Закрепленные в бетонном полу, тяжелые стальные опоры поддерживают длинную трубу, со стенками, толщиной в спичечный коробок. Первое время, пораженный величием и мощью холодного металла, не обращаешь внимание на детали, отбрасывая постоянно всплывающие образы военных баталий. И только проходя оборудованную зону безопасности, находясь в непосредственной близости, замечаешь многочисленные трубки, ведущие к окрашенным в разные цвета резервуарам, меж которых снует персонал в однотонных комбинезонах. Среди ярких предупредительных знаков не так уж и легко заметить аккуратные подписи: азот, кислород и другие… Под потолком засиял красный маячок, послышались предупредительные оклики – пора уходить….
Так выглядела установка детонационного напыления прошлого века. Сегодня разработчики предлагают компактные, компьютеризированные приборы с обратной связью. Но чтобы почувствовать силу инженерной мысли, проникнуться гениальностью изобретения, необходимо принять и признать тот факт, что разрушительная сила взрыва вполне способна созидать.
Установка для детонационного поверхностного напыления
Установка для детонационного поверхностного напыления является своего рода смесителем, не представляя с технической точки зрения ничего сложного. Активная среда насыщается горючими газами – ацетилен в качестве рабочего газа, азот для стабилизации процессов образования пленки и кислород, как фундамент бурной и высокотемпературной реакции. Затем производится впрыскивание порции напыляемого материала, после чего электрический разряд исполняет роль детонатора. Металлический порошок диспергирован настолько, что в 250мг помещается около сотни частиц, которые после вдувания в газовую смесь до момента детонации находятся во взвешенном состоянии.
По мере распространения детонационной волны происходит последовательное превращение активной среды: разрыв молекулярных связей с выделением большого количества тепла. Повышение общего уровня энергии значительно упрощает диссоциацию следующих молекул. Скорость реакции для большинства газовых смесей значительно превышает скорость звука – цетиленокислородная среда детонирует в интервале 2-3 тысячи метров в секунду. Химическая реакция неизменно сопровождается выделением тепла – до 3,5 тысяч градусов, что ведет к тепловому расширению. Очевидно, что при одинаковом объеме ДНП установки реактивное расширение активной среды ведет к немедленному повышению давления. Т.о. продукты реакции выходят из ствола с силой в среднем в 1200-1500 атмосфер. При таком давлении сечение сопла должно быть достаточно большим, иначе детонационная волна вызовет не пластическую микродеформацию, а серьезное повреждение кристаллитной структуры.
Несмотря на кажущуюся бурность протекания химического превращения, управлять энергетическими показателями детонации легко и просто посредством изменения процентного соотношения элементов активной среды. По большей части контроль базируется на теплоотдаче реакции, которую можно уменьшать разбавлением газовой смеси азотом (по этой причине его часто называют просто разбавителем) или увеличивать добавлением химически чистого окислителя-кислорода.
Превышение определенного температурного порога ведет к полной диссоциации продуктов детонации, например, при большой температуре известный продукт горения углекислый газ распадается на углерод и активный кислород, что повышает общий окислительный потенциал смеси. Высвобождение реактивных радикалов определяет степень взаимодействия напыляемого порошка с активной средой. Если в сварке большое значение придается исключению из реакции кислорода, то напыление весьма и весьма часто требует непосредственного участия кислорода для образования оксидной пленки на напыленной поверхности.
Процесс напыления
Детонационная волна путем конвективных процессов за доли секунды разогревает частицы напыляемого материала и придает им вектор скоростного движения. После инициирования взрыва активная среда распадается в течение всего 0,5мкс, далее около 3 микросекунд детонационная волна воздействует на напыляемый порошок, нагревая и разгоняя его. Ударная деформация, подчас которой и происходит образование поверхностной пленки, продолжается 10-7с.
Очевидно, что ДНП относится к импульсным технологиям: за одну итерацию напыляется покрытие до 20мкм толщиной, соответственно наращивание пленки происходит посредством многократных выстрелов. Площадь ударной деформации полностью зависит от параметров ствола, поскольку детонационное напыление отличается минимальным рассеянием. Изменение формы ствола ведет к изменению пятна. Т.о. посредством насадок с минимальной потерей порошка обрабатываются детали любой формы и размеров.
