Процес детонаційного напилення покриттів (ДНП) полягає у фор­муванні на поверхні виробу серією послідовних пострілів шару з часток напилюваного порошку, які, внаслідок взаємодії з продуктами детонації вибухової суміші, мають достатній запас теплової та кінетичної енергії.

Цей процес рекомендується для напилення продуктів з порошків металів, їх сплавів, оксидів, тугоплавких з’єднань, різних композицій і таке інше, які не повинні розкладатися та випаровуватись у продуктах детонації і повинні мата різницю між температурами плавлення та ки­піння не менше 200 °С.

Суть процесу полягає в наступному. Ствол детонаційної гармати (рис. 4.3) заповнюється сумішшю пальний газ-кисень і відсікається від вибухової суміші, яка знаходиться у магістралях. Виважені транспорту­ючим газом частинки порошку подаються у ствол. За допомогою свічки запалення суміш запалюється, і спалення суміші проходить у режимі детонації. Залежно від складу вибухової суміші швидкість детонаційної хвилі може досягти 3000 м/с, а температура продуктів детонації - 3200 °С.

Рис. 4.3. Схема детонаційного напилення покриттів: І - пальний газ; II - кисень; НІ - технологічний газ; 1 - камера запалення; 2 - свічка запалення; 3 - ударна хвиля; 4 - детонаційна хвиля; 5 - канал ствола гармати; 6 — продукти спалення газової суміші; 7 - дульне полум’я; 8 - струмінь напилюваних часток; dc; Lc - діаметр та довжина ствола гармати

У результаті взаємодії з високотемпературними продуктами детона­ції частки порошку, який напилюється, нагріваються до пластичного або рідинного стану І, виходячи зі ствола, набувають швидкість 900...1500 м/с. При зустрічі часток з напилюваною поверхнею на ній утворюється щіль­на пляма покриття. Потім цикл повторюється.

Дискретність процесу ДНП дозволяє систематизувати і згрупувати фактори, що є вирішальними на різних етапах напилення.

Можна виділити три основних етапи технології напилення детона­ційних покриттів.

Перший етап - підготовчий. Він містить у собі операції по запов­ненню ствола вибуховою сумішшю і порошком матеріалу, що напилю­ється. Підготовчий етап завершується у момент ініціювання детонації газової суміші.

На другому етапі відбувається передача теплової і кінетичної енер­гії продуктів детонації газової суміші часткам порошку матеріалу, що напилюється, при їх русі у стволі на ділянці між поверхнею, що напилю­ється і дуловим зрізом ствола.

Третій етап - формування детонаційного покриття на основі.

Визначальними факторами першого етапу є: склад детонаційної га­зової суміші, ступінь заповнення нею ствола, величина порції порошку, його гранулометричний склад, форма часток, місце знаходження і кон­центрація порошкової хмари в стволі у момент ініціювання детонації, відстань від зрізу ствола до основи.

Ця група факторів є технологічними параметрами процесу напи­лення. Не менш важливі на першому етапі конструктивні особливості і параметри самої детонаційної установки: розміри і форма ствола, місце ініціювання вибуху суміші, спосіб транспортування та місце введення порошку у ствол, скорострільність установки.

Вирішальні фактори другого етапу - енергетичні характеристики продуктів детонації і часток порошку матеріалу, що напилюється. їх тем­ператури, швидкість, тиск І щільність газу, час перебування порошку ма­теріалу, що напилюється у високотемпературному потоці.

На третьому етапі ДНП ведучу роль здобувають фактори, від яких в остаточному підсумку залежить кількість зв’язків, що утворюються між взаємодіючими матеріалами у місці їхнього контакту на межі покриття і основи. Це, зокрема, такі характеристики як температура і тиск у зоні проходження фізико-хімічних процесів між контактуючими матеріалами, тривалість цих процесів.

Крім приведених факторів, велике значення на всіх етапах детона­ційного напилення мають фізичні характеристики матеріалу покриття, а на третьому етапі - характеристики матеріалу основи.

Швидкість і температура часток покриття залежить від виду пального газу, співвідношення кисню та пального газу в суміші, кількості у суміші технологічного газу (азоту або повітря), їх витрат, кількості введеного у ствол порошку, його щільності та гранулометричного складу, конструкцій­них особливостей установки тощо.

Вплив додавання технологічного газу азоту на процес детонації ек - вімолярної суміші наведено у табл. 4.2.

Таблиця 4.2 Вплив домішки азоту на процес детонації вибухової суміші Додаток азоту, моль 0 3 4 Тиск вибуху, МПа 0,5 0,23 0,22 Температура вибуху, К 4560 3300 3110 Швидкість звуку, м/с 1585 1290 1150 Швидкість продуктів детонації, м/с 1375 880 870 Швидкість детона­ційної хвилі, м/с теоретична 2960 2170 2020 фактична 2920 - 2015

До основних характеристик детонаційного нанесення покриттів мож­на віднести:

- можливість отримання покриття з малою пористістю (0,5...1,5%) та високою (до 100 МПа) міцністю зчеплення покриття з основою із біль­шості порошків, які плавляться при температурі до 2800 °С без розкла­дання;

- нанесення покриття на різні матеріали: метали (з твердістю поверхні до 60 HRC), кераміку, скло, пластмаси та інші, при відсутності деформації напилюваної поверхні;

- можливість керувати хімічним складом продуктів детонації (віднов - лювальний, нейтральний, окислювальний) та енергетичними характери­стиками процесу за рахунок регулювання складу газової суміші.

