Сравнение на методите за пламъчно свръхзвуково покритие

Пръскане, покрития: Разгледани са областите на приложение и особеностите на методите за свръхзвуково газопламъчно покритие. Извършен е сравнителен анализ на типични модели оборудване за тези процеси - JP-5000, DJ, Intelli-Jet - по отношение на газодинамични параметри, производителност, коефициент на използване на материала, разходи за покритие.

През последното десетилетие бързо се развива група високоскоростни методи за прахово боядисване, обединени на английски език с термина HVOF (High Velocity Oxy-Fuel), българският аналог на който е HPS (gas-flame supersonic) [1]. Пръсканите материали - полимери, карбиди, метали - образуват висококачествени термични бариери, устойчиви на износване и корозия покрития, които издържат на въздействието на ударно-абразивни и химически активни среди, високи термични натоварвания.

Алтернативни методи са методите на студено газодинамично (CHD), детонационно (DN) и плазмено (PN) пръскане.

CGN осигурява висококачествени покрития [2]. Това обаче е възможно само при използване на относително нискотопими материали (Zn, Al, сплави на карбиди с метали с голям дял от металната матрица), което не позволява използването на CGN за защита от износване при условия на ерозия, агресивни среди при високи температури. Освен това се изисква подаване на газове под налягане до 2,2 MPa, което е нетехнологично и опасно за използване в производствени условия.

Сравнението на отлагането DN [3] и HPS [4-8] показва, че качеството на покритията, изразено в параметри: адхезия, порьозност, степен на окисление, е на едно и също ниво. GPS методите обаче са по-технологично напреднали, тяхната производителност е по-висока, а единичните разходи за прилаганепокритията са намалени.

При ST разпръскваният материал прегрява с 1000…3000 K над точката на топене. Това води до интензивно насищане с газове, ниска термична ефективност, високи остатъчни напрежения в покритието. Използването на вакуум елиминира първия недостатък, но увеличава цената на оборудването.

По отношение на относителната цена HPC покритията са на същото ниво като PN и са 2 пъти по-евтини от DN, вакуумно-плазмените [1]. Вътрешните разработки на GPS [9, 10] са на експериментален етап или са по-ниски от чуждестранните аналози по отношение на производствените параметри. По-долу е даден сравнителен анализ на характеристиките на модерното оборудване в тази област. Данните ще бъдат полезни при разработване на насоки за техническо развитие и при вземане на решение за използването на определен тип оборудване в предприятието.

В чужбина вече се използват няколкостотин GPS инсталации в различни отрасли - машиностроене, металургия, енергетика, самолетостроене. Серийно се произвеждат повече от дузина GPS-системи, от които Intelli-Jet (Storm-ITS) и DJ Hybrid (германски клон на Sulzer Metco) са представени на българския пазар.

Шибърите и сферичните кранове в нефтената и газопреработвателната промишленост са подложени на интензивно абразивно и ерозионно износване (среда - пясък, утайки, твърди включвания; налягане> 130 MPa; температура> 600 С; корозивни реагенти - морска вода, H2S, HCl). Преди това само детонационните покрития WC-Co-Cr издържаха на такива натоварвания. Сравнителните тестове показват [4], че устойчивостта на ерозия на HPC покрития с подобен състав е 1,5–2 пъти по-висока от тази на детонационните покрития.

В енергетиката и космическата промишленост се възстановяват крайните размери на лопатките на парни и газови турбини, работната повърхност е защитена отокисление и високотемпературна корозия, фиг. 1.

Фиг. 1. Шприцоване на турбинни лопатки [5, 7], MСrAlY покритие; а) преоразмеряване; б) повърхностна защита срещу окисляване и високотемпературна корозия

GPS покритията заменят електролитния хром (колесник на самолети, печатащо оборудване), фиг. 2. В същото време чистотата на обработката е подобна, устойчивостта на износване се увеличава и разходите за осигуряване на екологичност на производството също са значително намалени.

Фиг. 2. Модел на барабан за производство на филм Kodak [7]. WC-покритие, полирано до нивото на оптично огледало (Ra 0,012)

GPS покритията осигуряват ефективна защита срещу агресивни корозивни среди. Използват се при ремонт на контейнери (хартиена, химическа промишленост), елементи на топлообменници на топлоцентрали [4, 6].

