HVAF порошки

Вот про HVAF порошки часто говорят как про панацею для износостойких покрытий, особенно когда речь заходит о карбидах. Но на практике всё упирается в детали, которые в брошюрах не пишут. Многие думают, что раз оборудование HVAF более ?холодное?, чем HVOF, то и порошки можно брать любые, чуть ли не от плазменного напыления. Это первое заблуждение, с которым сталкиваешься. На самом деле, тут своя специфика — и по гранулометрии, и по морфологии частиц. Если взять стандартный карбид вольфрама-кобальта, предназначенный для HVOF, в установку HVAF, можно получить совсем не ту плотность и адгезию, на которую рассчитывал. Проверено на горьком опыте.

Что именно мы подразумеваем под ?правильным? порошком для HVAF?

Здесь ключевое — кинетическая энергия, а не температура. Поскольку в процессе HVAF частицы разгоняются сверхзвуковым потоком, но нагрев их относительно невысок, критически важно, чтобы порошок был способен пластически деформироваться при ударе о подложку. Это значит, что связующая фаза (чаще всего кобальт или никель) должна быть в определённом состоянии. Слишком твёрдый сплав — частица отскочит; слишком мягкий — размажется, не передав энергию карбидной фазе. Идеальный вариант — это порошок со сферическими частицами, но не идеально гладкими, а с некоторой шероховатостью поверхности. Это улучшает аэродинамику в потоке и, как следствие, равномерность нагрева.

На практике мы в своей работе часто сталкивались с тем, что поставщики присылают ?универсальные? порошки. Берёшь такую банку, смотришь под микроскопом — видишь и сферы, и агломераты, и даже осколки. При напылении такой смесью покрытие получается неоднородным, с включениями непроплавленных частиц. Они становятся центрами зарождения трещин при эксплуатации. Поэтому сейчас мы настаиваем на предоставлении полного сертификата с данными по фракционному составу и, желательно, с электронно-микроскопическими снимками. Без этого даже эксперимент начинать не стоит.

Ещё один нюанс — содержание углерода в карбидной фазе. При HVAF риск декомпозиции карбидов вольфрама минимален, но это не значит, что можно брать порошок с любым соотношением WC/Co. Если углерода меньше оптимального, образуются хрупкие фазы типа η-карбидов (Co3W3C, например). Мы как-то попробовали сэкономить, взяв порошок с маркировкой WC-12Co, но от нового, ?бюджетного? производителя. Результат — покрытие на шнеке экструдера продержалось втрое меньше расчётного срока. При анализе как раз и обнаружили эти нежелательные фазы. Так что экономия на качестве HVAF порошки всегда выходит боком.

Оборудование и его капризы: от теории к цеху

Говоря об оборудовании, нельзя не упомянуть специализированных производителей, которые фокусируются именно на этой технологии. Например, ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования (сайт их можно найти по адресу https://www.lijiacoating.ru) позиционирует себя как компания, профессионально занимающуюся обработкой методом термического напыления, а также исследованиями, разработкой и производством соответствующего оборудования. В их линейке есть установки, заточенные именно под работу с карбидными HVAF порошки. Важный момент, который они подчёркивают — это стабильность подачи топливной смеси (пропан-воздух или керосин-воздух). Малейший перебой в соотношении — и температура факела пляшет, что сразу сказывается на консистенции покрытия.

В нашем цеху стоит одна из таких машин. Работает неплохо, но пришлось её ?допиливать? под себя. Стандартная система подачи порошка иногда давала сбои — зависание в бункере, особенно с очень мелкими фракциями (например, -45+15 мкм). Пришлось ставить дополнительную вибрационную насадку. Это та самая ?практика?, о которой в мануалах не пишут. Также столкнулись с тем, что сопло изнашивается быстрее, чем заявлено, если использовать порошки с высокой твёрдостью. Теперь ведём свой журнал замены по фактическому пробегу в часах, а не по рекомендациям.

Самое сложное — это отладка режимов под конкретную деталь. Допустим, нужно нанести покрытие на вал большого диаметра. Если взять стандартные параметры для плоской пластины, на цилиндрической поверхности из-за изменения угла атаки и расстояния будет разная толщина и пористость. Приходится делать серию тестовых напылений на образцы-свидетели, которые имитируют кривизну. И здесь опять выходит на первый план качество HVAF порошки. Партия от партии может вести себя по-разному, даже от одного производителя. Поэтому теперь всегда требуем, чтобы для критичных проектов нам резервировали порошок из одного производственного цикла.

Кейсы из практики: успехи и провалы

Был у нас проект по восстановлению пресс-форм для литья пластмасс. Износ был по направляющим колоннам. Клиент настаивал на самом износостойком покрытии. Мы предложили вариант на основе карбида хрома (Cr3C2-NiCr) методом HVAF. Порошок взяли от проверенного европейского поставщика. Казалось бы, всё должно сработать. Но после нанесения и финишной шлифовки обнаружили сетку микротрещин. Причина — слишком высокое остаточное напряжение в покрытии. Разбирались долго. Оказалось, что проблема была в скорости охлаждения детали. Пресс-форма — массивная стальная болванка. Мы напыляли, как обычно, с принудительным воздушным охлаждением. Но для такой массы теплосъём был недостаточным, покрытие ?зажало?. Пришлось разрабатывать особый режим с промежуточными остановками и охлаждением до комнатной температуры. Второй заход прошёл успешно. Это показало, что технология — это не только порошок и пистолет, но и термоциклирование всей детали.

