Газодинамическое напыление защитных покрытий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН)

Газодинамическое напыление защитных покрытий

к.т.н. Архипов В.Е.

к.т.н. Лондарский А.Ф.

д.т.н., проф. Москвитин Г.В.

Аннотация

Проведено исследование коррозионных свойств покрытия цинка, алюминия и композитных покрытий, нанесенных на поверхность низкоуглеродистой стали газодинамическим напылением, и дана оценка влияния параметров напыления покрытия алюминия на механические свойства сплава Al-Cu-Mg.

Ключевые слова: газодинамическое напыление, покрытие, коррозия, прочность.

Abstract

Research of corrosion properties a covering of zinc, aluminum and the composite coverings applied on a surface of low-carbonaceous steel with a gasdynamic dusting is conducted and the assessment of influence parameters a dusting a covering aluminum on mechanical properties of an alloy Al-Cu-Mg is given.

Keywords: gasdynamic dusting, covering, corrosion, durability.

Покрытия алюминия и цинка, нанесенные на подложку из низкоуглеродистой стали (Ст. 20) газодинамическим напылением, при ускоренном испытании в среде слабого электролита (3% NaCl) снизили скорость коррозии до 45 и 12 раз соответственно. Термическая обработка покрытия Al-Zn при температуре 480°С и времени выдержки 600 сек снижает скорость коррозии до нуля к концу испытаний. Композиционное покрытие, в котором никель наносится на предварительно нанесенный слой алюминия, снижает скорость коррозии до нуля, практически, с начала испытаний (336ч.). Механические испытания при растяжении образцов из сплава Al-Cu-Mg показали, что нанесение покрытия алюминия в определенном интервале режимов сопровождается повышением предела прочности сплава и сварного шва. Газодинамическое напыление можно рекомендовать для нанесения защитных покрытий с целью повышения ресурса ответственных изделий, изготовленных из алюминиевых сплавов.

В Российской Федерации потери от коррозии составляют около 12% годовой выплавки металла [1]. Но основной ущерб заключается не столько в потере металла как такового, сколько в огромной стоимости конструкций и изделий, разрушаемых коррозией.

Для повышения сопротивления разрушению от воздействия окружающей среды проводится антикоррозионная защита металлов с использованием разнообразных методов нанесения покрытий, способных снизить скорость распространения коррозии. К одному из наиболее перспективных способов изменения свойств поверхности можно отнести газодинамическое напыление покрытий различного назначения. Нанесение покрытия никеля, алюминия и цинка или их сочетания толщиной до 1Ч10м и более на локальные участки поверхностей деталей и конструкций происходит с минимальным разогревом подложки (?140°С), что не приводит к изменению свойств металла основы и геометрии изделий. Поэтому, метод «холодного» газодинамического напыления (ХГН) может стать уникальным для решения ряда технологических задач [2, 3].

Формирование свойств покрытия происходит за счет деформации пластичных частиц металлов твердыми частицами корунда, в результате чего увеличивается величина микродеформаций и возрастает твердость. Твердость никеля находится в пределах 2500-2700 МПа, а алюминия и цинка достигает ?1000 МПа и ?800 МПа соответственно [3]. Когезионная прочность покрытия алюминия при использовании низкой температуры потока воздуха (?300°С) превышает 100 МПа, что выше прочности чистого алюминия. Прочность сцепления покрытия алюминия и цинка с подложкой из стали составляет не менее 25 МПа и 35 МПа соответственно.

Механические свойства покрытий способны обеспечить работоспособность конструкций и изделий при наличии значительных внешних усилий. Однако, не очевидно, что совокупное воздействие на поверхность сплавов узконаправленного потока твердых и пластичных частиц и нагретого воздуха не повлияет на механические свойства подложки и не снизит ресурс оборудования.

Цель работы. Исследовать коррозионные свойства покрытий, нанесенных на сталь методом холодного газодинамического напыления и оценить влияние напыления на механические свойства сплава алюминия системы Al-Cu-Mg и сварного шва.

Методики, оборудование, материалы. Напыление покрытия на образцы из стали 20 осуществляется с использованием газодинамической установки модели «ДИМЕТ-404». Для напыления покрытия применяется механическая смесь частичек металлов (никеля, цинка, алюминия) и корунда в состоянии поставки [3].

