: zwiększenia odporności elementów maszyn i narzędzi na procesy ścierne, odporności na korozję wysokotemperaturową i erozję, odporności na udary cieplne i mechaniczne, obniżenia porowatości uprzednio naniesionych warstw, jak np. w wypadku regeneracji elementów maszyn: wałów, osi, półosi, bębnów ciągarek, prowadnic, noży, łopatek turbin, elementów pomp, form do odlewania pod ciśnieniem.
Natryskiwanie proszkowe naddźwiękowe z dużymi prędkościami (HVOF - High Velocity Oxy Fuel) polega na ciągłym spalaniu gazu palnego: propylenu, wodoru lub propanu w tlenie lub powietrzu. Mieszanina gazów jest podawana do chłodzonej wodą komory spalania pod dużym ciśnieniem, gdzie ulega spalaniu sposób ciągły. Rozprężający się płomień gazowy o temperaturze powyżej 3200°C z charakterystycznymi „udarami romboidalnymi” nagrzewa do temperatury topnienia podawany proszek pod ciśnieniem i przyspiesza go nawet do 1000 m/s, rys. 4.5. Tą metodą nakłada się powłoki z aluminium, miedzi, stopów żelaza, niklu, kobaltu, cermetali, jak Co-WC.
 - Natryskiwanie proszkowe naddźwiękowe z dużymi prędkościami i pod dużym ciśnieniem (HP/HVOF – High Pressure/High Velocity Oxy Fuel) przeprowadza się przy pomocy palników na paliwo płynne, najczęściej naftę lotniczą. Osiąga się w nich jeszcze większe prędkości stopionych cząstek, do 1200 m/s, przy niższej temperaturze płomienia, rzędu 2700°C, co skutkuje większą energią kinetyczną cząstek. W rezultacie powłoki mają większą jednorodność struktury, najniższą porowatość, najmniejszy udział tlenków, czas przebywania bowiem cząstek w atmosferze utleniającej wskutek ich dużej prędkości jest krótki i ponadto wobec możliwości stosowania proszków gruboziarnistych. Lepsze jest też przyleganie cząstek do siebie i do podłoża. Natryskane warstwy są więc wysokiej jakości, o gładkiej powierzchni i wysokiej wytrzymałości. W jednym przejściu można nałożyć warstwy o grubości 1 mm, a całkowitą do ok. 12 mm. Tą techniką można nałożyć powłoki z czystych metali: Mo, Ni, Co, Ti, Ta, stali, mieszanin, np. aluminium z grafitem, materiałów ceramicznych i ich kombinacji z metalami, np. węglików wolframu lub węglików chromu w osnowie kobaltu, niklu lub stopu Ni-Cr. Stosuje się je na części maszyn przemysłu lotniczego, kosmicznego, chemicznego i in. jak: wały, zawory i gniazda zaworowe silników, części silników odrzutowych, głównie w celu nadania wysokiej odporności na ścieranie i korozję wysokotemperaturową.

NATRYSKIWANIE ŁUKOWE
Źródłem ciepła potrzebnego do stopienia materiału powłokowego w tej metodzie jest łuk elektryczny zajarzany między drutami metalu natryskiwanego, w osi wypływającego strumienia powietrza, które rozpyla i przenosi stopione cząstki na pokrywane podłoże.
Urządzenie do natryskiwania elektrycznego łukowego składa się ze źródła prądu stałego, układu sterowania, drutu elektrodowego, układu podawania drutu, źródła sprężonego powietrza oraz palnika, rys. 4.6.
Właściwy dobór parametrów: napięcia i natężenia prądu, prędkości podawania drutów, symetrycznego ustawienia prowadnic drutu w osi strumienia sprężonego powietrza, pozwalają na uzyskanie bardzo drobnych cząstek ciekłego metalu, prawie o jednakowym wymiarze, których prędkość dochodzi do 150 m/s, co przy temperaturze łuku wynoszącej ok. 6000oC, daje powłoki bardzo drobnoziarniste o dużej przyczepności do podłoża, (większej niż w metodzie natryskiwania płomieniowego), z powodu możliwości spojenia metalurgicznego ciekłych cząstek z podłożem.
Podobnie jak w innych metodach natryskiwania, bardzo ważny jest stan powierzchni pokrywanego podłoża – musi być czysta i o odpowiedniej chropowatości.

