HVAF карбидные покрытия

Когда слышишь ?HVAF карбидные покрытия?, многие сразу думают о чём-то вроде волшебной брони — супертвёрдой, идеально ровной, вечной. На практике же всё куда интереснее и... капризнее. Сам долго считал, что главное — взять хороший порошок, например, WC-12Co или Cr3C2-NiCr, и выставить параметры по паспорту. Пока не столкнулся с тем, что на одной детали покрытие держится отлично, а на другой, казалось бы, аналогичной, начинает сыпаться через пару часов работы. Вот тогда и начинаешь копать глубже.

Чем HVAF отличается от того же HVOF — не только температура

Да, все знают, что в HVAF температура ниже — обычно не выше 1800°C против 3000°C у HVOF. И это преподносят как главное преимущество: меньше окисления карбидов, меньше декомпозиции вольфрама. Но ключевое — не просто цифра, а то, как это влияет на само напыление. При более низкой температуре частицы летят быстрее, но ?мягче? деформируются при ударе. Звучит парадоксально? На деле это значит, что для получения плотного, хорошо сцепленного покрытия нужно не гнаться за максимальной скоростью, а играть на соотношении газа — пропан, воздух, иногда азот для охлаждения. Ошибка, которую часто делают на старте — ставят высокую скорость, чтобы ?вбить? покрытие. В итоге получается слоёный пирог с внутренними напряжениями, который отходит пластами.

Вот тут и вспоминаешь про оборудование. Не всякая установка позволяет тонко регулировать этот баланс. На том же сайте ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования (https://www.lijiacoating.ru) в описаниях их систем как раз делают акцент на управлении кинетикой процесса, а не просто на мощности. Это профессионально занимающимся обработкой методом термического напыления важно — потому что готовая деталь с покрытием это результат не только материала, но и ?поведения? установки в конкретный момент.

Из практики: пробовали наносить Cr3C2-NiCr на вал экструдера. По паспорту — идеальный кандидат для защиты от абразивного износа. Сделали по стандартному протоколу для HVOF — получили красивое, гладкое покрытие. Но в работе оно быстро покрылось сеткой микротрещин. Перешли на HVAF, снизили температуру, но увеличили объём воздуха для ускорения частиц. Трещины ушли, но адгезия была слабовата. Пришлось колдовать с предварительной обработкой поверхности — не просто пескоструйку, а создание определённого профиля шероховатости. Это тот случай, когда технологическая карта из учебника не сработала.

Подготовка поверхности — это 70% успеха. А может, и все 90

Говорят, что покрытие держится на подготовке. С HVAF карбидными покрытиями это абсолютная истина. Пескоструйка алюминиевой дробью — это база, но недостаточная. Важен не только параметр Ra, но и форма анкеров. Если поверхность после обработки похожа на лунный ландшафт с острыми пиками — частицы покрытия лягут плохо, будут воздушные карманы. Нужна определённая округлость неровностей. Мы долго подбирали фракцию и материал абразива, пока не остановились на электрокорунде определённого зерна. Но и это не гарантия.

Ещё один нюанс — чистота. Не жир, его смыть легко, а пыль. Особенно после пескоструйки. Обдув сжатым воздухом — обязательно, но воздух должен быть очищен от масла и влаги. Была история, когда на крупной детали (ротор насоса) в середине процесса появилось отслоение. Вскрыли причину — в линии подачи воздуха был конденсат. Микроскопические капли оседали на подготовленную поверхность, создавая барьер. Теперь всегда ставим дополнительные фильтры-осушители прямо перед пистолетом.

И да, температура детали. Казалось бы, при HVAF деталь почти не греется. Но если работаешь в холодном цеху, а деталь массивная, её начальная температура может быть +5°C. Наносишь покрытие — первый слой ложится, а при наращивании толщины из-за разницы теплового расширения возникают напряжения. Теперь всегда прогреваем массивные заготовки до хотя бы 15-20°C. Мелочь? На бумаге — да. На практике — причина брака.

Выбор порошка — не всё то золото, что блестит

Рынок порошков для HVAF карбидных покрытий огромен. Можно взять дешёвый китайский WC-10Co-4Cr с широким фракционным составом. И получить неоднородное покрытие с включениями. Или переплатить за европейский, с идеальной сферичностью частиц и узким распределением по размерам. Но и тут подводные камни. Идеально круглые частицы иногда хуже сцепляются. Нужна определённая доля ?неправильных?, угловатых зёрен — они лучше зацепляются за подложку и друг за друга.