Напыление металлов на образцы проводится при постоянной скорости перемещения образца (0,01 м/сек) по отношению к потоку частиц и c расстояния от среза сопла до поверхности 10м.

Исследование сопротивления образцов разрушению под воздействием коррозионной среды проводится по методике ускоренных испытаний при полном погружении образцов с покрытием в ванну с 3% раствором хлористого натрия (3% NaCl) (рис. 1) [5].

Рис.1. Принципиальная схема испытания на коррозию

На поверхность образцов из стали 20 общей площадью 7200 мм² с двух сторон наносится покрытие из алюминия, цинка и смеси цинка и алюминия толщиной 220-280Ч10м при использовании температуры 360-450°С (рис. 2). Часть образцов с покрытием из цинка и алюминия подвергается обработке в печи при температуре 480°С в течение 60 сек.

Рис. 2. Образцы из стали 20 (а) и стали 20 с покрытием цинка (б)

Покрытие при эксплуатации испытывает воздействие твердых частиц и взвесей, что сопровождается экстремальным износом и снижением сроков эксплуатации изделия. Поэтому, на покрытие из «мягких» металлов - меди, цинка и алюминия наносится покрытие никеля при температуре 540°С толщиной ?150Ч10м.

После нанесения металла на плоскую поверхность торцы образцов покрываются специальным лаком для изоляции от воздействия коррозионной среды.

Образцы для проведения исследований вынимаются из раствора после 168 часов (1 неделя) нахождения в среде слабого электролита. Для исследования сопротивления потери массы поверхности под воздействием коррозионной среды используется метод измерения массы. В проточной воде с образцов тщательно удаляются продукты коррозии, и, затем, они выдерживаются в сушильном шкафу в течение 40 мин при температуре 70°С. Образцы взвешиваются на электронных весах с точностью 0,001г.

Коррозионные потери массы образца в кг/м вычисляются по формуле [5]

m = (m - m) / S (1)

где m - первоначальная масса образца, кг; m - масса образца после удаления продуктов коррозии, кг; S - поверхность образца до испытания, м.

Для вычисления скорости коррозии К используется следующее выражение [5]

К = (m - m) / St (2)

где t - время испытаний, год. Скорость коррозии К - кг/(мгод).

При наличии на образцах и на дне ванны продуктов коррозии раствор меняется после каждых 168 часов испытаний. Если раствор и образцы остаются чистыми, то раствор заменяется после 336 часов испытаний.

Обработка поверхности образцов из сплава алюминия Al-Cu-Mg механической смесью частиц алюминия и корунда (напыление) проводится при температуре потока воздуха от 180°С до 540°С. Перемещение разгонного сопла распылителя относительно поверхности образцов осуществляется в диапазоне скоростей от 10 мм/сек до 50 мм/сек, что влияет на время воздействия потока частиц и воздуха на поверхность сплава алюминия. Для выявления влияния отдельных факторов напыления на структуру и свойства сплава алюминия обработка поверхности проводится отдельно потоком воздуха при температуре 360°С, корундом и механической смесью частиц Al + Al₂ O₃ при температуре 20°С.

Твердость металла покрытия измеряется методом Виккерса по ГОСТ 2999-75 при нагрузке 245,2 мН на твердомере SHIMADZU HMV-2. Измерение твердости по глубине сплава алюминия после обработки поверхности твердыми и пластичными частицами проводится на поперечных шлифах с шагом 30 мкм до получения твердости равной твердости металла основы. коррозионный композитный напыление алюминий

Образцы из сплава алюминия и образцы из сплава алюминия, включая сварной шов, для исследования механических свойств вырезаются и испытываются на прочность при статическом растяжении в соответствии с ГОСТ 6996-66.

Испытание образцов при растяжении проводится с использованием универсальной сервогидравлической испытательной машины фирмы «SHIMADZU» с максимальной нагрузкой 50 кН. Нагружение осуществляется при постоянной скорости движения актюатора, которая составляет 30Ч10^-6 м/сек. Регистрация данных при испытаниях образцов, не имеющих сварного шва, ведется с использованием экстензометра базой 25 мм в координатах нагрузка - относительная деформация. Данные испытаний образцов со сварным швом получают в координатах нагрузка - перемещение.

Механические характеристики материала определяются согласно ГОСТ 1497-84.

