Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 11
1.1. Нанесение покрытий для защиты от коррозии 11
1.2. Использование полимерных материалов для нанесения коррозионностойких покрытий 18
1.3. Технологические особенности термоструйных методов формирования защитных полимерных покрытий и их свойства 23
1.4. Цель и задачи исследования 38
1.5. Выводы по первой главе 40
Глава 2. Оборудование, материалы и методика проведения исследований 42
2.1. Разработка конструкции термораспылителя для нанесения коррозионностойких полимерных покрытий 42
2.2. Методики исследования физико-механических и физико-химических свойств покрытий, напыляемые материалы 46
2.3. Полимерные порошковые материалы и их характеристики 54
2.4. Методика проведения эксплуатационных испытаний 58
2.5. Обработка результатов исследований 61
2.6. Выводы по второй главе 62
Глава 3. Моделирование теплофизических процессов при напылении покрытий из полимерных материалов 64
3.1. Моделирование процесса нагрева полимерной частицы в факеле термораспылителя 64
3.2. Математическое моделирование плотности теплового потока при газотермическом нанесении покрытий из полимерных материалов 74
3.3. Расчет тепловой нагруженности основы при напылении полимерных покрытий 82
3.3.1. Влияние температурного режима на процесс формирования покрытий из полимерных материалов 82
3.3.2. Решение тепловой задачи для нанесения полимерного покрытия на цилиндрическую полую деталь 84
3.4. Выводы по третьей главе 98
Глава 4. Влияние режимов напыления на физико-механические и физико-химические свойства покрытий 100
4.1. Влияние состава горючей смеси и дистанции напыления на прочность сцепления покрытий 100
4.2. Кинетика изменения адгезии покрытий от грануляции и состава наносимой шихты 106
4.3. Исследование структурных изменений и коррозионной стойкости напыленных покрытий 112
4.4. Выводы по четвертой главе 117
Глава 5. Разработка технологии гпн полимерных коррозионностойких покрытий, эффективность применения и рекомендации по ее использованию 120
5.1. Разработка технологии газопламенного напыления полимерных коррозионностойких покрытий 120
5.2. Нанесение экспериментальной партии защитных покрытий и определение их коррозионной стойкости 124
5.3. Экономическая эффективность разработанной технологии и область ее рационального использования 128
5.4. Выводы по пятой главе 131
Основные результаты и выводы 133
Литература 135
Приложения 148
- Технологические особенности термоструйных методов формирования защитных полимерных покрытий и их свойства
- Методики исследования физико-механических и физико-химических свойств покрытий, напыляемые материалы
- Влияние температурного режима на процесс формирования покрытий из полимерных материалов
- Исследование структурных изменений и коррозионной стойкости напыленных покрытий
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из ключевых проблем безотказной эксплуатации техники является защита ее от коррозии. Коррозионная активность окружающей среды и техногенное загрязнение к настоящему времени достигли такого уровня, что потери материалов из-за коррозии стали соизмеримы с объемами их выпуска, а затраты на защиту от нее машин и оборудования - с основными производственными затратами.
В совокупности средств защиты металлов от коррозии особое место занимают полимеры, сочетающие в себе высокую химическую стойкость и непроницаемость для различных сред. Самой простой и экономичной формой полимерных противокоррозионных элементов являются покрытия, удельная материалоемкость которых (отношение массы элемента к объему защищаемого металла) в 5 - 20 раз меньше, чем у других видов полимерных средств противокоррозионной защиты. Применение полимерных покрытий отвечает также тенденции экономного расходования углеводородного сырья, ресурсы которого ограничены и практически не возобновляются.
Покрытия, формируемые из дисперсных полимеров, успешно заменяют традиционные лаки и краски, технологию гальваники, гуммирование. В частности, трудоемкость работ при замене окраски жидкими лакокрасочными материалами и гальванопокрытий на нанесение полимерных порошков снижается в2-Зи6-8 раз соответственно. Отделка поверхности деталей и изделий порошковыми полимерными материалами является одной из немногих отраслей промышленного производства, где не наблюдается спада.
Анализ методов нанесения полимерных покрытий показывает, что одной из наиболее экономичных и простой в реализации технологией является газотермическое напыление (ГТН), и, в частности, газопламенное напыление (ГПН), позволяющее формировать и оплавлять слой в одной технологической операции. Оборудование для ГТН имеет малый вес и габариты, не требует источников электропитания, может эксплуатироваться в нестационарных условиях. Вместе с тем, в литературных источниках отсутствуют технологические рекомендации, позволяющие создать коррозионностойкие поверхностные слои ГПН на поверхностях деталей машин и элементов конструкций.
