Oliver Brandt, Stephan Siegmann
Švýcarský výzkumný a zkušební ústav materiálu, Thun, Švýcarsko
1. Úvod
Díky možnosti rozmanitě kombinovat materiály (vrstva-substrát) nabízí termické nástřiky při spojování materiálů tolik možností jako žádná jiná metoda nanášení. Během posledních 10 let význam termických nástřiků trvale vzrůstal. Důvodem je zřejmé zlepšení jakosti vrstev vyvinutím energeticky bohatých metod nástřiku. Jako převratný objev nedávné minulosti je možno uvést vysokorychlostní žárový nástřik (angl. High Velocity Oxygen-Fuel Spraying, zkráceně HVOF). Kromě vlastní technologie procesu bylo dosaženo významného zlepšení též u jeho kontroly, řízení a materiálů používaných při nástřiku, čímž trvale vzrůstají předpoklady pro výrobu technicky vysoce kvalitních vrstev.
Metoda HVOF nástřiku, zavedená počátkem osmdesátých let, je jednou z novějších technologických variant termických nástřiků. Hlavní myšlenkou, která vedla k objevu HVOF nástřiku, byl princip přerušovaným způsobem pracujícího detonačního nebo D-Gun nástřiku. U D-Gun procesu jsou směšovány acetylen a kyslík jako reakční plyny s dusíkem jako transportním plynem a s nástřikovým materiálem a zapálením přiváděny k detonaci. Prachové částice přitom dosahují rychlosti až 750 m/s. Vzdálenost mezi povrchem obrobku a výtokem z trysky činí 100 – 120 mm. Topný plyn dosahuje maximální teploty 4000°C. Po každém výbuchu je spalovací komora propláchnuta dusíkem. Průměrná pracovní frekvence činí 4 – 8 zapálení za sekundu [1] a v poslední době až 100 Hz [2].
Výhodou D-Gun procesu vůči jiným metodám nástřiku je zřetelně vyšší rychlost částic a tím menší poréznost vrstvy a vyšší přilnavost, které vedou k lepším aplikačním vlastnostem.
Při vývoji HVOF metody bylo cílem dosáhnout kontinuálním procesem jakosti vrstvy srovnatelné s její jakostí u D-Gun procesu. Průkopníkem v této oblasti byl americký inženýr James A. Browning, který zavedl jako první v roce 1982 variantu procesu Jet-Kote-System [3, 4].
Z hlediska uživatelů měla metoda HVOF nástřiku začátkem devadesátých let tyto výhody a nevýhody [5]:
Výhody metody HVOF:
- vysoká rychlost částic umožňuje připravovat vrstvy s nízkým obsahem pórů (< 1%) a s
vysokou adhezivní pevností v tahu (> 80 MPa) ve srovnání se základním materiálem,
- díky malé drsnosti povrchu po nástřiku zcela odpadá nebo je jen v malé míře nutné
provádět jeho mechanické úpravy,
- proti metodě plasmového nástřiku dochází méně často k teplotně vyvolaným změnám
v nástřikovém materiálu a
- při použití vodíku jako topného plynu je možno udržovat na nízké hladině pohlcování
kyslíku vrstvou.
Jako nevýhody se ukázalo:
- značné náklady na napájení plynem (zásobník s kapalným propanem a vyhřívaná dopravní
trasa),
- většinou je nezbytné dostatečně chladit nastřikovanou součást, protože u ní dochází
k vyššímu vnosu tepla než při plasmovém nástřiku,
- nižší stupeň účinnosti při nanášení materiálů s vyšším bodem tání ve srovnání
s plasmovým nástřikem,
- vyšší spotřeba injekčního plynu a tím i specifické provozní náklady ve srovnání
s plasmovým nástřikem,
- pro speciální konstrukci hořáku je možno jen v omezené míře nanášet vnitřní vrstvy a
- k zajištění bezpečnosti a spolehlivosti provozu je nutné citlivé řízení/citlivá regulace plynu.
Při různých výzkumech je HVOF nástřik často srovnáván s plasmovým nástřikem. Zde se ukazují při zpracovávání karbidů kovů zřejmé výhody metody HVOF proti plasmovému nástřiku. Od počátku devadesátých let jsou v rostoucí míře publikovány výsledky prací, v nichž jsou srovnávány vrstvy připravené vakuovým plasmovým nástřikem s vrstvami připravenými procesem HVOF. Z hlediska jakosti vrstev a výrobních nákladů jsou dnes vzhledem ke tvaru a velikosti součástí mezi oběma postupy jen velmi nepatrné rozdíly [6, 7].
