HVAF для напыления металлических покрытий

Если говорить про HVAF, многие сразу думают о высокой скорости и низкой температуре, но на деле всё сложнее. Часто путают с HVOF, считая, что разница лишь в газе, а это в корне неверно. Сам работал с установками от разных производителей, и скажу — ключевое тут не просто оборудование, а понимание процесса. Например, многие гонятся за максимальной твёрдостью покрытия, забывая про остаточные напряжения, а потом удивляются трещинам на ответственных узлах. Это не волшебная палочка, а инструмент, который требует тонкой настройки под каждую задачу.

Суть технологии и где кроются подводные камни

HVAF, или высокоскоростное воздушно-топливное напыление, основано на сгорании газовоздушной смеси. Скорость частиц здесь действительно запредельная — может доходить до 1200 м/с и выше. Но главный нюанс, который часто упускают из виду — это управление тепловложением. Поскольку температура в струе ниже, чем у HVOF (обычно в районе °C), удаётся минимизировать окисление и фазовые превращения в порошке. Это критически важно для карбидосодержащих материалов, например, WC-Co. Видел случаи, когда при HVOF из-за перегрева карбид вольфрама распадался до W2C и даже свободного вольфрама, что резко снижало износостойкость. С HVAF такого, как правило, удаётся избежать, но только если правильно подобраны параметры: соотношение газ/воздух, дистанция напыления, гранулометрия порошка.

Однако низкая температура — это и ограничение. Попробуй нанести чисто керамическое покрытие, типа Al2O3 — не выйдет. Частицы просто не расплавятся достаточно для хорошей адгезии. Поэтому спектр материалов для HVAF — это в основном металлические сплавы, карбиды металлов в металлической связке, некоторые никелевые сплавы. Для меня лично технология открылась с другой стороны, когда пришлось восстанавливать изношенные шейки валов на судовых дизелях. Требовалось покрытие с высокой усталостной прочностью и минимальной деградацией базового материала. HVAF с порошком на основе никеля и хрома дал отличный результат, но путь к нему был через несколько неудачных попыток с неправильной подготовкой поверхности.

И вот ещё что — оборудование. Не всякая установка HVAF одинаково эффективна. Конструкция сопла, способ смешения, система подачи порошка — всё это влияет на стабильность процесса. Работал, в том числе, с аппаратами от ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования. На их сайте lijiacoating.ru указано, что компания профессионально занимается исследованиями и производством оборудования для термического напыления. Из практики скажу, что у их моделей часто хорошо продумана именно модульность: можно относительно легко менять конфигурацию ствола для разных задач, что в цеху бывает спасением.

Подготовка поверхности — то, на чём экономят, а потом платят дороже

Здесь многие, особенно начинающие, допускают роковую ошибку. Кажется, что если технология даёт высокую адгезию, то можно слегка зачистить деталь и напылять. Ничего подобного. Без качественной абразивно-струйной обработки (АСО) с острым абразивом и правильной шероховатостью (обычно Ra в районе 5-8 мкм) покрытие может отстать пластами под нагрузкой. Сам через это прошёл на одном из первых заказов — напылили карбид хрома на матрицу для прессования, а она через 200 циклов начала шелушиться. Причина — использовали затупленный электрокорунд, получили 'заглаженную', а не активную поверхность.

Важен и материал основы. Для чугунных деталей, например, нужно очень аккуратно подходить к давлению при АСО, чтобы не вырвать графитовые зёрна. А для высокопрочных сталей — обязательно обезжиривание после струйной обработки, причём не растворителем, а лучше термохимическим способом. Иногда, для критичных применений, нелишним будет нанесение подслоя. Скажем, для напыления твердосплавного покрытия на сталь с низким содержанием углерода иногда сначала наносят тонкий слой никель-алюминиевого сплава методом HVAF же. Это улучшает адгезионную прочность, но усложняет процесс и требует точного расчёта толщины.

Ещё один практический момент — маскировка. Геометрия многих деталей сложная, нужно защищать те зоны, куда попадание порошка недопустимо. Простые фольга или скотч часто не выдерживают — их срывает потоком или они прожигаются. Приходится изготавливать медные или графитовые маски, что увеличивает время подготовки. Но экономить на этом — себе дороже. Помню историю с ремонтом опорной поверхности гидроцилиндра, где из-за плохой маскировки частицы попали в канавку под уплотнение. При сборке новое уплотнение было порезано, что привело к утечке и повторному, уже более дорогостоящему ремонту.

Выбор порошка — не по каталогу, а по реальным условиям работы

Каталоги производителей пестрят десятками марок порошков для HVAF. Но слепо выбирать самую твёрдую или самую износостойкую — путь в никуда. Нужно чётко понимать условия эксплуатации покрытия: сухое трение, абразивный износ, эрозия, коррозия, возможно, их комбинация. Для насосных деталей, работающих в солёной воде, одного карбида вольфрама будет мало — нужна коррозионно-стойкая связка, например, на основе кобальта-хрома. А для узлов трения в пневматике, где есть ударные нагрузки, важнее будет вязкость покрытия, тут могут подойти некоторые никель-хром-боридные сплавы.