Podstawowym parametrem natryskiwania łukowego są: natężenie i napięcie prądu, prędkość podawania drutów, ciśnienie powietrza, średnica drutu, odległość dyszy palnika od powierzchni pokrywanego podłoża, prędkość przesuwu palnika. Optymalne parametry natryskiwania dobiera się doświadczalnie, przy czym zalecana odległość od podłoża mieści się w granicach 50 ÷ 200 mm.
Metodą elektryczną łukową można natryskiwać metale w postaci drutów z aluminium, miedzi, niklu, cynku, molibdenu, brązów, mosiądzów, babbitów, nadstopów, stali stopowych. Ponieważ w łuku stapia się dwa druty, więc dobierając różne materiały można wytworzyć powłoki o specjalnych cechach. Grubości warstw w jednym przejściu mieszczą się w zakresie 0,01 ÷ 0,5 mm, przy czym możliwość natryskiwania w komorze o obniżonym ciśnieniu lub w atmosferze ochronnej czynią tę metodę konkurencyjną w stosunku do nowszej metody natryskiwania plazmowego. Natryskiwanie łukowe stosuje się m.in. do pokrywania prowadnic obrabiarek, czopów walców hutniczych, na które nanosi się stal chromową martenzytyczną.


NATRYSKIWANIE CIEPLNE PLAZMOWE
Technologia natryskiwania cieplnego z zastosowaniem urządzeń plazmowych zostało wdrożone do przemysłu około 50 lat temu, a wywodzi się z doświadczeń zdobytych w trakcie badań przestrzeni kosmicznej.
Plazmowa metoda natryskiwania polega na stapianiu proszku metalicznego (lub z niemetali) w strumieniu plazmy i kierowaniu roztopionych cząstek przez strumień gazu plazmowego na pokrywaną powierzchnię.
W palniku do natryskiwania plazmowego, rys. 4.7, łuk plazmowy o temperaturze do ok. 16 000ºC jest zajarzany między nietopliwą katodą wolframową a anodą miedzianą, stanowiącą równocześnie dyszę wylotową dla strumienia plazmy i natryskiwanych cząstek. Palnik plazmowy jest intensywnie chłodzony wodą, aby zabezpieczyć elektrody przed stopieniem. Jako gazy plazmowe stosuje się argon lub azot, a jako gaz pomocniczy wodór lub hel. Gazy służą do wytworzenia plazmy, stabilizacji jarzenia się łuku wewnątrz palnika i przenoszenia proszku plazmowego. Proszek jest podawany do komory plazmowej palnika przez mechanizm dozujący, jego czas przebywania w palniku wynosi ok. 10-5s, gdy ulega stopieniu, a strumień plazmy wyrzuca go w kierunku podłoża. Typowe materiały natryskiwane metodą plazmową to: metale – tantal, molibden, wolfram, aluminium, miedź, nikiel, chrom, stopy: Ni-Cr-Co-Al, Ni-Cr, węgliki: Ti, W, Cr, tlenki: Zr, Ce, Al, Ti, Cr, a także spieki metalowo-ceramiczne.
Odmianą natryskiwania plazmowego jest impulsowe natryskiwanie plazmowe materiałów proszkowych. Silnie sprężona plazma, do której wprowadza się materiał powłokowy wytwarzana jest w postaci impulsów o częstotliwości do 3 Hz. Metoda ta jest bardziej ekonomiczna w stosunku do technologii natapiania powłok przy pomocy urządzeń laserowych.
Podstawowym czynnikiem decydującym o jakości połączenia powłoki natryskanej plazmowo jest przygotowanie podłoża, tj.: usunięcie zanieczyszczeń, tłuszczu, lakierów, pyłu, nadania chropowatości przez śrutowanie, trawienie lub obróbkę wiórową, podobnie jak przy natryskiwaniu gazowym.
Podstawowymi parametrami natryskiwania plazmowego są: wydajność podawania proszku, rodzaj i ciśnienie gazów plazmowych, odległość palnika od przedmiotu oraz prędkość przesuwu palnika. Zaleca się stosować odległość rzędu 50 ÷ 150 mm, a przesuw dobiera się tak, aby w każdym przejściu natryskana warstwa nie była grubsza niż 0,25 mm.
Natryskiwane przedmioty podgrzewa się wstępnie do 100 ÷ 150oC w celu zapobieżenia kondensacji pary na powierzchni i obniżeniu naprężeń w powłoce po ochłodzeniu. Metodą plazmową można natryskiwać elementy z metali, stopów, materiałów ceramicznych, tworzyw sztucznych. Pomiędzy natryskaną powłoką a podłożem może wystąpić połączenie mechaniczne adhezyjne, chemiczne lub dyfuzyjne w mikroobszarach. Zaleca się aby cząstki natryskiwanych proszków miały jednolitą wielkość i małe wymiary, ażeby mogły ulec stopieniu w strumieniu plazmy.
Natryskiwanie plazmowe jest powszechnie stosowane w przemyśle chemicznym, elektronice, energetyce jądrowej, kosmonautyce, produkcji samolotów, w celu zapewnienia odporności cieplnej, korozyjnej, odporności na ścieranie, obciążenia dynamiczne, jako izolacja elektryczna, osłony nuklearne oraz w wielu wypadkach łączenia tych właściwości.