Расчет величины предела прочности материала при растяжении образцов проводится по формуле:

где P_max - максимальная нагрузка, предшествующая разрушению, Н; F - площадь поперечного сечения образца, мм².

Коррозионные свойства покрытий. Ускоренные сравнительные испытания стали Ст. 20 с покрытиями из алюминия и цинка с алюминием показали, что коррозионные потери массы покрытия алюминия имеют тенденцию к снижению с 14,3 до 10,1Ч10 кг/м к концу испытаний (рис. 3). У двухкомпонентного покрытия они наоборот возрастают с нуля (336 часов) до 10,2Ч10 кг/м (2016 часов) и достигают коррозионной потери массы, полученной для покрытия из чистого алюминия. Коррозионные потери массы у покрытия цинка возрастают с 0,47 до 2,8Ч10 кг/м в течение всего времени испытаний. Таким образом, можно утверждать, что коррозионные потери массы двухкомпонентного покрытия определяются свойством металла, который имеет более низкое сопротивление коррозии.

После термической обработки двухкомпонентного покрытия коррозионные потери массы снижаются с 11,0Ч10 кг/м до нуля в течение 1512 часов испытаний и затем не изменяются (рис. 3).

Рис. 3. Коррозионные потери массы для стали 20 (1) и стали 20 с покрытием: 2 - Zn, 3 - Al, 4 - Al+Zn, 5 - Al+Zn (т/о)

Скорость коррозии покрытия алюминия и двух компонентного покрытия Al-Zn имеет одинаковую величину и составляет 2.2Ч10, кг/мгод (табл. 1). После термической обработки двухкомпонентного покрытия скорость коррозии имеет нулевую величину.

Таблица 1. Результаты испытания на коррозию покрытия цинка и алюминия

Примечание Ч - результаты представлены в работе [6]

Можно предположить, что влияние термической обработки покрытия Al-Zn на повышение сопротивлению коррозионной среде происходит за счет формирования на границе покрытие - подложка тонкого слоя (пленки) из цинка и/или «закрытия» пор цинком. Пористость покрытий, нанесенных на подложку газодинамическим напылением, по разным источникам информации находится в пределах 4-8% [2, 3]. При нагреве покрытия Al-Zn до 480°С цинк переходит в расправленное состояние, а время выдержки в течение 600 сек позволяет ему переместиться в матрице из частиц алюминия и «закрыть» поры.

Коррозионные потери массы композиционного покрытия с использованием никеля, нанесенного на подслой из цинка, увеличиваются к концу испытаний с 1,5Ч10^-15 кг/м² (168 час.) до 28,8Ч10^-15 кг/м² (2016 час.). При использовании в качестве подслоя меди коррозионные потери массы не выявляются вплоть до 1680 часов нахождения образцов в коррозионной среде, после чего они возрастают до 5,9Ч10^-15 кг/м² (рис. 4). Наиболее эффективно на сопротивление коррозии работает покрытие никеля, нанесенного на подслой из алюминия. В первые 336 часов коррозионные потери массы достигают величины 4,4Ч10^-15 кг/м², после чего они снижаются до нуля и не наблюдаются до конца испытания.

Рис. 4. Зависимость потери массы от времени испытания: 1 - подслой на поверхности стали из цинка, 2 - подслой на поверхности стали из алюминия, 3 - подслой на поверхности стали из меди, 4 - сталь 20 незащищенная

Скорость коррозии композиционного покрытия, где в качестве подложки используется медь и цинк составляет 1,34, кг/мгод Ч10 и 6,56, кг/мгод Ч10 соответственно (табл. 2). Композиционное покрытие никеля с подслоем из алюминия имеет скорость коррозии близкую к нулю. Покрытие никеля, нанесенного на низкоуглеродистую сталь, снижает скорость коррозии незначительно, всего в 1,8 раза [6]. Поэтому, нанесение подслоя из мягких и пластичных металлов позволяет значительно повысить сопротивление коррозии, что с учетом твердости покрытия никеля (2500-2700 МПа) позволяет рассчитывать на достаточную для эксплуатации работоспособность покрытия под воздействием твердых частиц и взвесей. Что касается не высокой способности сопротивляться коррозии композиционного покрытия с подложкой из цинка, то можно предположить следующее. Как показывают расчеты, при используемой скорости перемещения (10 мм/сек) температура металла покрытия на поверхности стали достигает температуры потока воздуха, а нагрев частиц до соударения с поверхностью не превышает 80°С [7]. Напыление никеля проводится при температуре 540°С и, таким образом, цинк должен находиться в расплавленном состоянии или состоянии близком к расплавлению. Твердые частицы никеля и корунда при соударении, с нанесенным на подложку из стали цинком, могут его частично устранять с поверхности и тем самым ухудшать коррозионные свойства композиционного покрытия.

