Газотермічне напилення - це одержання покриття з використан­ням високотемпературного газового струменя та нагрітих ним і приско­рених часток напилюваного матеріалу, при зіткненні яких з основою або напиленим матеріалом виникає їх з'єднання за рахунок зварювання, адгезії та механічного зчеплення.

При газотермічному напиленні на поверхню матеріалу перено­сяться частки диспергованого матеріалу у рідинному або пластичному стані розміром 10-150 мкм. Сутність процесів полягає у тому, що при високих температурах проходять процеси плавлення, змочування, ад­гезії, зчеплення, спікання, які перетворюють механічний конгломерат у міцну суцільну масу. При використанні компактного матеріалу, наприк­лад, дроту, це роздрібнення на частки і розпилення відбувається у про­цесі його плавлення і газотермічного напилення.

Газотермічні процеси напилення можна класифікувати за енергетич­ними ознаками або функціональним призначенням.

Газотермічне напилення (ГТН) за енергетичними ознаками можна класифікувати за такими видами:

- газополуменеве напилення (ГН) - газотермічне напилення, при якому для напилення використовується струмінь продуктів горіння суміші газів, які спалюються за допомогою пальника;

- детонаційне напилення (ДН) - газотермічне напилення, при яко­му для напилення використовується струмінь продуктів детонаціі;

- електродугове напилення (ЕДН) - газотермічне напилення, при якому нагрівання металу у вигляді дроту, стержня або стрічки спричиня­ється електричною дугою, а диспергування - струменем стиснутого газу (повітря);

- плазмове напилення (ПН) - газотермічне напилення, при якому для напилення використовується плазмовий струмінь.

Плазмове напилення може бути плазмово-дуговим (ПлДН), при якому плазмовий струмінь утворюється за допомогою електричної дуги, та високочастотним (ВПлИ), при якому плазмовий струмінь утворюється за допомогою високочастотного розряду.

- “холодне”газодинамічне напилення (ХГН) - напилення, при якому для утворення покриття використовується кінетична енергія високо - швидкісного (надзвукового) газового струменю, розігрітого до темпера­тури, значно меншої, ніж температура плавлення матеріалу, що напи­люється.

- лазерне напилення (ЛН) - напилення, в якому для утворення по­криття використовується лазерний промінь, який дозволяє точно конт­ролювати теплове випромінювання носія енергії. Співосно з променем подається захисний газ (аргон, гелій, їх суміші або азот) з витратами 1,2-3 м3/год. Порошок подається у зону фокуса лазерного променя. Найпоширенішими є газолазерні установки (С02-лазери).

Газотермічне напилення, при якому у об’ємі робочої камери підтримується заданий склад та тиск газового середовища, називаєть­ся напиленням у контрольованій атмосфері.

Газотермічне напилення у контрольованій атмосфері, при якому безперервно підтримується завдане розрідження газового середовища, називається напиленням у динамічному вакуумі.

Покриття, одержане газотермічним напиленням, називається газо­термічним покриттям.

Залежно від виду використаної для напилення енергії розрізняють газополуменеве, електродугове та детонаційне, плазмове або плаз­мово-дугове покриття.

Крім перелічених процесів, останнім часом застосовуються так зва­ні гібридні процеси, при яких для нагрівання матеріалу, що напилюєть­ся, використовують декілька джерел. Наприклад, детонація та плазма, лазерний промінь та плазма і тому подібне.

Також поширюються процеси з використанням надзвукових стру­менів: плазмового та струменю продуктів горіння при газополуменевому напиленні.

Залежно від функціонального призначення газотермічне покриття класифікується таким чином:

1. Ущільнююче газотермічне покриття, яке забезпечує необхідну стабільність зазорів у виробі або конструкції при їх експлуатації.

2. Термостійке газотермічне покриття, яке має необхідну праце­здатність при багаторазових різких змінах температури.

3. Коркове покриття, сформоване на основі для придбання її фор­ми та зняте з основи для використання із самостійною метою.

4. Терморегуляційне покриття забезпечує регулювання поглинан­ня та випромінювання поверхнею теплових потоків.

Терморегуляційне газотермічне покриття, яке знижує дію теплових потоків на поверхню, називається теплозахисним газотермічним по­криттям (теплозахисним покриттям).

5. Захисне газотермічне покриття захищає поверхню від зовніш­ньої дії.

Захисні газотермічні покриття можуть розподілятись на такі:

5.1. Ерозійностійке покриття - знижує вплив високошвидкісних струменів на поверхню.

5.2. Корозійностійке покриття - збільшує опір поверхні ко­розійному руйнуванню.

Корозійностійке газотермічне покриття, яке збільшує опір поверхні від руйнування при високих температурах, називається жаростійким покриттям.

5.3. Зносостійке покриття - збільшує опір поверхні різним видам спрацьовування.

