Основы газотермического напыления защитных покрытий


А. Ю. Павлов, В. В. Овчинников, А.Д. Шляпин













        ОСНОВЫ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 621.793
ББК 34.663
     П12





Рецензент:
доктор технических наук, главный научный сотрудник Государственного научного центра РФ АО «НПО „ЦНИИТМАШ”» С. И. Феклистов






     Павлов, А. Ю.
П12 Основы газотермического напыления защитных покрытий : учебное пособие / А. Ю. Павлов, В. В. Овчинников, А. Д. Шляпин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 300 с.: ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0500-3

     Обобщены сведения по основам технологии нанесения защитных функциональных покрытий методами газотермического напыления. Приведены данные о свойствах и структуре защитных покрытий, наносимых газотермическим напылением при изготовлении и реновации деталей узлов и механизмов.
     Для студентов, изучающих материаловедение и технологии материалов. Может быть полезно для широкого круга инженерно-технических и научных работников различных отраслей промышленности.

УДК 621.793
ББК 34.663








ISBN 978-5-9729-0500-3

       © Павлов А. Ю., Овчинников В.В., Шляпин А. Д., 2020
       © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                             © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

            ВВЕДЕНИЕ



    Работоспособность сварных конструкций, построенных ещё во времена СССР, стремительно сокращается. В стране эксплуатируется 800 млн тонн сварных конструкций, построенных в 70-е годы. Безопасный срок службы сварных конструкций - 30 лет.
    Особенно велика доля разрушений от коррозии под напряжением. В ближайшее время масса резервуаров с выработанным ресурсом ежегодно будет возрастать на 100 тыс. тонн. Материальный ущерб от аварий резервуаров для нефтепродуктов и магистральных трубопроводов может превысить затраты на их сооружение в 500-1000 раз.
    Для предотвращения аварий и техногенных катастроф, вызванных возрастающим износом и старением сварных конструкций, необходимо осуществить ряд мероприятий, в числе которых:
    1. Проведение научно-исследовательских и конструкторских работ по созданию технологических процессов ремонта и восстановления объектов повышенной опасности.
    2. Совершенствование системы сертификации и лицензирования специалистов и организаций, занятых проектированием, изготовлением и ремонтом конструкций.
    3. Создание системы профессиональной подготовки, обучения, переподготовки и аттестации инженерно-технических работников и рабочих, занятых в реновации.
    Износ деталей машин приводит к замене их на новые, а старые детали выбрасываются на свалку во всем мире миллионами тонн. Восстановление поверхности деталей машин, утраченной в результате коррозии и износа, является одной из главнейших задач реновации.
    Восстановление поверхности или придание ей особых свойств за счет нанесения дополнительного материала - покрытия связано с необходимостью прочного взаимодействия покрытия с подложкой. В процессе нанесения покрытий не должен быть снижен уровень прочности и выносливости материала подложки.
    Наиболее полно этим требованиям отвечает газотермическое покрытие (ГТП), при котором формирование слоя покрытия происходит дискретными частицами материала в расплавленном или пластичном состоянии.
    Метод газотермического напыления (ГТН) характеризуется широтой технологических возможностей:

