HVOF с жидким топливом

Когда говорят про HVOF, многие сразу думают про керосин, пропан — газы. А про жидкое топливо часто или забывают, или считают его чем-то устаревшим, сложным. Ну, знаете, типа ?с газом проще, современнее?. Я с этим не совсем согласен. Да, с газовыми системами меньше возни с подогревом топлива, с вязкостью. Но когда нужна действительно высокая энергия в струе, особенно для некоторых карбидов, жидкое топливо — штука незаменимая. Не керосин, конечно, а специальные жидкости, вроде MAPP или даже некоторых марок дизеля с присадками. У нас на производстве, в ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования, мы через это прошли — и с разработкой горелок под такое топливо, и с настройкой процессов для клиентов. Сайт наш, https://www.lijiacoating.ru, в основном про оборудование в целом, но конкретно по этой теме многое остаётся в цеху, в настройках, в разговорах с технологами. Вот об этом и хочу немного порассуждать — не как учебник, а как заметки с поля.

Почему именно жидкость? Конкретика, а не теория

Всё упирается в плотность энергии. Газ — он же сжат, но масса-то в единице объёма меньше. А в HVOF с жидким топливом ты закачиваешь в камеру сгорания больше горючего вещества в том же объёме. Отсюда и пиковая температура, и, что критично, скорость. Скорость частицы — это святое. Для WC-Co, например, это разница между покрытием с окислами и без. На газе, бывало, при максимальных настройках всё равно видишь под микроскопом серенькие фазы — это карбид вольфрама начинает разлагаться. А на правильно настроенной жидкотопливной системе — чёрное, плотное, фазы чистые.

Но вот это ?правильно настроенной? — ключевое. Это не купил горелку, подключил шланг и поехал. Жидкость нужно подогреть до строгой температуры, чтобы вязкость стала идеальной для распыления. Не догрел — капли крупные, горение рваное, давление в камере скачет. Перегрел — может закоксоваться в магистрали. У нас был случай с одним аппаратом HVOF ранних серий — клиент жаловался на нестабильность покрытия. Приехали, смотрим: система подогрева стоит, но термопара криво откалибрована. По факту топливо было на 15 градусов холоднее, чем думала автоматика. После калибровки и тонкой регулировки соотношения топливо-окислитель — всё вышло на норму.

И да, окислитель. Чаще всего — кислород, чистый. С воздухом на жидком топливе смысла мало, не достигнешь тех скоростей. Поэтому установка получается привязанной к мощной кислородной линии или криогенным ёмкостям. Это минус для мобильности, но плюс для стационарного цеха, где нужно качество, а не скорость переездов.

Оборудование: горелка — это только вершина айсберга

Все смотрят на ствол, на сопло Лаваля. А система подачи — это 70% успеха. Насосы должны быть шестерёнчатые, точные, способные выдавать постоянное давление несмотря на переменную вязкость. Магистрали — с подогревом и хорошей теплоизоляцией. Фильтры — сверхтонкой очистки, потому что любая песчинка забьёт распылитель в горелке, и прощай, симметрия факела. Мы в Лицзя через несколько итераций пришли к использованию двухконтурной системы подогрева с точным PID-регулятором. Не самая дешёвая штука, но она снимает массу головной боли у оператора.

Сама горелка. Камера сгорания должна быть рассчитана на более высокие температуры. Материалы — здесь уже не обычная нержавейка, часто идут на кобальтовых сплавах или специальных сталях. Сопло изнашивается быстрее, чем в газовых версиях, это нужно учитывать в регламенте обслуживания. У нас в документации к оборудованию, которое мы производим, всегда отдельным разделом идёт инструкция для жидкотопливных конфигураций — с графиками замены ключевых узлов.

И безопасность. Пары жидкого топлива, остатки в магистралях — это всегда риск. Система продувки азотом после остановки и перед запуском — обязательна. Мы однажды, на заре, этим пренебрегли при демонстрации. Запустили, хлопок небольшой был в магистрали. Ничего критичного, но осадок и испуг у клиента остались. С тех пор встроенная автоматическая продувка — железное правило для всех наших жидкотопливных систем.

