HVAF-напыление нержавеющей стали

Когда слышишь ?HVAF-напыление нержавеющей стали?, первое, что приходит в голову многим — это просто более быстрый или ?холодный? вариант HVOF. И вот здесь кроется первый, и самый жирный, подводный камень. Разница не в скорости, а в физике процесса. С газокислородным факелом всё понятно, а тут — сгорание воздушно-топливной смеси. И эта разница для нержавейки, особенно для марок типа 316L или 17-4 PH, часто становится решающей. Много раз видел, как люди, привыкшие к HVOF, пытаются перенести параметры ?как есть? и получают либо перегретый, с оксидами, слой, либо плохую адгезию. Сам через это проходил. Суть в том, что HVAF-напыление позволяет удерживать температуру частиц в том самом ?окне?, когда они достаточно пластичны для формирования плотного покрытия, но не настолько горячи, чтобы выжечь хром или вызвать сильную фазу сигма в структуре. Но это в теории. На практике же всё упирается в десятки нюансов — от подготовки поверхности (никакой простой пескоструйки часто недостаточно) до влажности воздуха в цеху, которая может влиять на поведение топливной смеси.

Почему именно нержавеющая сталь и HVAF? Личный опыт с подводными частями

Заказ был на восстановление и упрочнение валов насосов для морской воды. Материал — 316L. Среда — агрессивная, плюс кавитация. Классическое хромирование отпадало — не та адгезия и проблема с порами. HVOF с керосином давал хорошую плотность, но термоциклирование в процессе нанесения вызывало опасения по поводу коробления вала. Решили пробовать HVAF-напыление нержавеющей стали марки 316L. Оборудование было как раз от ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования — их установки мы несколько раз использовали для экспериментов, так как они предлагают хороший контроль над скоростью потока и температурой. Сайт https://www.lijiacoating.ru — полезный ресурс, где они, будучи профессионалами в области исследований и производства оборудования для термонапыления, выкладывают не только спецификации, но и некоторые практические заметки по настройкам, что редкость.

Первая же проблема — порошок. Не всякий порошок нержавеющей стали, даже с маркировкой ?для напыления?, подходит для HVAF. Нужна очень специфическая гранулометрия и сферичность. Если частицы слишком мелкие — они перегреются в факеле и испарятся, если слишком крупные — не успеют пластифицироваться и будут отскакивать или создавать пористость. Мы потратили неделю, подбирая поставщика. В итоге нашли подходящий вариант с узким фракционным составом.

Вторая проблема — подготовка. Простая алюминиевая дробь давала недостаточно шероховатую поверхность. Перешли на электрокорунд с определенным размером зерна, плюс обязательная обдувка чистым сжатым воздухом сразу перед напылением. Любая пыль — и адгезия падает катастрофически.

Процесс настройки: где кроется ?чёрный ящик? технологии

Здесь начинается самое интересное, то, что не пишут в брошюрах. Параметры: давление топлива (пропан-бутан), давление воздуха, расстояние, скорость подачи порошка. Все они взаимосвязаны. Мне часто кажется, что настройка HVAF-пистолета — это 50% науки и 50% интуиции, наработанной годами. Например, если увеличить подачу топлива для повышения температуры, можно невольно увеличить и скорость частиц так, что они начнут деформироваться уже на подложке не оптимально, создавая внутренние напряжения.

Для наших валов мы эмпирическим путём вышли на такой режим: относительно невысокая температура факела, но высокая скорость газового потока. Это давало частицам нержавейки скорость выше критической (звуковой барьер тут играет роль), но при этом они не успевали окислиться сверх меры. Звук работы горелки менялся с резкого на более ?мягкий? и ровный — это был один из наших косвенных признаков правильной настройки. Специалисты из ООО Чжэнчжоу Лицзя в переписке подтвердили наш подход, отметив, что для нержавеющих сталей часто эффективна стратегия ?скорость важнее температуры?.

