Анализ свойств газотермических покрытий : в 2 ч. Ч. 1 : Основные методы и материалы газотермического напыления

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

АНАЛИЗ СВОЙСТВ 
ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

В двух частях

Часть 1

Ю. С. КОРОбОВ, В. И. ПАНОВ, Н. М. РАЗИКОВ 

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ 
ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ

Учебное пособие

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2016

УДК 621.791/.792(075.8)
ББК 30.61я73-1
А64

Рецензенты
А. В. Ма к а р ов , доктор технических наук, заведующий отделом 
материаловедения ФГБУН Институт физики металлов им. М. Н. Михеева 
Уральского отделения Российской академии наук
В. И. Шу мя ков , кандидат технических наук, заместитель директора 
ООО «Уральский институт сварки»

А64 Анализ свойств газотермических покрытий : [учеб. пособие] : в 2 ч. – 
Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2016. 

Ч. 1 : Основные методы и материалы газотермического напыления / 
Ю. С. Коробов, В. И. Панов, Н. М. Разиков. – 80 с.

ISBN 978-5-7996-1966-4 (ч. 1)

В части 1 учебного пособия описаны процессы и оборудование для реализации основных методов газотермического напыления: газопламенного, дуговой металлизации, высокоскоростного газопламенного, детонационного, плазменного, холодного газодинамического. Рассмотрены основные материалы для 
распыления: порошки, сплошные и порошковые проволоки, прутки, шнуры. 
Учебное пособие предназначено студентам, бакалаврам, магистрантам и 
аспирантам, научным и инженерно-техническим работникам по направлениям сварки и родственных технологий.
УДК 621.791/.792(075.8)
ББК 30.61я73-1

ISBN 978-5-7996-1966-4 (ч. 1)
ISBN 978-5-7996-1965-7
© Коробов Ю. С., Панов В. И.,  
Разиков Н. М., 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений 
4
Предисловие 
5
Введение 
6
1. Характеристика процесса газотермического напыления 
7
1.1. Общий обзор 
7
1.2. Классификация методов ГТН 
12
2. Оборудование для газотермического напыления 
18
2.1. Газопламенное напыление 
18
2.2. Сверхзвуковое газопламенное напыление 
20
2.3. Детонационное напыление 
31
2.4. Плазменное напыление 
32
2.5. Дуговая металлизация 
36
2.6. Холодное газодинамическое напыление 
43
2.7. Сравнение ГТН методов 
44
3. Материалы для ГТН 
46
3.1. Классификация материалов 
46
3.2. Порошки для напыления 
50
3.3. Проволоки для напыления 
54
Список библиографических ссылок 
58
Лабораторная работа «Основное и вспомогательное оборудование  
для газопламенной обработки материалов» 
64

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АДМ – активированная дуговая металлизация
ГТН – газотермическое напыление
ДМ – дуговая металлизация
КИМ – коэффициент использования материала
КПД – коэффициент полезного действия
ПДВ – плазменное напыление в динамическом вакууме
ПН – плазменное напыление
РМ – распыляемый материал
ХГН – холодное газодинамическое напыление
HVAF – cверхзвуковое газовоздушное напыление с использованием 
сжатого воздуха
HVOF – высокоскоростное газопламенное напыление с использованием 
кислорода

ПРЕДИСЛОВИЕ

Свойства газотермических покрытий можно представить в виде взаимосвязанных подсистем, определяющих их геометрические параметры, 
теплофизические и структурные характеристики, прочность, остаточные 
напряжения. Эти свойства, в свою очередь, зависят от характеристик транспортирующего газа, распыляемого материала, энергетических параметров 
источника нагрева, а также от внешних воздействий на процесс газотермического напыления (ГТН).
Анализ свойств выполнен в следующей последовательности: показаны 
основные методы газотермического напыления и материалы для получения 
покрытий; выполнена оценка свойств покрытий. В соответствии с логикой 
изложения содержание учебного пособия «Анализ свойств газотермических покрытий» состоит из двух частей: часть 1 «Основные методы и материалы газотермического напыления» и часть 2 «Оценка параметров покрытий».
Основные методы газотермического напыления включают газопламенное, дуговую металлизацию, высокоскоростное газопламенное, детонационное, плазменное, холодное газодинамическое. Их особенности и исходные характеристики распыляемого материала определяют энергетические 
и физико-химические характеристики частиц, из которого формируется 
покрытие.
Свойства покрытий рассмотрены в следующей последовательности: 
стадия формирования, изучение структуры и остаточных напряжений, 
внешние физические воздействия, влияющие на свойства покрытий.
Для изучений свойств используют стандартные методы, принятые для 
цельных материалов с учетом особенностей, связанных с их малой толщиной, слоистым строением, неравномерностью свойств по сечению.