За HPS е характерно, че температурата на частиците на разпръсквания материал е близка до точката на топене на неблагородните метали, а техните скорости са повишени в сравнение с други методи. Тези характеристики позволяват да се намали насищането на разпръснатите частици с атмосферни газове, като същевременно се осигурява високо импулсно налягане, когато частиците ударят основната повърхност. В резултат структурата на покритието съчетава ниска порьозност и степен на окисление с висока якост на адхезия, 80…150 MPa.

Развитието на GPS оборудването започва със системите от първо поколение (HVOF-1 на фиг. 3) - Jet Kote, CDS, Top Gun, Diamond Jet. В тези инсталации изгарянето се извършва при налягане от 0,3 ... 0,5 MPa, а газовата струя достига свръхзвукова скорост при разширяване на изхода на дюзата. Това осигурява скорости на частиците

450 m/s (WC-17Co, фракция -45+10 µm). Съвременните инсталации - Top Gun K, JP-5000, OSU Carbide Jet, DJ2600/2700, Intelli-Jet - работят при налягане в горивната камера от 0,6 ... 1,0 MPa ивътре в горелката се получава увеличаване на скоростта на струята от продукти на горенето до свръхзвукова. Това осигурява увеличаване на скоростта на частиците до 800 m/s. В допълнение, ефективността на преноса на топлина към частиците е по-висока, което увеличава ефективността на отлагането при сравними скорости на газовия поток. Сравнението на покритията показва, че JP-5000, DJ2600/2700, Intelli Jet имат най-добри показатели по отношение на порьозност, адхезия, микротвърдост. По-долу е даден по-подробен анализ на съвременните съоръжения и Top Gun, първо поколение оборудване.

Всички тези агрегати са стабилни в експлоатация, оборудвани са с дистанционно компютъризирано управление и отговарят на изискванията за електро и пожарна безопасност. Те се различават по видовете използвани газове и прахове, както и по схемите за тяхното захранване.

В модулите JP-5000 и Diamond Jet Hybrid (DJ2600/2700) в горивната камера се подават кислород и горим газ. Разлики - в конструкцията на подаването на прах, схемата на смесване на газове и вида на горимия газ. За JP-5000 това е керосин, за Diamond Jet Hybrid е пропан, пропилен, етилен (DJ2700) или водород (DJ2600). Тези системи осигуряват водно охлаждане, а при DJ инсталациите топлинно натоварените компоненти се охлаждат допълнително с въздух. Интензивният топлопренос към стените на дюзата и цевта по време на водно охлаждане причинява големи загуби на енергия на струята от продукти на горенето. Това налага намаляване на производителността, за да се поддържа нивото на качеството.

Intelli Jet се отличава с използването на въздух както като окислител, така и като охлаждаща среда. Горими газове - пропан, пропилен. За подобряване на ефективността горивната камера е оборудвана с каталитичен елемент, а струята на пръскане се нагрява допълнително в каскадна дюза.

Анализ на микроструктурата, фиг. 3, ви позволява да направите заключение за същото ниво на качествопокрития, получени на различни съоръжения.

Фиг. 3. Микроструктура на WC-17Co покрития, отложени по различни методи

От табл. 1 показва, че инсталацията Intelli-Jet е най-модерната в технологично отношение. Не изисква използването на кислород като окислител, водно охлаждане.

Раздел. 1 Разход на материали за 1 час работа [4-8]

материали	Intelli Jet	JP-5000	DJ2700	Топ Гън
Кислород, m3	-	60	18	21
Сгъстен въздух, m3	300	-	23	-
гориво	Преглед	Пропилен	Керосин	Пропилен	Пропилен
Консумация, кг	тридесет	21	17	16
Азот, m3	0,96	1.2	1.08	1.02
Вода за охлаждане, m3	-	1	0,72	0,72

Според анализа на данните на производителите [4-8] (Таблица 2), Intelli-Jet осигурява най-високите скорости на частиците, а максималните им температури са 100 градуса под точката на топене на кобалта, който съставлява матрицата на сплавта. Тези разлики от други инсталации водят до намаляване на окисляването на частиците и правят възможно увеличаването на ефективността на отлагането. Повишената производителност и използване на праха в Intelli-Jet се дължат на ефективността на многостепенната схема на изгаряне на сместа и характеристиките на въвеждане на праха в струята. Съотношението на разходите за консумативи води до намаляване на относителната цена на покритията за Intelli-Jet с 1,6 ... 2,5 пъти.