Зносостійкі покриття, в свою чергу, поділяються на:

5.3.1. Антифрикційне покриття знижує коефіцієнт тертя у робочій парі тертя.

5.3.2. Фрікційне покриття - збільшує коефіцієнт тертя.

5.3.3. Антиадгезійне покриття - знижує схильність контактуючих поверхонь до адгезійної взаємодії або зчеплення.

6. Функціональні покриття зі специфічними вимогами - біосумісні, радіаційні, композиційні (з наперед заданим складом за формою, вміс­том компонентів) з регульованою структурою (пористі, шарові, мікрокри­сталічні, аморфні, нанотекстуровані) та інші.

Газотермічне покриття з двох або більше послідовно одержаних шарів, відмінних за складом, називається багатошаровим газотерміч - ним покриттям.

Багатошарове газотермічне покриття, в якому кожний проміжний шар має декілька компонентів з градієнтом, спрямованим від основи до зовнішнього шару, називається градієнтним покриттям.

Частина газотермічного покриття, яка безпосередньо прилягає до основи та виконує функції зв’язку поміж основною частиною покриття та основою, називається підшаром або прошарком газотермічного по­криття.

Частина газотермічного покриття, яка розташована над прошарком та виконує робочу функцію покриття, називається основною частиною газотермічного покриття.

Відрізняють також зовнішній шар газотермічного покриття, поверх­ня якого контактує з зовнішнім середовищем, та проміжні шари газотер­мічного покриття, розташовані між основою або прошарком та зовнішнім шаром.

Структура газотермічного покриття. Наявність у газодис­персному потоці частинок, які в момент співудару з основою знаходять­ся у різних агрегатних станах, є найважливішим фактором, який визначає характер і ступінь структурної і механічної неоднорідності ма­теріалу покриття.

Схематично структура газотермічних покриттів зображена на рис. 1.1.

Трьом типам границь відповідають три типи структурних елемен­тів - основа, на яку наносять покриття, напилений шар матеріалу і дискретна частинка матеріалу в кінцевому стані - після розпилення, удару та твердіння.

Згідно з оцінками характерних розмірів границь неоднорідності такої структури: товщина границі між шарами складає близько 0,1...10 мкм: товщина деформованих частинок - 2,0...20 мкм; протяж­ність поліморфних зон у дискретних частинках - 0,1...1,0 мкм товщина границь між частинками - до 1 мкм; протяжність ділянок схоплювання по границях частинок - 0,1...0,5 мкм; ширина тріщин між частинками - 0,08...0,3 мкм. Субмікроструктура частинок складається із зерен і трі - •щин, ширина яких оцінюється як (6...15)10^ мкм.

Розглянуті структури покриттів відповідають ситуації, коли відсутній термічний вплив частинок у період утворення покриття на основі.

и—“И 1

Рис. 1.1. Схема структури покриттів: 1 - границя між частинками: 2 — границя між шарами покриття; 3 — границя між покриттям і основою; Dx - діаметр ділянки контакту, на якій відбувається "приварювання” частинки

Традиційно застосовується кілька типів структури газотермічних по­криттів (рис.1.2).

Досить поширеним є одношарове покриття (1.2 а). Його викорис­тання доцільне у випадку створення конструкції “покриття - основа" із матеріалів з близькими значеннями коефіцієнтів термічного розширен­ня. Необхідною умовою є також забезпечення міцності зчеплення по­криття з основою. Як правило, такі умови витримуються при нанесенні металевих покриттів на металеву основу.

пьлииа

VW////A а

777777777Л в

77Ш7777Л

17777777777Л Д

б

Рис. 1.2. Типи структури покриттів

Більш поширеними є покриття з підшарком (рис. 1.2 б). Підшарок має меншу, порівняно з основним шаром покриття, товщину, яка лежить у межах 0,025...0,1 мм. Призначення підшарку - в забезпеченні міцного зв’язку покриття в цілому з основою. Крім того, його часто використову­ють як перехідний шар між матеріалами основи й основного покриття для зменшення різниці між коефіцієнтами їх термічного розширення.

Найчастіше як підшарок використовуються нікель-алюмінієві мате­ріали у вигляді композиційних порошків або сплавів; при нанесенні ок­сидних покриттів для цього придатні також нікель-титанові сплави.

За рахунок сполучення властивостей матриці і наповнювачів можна отримати покриття із багатокомпонентною структурою (рис. 1.2 в).

Покриття такого типу можуть бути отримані при нанесенні механіч­них сумішей покриттів або композиційних порошків.

У випадку експлуатації покриття в умовах механічних ударних на­вантажень і теплозмін використовуються багатошарові та градієнтні структури (рис. 1.2 з, б), причому градієнтна структура може бути як ша­руватою (утвореною кількома шарами із різним співвідношенням компо­нентів), так і безперервною (співвідношення компонентів по товщині покриття змінюється плавно, за рахунок їх окремого дозування в процесі напилення).