Порошки и процесс: где проявляется разница

Не каждый порошок раскрывается на жидком топливе. Сплавы на основе никеля, типа NiCrBSi, часто лучше ложатся на газовом HVOF — не нужно такой чересчур высокой энергии, можно перегреть. А вот для карбида хрома (Cr3C2-NiCr) или для твёрдых карбидов вольфрама с кобальтовой или никелевой связкой — это часто лучший выбор. Частица разгоняется так, что деформируется, сплющивается на поверхности, давая фантастическую плотность, под 99.5%. Адгезия за счёт этого — выше.

Но есть нюанс с размером частиц. Фракция должна быть чуть мельче, чем для газового аналога. Потому что в более горячем и быстром потоке крупная частица может не успеть полностью разогреться в сердцевине. Получится не сплавление с покрытием, а вкрапление. Мы долго подбирали с одним заводом по ремонту гидротурбин оптимальную фракцию WC-10Co4Cr. Остановились на 15-45 микрон вместо привычных 20-53. Результат по сопротивлению кавитации вырос на заметные проценты.

Процесс напыления сам по себе — шумный и яркий. Факел жёсткий, с чётким конусом, срывов пламени почти не бывает, если всё настроено. Звук — не рёв, а скорее высокочастотный вой. Это признак стабильного сверхзвукового истечения. Если звук становится прерывистым или ниже тоном — сразу нужно проверять подачу топлива или кислорода.

Экономика и ниши: где оно действительно нужно

Сразу скажу — это не универсальное решение. Оборудование дороже в закупке и эксплуатации (кислород, обслуживание горелки). Поэтому оправдано там, где требования к покрытию предельные. Классические примеры — валки прокатных станов, работающие в условиях абразивного износа и высоких контактных нагрузок. Лопатки гидротурбин, особенно на ГЭС с водой, несущей песок. Некоторые компоненты аэрокосмической отрасли, где важен износ при высоких температурах.

У нас был проект с одним НИИ, которые разрабатывали покрытие для уплотнений. Испытывали и газ, и жидкость. По итогам испытаний на термоциклирование и эрозию песком, именно вариант с жидкотопливным HVOF показал ресурс на 30% выше. Дороже? Да. Но для их конкретного применения — окупилось с лихвой, так как замена компонента была ещё дороже.

Поэтому, когда ко мне обращаются с вопросом ?что лучше??, я всегда спрашиваю: ?А что деталь будет делать??. Если просто защита от коррозии в умеренных условиях — зачем сложности? Берите газ или даже плазму. Но если речь идёт об экстремальном износе, кавитации, необходимости максимальной плотности — вот тогда нужно всерьёз смотреть в сторону жидкостных систем. Как раз наша компания, ООО Чжэнчжоу Лицзя, часто участвует в таких дискуссиях, помогая подобрать не просто аппарат, а именно технологическую цепочку.

Типичные ошибки и как их обходить

Первая и главная — экономия на подготовке топлива. Использование неподходящей жидкости, без контроля влажности. Вода в топливе — это катастрофа. Нестабильное горение, падение температуры, а главное — риск гидроудара в раскалённой камере. Всегда нужно иметь сепаратор и осушитель в линии подачи.

Вторая — игнорирование предпусковой продувки. Я уже упоминал, но повторюсь. Даже если ты отлучился на 10 минут, систему нужно продуть. Остатки паров в смеси с кислородом — гремучая смесь.

Третья — попытка выжать ?ещё немного? из изношенного сопла. Износ меняет геометрию, скорость падает, покрытие становится пористым. Лучше вести журнал и менять по регламенту. Мы для наших клиентов даже делаем простые таблицы в Excel, куда оператор вносит время работы — и файл сам подсвечивает, когда подходит время проверки критичных узлов.

И последнее — не пытайтесь скопировать параметры с газовой установки. Давления, расходы, расстояние напыления — всё будет другим. Начинать нужно с технологических карт от производителя оборудования или порошка, а уже потом, методом проб, подстраивать под свою конкретную задачу. Иногда приходится потратить пару дней на подбор параметров для нового типа порошка. Это нормально. HVOF с жидким топливом — инструмент точный, но требующий тонкой настройки. Как скрипка. Не настроил — звучит фальшиво. Настроил — получаешь именно то, что нужно.