2. Technické okrajové podmínky u HVOF nástřiků
HVOF nástřik patří obecně k vysoce energetickým variantám termického nástřiku. Dnes dostupné systémy pracují s nominálním rozsahem výkonů cca. 50 – 250 kW, přičemž výkon vyplývá z energie paliva, přivádě-ného za jednotku času. Vysoké výkony umožňují zpracování velkých množství prášku (až 9 kg/h podle použitého materiálu), což je výhodou při povrchové úpravě velkých součástí. U menších součástí však naopak hrozí přehřátí základního materiálu. Kromě zpracovatelného množství prášku je u nástřiků vrstev z ekonomického hlediska významná též účinnost procesu, resp. nanášení. Ta závisí do značné míry na použitém postupu a materiálu a činí např. u zpracování karbidů kovů cca. 50 – 85 % [8, 9].
Použití takto vysokých energií v HVOF hořáku způsobuje hluk o hladině až cca. 135 dB(A). Kromě toho vyvolávají topné plyny vystupující z hořáků nezanedbatelný zpětný tlak. To je spolu s běžným vývinem tepla a uvolňováním prachu důvodem pro převážné provozování těchto zařízení pomocí robotů. Při provádění nástřiků mimo dílnu je přesto možno použít ruční pistoli za předpokladu provedení nutných úprav pracoviště a příslušných bezpečnostních opatření [10, 11].
Vysoké výkony hořáků a velká množství práškového materiálu způsobují nezanedbatelný vnos tepla do plochy opatřované nástřikem. Menší součásti nebo součásti se slabšími stěnami je proto nutno chladit. K dostatečnému chlazení často stačí ofukování stlačeným vzduchem. Ve speciálních případech, např. u materiálů s relativně velkým součinitelem tepelné roztažnosti jako jsou hliník nebo měď, je nutno chladit kapalným CO2 [12]. Intenzivním ochlazováním je kromě toho možno potlačit průtah součástí po nástřiku vrstvy, kdy se jako maximální průměrné směrné hodnoty teplot součástí udávají teploty cca. 60-100°C. Vysoká kinetická energie nastřikovaných částic poskytuje ve srovnání s konvenčními způsoby žárového nebo plasmového nástřiku velmi hladké povrchy se zřetelně menší drsností. To umožňuje minimalizovat nutné následné úpravy povrchu vrstev, což má význam zejména u velmi tvrdých karbidových vrstev, které je možno opracovávat pouze diamantovými nástroji a broušením. U nástřiků vnitřních povrchů je omezujícím faktorem typická vzdálenost při nástřiku cca. 1C = 200-350 mm, existuje zde však možnost provádět nástřiky zakrytých nebo špatně přístupných ploch. Důvodem je to, že HVOF vrstvy je možno nanášet bez snížení jejich jakosti pod úhly až 30°.
3. Oblasti použití HVOF vrstev
Oblast použití termického nástřiku je díky celé paletě použitelných materiálů velmi široká. Typickými příklady jsou:
- ochrana proti opotřebení
- ochrana proti korozi
- ochrana proti oxidaci
- zhotovování kluzných vrstev
- zhotovování adhezních vrstev
- opravy a obnova lokálně poškozených povrchů
- speciální případy použití
Vzhledem k tomu, že metoda HVOF nástřiků byla původně vyvinuta pro nanášení karbidů kovů jako ochranné vrstvy proti opotřebení, je tato aplikace stále ještě hlavní oblastí jejího použití. Jak ve výzkumu, tak při četných použitích se HVOF vrstvy osvědčily jako maximálně odolné vůči třem základním mechanismům opotřebení, abrazi, erozi a kavitaci. Možnost zpracovávat na velmi kompaktní vrstvy s velmi nízkým obsahem kyslíku i kovové slitiny otvírá HVOF technologii v rostoucí míře možnost použití pro ochranu proti korozi a oxidaci jakož i pro výrobu nosných struktur.
Při praktických aplikacích však často dochází ke kombinaci různých druhů namáhání a způsob aplikace tak nelze jednoznačně stanovit. Jednoznačný není ani profil požadavků na vrstvu. Volbu druhu vrstvy nadto ještě často ztěžují rozdílné způsoby uvažování konstruktérů, uživatelů výrobků a pracovníků provádějících nástřik vrstvy.
Níže jsou popsány publikované příklady použití HVOF vrstev, které objasňují spektrum v úvahu připadajících aplikací. Přehled aplikací je založen na rešerši literatury uložené v interní EMPA databance, obsahující více než 7000 odkazů ze všech národních a mezinárodních konferencí o nástřicích od počátku jejich konání a více než 300 jiných zdrojů. Přehled si však neklade nároky na úplnost. Je rovněž třeba vzít v úvahu, že mohly být zahrnuty pouze publikované příklady použití a zřejmě existuje podstatně větší počet nezveřejněných způsobů aplikací.