Самый болезненный опыт связан с порошком на основе карбида хрома (Cr3C2) для работы в высокотемпературной коррозии. Купили партию у проверенного поставщика. Химический состав в норме, фракция 15-45 мкм. Но при напылении покрытие получалось пористое. Стали разбираться. Оказалось, проблема в газопоглощении самих частиц при производстве порошка. Они были слишком плотные, но внутри — микрополости. При ударе о деталь они не растекались, а дробились. Пришлось вести переговоры с производителем оборудования, вроде тех, кто заявляет о исследованиях и разработке соответствующего оборудования, чтобы адаптировать режимы под эту конкретную партию. Снизили давление топливной смеси, изменили расстояние. Помогло, но время настройки съело всю прибыль с заказа.

Сейчас для ответственных задач предпочитаем делать пробное напыление на образец-свидетель из той же стали, что и деталь. И смотреть не только на твёрдость и толщину, но и на излом. Структура излома скажет о сплошности больше любого микроскопа.

Параметры процесса — где искать ?золотую середину?

Расстояние от сопла до детали. В литературе пишут 250-400 мм. Но это если деталь плоская и небольшая. Если у вас сложный рельеф, внутренние каналы или большая длина (как у вала бумагоделательной машины), это расстояние нужно менять динамически. Или компенсировать углом наклона факела. Автоматизированные системы, конечно, решают проблему, но они не всегда доступны. Часто работаешь вручную, на глазок и по опыту. Чувствуешь, как меняется звук факела, когда расстояние оптимальное — ровный, шипящий. Если слишком далеко — звук ?сухой?, частицы не успевают пластифицироваться. Слишком близко — деталь перегревается, появляется характерный синеватый оттенок на стали, а это верный признак перегрева и будущего отслоения.

Скорость подачи порошка. Кажется, чем больше, тем быстрее работа. Но при высокой скорости подачи частицы начинают мешать друг другу в струе, сталкиваться, терять энергию. Покрытие получается рыхлым. Нашли для своей установки оптимальную ?полочку? — не максимальную по паспорту, а около 70-80% от неё. При этом расход газа становится более стабильным, и покрытие наращивается равномерно. Кстати, о стабильности газа. Манометры на баллонах — это одно. А давление на входе в горелку — другое. Поставили дополнительный редуктор с точным манометром прямо перед установкой. Разброс параметров упал, качество выровнялось.

И охлаждение. Не детали, а самого покрытия в процессе. Особенно при толщине свыше 300 мкм. Пробовали обдув сжатым воздухом — риск окисления. Остановились на мягком обдуве азотом низкого давления. Не для сильного охлаждения, а для снятия пиковой температуры. Это помогло избежать растрескивания толстых слоёв.

Контроль качества — не доверяй, проверяй (и смотри под разным углом)

Твёрдость по Виккерсу — это первое, что спрашивает заказчик. Но цифра в HV сама по себе мало о чём говорит. Важна её равномерность по сечению покрытия. Бывает, что сверху твёрдость высокая, а в слое, прилегающем к основе, падает на 200-300 единиц. Это зона риска. Поэтому при контроле делаем замеры на сколе или на специально приготовленном поперечном шлифе.

Адгезия. Метод отрыва (испытание на адгезию по ASTM C633) — хорош, но разрушителен. Чаще используем контрольное простукивание — опытным пальцем или медным молоточком. Звук должен быть звонким, однотонным. Глухой звук — тревога. Но этот метод субъективен. Для сложных случаев используем ультразвуковой контроль, чтобы выявить непровары или расслоения внутри толщи.

Самое главное — финальная проверка в условиях, приближенных к рабочим. Не всегда возможно, но стараемся. Для деталей гидроцилиндров, например, после нанесения HVAF карбидных покрытий делаем пробную обкатку в стендовом режиме с абразивной средой. Пару циклов. Потом смотрим на износ. Часто именно эта практика показывает, где мы ошиблись в выборе состава порошка или толщины слоя. Теория — это одно, а реальная работа под нагрузкой — совсем другое. Именно после таких испытаний пришло понимание, что для ударно-абразивного износа иногда лучше сделать двухслойное покрытие: более вязкое подслойное, а сверху — чисто карбидное. Но это уже тема для другого разговора.