А вот позитивный пример. Восстановили партию насосных валов для гидравлики. Рабочая среда — абразивная суспензия. Использовали порошок WC-10Co-4Cr, специально разработанный для HVAF. Ключевым было обеспечить не просто твёрдость, а сопротивление кавитационной эрозии. После нанесения и полировки провели контроль по эталонному образцу. Ресурс увеличился почти в 4 раза по сравнению с хромированием. Клиент был доволен, но главное — мы получили подтверждённые данные для своего архива. Теперь для подобных задач этот материал и режим — наш стандарт.

Был и откровенный провал. Пытались нанести HVAF порошки на алюминиевый сплав для антифрикционного слоя. Идея была в том, чтобы совместить лёгкость основы и износостойкость покрытия. Не вышло. Адгезия была близка к нулю, покрытие отслаивалось ?чешуйками? уже при контроле на скалывание. Пробовали разные методы активации поверхности — пескоструйку с разным абразивом, даже лазерную очистку. Не помогло. Видимо, разница в коэффициентах термического расширения между алюминием и карбидным покрытием слишком велика, и напряжения при остывании всё разрушают. От этой затеи отказались, время потратили зря. Но опыт тоже ценный — теперь знаем границы применимости технологии.

Вопросы логистики и хранения: мелочи, которые решают всё

Казалось бы, купил банку порошка, поставил в кладовку — и всё. Ан нет. HVAF порошки, особенно на основе карбидов, крайне чувствительны к влаге. У нас был случай, когда в цеху повысили влажность из-за неисправной вентиляции. Порошок, который стоял в оригинальной, но уже вскрытой упаковке, за неделю набрал влаги. При напылении пошло повышенное газовыделение, покрытие получилось пористым, с включениями оксидов. Пришлось сушить порошок в вакуумной печи перед использованием — лишняя операция, время, энергия. Теперь храним все материалы в герметичных контейнерах с силикагелем, и строго следим за климатом в складе.

Ещё один момент — логистика от поставщика. Заказывали как-то партию из-за океана. Шло морем. Документы были в порядке, но когда получили, на некоторых банках заметили следы конденсата внутри полиэтиленового пакета. Видимо, контейнер попал в перепад температур. Порошок, конечно, проверили — характеристики на грани допуска. Использовать можно, но для ответственных работ уже не годится. Пришлось пустить его на тренировочные напыления и тесты. С тех пор для критичных проектов закладываем только локальные поставки, наземным транспортом, и обязательно требуем термометку на грузе.

И, конечно, учёт. Порошок — это не электроды, его обратно в банку не соберёшь. Остатки от разных партий смешивать нельзя. Поэтому ввели строгий учёт по номерам партий и датам вскрытия. Каждая банка имеет свой паспорт, куда записывается, на какую деталь, когда и сколько грамм из неё взято. Это помогает отследить, если вдруг возникнет проблема с качеством покрытия — можно быстро найти корень проблемы.

Куда движется технология и наши планы

Сейчас виден тренд на разработку композитных HVAF порошки. Не просто карбид в металлической связке, а добавка наноразмерных частиц, например, оксидов алюминия или нитридов. Цель — улучшить свойства при высоких температурах или в условиях сухого трения. Мы сами участвуем в одном таком исследовательском проекте с институтом. Пока результаты неоднозначные: в лаборатории на образцах прибавка в износостойкости есть, но при масштабировании на реальные детали возникают проблемы с равномерным распределением наночастиц в покрытии. Работа продолжается.

Ещё одно направление — это автоматизация самого процесса напыления. Роботизированные комплексы, которые по 3D-модели детали сами рассчитывают траекторию и параметры напыления для каждой зоны. Для компании вроде ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования это, думаю, перспективная ниша. Если их оборудование можно будет легко интегрировать в такие роботизированные ячейки, это даст им большое преимущество. Мы присматриваемся к таким решениям, но пока цена вопроса высока.

Что касается наших внутренних планов, то мы хотим систематизировать все накопленные данные по режимам напыления для разных партий HVAF порошки. Создать свою базу знаний, чтобы не наступать на одни и те же грабли. И, конечно, продолжать диалог с производителями порошков. Чем больше мы им даём обратной связи с производства — о реальных проблемах, об износе сопел, о влиянии морфологии частиц на выходной продукт — тем больше шансов, что они будут совершенствовать свои составы. В конце концов, хорошее покрытие — это результат симбиоза правильного материала, отлаженного оборудования и, что немаловажно, опыта и чутья технолога у установки. Без этого последнего звена все технологии — просто железо и пыль.