Таблица 2. Результаты испытания на коррозию композиционного покрытия

Механические свойства сплава алюминия. Обработка поверхности сплава алюминия смесью частиц алюминия и корунда в сочетании с нагретым воздухом сопровождается снижением твердости с ?1330 МПа до ? 350 МПа (рис.5). Однако, при использовании максимальной температуры потока воздуха твердость снижается только до величины порядка ?530 МПа. Уменьшение твердости отмечено до глубины ?90 мкм и только при температуре потока воздуха 540°С изменение твердости наблюдается до глубины 120 мкм.

Рис. 5. Зависимость изменения твердости по глубине сплава Al-Cu-Mg после обработки смесью частиц Al + Al₂O₃ при скорости перемещения 10 мм/сек и температуре потока воздуха: 1 - 180°С, 2 - 360°С, 3 - 540°С

Воздействие на сплав потоком воздуха с температурой 360°С сопровождается снижением твердости до ?350 МПа (рис. 6). Обработка поверхности сплава частицами корунда и механической смесью частиц алюминия и оксида алюминия приводит к снижению твердости до ?500 МПа и ?600 МПа соответственно. Изменение твердости в обоих случаях отмечается до глубины ?70 мкм. Предварительная обработка поверхности корундом перед совокупным воздействием механической смесью частиц металла и оксида не влияет на величину твердости (660 МПа), но позволяет увеличить глубину изменения свойств сплава алюминия до ?100 мкм. При таком варианте обработки сплава покрытие алюминия имеет толщину порядка 120 мкм, что влияет на отвод тепла в подложку и не столь значительное понижение твердости сплава. Таким образом, можно утверждать, что основное влияние на снижение твердости оказывает поток тепла, но и воздействие твердыми и пластичными частицами на изменение свойств сплава также достаточно значительное.

Рис. 6. Твердость сплава Al-Cu-Mg после обработки: 1 - корундом при 20°С, 2 - воздухом при 360°С, 3 - смесью частиц Al+Al₂ O₃ при 20°С , 4 - корундом и смесью частиц Al+Al₂ O₃ при 360°С

Твердость металла в области сварного соединения (шва) достаточно стабильная по величине и составляет ?1160 МПа, что меньше, чем твердость сплава алюминия. Тепловая обработка поверхности сварного соединения потоком воздуха при температуре 360°С не приводит к изменению твердости сплава. Однако, совокупная обработка потоком воздуха и смесью частиц алюминия и оксида алюминия (корунда) сопровождается снижением твердости до 813 МПа на глубине до 60 мкм. Воздействие энергией на металл приводит к подвижности и миграции атомов, что сопровождается изменением в структуре и свойствах. Можно предположить, что использование только энергии потока тепла при столь незначительном времени воздействия явно недостаточно для прохождения процессов, приводящих к улучшению структуры металла. Предварительная обработка поверхности сварного шва частицами корунда перед напылением покрытия алюминия приводит к аналогичному снижению твердости - 795 МПа. Однако, глубина, на которой происходит снижение твердости, возрастает практически в 2 раза. В результате предварительной обработки поверхности корундом атомы металла активируются и последующее совокупное воздействие на сплав потоком нагретого воздуха и механической смесью частиц имеет большую эффективность.

Испытание образцов из сплава алюминия при растяжении показало, что растрескивание и отслаивание покрытия от подложки происходит при увеличении рабочей части образца на ?5%, что свидетельствует о хорошей прочности сцепления покрытия с подложкой. Перед разрушением на рабочей части образца формируется «шейка». Предел прочности сплава алюминия после обработки поверхности смесью твердых и пластичных частиц при температуре 360°С возрастает с ?0,45 ГПа до ?0,47 ГПа (рис. 7).