3

    1. Покрытия можно наносить на объекты любых размеров: мосты, суда, трубопроводы, строительные конструкции, котлы, коленчатые валы, лопатки турбин, пресс-инструмент и др.
    2. Толщина покрытия может быть от 0,01 до 10 и более миллиметров.
    3. Покрытия могут иметь заданную пористость (от нуля до 30 и более процентов).
    4. Покрытия могут быть из любых материалов, имеющих точку плавления или интервал размягчения.
    5. В качестве подложки могут быть дерево, стекло, пластмассы, керамика, композиционные материалы, металлы.
    6. Нанесение покрытий может производиться в условиях широкого диапазона состава, температуры, давления среды - от динамического вакуума в специальной камере и атмосферы воздуха до подводного напыления.
    7. Система удаления запыленного воздуха снабжается фильтрами сухого и мокрого типа, полностью улавливающими пыль. Таким образом, процесс напыления является экологически чистым.
    Газотермические покрытия применяются при ремонте деталей машин и упрочнении рабочих поверхностей новых деталей. В зависимости от назначения покрытия и условий его работы меняются требования к точности соблюдения основных параметров покрытия - его толщины и плотности.
    Повышение требований к покрытию обусловливает более высокие требования к оборудованию, которое должно автоматически поддерживать постоянными технологические режимы напыления.
    Для полной автоматизации работы должны быть стабильными по составу и размеру исходные материалы различного назначения, газы топливные и плазмообразующие (с контролем их массового расхода), а также стандартизованы методики оценки качества покрытий в соответствии с требованиями отраслей промышленности.
    Помимо нанесения покрытий, газотермическое напыление нашло применение при изготовлении деталей, разработке новых материалов и др.
    Предлагаемое учебное пособие может быть полезно студентам бакалавриата по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование», а также научно-техническим специалистам, работающим в области материаловедения.
    Авторы выражают глубокую признательность руководству и специалистам ООО «Технологические системы защитных покрытий» за представленные материалы для включения в данное учебное пособие.

4

Глава 1.


            КОРРОЗИЯ И ИЗНОС КАК ФАКТОРЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХДЕТАЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЙ


        1.1. Коррозия металлов

    В мире коррозия ежегодно приводит к миллиардным убыткам, причем основной ущерб, причиняемый ею, заключается не в потере металла как такового - прямые потери, а в разрушении дорогостоящих изделий и оборудования. Еще больший ущерб наносят косвенные потери при простоях оборудования в процессе замены поврежденных деталей и узлов, утечке нефти и газа, нарушении технологических процессов. Убытки от коррозии, таким образом, нельзя сводить лишь к прямым потерям - стоимости разрушившихся конструкций, замены оборудования и затратам на мероприятия по защите от коррозии.
    Коррозия - самопроизвольное окисление металлов, вредное для промышленной практики (уменьшающее долговечность изделий). Среда, в которой металл подвергается коррозии (корродирует), называется коррозионной или агрессивной.
    При этом образуются продукты коррозии - химические соединения, содержащие металл в окисленной форме.
    В системе стандартизации (ГОСТ 5272-68) коррозия металлов определена как разрушение металлов вследствие химического и электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. В системе ИСО это понятие несколько шире: физико-химическое взаимодействие между металлом и средой, в результате которого изменяются свойства металла, и часто происходит ухудшение функциональных характеристик металла, среды или включающей их технической системы.
    Объекты воздействия коррозии - металлы, сплавы (твердые растворы), металлопокрытия, металлоконструкции машин, оборудования и сооружений.
    Процесс коррозии представляют как коррозионную систему, состоящую из металла и коррозионной среды. Коррозионная среда содержит одно или не

5

сколько веществ, вступающих в реакцию с металлом. Она может быть жидкой и газообразной.
    Коррозионный эффект - изменение в любой части коррозионной системы, вызванное коррозией.
    Эффект повреждения или коррозионная порча (по системе ИСО) - коррозионный эффект, ухудшающий функциональные характеристики металла, покрытия, среды или включающих их технических систем.
    Продукты коррозии - новые вещества, включающие окислы и соли корродирующего металла, образующиеся в результате коррозии.
    Видимые продукты атмосферной коррозии, состоящие в основном из гидратированных оксидов железа, называют ржавчиной, продукты газовой коррозии - окалиной.
    Коррозионные потери - количество металла, превращенного в продукты коррозии за определенное время.
    Скорость коррозии - это коррозионные потери единицы поверхности металла в единицу времени.
    Коррозионное разрушение - повреждения, связанные с потерями механической прочности металла.
    Скорость проникновения коррозии - глубина коррозионного разрушения в единицу времени.
    Коррозионная стойкость - важнейшее понятие, характеризующее способность металла сопротивляться коррозионному воздействию среды.
    Коррозионную стойкость определяют качественно и количественно -скоростью коррозии в данных условиях, группой или баллом стойкости по принятой шкале, с помощью оптических приборов. Металлы, обладающие высокой коррозионной стойкостью, называют коррозионно стойкими.
    Внутренние факторы коррозии - факторы, влияющие на скорость, вид, распределение коррозии и связанные с природой металла (состав, структура, внутренние напряжения, состояние поверхности).
    Внешние факторы коррозии - факторы, влияющие на те же параметры коррозии, что и внутренние, но связанные с составом коррозионной среды и условиями процесса (температура, влажность, обмен среды, давление и т. п.).
    Факторы коррозии можно детализировать: по состоянию металла; по конструктивному исполнению; как технологические; как эксплуатационные (табл. 1.1).