Изложенное дает основание считать актуальной тему диссертационной работы, посвященной обоснованию и разработке технологии формирования коррозионностойких покрытий ГПН порошковых полимерных материалов.
Цель работы заключается в комплексном решении проблемы обеспечения эксплуатационной надежности металлических эле-
ментов конструкций, подверженных воздействию агрессивных сред, путем разработки технологии и оборудования для ГТН защитных покрытий из полимерных порошков, определение закономерностей влияния условий ГПН на свойства защитных покрытий из полимерных порошков.
Поставленная цель исследований достигается решением следующих задач:
разработать оборудование для ГТН полимерных порошков с коэффициентом использования материала не менее 0,85, обеспечивающее требуемый диапазон тепловых и динамических характеристик факела;
определить оптимальную величину плотности теплового потока факела при напылении порошков термопластичных полимеров;
выработать рекомендации по стабилизации температурного режима при напылении полимерных покрытий на наружную поверхность длинномерных изделий;
изучить влияние технологических параметров процесса ГТН на адгезию и структуру формируемых покрытий, а также на стойкость в агрессивных средах;
- разработать технологические рекомендации по нанесению
коррозионностойких покрытий на крупногабаритные детали и эле
менты конструкций ГТН полимерных порошков, исследовать кор
розионную стойкость покрытий и внедрить их в производство.
Научная новизна работы:
проведен теоретический анализ процесса нагрева полимерного порошка в среде продуктов сгорания пропано-воздушной смеси и определен образующийся при взаимодействии частицы и пламени удельный поток конвективной теплоотдачи газового пламени, достаточный для проплавлення частиц порошка, но не перегревающий их выше 1,5Тш,;
выполненный теоретический расчет оптимальной плотности теплового потока при ГТН порошков из термопластичных полимерных материалов показал, что для эффективного процесса ГПН полимеров с различными теплофизическими характеристиками необходим термораспылитель, обеспечивающий управление процессом теплообмена в системе «факел - частица полимера» плавной и точной регулировкой плотности теплового потока q в пределах (1-3)-10й Вт/м2;
разработана конструкция полимерного термораспылителя (малый патент № TJ 89), обеспечивающего эффективное ГПН порошков с максимальной производительностью 3,5 кг/ч при незначительном угле конуса распыла порошка, истекающего из сопла;
на основе решения уравнения теплопроводности получено ана-
литическое выражение для расчета температурного поля в конечном полом цилиндре при движении по винтовой линии по его наружной поверхности нормально-полосового источника тепла, учитывающего суммарное тепловложение в основу от газополимерной струи;
- на основании реализации разработанной математической мо
дели распределения температурного поля в конечном полом ци
линдре выработаны рекомендации по стабилизации температурно
го режима при ГПН полимерных покрытий на наружную поверх
ность трубных элементов и длинномерных деталей.
Практическая ценность работы:
разработаны общие и частные методики получения и исследования напыленных покрытий, а также получены результаты лабораторных и эксплуатационных испытаний;
установлено, что наибольшие значения прочности сцепления достигаются при использовании окислительного пламени и порошков с наименьшим размером частиц. Однако, для обеспечения у напыленных порошковых слоев уровня физико-механических свойств, близких к свойствам литых полимеров, необходимо свести к минимуму воздействие как факела пламени, так и окислительных свойств окружающей среды;
определено, что наиболее высокую адгезию во всем исследуемом диапазоне дистанций напыления имеют покрытия из полиэти-лентерефталата;
экспериментальными исследованиями установлено, что при нанесении различных полимерных покрытий наибольшая адгезия достигается напылением порошков с размерами частиц от 150 до 300 мкм, причем максимальная прочность сцепления покрытий с основой наблюдается при соблюдении следующего соотношения между минимальным и максимальным диаметром частиц в шихте: dmax/dmm< (1,8+2,0);
методом инфракрасной спектроскопии установлено, что при газопламенном формировании полимерных покрытий с помощью разработанного оборудования и выбранных режимов напыления окислительная деструкция поверхности покрытия незначительна.
Результаты исследований апробированы и внедрены:
в ГУПО «Таджикстекстильмаш» Министерства энергетики и промышленности Республики Таджикистан-в ремонтных подразделениях при восстановлении гальванических ванн;
в Таджикском техническом университете имени академика М.С. Осими Министерства образования Республики Таджикистан при разработке комплексного модуля НИР по новым материалам, конструкциям и технологиям.