Обработка поверхности сварного соединения и прилегающей области приводит к изменению предела прочности в зависимости от технологических параметров и схемы обработки. Прирост предела прочности отмечен при обработке потоком твердых и пластичных частиц с температурой потока воздуха 360°С, где отмечается максимальное изменение твердости по толщине образцов из сплава алюминия (рис. 5). Предварительная обработка сварного шва и прилегающей области сплава потоком воздуха при температуре 360°С перед последующим напылением не влияет на результат.

Рис.7. Изменение предела прочности алюминиевого сплава и сварного шва в зависимости от энергетических параметров обработки поверхности твердыми (Al₂O₃) и пластичными частицами (Al)

Обработка шва и прилегающей области потоком пластичных и твердых хрупких частиц корунда при температуре потока воздуха 540°С приводит к снижению механических свойств сварного соединения (рис.7). Это обусловлено значительной толщиной покрытия и меньшим влиянием параметров обработки на свойства металла (рис. 5).

Выводы

Покрытие цинка и алюминия, а также покрытие из сочетания этих металлов снижает скорость коррозии до 45 раз и 12 раз соответственно. Термическая обработка покрытия на основе алюминия и цинка при температуре 540°С и времени выдержки 600 сек позволяет снизить скорость коррозии почти до нуля.

Нанесение никеля на предварительно нанесенный слой меди снижает скорость коррозии до 20 раз. Нанесение никеля на подслой из алюминия снижает скорость коррозии до нуля.

Совокупное воздействие на поверхность сплава алюминия Al-Cu-Mg потоком нагретого воздуха и смесью частиц алюминия и корунда (напыление) приводит к снижению твердости сплава с 1330 МПа до 350 МПа, которое наблюдается на глубине до 90 мкм.

Напыление покрытия алюминия при температуре 360°С на сплав алюминия Al-Cu-Mg сопровождается повышением предела прочности сплава и сварного шва.

Заключение

Газодинамическое напыление позволяет наносить покрытие алюминия, цинка или их комбинации с высокой прочностью сцепления с подложкой (?25 МПа) и когезионной прочностью до 100 МПа. Покрытие алюминия и цинка, нанесенное на подложку из низкоуглеродистой стали, значительно повышает сопротивление коррозии, что в сочетании с высокой твердостью (до 1000 МПа) может обеспечить работоспособность в условиях сопутствующего воздействия твердых частиц и взвесей. Использование композиционного покрытия, где слой никеля наносится на слой из мягких металлов, позволяет изделию работать в условиях термического воздействия и обеспечить защиту от коррозии. Процесс газодинамического напыления положительно влияет на механические свойства (предел прочности) сплава алюминия Al-Cu-Mg и сварного шва, что может способствовать использованию газодинамического напыления для нанесения покрытия на ответственные изделия, изготовленные из алюминиевых сплавов.

Литература

1. Кац Н.Г., Стариков В.П., Парфенова С.Н. Химическое сопротивление материалов и защита оборудования нефтегазопереработки от коррозии: учебное пособие / Москва: Машиностроение, 2011, 436 с.

2. Алхимов А. П., Клинков С. В., Косарев В. Ф., Фомин В. М. Холодное газодинамическое напыление. Теория и практика. М. Физматлит, 2010, 536 с.

3. Димет. Применение технологии и оборудования: Режим доступа: www. dimet - r. narod. ru.

4. Архипов В.Е., Дубравина А.А., Куксенова Л.И., Лондарский А.Ф., Москвитин Г.В., Пугачев М.С. Структура и свойства покрытий, нанесенных газодинамическим напылением. Упрочняющие технологии и покрытия, 2015, № 4, С. 18-24.

5. Фокин М.Н., Жигалова К.А. Методы коррозионных испытаний металлов. М.: Металлургия, 1986, 80 с.

6. Архипов В.Е., Дубравина А.А., Лондарский А.Ф., Москвитин Г.В., Пугачев М.С., Хрущев М.М. Коррозионные свойства покрытий, нанесенных газодинамическим напылением. Коррозия: материалы, защита, 2014, № 4, С. 33-38.

7. Технологические особенности газодинамического нанесения покрытий / В. Е. Архипов и др. // Вестник машиностроения. 2015. №9. С. 64-70.

Размещено на Allbest.ru