6

Факторы коррозии

Таблица 1.1

      Группа             Термодинамическаяустойчивость металла       
                   1.1. Положение металла в периодической системе    
                   1.2. Соотношение компонентов в сплаве             
По состоянию       1.3. Структура металла                            
металла            1.4. Гетерогенность поверхности                   
                   1.5. Шероховатость поверхности                    
                   1.6. Внутренние напряжения                        
                   2.1. Контакт разнородных металлов                 
                   2.2. Контакт металла и полимера                   
                   2.3. Характер соединения элементов в конструкции  
По конструктивному 2.4. Слитность сечения, обтекаемость форм         
исполнению изделия 2.5. Общая компоновка, размещение элементов       
                   2.6. Концентрация напряжений                      
                   2.7. Доступность покрытий для восстановления      
                   2.8. Возможность дополнительной защиты            
                   3.1. Химические свойства металла или сплава       
                   3.2. Химический состав сплава                     
Технологические    3.3. Технологические особенности полуфабрикатов   
                   3.4. Технологические особенности защитных покрытий
                   3.5. Особенности дополнительной обработки         
                   4.1. Продолжительность эксплуатации               
                   4.2. Температура эксплуатации и диапазон ее       
                   изменения                                         
                   4.3. Толщина и равномерность водяной среды;       
                   4.4. pH раствора                                  
                   4.5. Характер загрязнения                         
Эксплуатационные   4.6. Наличие ингибиторов коррозии                 
                   4.7. Давление окружающей среды                    
                   4.8. Наличие действия солнечной радиации          
                   4.9. Интенсивность движения коррозионных сред     
                   4.10. Наличие внешней нагрузки                    
                   4.11. Характер контакта с агрессивной средой      
                   4.12. Воздухообмен                                

7

    Знание факторов коррозии позволяет правильно выбрать защиту: ввести в среду ингибиторы коррозии, обеспечить катодную защиту, нанести защитное покрытие (анодное - протекторное, катодное или комбинированное).

        1.2. Классификация процессов коррозии металлов

    Классифицировать коррозию принято по виду коррозионной среды, условиям эксплуатации, характеру разрушения и механизму протекания процесса.
    По виду коррозионной среды выделяют следующие виды коррозии:
    -  газовая - отсутствие влаги в коррозионном процессе;
    -  атмосферная - очень разнообразна, от морского климата до зоны пустынь;
    -  почвенная - разнообразна также как и атмосферная и характерна для трубопроводов;
    -  биологическая - самостоятельный вид коррозии, разрушение металла, при котором в качестве значимого выступает биофактор - биоагенты, микроорганизмы (грибы, бактерии), которые являются инициаторами или стимуляторами процесса коррозии, и продукты жизнедеятельности высших организмов;
    -  кислотная и щелочная - среды с разным рН требуют разных материалов;
    -  солевая - особенно соединения серы и ванадия;
    -  морская - наличие сильного электролита;
    -  пресноводная - электролит слабее.
    По условиям эксплуатации можно отметить следующие виды коррозии:
    -  коррозия при трении - разрушение металла, вызываемое одновременным воздействием коррозионной среды и трения и ее разновидность фреттинг-коррозия - разрушение при колебательном перемещении двух поверхностей относительно друг друга в условиях воздействия коррозионной среды;
    -  электрокоррозия (наличие положительного потенциала на изделии) ее разновидность контактная коррозия - разрушение одного из двух металлов, находящихся в контакте и имеющих разные потенциалы в данном электролите;
    -  высокотемпературная коррозия - коррозия под воздействием высокой температуры и агрессивной среды;