- наявність таких негативних явищ як високий рівень шуму в при­міщенні, де відбувається детонаційне напилення покриттів, який дося­гає до 140 <ЗБ; наявність продуктів спалення суміші пальний газ-кисень з утворенням шкідливих компонентів (СО, вуглеводні сполуки, оксиди азоту тощо); наявність великої концентрації виважених у повітрі часток напилюваного порошку.

До технологічних параметрів детонаційного напилення відносяться:

- витрати кисню, м3/год

- витрати пального газу (ацетилену, пропану, водню), м3/год;

- витрати технологічного газу (азоту, повітря), м /год

- тиск газів, МПа

- співвідношення між киснем та пальним газом у суміші, Р;

- час циклу процесу t с або швидкострільність, Гц

- витрати порошку, кг/год та його грануляція С, мкм

- дистанція напилення, мм;

- швидкість відносного переміщення гармати та виробу, мм/хв або мм/об]

- число обертів циліндричної деталі, об/хе.

Звичайні витрати кисню й ацетилену становлять від 0,2 до 6,0 м3/год залежно від конструкції установки. Тиск газів становить 0,05...0,15 МГІа.

Найбільш вагомими параметрами є вид та витрати газів, які входять у детонуючу суміш, співвідношення між пальним газом і киснем. Теплова потужність детонаційних газових струменів становить 107 Вт.

Порівняно з іншими пальними газами найбільш високу ефектив­ність дає використання для детонаційного напилення суміші ацетилену з киснем і меншу - пропан-бутану з киснем.

Втрати детонаційної суміші впливають прямо пропорційно на про­дуктивність процесу.

Детонаційне напилення належить до циклічних процесів. Час циклу становить 0,2...0,5 с І складається з 3-х складових:

Іц — t3 + tg + tfj,

де t - час, необхідний для заповнення камери та стволу газовою суміш­шю;

t - час, необхідний для створення вибуху та викиду продуктів де-

в

тонаціїта порошку;

t - час продувки камери та ствола.

Потрібно прагнути до мінімальних значень ( бо ним визначається

кількість циклів установки у часі, отже, і продуктивність.

Протягом одного циклу на поверхню напилення переноситься від 0,02 до 0,15 грамів розпилюваного матеріалу.

Частіше за все для детонаційного напилення використовують по­рошки діаметром 10...50 мкм. Порошки із більш крупними частками піді­гріваються і прискорюються недостатньо для утворення міцних звязків у мить удару. Порошки малої щільності мають найбільш високі швидкості. Витрати порошку при напиленні знаходяться у великих межах.

Залежно від потужності установок продуктивність порошку, що на­пилюється, знаходиться у межах 0,5...4,0 кг/год. При завантаженості порошком детонаційної суміші 0,2...0,6 кг/м3 за один цикл вистрілюється 100. .300 мг.. Температура та швидкість часток значною мірою залежить від умов їх введення у ствол гармати. Найбільш високі швидкості часток отримуються при введенні порошку на відстані 200...400 мм від зрізу детонаційного ствола гармати.

Дистанція напилення вибирається залежно від матеріалу виробу, його розмірів, форми, розпилюваного матеріалу, товщини покриття у межах від 50 до 200 мм.

Необхідну товщину покриття отримують багаторазовим повторен­ням циклів процесу, шляхом переміщення виробу перед зрізом ствола гармати. Шаг переміщення не повинен перевищувати половини діамет­ра плями напилення.

До особливостей детонаційного способу нанесення покриттів на­лежать вимоги до твердості поверхні напилення, яка не повинна пере­вищувати 60 HRC. Поверхня виробу, яка підлягає напиленню, може бути оброблена з метою отримання на ній шорсткості і не повинна мати гострих кромок. Вони повинні бути закруглені радіусом не менше 1 мм.

Чорнова (технологічна) товщина покриття призначається з враху­ванням припуску на механічну обробку, який частіше за все становить 0,1...0,3 мм на сторону.

Закономірності формування структури і властивостей детонаційно­го покриття із різного класу матеріалів залежить від технології одержан­ня порошку, його властивостей і від технологічних умов напилення.

Матеріали для детонаційного напилення, що вимагають різних умов напилення і відрізняються способом керування властивостями по­криттів, можна умовно поділити на три групи.

До першої групи відносяться матеріали, що володіють пластичністю при температурах, нижчих за температуру їх плавлення.