Очевидно, что образование поверхностной пленки сопровождается взаимодействием различных твердофазных материалов. Замыкание ионных связей происходит только при достижении напыляемыми материалами строго заданного энергетического уровня, достаточного для разрыва старых связей (а также удаления поверхностных окислов) и образования новых, сопровождающихся переходом на нижний энергетический уровень. Взаимодействие частиц порошка между собой обуславливается предварительным нагревом детонационной волной и тепловым выбросом в результате ударной деформации, когда многие частицы просто расплющиваются – в напыленном слое исключаются поры и флуктуации плотности, а пленка копирует микрорельеф поверхности. При соблюдении техпроцесса напыляемый материал приобретает адгезию на уровне металла основы, чего большинство других технологий гарантировать не может. В конечном счете, детонационное напыление позволяет работать с композиционными и тугоплавкими материалами, окислами, формируя поверхность на керамике, стекле и металле.
Для высокотемпературных процессов характерно накапливание внутреннего напряжения в результате остывания напыленного слоя. ДНП не является исключением, однако в системе «подложка-пленка» обычно отмечается процесс самоснятия нагрузки за счет разрыва некоторых связей и, как следствие, понижения адгезии. Вместе с тем, показатели сцепления детонационного напыления в 1,5 выше, чем у других технологий.
Типы напыленных покрытий
Взаимодействие подложки и напыляемого материала происходит при относительно высоких энергиях, что гарантирует образование множественных химических связей как между частицами, так и с основным материалом. Поверхность, нанесенная детонационным методом, показывает адгезию на уровне 0,7-1,7 т/см2, при этом пористость превышает 2% только при нарушении техпроцесса, вызывающем экстремальное термическое воздействием.
Высокая энергия пластической деформации вызывает упрочнение напыляемого слоя до 13,5 ГН/м2 согласно таблице Виккерса. При таких показателях прецизионная финишная обработка дает 14 квалитет шероховатости.
В конечном счете, все полученные покрытия можно разделить на несколько типов в зависимости от предполагаемой эксплуатации:
- Жаростойкие
-
В основе порошка лежит карбид хрома и окисел магния, которые связываются ионами никеля. Кроме того, одни производственники используют поверхностное окисление титана и хрома, другие – сложные оксиды по типу ильменита
-
- Нержавеющие
-
Основу напыленного слоя составляют легирующие компоненты – хром, никель, молибден – которые поверхностно окисляются для лучшего противостояния агрессивной среде и повышения на 5-10% прочности покрытия
-
- Износостойкие
-
Кобальт или никель связывают прочные или тугоплавкие металлы. Процентным содержанием связывающих компонентов регулируется ударная вязкость, показатели которой находятся в обратной зависимости от твердости и износостойкости. Нанесение титана и карбидов вольфрама позволяет увеличить сопротивляемость эрозии и абразивному изнашиванию, несмотря на повышенную температуру эксплуатации
-
Печальный эпилог
Напыленные детонационным методом покрытия отличаются высокой адгезией, квалитетом шероховатости и упрощенным контролем над свойствами поверхности. При этом техническая реализация проста, неприхотлива и универсальна, а расходные материалы дешевы и широко распространены. Вместе с тем, широкое распространение ДНП на данный момент ограничено отсутствием полноценных блоков управления.
Несмотря на почтительный возраст детонационной теории, сегодня все еще ведутся обширные исследования и проводятся многочисленные эксперименты, открывающие новые особенности протекания процессов преобразования активной среды и взаимодействия порошков с основой. Конечно, есть сводные таблицы для настройки оборудования, но в большинстве производственных случаев требуется научно обоснованная корректировка. И зачастую провести такую корректировку основываясь лишь на теоретических выкладках просто невозможно, настолько многогранны происходящие процессы. Однако ДНП оборудование с полноценной обратной связью после настройки в течение долгих лет будет давать стабильные результаты, дешевле и быстрее других технологий.