/obr.: svisle: počet publikací za rok, vodorovně: rok zveřejnění, v obr: HVOF allgemein = HVOF obecně, HVOF Anwendungen = použití HVOF/
Obrázek 1: Počet prací nalezených na téma HVOF a počet příkladů použití podle dat publikace.
Oblasti použití odvoditelné z publikovaných aplikací jsou shrnuty do grafu na obrázku 2 a v dalším jednotlivě vyloženy.
/obr. 2: svisle: počet příkladů, šikmo zleva: konstrukce strojů, letecká doprava (včetně pohonných jednotek), konstrukce zařízení, konstrukce plynových turbin, automobilová/lodní doprava, surovinový průmysl, nosné struktury, offshore, opravy, implantáty, jiné /
Obrázek 2: Publikované příklady použití HVOF vrstev podle jednotlivých oblastí.
Největší podíl publikovaných příkladů použití zaujímá strojírenství. Jedná se zejména o ochranu proti opotřebení vlivem abraze, částečně v kombinaci s korozí. U tohoto druhu aplikací s teplotami do cca. 500°C se dobře osvědčují vrstvy tvořené WC-Co, WC-Co-Cr a NiCrBSi-WC. V rostoucí míře jsou HVOF vrstvy používány jako ochrana před kapalinovou erozí a kavitací. Jako typické příklady jsou uváděny [5, 10, 11, 13-36]:
- kulové a deskové ventily,
- komponenty pro extrudéry plastických hmot,
- rotory a písty kompresorů a čerpadel,
- oběžné plochy velkých motorů,
- kotouče pro tažení drátu,
- trysky hořáků,
- pláště a vodicí plochy hydraulických válců,
- válce pro výrobu papíru a fólií,
- síta pro solný průmysl,
- kluzné plochy kolejových výhybek
- plochy lopatek vodních turbin a velkých ventilátorů a
- nejrůznější hřídele
Z oblasti letecké dopravy jsou prezentovány zejména příklady ochranných vrstev na kluzných plochách hydraulických válců podvozků nebo různých ústrojí pro změnu nastavení křídel. Také zde dominují tvrdokovy WC-Co a WC-Co-Cr. Jako nejdůležitější kriteria volby jsou uváděny nízké vnitřní pnutí po nástřiku vrstvy a vysoká odolnost vůči únavě. To je důvodem pro použití těchto vrstev i pro plochy lopatek různých letadlových turbin. Jinými kriterii pro použití v letecké dopravě je možnost po určité době používání tyto vrstvy odstranit a nanést nové [12, 17, 34-48].
Dalším velkým aplikačním polem termicky stříkaných vrstev je výroba zařízení pro petrochemický průmysl a plynárenství. Zkušenosti s vrstvami jsou zde popisovány u vyhřívacích kotlů, výměníků tepla, potrubí, ventilů, šoupátek a podobných komponent spalovací techniky. Jako materiály jsou uváděny především Cr3C2-NiCr a NiCrBSi, pro nižší teploty jsou částečně uváděny vrstvy obsahující WC. Hlavním druhem namáhání jsou plynová eroze kombinovaná s korozí a oxidací [8,14, 49-56].
Další oblastí použití jsou ochranné vrstvy proti vysokoteplotní oxidaci povrchů lopatek stacionárních plynových a parních turbin. Zde se na keramické tepelně izolační vrstvy nanášejí obvykle vakuovým plasmovým nástřikem (VPS) jako ochrana proti korozi a pro zvýšení adheze takzvané MCrAlY vrstvy (M = Fe, Ni nebo Co). Předmětem publikovaných příkladů použití a výzkumu je srovnání vlastností VPS a HVOF vrstev a nákladů na jejich zhotovení. Ukazuje se, že je výhodné použít VPS vrstvy pro nástřik nových součástí a HVOF vrstvy pro opravy [6, 28, 57-61].
V automobilovém průmyslu je v současné době referováno o různých oblastech použití, např. při výrobě brzdových destiček. Existují určité zkušenosti z dlouhodobých zkoušek životnosti některých součástí v testovacích vozidlech, konkrétní údaje o sériovém použití však dosud nebyly publikovány.
Pomocí HVOF vrstvy byly úspěšně opraveny různé hydraulické válce ovládání kormidel lodí. Totéž platí ve stejné míře pro povrchové plochy válců, písty a pístní kroužky dieselových motorů lodí a pro různá ložisková usazení hnacích hřídelí [19, 62-67].