8

    -  кавитационная коррозия - разрушение при ударном воздействии среды;
    -  усталостная коррозия - разновидность механической коррозии (коррозия в условиях воздействия механических напряжений), представляет собой разрушение металла под воздействием периодической динамической нагрузки (знакопеременных напряжений) и коррозионных сред.
    Среди других разновидностей механической коррозии - коррозия под напряжением (разрушение металла при одновременном воздействии коррозионной среды и постоянных или переменных механических напряжений), а также коррозионное растрескивание (при одновременном воздействии коррозионной среды и внешних или внутренних механических напряжений растяжения с образованием транскристаллитных трещин).
    Приведенная классификация, конечно, условна. Возможны многочисленные формы разрушения, лежащие между характерными типами, показанными на рис. 1.1. Коррозия, в зависимости от природы металла, агрессивной среды и других условий, приводит к различным видам разрушений.
    По характеру разрушения коррозия делится на сплошную (или общую) и местную (локальную).
    Сплошная коррозия охватывает всю поверхность металла, при этом она может быть равномерной или неравномерной.
    Местная коррозия происходит с разрушением отдельных участков поверхности металлов. Разновидность этой коррозии: точечная (питтинг), коррозия пятнами и сквозная коррозия.

Рис. 1.1. Виды коррозии:
а - сплошнаяравномерная; б - сплошная неравномерная;
в - структурно-избирательная; г - пятнами; д - язвами; е - точками (питтинговая); ж - подповерхностная; з - межкристаллитная

9

    Равномерная коррозия протекает со скоростью, одинаковой по всей поверхности; в таком случае поверхность становится только немного более шероховатой, чем исходная.
    Гораздо чаще наблюдается различная скорость коррозии на отдельных участках: сплошная неравномерная, структурно избирательная, пятнами, язвами.
    Если язвы имеют малое сечение, но относительно большую глубину, то говорят о точечной коррозии (питтинг). В некоторых условиях небольшая язва распространяется вглубь и вширь под поверхностью - подповерхностная .
    Неравномерная коррозия значительно более опасна, чем равномерная. Неравномерная коррозия, при сравнительно небольшом количестве окисленного металла, вызывает большое уменьшение сечения в отдельных местах. Язвенная или точечная коррозия могут привести к образованию сквозных отверстий, например, в листовом материале, при малой потере металла.
    Структурно-избирательная коррозия - разрушение одной структурной составляющей или одного компонента металла в высокоактивных средах. Существует ряд разновидностей: графитизация чугуна (растворение ферритных или перлитных составляющих) и обесцинкование (растворение цинковой составляющей) латуней.
    Некоторые сплавы подвержены своеобразному виду коррозии, протекающей только по границам кристаллитов (зерен) металла, которые оказываются отделенными друг от друга тонким слоем продуктов коррозии - межкристаллитная коррозия. Здесь потери металла очень малы, но сплав теряет прочность. Это очень опасный вид коррозии, который нельзя обнаружить при наружном осмотре изделия.
    Внутрикристаллитная коррозия - разрушение металла по зернам кристаллитов. Наблюдается при коррозийном растрескивании, протекающем под влиянием внешних механических нагрузок или внутренних напряжений.
    Подповерхностная коррозия начинается с поверхности, но развивается преимущественно под ней таким образом, что продукты коррозии сосредоточены внутри металла. Ее разновидность - послойная коррозия, распространяющаяся преимущественно в направлении пластической деформации металла.
    Ножевая коррозия - локализованное разрушение металла в зоне сплавления сварных соединений в жидких средах с высокой коррозионной активностью.

10