ВВЕДЕНИЕ

Методы газотермического напыления (ГТН) – газопламенное, детонационное, плазменное, холодное газодинамическое, дуговую металлизацию – объединяет наличие диспергированного напыляемого материала, 
который ускоряется струей газа. Поверхность детали, на которую наносится покрытие, остается в твердом состоянии. Вследствие этой особенности 
для процессов ГТН характерны малые тепловые деформации и во многих 
случаях, отсутствие структурных изменений в детали. Кроме того, здесь незначительны ограничения по составу наносимых материалов. Все это обусловливает привлекательность ГТН для улучшения эксплуатационных характеристик изделий.
В части 1 «Основные методы и материалы газотермического напыления» пособия применительно к газотермическому напылению:

 – выполнен исторический обзор изобретения и развития;
 – приведено описание сущности процесса, выполнена классификация 
основных методов;

 – приведено описание оборудования для реализации основных методов;
 – выполнена сравнительная оценка основных методов по температуре 
источника тепла, скорости частиц, адгезионной прочности, содержанию 
кислорода в покрытии и его пористости, производительности, относительным затратам на реализацию процесса получения покрытия;

 – выполнена классификация материалов для газотермического напыления по областям применения, химическому составу, морфологии, строению

 – приведено описание основных видов материалов – порошки, сплошные и порошковые проволоки, прутки, шнуры.
Для практического ознакомления с основами газотермической обработки, лежащей в основе всех способов газотермического напыления, прилагаются методические указания к лабораторной работе по оборудованию для 
газопламенной обработки материалов.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОцЕССА  

ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ

1.1. Общий обзор
Среди технологий ресурсосбережения интенсивно развивается группа 
методов газотермического напыления (ГТН) покрытий. Газотермическое 
напыление покрытий позволяет повысить ресурс машин в 2–8 раз. Годовой объем мирового рынка ГТН ежегодно растет на 8–9%, и в 2010 году 
составил $6 млрд. Области применения ГТН включают защиту от износа, 
термическую защиту (термобарьерные покрытия), обеспечение размеров 
и зазоров, защиту от коррозии и окисления, обеспечение специальных 
свойств (электросопротивление/проводимость, теплопроводность и др.). 
ГТН нашло применение в базовых отраслях промышленности – в энергетике, металлургии, машиностроении, строительстве, нефтегазовой, авиакосмической.
Изобретателем способа термического напыления был Макс Ульрих 
Шооп (1870–1956). В 1909-м он наблюдал, как его дети стреляли свинцовыми шариками из игрушечного ружья: свинцовые лепешки прочно закреплялись на стене. В этом же году он реализовал эту идею и подал заявку 
на патент по технологии напыления с использованием пламени в качестве 
источника тепла, рис. 1.
За 35 лет деятельности им было получено 45 патентов на технические решения по оборудованию и технологиям газопламенного напыления и дуговой металлизации. В частности, он разработал способы прерывания распыления металла без охлаждения ванны металла, ускорения расплавленного 
металла, электрическое распыление металла, создание фотографий, ремонт 
чугунных деталей, шумоизоляция стен, пола и потолка, изготовление металлической бронзы и оборудования для металлизации [1–3]. Например, 
в 1914 году для хозяйственной швейцарской выставки в Берне Шооп при 
помощи напыления сделал директору швейцарского монетного ведомства 
идентичную, но только одностороннюю, цинковую копию пятифранковой 
монеты «фюнфлибер». Тот хотел сразу же за фальшивомонетчество поса

дить его в тюрьму, что удалось все же предотвратить после долгих переговоров. Шооп создал две фирмы: по производству пистолетов для напыления (дуговая металлизация, газопламенное) и по услугам для нанесения 
покрытий.
В СССР базовыми организациями по газопламенному напылению 
и дуговой металлизации были ВНИИАвтогенМаш, Ремдеталь [4]. Так, 
в 1944 году на ремонтных танковых заводах была отлажена технология восстановления металлизацией шеек коленчатых валов танковых двигателей, 
активно занимались нанесением антикоррозионных цинковых и алюминиевых покрытий [5].
В связи с развитием отраслей машиностроения, в первую очередь ракетно-космической и авиационной промышленности, потребовались покрытия, способные выдерживать повышенные тепловые и механические 
нагрузки. Это привело к быстрому развитию в 40–60 годах XX века плазменного напыления: 1939-м – первый плазменный генератор, Rudolf Reineke, 
Германия; 1950-м – Snecma, Франция и Plasmadyne, США; 1957-м – Thermal 
Dynamic Corp. (Lebanon, NH), США, первая промышленная установка 
плазменного напыления. Пионером этого направления в была компания 
Thermal Dynamic Corp. (Lebanon, NH) [6, 7]. В СССР активные разработки 
вели академические институты: ИМЕТ им. А. А. Байкова, Москва, МВТУ 
им. Баумана, Институт тепломассообмена, Новосибирск и другие.
Согласно сложившейся к настоящему времени пропорции в применении способов газотермического напыления, основную долю, 45 %, составляет плазменное напыление (рис. 2, а).

