HVOF на газовом топливе

Когда говорят про HVOF, многие сразу представляют керосин. Но газовое топливо — пропан, пропилен, водород — это совсем другая история, и часто её понимают неправильно. Считают, что раз температура горения ниже, то и покрытия хуже. На деле, ключевой параметр — не пиковая температура, а скорость частиц. И вот здесь как раз HVOF на газовом топливе может дать потрясающую плотность и адгезию для определённых материалов, особенно карбидов. Но нужно точно знать, когда его применять, а когда — нет. Поделюсь тем, что видел и делал сам.

Почему газ? Разбираем физику процесса

Итак, если брать классический керосиновый HVOF, там огромная скорость истечения, частицы разгоняются до сверхзвука. Газовое горение — более ?мягкое?, пламя длиннее. Казалось бы, частицы успеют перегреться. Но в этом и фишка: для карбида вольфрама-кобальта (WC-Co) критически важно не пережечь карбидную фазу. Перегрев ведёт к декомпозиции — вольфрам растворяется в связке, образуются хрупкие эта-карбиды. Покрытие теряет твёрдость и износостойкость.

С газом — пропаном или водородом — температура процесса в струе ниже, хотя скорость всё равно очень высокая, м/с в зависимости от установки. Частицы карбида не плавятся полностью, а находятся в состоянии интенсивного пластического деформирования при ударе о подложку. В итоге получается не ?блинчики? из расплава, а именно спрессованные, деформированные частицы. Микротрещин меньше, остаточные напряжения чаще сжатия, а не растяжения. Для деталей, работающих на абразивный износ и умеренные ударные нагрузки, это часто оптимально.

Вот тут часто ошибаются технологи, которые работали только с керосином. Они смотрят на параметры пламени и делают вывод о ?слабой? установке. Но нужно смотреть на результат — микроструктуру и свойства покрытия. Видел случаи, когда для восстановления штампов холодной штамповки перешли с керосина на газовый HVOF, и стойкость выросла на 30% именно из-за сохранения мелкодисперсной карбидной структуры.

Оборудование и нюансы настройки

Работал с разными аппаратами. Есть известные бренды вроде Praxair (ныне часть Linde) с их серией JP, но и менее известные поставщики предлагают интересные решения. Ключевое — стабильность подачи газа и кислорода. Малейший перекос в соотношении топливо/окислитель — и процесс пойдёт вразнос. Пламя станет окислительным или, наоборот, восстановительным, что моментально скажется на оксидах в покрытии и его пористости.

Особенно капризен водород. Высокая скорость диффузии, нужно идеально герметичное всё. Зато даёт самую высокую скорость частиц из газовых вариантов. Помню, настраивали процесс для напыления карбида хрома (Cr3C2-NiCr) на детали энергетического оборудования. С пропаном не выходила нужная твёрдость, перешли на водород. Пришлось полностью переделывать систему газоподготовки, ставить дополнительные предохранительные клапаны. Но результат того стоил — покрытие вышло с минимальным содержанием оксидов, что критично для работы в горячей коррозионной среде.

Интересный опыт связан с компанией ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования. На их сайте https://www.lijiacoating.ru можно найти информацию по оборудованию для термопыления. Они профессионально занимаются этим направлением — исследованиями, разработкой и производством соответствующего оборудования. В контексте газового HVOF важно, что некоторые их установки спроектированы с учётом работы на сжиженном газе, что требует специфичных решений в конструкции горелки и системы управления.

Материалы: где газовый HVOF вне конкуренции

Итак, не для всего он хорош. Для чистых металлов — никеля, молибдена, некоторых сплавов на основе кобальта — часто выгоднее плазменное напыление или тот же керосиновый HVOF, чтобы добиться большего сплавления. Сильная сторона газового варианта — именно карбидосодержащие порошки.

WC-Co, WC-Co-Cr, Cr3C2-NiCr — это его ?хлеб?. Особенно для фракций мелкодисперсного порошка (скажем, -15+5 мкм). В керосиновом факеле такие мелкие частицы могут просто испариться. В газовом — успевают разогнаться, но не перегреться. Получается очень однородное, плотное покрытие с твёрдостью, близкой к твёрдости спечённого материала.

Был проект по насосным плунжерам для нефтедобычи. Абразивный износ + слабоагрессивная среда. Испытывали разные варианты. Электродуговое металлизация дала высокую пористость, плазма — хорошую плотность, но содержание карбидов упало. Остановились на газовом HVOF с порошком WC-10Co-4Cr. Ресурс деталей увеличился в 4 раза по сравнению с азотированием. Но тут важно: подготовка поверхности — только бластинг корундом. Любая шероховатость от резки ухудшит адгезию.

Типичные проблемы и как их обходить

Первая и главная — конденсация углеводородов. Особенно при работе на пропане в прохладном цеху. В трубках, в редукторе может выпадать жидкая фаза. Попадёт в горелку — и пламя ?плюётся?, параметры скачут. Решение — обязательный подогрев газа перед редуктором и хорошая осушка воздуха (если используется воздух вместо кислорода). Ставили простые рубашки с тёплой водой — проблема ушла.

Вторая — износ сопла. Скорость высокая, абразивное действие порошка плюс термоциклирование. При использовании водорода износ идёт быстрее из-за высокой теплопроводности пламени. Контролировать нужно постоянно. Мы вели журнал, где отмечали время работы и периодически проверяли геометрию выходного отверстия микрометром. Расхождение на 0.1 мм уже может сдвинуть фокус струи и ухудшить качество.

И третье — безопасность. Газ — не керосин. Утечки, риск взрывоопасных смесей. Обязательны газоанализаторы в зоне установки, принудительная вытяжка, регулярная проверка шлангов и соединений на мыльную пену. Один раз столкнулся с медленной утечкой из-за микротрещины в шланге высокого давления. Датчик сработал, всё обошлось. С тех пор — только армированные шланги и ежесменная проверка.

Экономика и перспективы

Стоит ли овчинка выделки? С точки зрения капитальных затрат, газовый HVOF-комплекс часто дешевле керосинового. Но эксплуатационные расходы на газы (особенно водород) и кислород могут быть выше. Считается, что он выгоден для серийного производства однотипных деталей, где важен стабильный, воспроизводимый результат, а не максимальная твёрдость любой ценой.

Сейчас вижу тенденцию к гибридным решениям. Установки, которые могут работать и на газе, и на жидком топливе, меняя только горелку и параметры управления. Это разумно для сервисных центров, которые берут разноплановые заказы. Например, для восстановления валов гидротурбин — один материал и режим, для пресс-форм — совершенно другой.

Если говорить о будущем, то развитие идёт в сторону более точного контроля температуры частиц in-situ и автоматической подстройки параметров. Пока что оператор с опытом — главное звено. Он по звуку пламени, по цвету факела может определить, что процесс пошёл не так. Никакая автоматика пока не заменяет этот ?наслух?. Поэтому, внедряя HVOF на газовом топливе, вкладываться нужно не только в железо, но и в людей. Без этого все преимущества теряются. В целом, технология жива, развивается и для многих задач остаётся безальтернативным инструментом для получения качественных износостойких покрытий.