Гранулометрия — отдельная песня. Слишком мелкий порошок (< 15 мкм) будет перегреваться в струе и выгорать, слишком крупный (> 45 мкм) — не разогреется достаточно, что приведёт к высокий пористости и плохой адгезии. Идеальный диапазон часто лежит между 20 и 38 микронами, но он зависит от конкретной установки и её энергетики. Мы долго подбирали фракцию для нанесения покрытия из нержавеющей стали 316L на детали пищевого оборудования. Сначала взяли стандартный порошок -45+15, получили неоднородное покрытие с вкраплениями непроплавленных частиц. Сменили на -30+10 — картина резко улучшилась, покрытие стало плотным и гладким, почти не требующим механической постобработки.

Качество порошка — это не только размер частиц. Важна сферичность, отсутствие внутренних пор, химическая однородность. Работал с материалами, которые визуально были хороши, но при напылении давали нестабильный результат. Оказалось, в партии был разброс по содержанию углерода в карбидной фазе. Контроль здесь должен быть жёстким. Иногда выгоднее купить более дорогой, но сертифицированный порошок у проверенного поставщика, чем сэкономить и получить брак на дорогостоящей детали. Кстати, ООО Чжэнчжоу Лицзя в своей деятельности, как указано в описании, занимается не только производством оборудования, но и исследованиями. Из опыта общения с такими производителями знаю, что они часто могут дать ценные рекомендации именно по применению конкретных материалов на своей технике, что сильно экономит время на подбор режимов.

Параметры процесса — где искать золотую середину

Настройка установки HVAF — это всегда компромисс. Давление топлива (пропан, метан, керосин) и воздуха, расход, дистанция напыления, скорость перемещения горелки — всё взаимосвязано. Классическая ошибка — выставить максимальную производительность (высокий расход порошка), чтобы быстрее сделать работу. При этом можно незаметно превысить тепловую нагрузку на основу, что вызовет её перегрев, коробление и рост растягивающих напряжений в покрытии. Покрытие потом может отскочить само по себе при остывании или при первой же механической нагрузке.

Дистанция напыления — параметр, который многие держат в строгом секрете. Слишком маленькая — основа перегревается, покрытие окисляется. Слишком большая — частицы остывают, скорость падает, плотность покрытия снижается. Для большинства металлических порошков оптимальная дистанция обычно находится в диапазоне 250-400 мм от среза сопла до детали. Но это не догма. Для деталей с тонкими стенками или из термочувствительных сплавов (например, алюминиевых) дистанцию увеличивают, а скорость перемещения горелки повышают, чтобы минимизировать тепловложение. Иногда даже применяют дополнительное охлаждение струей сжатого воздуха.

Контроль качества в процессе — это не только пирометром температуру измерять. Важно визуально следить за факелом и слушать звук. Стабильный, симметричный факел с ровным ядром — хороший признак. Посторонние хлопки, пульсации говорят о проблемах с подачей топлива или порошка. У нас был случай, когда начал 'чихать' аппарат. Проверили всё — фильтры, редукторы, форсунки. Оказалось, в баллоне с пропаном был конденсат, который периодически попадал в линию. Проблема решилась установкой дополнительного влагоотделителя. Такие мелочи, которых нет в учебниках, и составляют львиную долю практического опыта.

Области применения и ограничения — трезвый взгляд

HVAF отлично зарекомендовал себя в задачах восстановления и упрочнения деталей, подверженных сильному абразивному износу. Это лопатки насосов для гидросмесей, шнеки, направляющие, элементы арматуры. Толщина покрытия здесь может доходить до 1-2 мм без существенной потери адгезии, что для многих других методов термического напыления проблематично. Также технология хороша для нанесения антикоррозионных покрытий на стальные конструкции, работающие в агрессивных средах, где традиционные методы (гальваника, окраска) недолговечны.

Но есть и ограничения, о которых нужно говорить открыто. HVAF плохо подходит для очень тонких покрытий (менее 50 мкм) с жёсткими требованиями к шероховатости — после напыления почти всегда требуется механическая обработка (шлифовка, полировка). Неэффективна технология и для напыления на поверхности с глубокими пазами или отверстиями малого диаметра — факел просто не проникает туда, образуются 'теневые' зоны без покрытия. Для таких задач иногда приходится комбинировать HVAF с другими методами, например, плазменным напылением.

Стоит упомянуть и экономический аспект. Первоначальные инвестиции в HVAF-установку и инфраструктуру (газ, воздух под высоким давлением, вытяжная вентиляция) значительны. Однако при серийном ремонте или нанесении покрытий на крупные партии деталей себестоимость одного квадратного метра покрытия становится очень конкурентной, особенно за счёт высокой производительности и долговечности результата. Главное — не пытаться применять технологию там, где она заведомо неэффективна, лишь потому что оборудование куплено. Нужно трезво оценивать требования техзадания и возможности метода. В конце концов, HVAF — это мощный, но всего лишь один из инструментов в арсенале инженера по восстановлению и защите поверхностей, и его сила раскрывается только в умелых руках.