Рис. 1. Макс Ульрих Шооп – изобретатель термического напыления

Способ не имеет достойных альтернатив для получения жаростойких 
покрытий из оксидов (алюминия, хрома, циркония и т. д.) при изготовлении газовых турбин, реактивных двигателей. Кроме этого, он традиционно применяется и для других отраслей – производство стали, нефтегазовая 
индустрия, химическая промышленность и т. д. Однако во многих областях 
применения другие способы нанесения обеспечивают качество покрытий 
аналогичного уровня при снижении удельных затрат и повышения технологичности процесса. В развитых странах активно расширяют использование других методов ГТН. Показателен пример Кореи, одного из мировых 
лидеров по темпам экономического роста, где доля применения ПН на 30 % 
ниже, чем в мире, за счет роста применения других способов (рис. 2, б).
Согласно DIN EN 657:2005, термическое напыление – это процесс, в котором материал для получения поверхности нагревается до пластичного 
или расплавленного состояния внутри или за пределами распыляющего 
пистолета, затем ускоряется и наносится на подготовленную поверхность 
(основу), которая остается в нерасплавленном состоянии. Согласно этому 
определению, общая схема ГТН включает нагрев и ускорение распыляемого материала за счет различных источников энергии, движение к подготовленной поверхности под воздействием транспортирующего газа или 
плазмы и ударное взаимодействие с основой, при котором на поверхности 
формируется покрытие. Схема процесса с указанием интервала параметров 
представлена на рис. 3.

Рис. 2. Доля применения способов ГТН  
(ГП – газопламенное, ГПС – газопламенное сверхзвуковое,  
ПН – плазменное, ДМ – дуговая металлизация): а – в мире, б – в Корее [8, 9]

а
б

Проч. – 5

ГП – 10

ДМ – 15

ГПС – 25

ПН – 45

Проч. – 10

ГП – 11

ДМ – 25

ГПС – 24

ПН – 30

Общая схема устройства, реализующая процесс ГТН, представлена на 
рис. 4. Отметим ряд особенностей:

 – при движении по дистанции напыления частица находится в расплавленном или пластическом состоянии, активно взаимодействует с газами атмосферы;

 – характеристики удара частицы о подложку определяют особенности 
формирования слоев;

 – покрытие формируется путем наложения отдельных слоев.
Частица при ударе растекается по поверхности, что сопровождается высокой скоростью охлаждения, в интервале 104–106 градусов в секунду, вследствие теплоотвода в основу. Вследствие этой особенности для процессов 

Рис. 3. Схема процесса ГТН

Рис. 4. Общая схема устройства ГТН

ГТН характерны малые тепловые деформации и во многих случаях отсутствие структурных изменений в детали. Кроме того, здесь незначительны 
ограничения по составу наносимых материалов. Попадание последующих 
частиц приводит к росту толщины покрытия и формированию слоистой 
структуры (рис. 5).

На свойства покрытий влияют многие факторы, связанные с характеристиками распыляющего устройства, исходного материала, параметров 
движения частиц по дистанции напыления и их взаимодействия с основой 
(рис. 6).
Создание определенного набора значений этих параметров составляет 
содержание разработки технологии нанесения покрытия.
В зависимости от технологии напыления и распыляемого материала 
в покрытии присутствует различное количество пор, микротрещин, не 
полностью расплавленных или вторично закристаллизовавшихся до удара 
о поверхность частиц, продуктов реакции материала частиц с газами атмосферы.
Концентрированное тепловложение в распыляемый материал в сочетании с взаимодействием частиц с атмосферой при полете приводят к химическим изменениям в составе и структуре напыленных покрытий, а именно:

 – селективное испарение легирующих элементов;

Пора

Оксид

Нерасплавленная частица

Основа

Рис. 5. Схема формирования напыленного покрытия