Контроль качества на лету — отдельная история. Мы использовали пирометр, чтобы отслеживать температуру поверхности вала в зоне напыления. Нельзя было допускать нагрева выше 150-170°C. Если температура ползла вверх, останавливались, давали остыть. Это удлиняло процесс, но предотвращало термические деформации основы.

Результаты и неожиданные сложности после нанесения

Покрытие получилось. Микрошлиф показал плотную, однородную структуру с минимальным содержанием оксидов (менее 2-3%). Адгезия по тесту на отрыв была выше 70 МПа, что для такого применения более чем достаточно. Казалось бы, успех.

Но потом возникла проблема, которую мы не предусмотрели — обработка. Покрытие из нержавейки, полученное методом HVAF-напыления, очень твердое и вязкое одновременно. Шлифовка до нужного класса чистоты поверхности (для уплотнительных манжет) оказалась сложной задачей. Обычные абразивные круги быстро засаливались. Пришлось подбирать специальные алмазные головки и охлаждающую эмульсию. Это добавило и времени, и стоимости конечной операции. Но это реалии — технология напыления это не только создание слоя, но и последующая механическая обработка.

Ещё один момент — остаточные напряжения. Несмотря на все предосторожности, сжатые напряжения в покрытии были. Для ответственных деталей мы потом внедрили низкотемпературный отпуск (около 300°C) в вакууме, чтобы их снять, не теряя коррозионной стойкости. Это уже выходит за рамки чистого напыления, но без этого этапа срок службы в переменных нагрузках мог быть ниже.

Когда HVAF для нержавейки — не панацея? Ограничения и неудачи

Не всё было гладко. Был опыт с напылением на тонкостенные (менее 5 мм) элементы из той же 316L. Задача — локальное упрочнение. И здесь мы столкнулись с проблемой коробления, несмотря на низкотемпературный режим. Тепловложение, даже сниженное, всё равно оказалось критичным для тонкой геометрии. Пришлось признать, что для таких случаев лучше подходят лазерные или даже методы холодного напыления (cold spray), хотя они и дороже.

Другой провальный эксперимент — попытка нанести очень толстый слой (более 1 мм) за один проход для восстановления изношенной поверхности. Покрытие пошло трещинами ещё в процессе нанесения из-за накопления термических напряжений. Вывод: для толстых слоёв нужен прерывистый процесс с охлаждением между слоями, что экономически не всегда целесообразно. Иногда проще и дешевле использовать наплавку, а потом уже финишный слой HVAF для придания свойств.

Также не стоит ждать от HVAF-напыления нержавеющей стали чудесной коррозионной стойкости в любой среде. Покрытие, особенно если в нём есть микропоры (а они есть всегда), может работать как гальваническая пара с основой в некоторых электролитах. Для критичных случаев необходим дополнительный барьерный слой или импрегнация.

Взгляд в будущее и место оборудования в этой цепочке

Куда движется технология? На мой взгляд, ключ — в автоматизации и более точной диагностике процесса в реальном времени. Не просто контроль температуры и давления, а спектральный анализ факела, чтобы видеть, что происходит с частицами в полёте. Это позволит ещё тоньше управлять структурой покрытия.

Что касается оборудования, то стабильность и повторяемость параметров — это святое. В наших испытаниях установки от производителей, которые, как ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования, профессионально занимаются не только производством, но и исследованиями в этой области, показывали лучшую стабильность параметров от пуска к пуску. Это критически важно для серийных работ. Их сайт — lijiacoating.ru — стал для нас источником не только по оборудованию, но и для понимания некоторых фундаментальных аспектов процесса, что подтверждает их вовлеченность в тему.

В итоге, HVAF-напыление для нержавеющих сталей — это мощный, но требовательный инструмент. Он не решает все проблемы, но для задач, где нужно сочетание высокой плотности, хорошей адгезии, сохранения свойств нержавейки и умеренного тепловложения, альтернатив ему немного. Главное — подходить без иллюзий, быть готовым к кропотливой настройке и понимать, что успех определяется не только моментом напыления, но всей цепочкой: от выбора порошка до финишной обработки. Это ремесло, где опыт, пробы и ошибки значат не меньше, чем данные из технического паспорта.