Stěžejní význam má použití kovové vrstvy z oceli 316L nebo Inconelu 718 jako nosné struktury pláště spalovací komory hypersonického pohonu. Obrázek 3 ukazuje nástřik HVOF vrstvy a hotovou součást. Při vývoji této aplikace byly rozhodujícím důvodem pro použití technologie HVOF nízký obsah kyslíku ve vrstvě a její zanedbatelně nízká poréznost. Obě kriteria jsou předpokladem pro možnost provedení následné úpravy vrstvy žíháním. Vrstva pak má mechanické vlastnosti řádově odpovídající rovnocennému sypkému materiálu [68-72].
Obrázek 3: Nanášení vrstvy na spalovací komoru hypersonického pohonu (fotografie útvaru výzkumu a technologií firmy Daimler Chrysler, Ottobrun).
Obrázek 4: Pokusné nástřiky (vlevo) a nástřik vrstvy na součást (vpravo) (fotografie firmy Stellba Schweisstechnik, Birrhard).
V přednášce jsou uvedeny jednotlivé příklady a diskutovány z hlediska použití. Přitom je brán v úvahu též aplikačně orientovaný vývoj, který často jako první umožní použití. Na příkladech jsou též popsány různé metody charakterizace nastřikovaných vrstev. Je ukázána cesta od zkušebních nástřiků vrstvy až k vlastní aplikaci, viz obrázek 4.
5. Souhrn a výhled
Uvedené příklady použití zřetelně ukazují, že součásti stejného druhu mohou být použity v různých průmyslových oblastech. Tak je např. referováno o nástřiku vrstev na hydraulické válce pro leteckou dopravu, lodní dopravu a strojírenství. Příslušně rozdílné mohou pak být i požadavky na odpovídající vrstvy.
Jsou však uvedeny některé působivé příklady, které určují směr budoucího použití HVOF vrstev v dosud neznámých oblastech. Je to zřetelně patrné ze skutečnosti, že řada publikací referuje nejen o aplikaci jako takové, nýbrž i o dalším vývoji.
6. Použitá literatura
[2] I. Fagoaga, G. Barzkin, et al., The Higt Frequency Pulse Detonation (HFPD) Spray Process, Proceeding of 2nd United Thermal Spray Conference 1 1999, p. 282-287
[3] P. Heinrich, Thermisches Sprityen – Fakten und Stand der Technik, Linde AG., Höllriegelskreuth, 1992
[4] O. Brandt, Aspekte zur Herstellung und Charakterisierung von Wolframkarbid-Schichten, aufgetragen durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Fachbereich Maschinenbau 1998, p. 136
[5] T.F.Weber, V. Messerschmidt, Schveißen und schneiden, 1993, 45
[6] M.C.Nestler, H.-M. Höhle, et al., Economical Advantages of HVOF-Sprayed Coating for the Land-Based Gas Turbine Industry, Proceedings of 14th International Spray Conference, Thermal Spraying Current Status and Future Trends 1 1995, p. 101-106
[7] L. Russo, M. Dorfman, High Temperature Oxidation of McrAlY Coatings Produced by HVOF,
Proceedings of 14th International Thermal Spray Conference, Thermal Spraying Status and Future Trends 2 1995, p. 1179-1184
[8] M.C. Nestler, R. Henriksen, Charakteristika und fortschtlittiche industrielle Anwendungen der Diamond Jet Hybrid – der neuen Generation gasbetriebener HVOF-Anlagen/Charakteristics and Progressive Industrial Applications of the Diamond Jet Hybrid – The new Generation of Gas-Powered HVOF Systems, Proceedings of 3. Kolloquium-Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen 1997, p.104-117.
[9] G. Matthäus, G. Stevens, OSU Super Jet Systems SJS und Carbide Jet Systems CJS
Proceedings of 3. Kolloquium-Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen 1997, p.127-141
[10] K. Nassenstein, H.-P. Isch,Advantages and possibilities Using the GTV-Control for HVOF Control for HVOF Spraying with TOP Gun Torches, Proceedings of 3. Kolloquium-Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen 1997, p.93-102
[11] G.R. Heath, R.J. Dumola, Practical Experience with the New Generation of Low-Cost, PortableHVOFs, Proceedings of 15. International Thermal Spray Conference-Thermal Spray: Meeting the Challenges of the 21st century 2 1998, p. 1495-1500
[12] P. Heinrich, J. schuhmacher, Vorteile für das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen durch CO2 –Kuhlung, Proceedings of 3. Kolloquium-Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen 1994, p.139-142.