Представниками цієї групи є метали (АІ, Ті, Fe) і сплави (Al-Cu-Fe, Nf—АІ), а також механічні суміші або композиційні порошки, що мають у своєму складі пластичну складову (WC-Co, TiC-Ni, WC-Ni, Cr203-Ni та інші).

Керування властивостями покриттів з таких матеріалів полягає у забезпеченні умов напилення, при яких частки порошку легкоплавкої складової нагріваються до 0,8...0,9 Тплі прискорюються до максимально можливої для детонаційного процесу швидкості руху. Критерієм якості покриття є міцність зчеплення з основою, щільність шару, його твердість і збереження хімічного та фазового складу вихідного матеріалу.

З погляду досягнення максимальної міцності зчеплення покриття з основою для покриття, що містить тугоплавку складову (карбіди, бориди і т. п.) і металеву зв’язку (Ni, Co, Fe) з низькою температурою плавлення основним є склад робочої суміші із співвідношенням кисню до ацетиле­ну 1,2:1,0, а при використанні пропан-бутану - 3,5:1. Додавання до 30% азоту приводить до збільшення характеристик міцності самого шару, поліпшення якості покриття.

До другої групи відносяться матеріали, що володіють пластичністю, але вимагають нагрівання до температури плавлення Тпп через необ­хідність формування у них загартованих структур. До цієї групи відно­сяться сплави, що аморфізуються, охолодження розплавів яких зі швидкостями не менше 105 К/сек приводить до утворення аморфної фа­зи або дрібнокристалічної структури. Керування властивостями таких покриттів можна вести через зміну товщини шару, що формується за цикл. За критерій якості напиленого шару може служити кількість амор­фної фази, що утворилась у ньому.

Зниження ступеня хімічної активності детонаційної суміші з підви­щенням швидкості продуктів детонації, збільшується частка аморфної фази і зменшується вміст газів у покритті.

Підвищення об’єму детонаційної суміші при фіксованій витраті ма­теріалу, що напилюється, також веде до зменшення пористості і підви­щення твердості.

При пропорційному зниженні кількості ацетилену та кисню в дето­наційній суміші зменшується швидкість продуктів детонації, підвищуєть­ся час взаємодії продуктів детонації з матеріалом, що напилюється, що погіршує якість покриття.

Підвищення швидкості продуктів детонації сприяє загальному по­ліпшенню якості покриттів, зокрема, зниженню пористості, збільшенню мікротвердості, росту кількості аморфної фази.

До третьої групи відносяться непластичні матеріали, формування покриттів з яких можливе лише з розплавленого стану. До матеріалів цієї групи, в основному, відносять оксиди. Для оксиду алюмінію, при на­пиленні якого відбуваються поліморфні перетворення, керування влас­тивостями можливо також здійснювати зміною товщини шару за цикл.

Критерієм якості шару є кількість фази (а - АІ203) з найбільшою твер­дістю, збільшення якої забезпечується зниженням швидкості охолод­ження розплаву за рахунок підвищення товщини шару, що напилюється, за цикл. До особливостей технології напилення оксиду алюмінію, варто віднести суттєві відмінності в умовах формування початкового шару по­криття на межі з основою і наступних його шарів.

Аналіз залежностей величини міцності від технологічних параметрів напилення, однозначно вказує на перевагу температурного фактору ста­ну часток над швидкісним. Максимальна міцність зчеплення (40...50 МПа) відповідає режимові, при якому нагрівання часток відповідає темпера­турі їх плавлення. При цьому шар на межі з основою містить метастабі­льну у-фазу, що відрізняється більш високою хімічною активністю в порівнянні з a-фазою. Це важливо для розвитку контактної взаємодії з оксидною плівкою на поверхні основи. Формування у-фази більш актив­но відбувається при різкому охолодженні розплаву. Збільшення вмісту a-фази у наступних шарах, що забезпечує підвищення їх зносостійкості у 3...5 разів, вимагає зниження швидкості охолодження розплаву, що досягається збільшенням у 1,5...2,0 рази товщини наступних шарів за цикл.

Експериментально встановлено, що при детонаційному напиленні те­мпература часток поблизу поверхні напилення може досягти 1400... 1600 °С і більше.

Тиск, який діє на розплавлену частку при ударі об основу, підвищує температуру кристалізації на величину до 300 °С.

Відповідне збільшення росту контактної температури досягає 500 °С і більше в зоні дії ударного тиску, та 200...300 °С у зоні дії тиску напору.

Для отримання процесів окислення напилюваних матеріалів рекомен­дується зменшення часу перебування часток у детонаційно-газовому по­тоці, збільшити об'ємну концентрацію порошку в детонаційно-газовому потоці, використовувати детонаційно-газові потоки з відновлювальним або нейтральним середовищем, використовувати добавки інертних газів, забезпечити змінний вміст пальної суміші по довжині стволу, вилучати або зменшувати взаємодію імпульсного потоку з навколишнім повітря­ним середовищем, утворенням високошвидкісних супутніх потоків захи­сних газів тощо.