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса нагрева полимерного порошка в среде продуктов сгорания пропано-воздушной смеси;
результаты, определяющие значения адгезии покрытий из по-лиэтилентерефталата в исследуемом диапазоне дистанций напыления;
разработанное оборудование для ГТН полимерных порошков с коэффициентом использования материала не менее 0,85:
технология нанесения коррозионностойких покрытий на крупногабаритные детали и элементы конструкций ГТН полимерных порошков;
результаты определения влияния режимов напыления на физико-механические свойства исследуемых покрытий;
аналитическое выражение решения уравнения теплопроводности для расчета температурного поля в конечном полом цилиндре при движении по винтовой линии по его наружной поверхности нормально-полосового источника тепла;
математическая модель распределения температурного поля в конечном полом цилиндре;
технико-экономическое обоснование применения разработанных коррозионностойких покрытий с целью их внедрения в производство.
Достоверность результатов исследований подтверждена:
необходимым объемом и повторяемостью экспериментальных данных, полученных в лабораторных и натурных условиях;
расчетными данными, полученными при оптимизации моделей теплового баланса деталей на персональном компьютере (ПК);
идентичностью результатов теоретических и экспериментальных исследований с помощью лабораторного оборудования и расчетных данных на ПК.
Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 1-ой и П-ой Международной научно-практической конференции (НПК) «Перспективы развития науки и образования в XXI веке» (г.Душанбе, ТТУ, 2005-2007 гг.), 1-ой Международной НПК «Научно-технический прогресс и развитие инженерной мысли в XXI веке» (г.Худжанд, Худ-жандский филиал ТТУ им. академика М.С.Осими, 2007 г.), 1-ой и П-ой Республиканской НПК «Из недр земли до горных вершин» (ГМИТ, г.Чкаловск, 2007-2008 гг.), Международной конференции, посвященной 60-летию ТГНУ (г.Душанбе, 2008 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 13 статей, получен малый патент Республики Таджикистан на изобретение. Из печатных работ 3 статьи опубликованы в журналах, ре-
комендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 130 наименований и 2 приложений. Общий объем диссертационной работы состоит из 152 страниц компьютерного набора. Основной текст диссертации изложен на 134 страницах, включая 36 рисунков и 16 таблиц.
Технологические особенности термоструйных методов формирования защитных полимерных покрытий и их свойства
Покрытия по виду (исходя из природы наносимого материала) делят на неорганические, органические и комбинированные [92]. К неорганическим покрытиям относятся металлические, стеклоэмалевые, керамические и композиционные, которые могут включать компоненты любого неорганического происхождения. Коррозионная стойкость, износостойкость и сопротивление механическому воздействию у неорганических покрытий значительно выше, чем у защитных слоев на органической основе.
Металлические покрытия наносят, используя четыре основных приема: химико-термический, химический, электрохимический и механотермическии [19, 50, 75, 76, 90, 93, 113, 125].
Химико-термический метод объединяет способы диффузионного насыщения металлами и неметаллами поверхностного слоя основного металла при нагреве в среде, содержащей образующие покрытие элементы. Сюда входит диффузионное насыщение из твердой, паровой, газовой и жидкой фаз.
При насыщении из твердой фазы изделие помещают в порошкообразные смеси, содержащие насыщающий элемент [75]. Насыщение из паровой фазы осуществляется испарением насыщающего элемента, как правило, в вакууме с последующим осаждением его на поверхность изделия [113]. Насыщение из газовой фазы проводят из газообразных химических соединений, обычно галогенидов, или добавлением в порошкообразную смесь легкоразлагающихся соединений, продукты распада которых взаимодействуют с порошком насыщающего элемента и образуют нужную газообразную фазу. Насыщение из жидкой фазы осуществляют в расплавленных металлах и солях, содержащих насыщающий элемент.
Недостатками методов диффузионного насыщения являются изменение структуры основы вследствие действия высоких температур и невозможность покрытия крупногабаритных металлоконструкций.
Химический метод объединяет способы, при которых нанесение покрытий представляет собой процесс осаждения продуктов химической реакции элементов покрываемого изделия со средой, содержащей образующие покрытие элементы, путем восстановления, внутреннего электролиза или контактного обмена. Покрытие при нанесении химическим методом формируется путем кристаллизации продуктов химической реакции на активной поверхности изделия. К химическому методу относятся способы пиролити-ческого разложения, химического никелирования и хромирования, оксидирования, фосфатирования и др. Практически метод заключается в восстановлении солей металлов из растворов [19]. При этом получаются покрытия, достаточно однородные на неровных поверхностях, обладающие повышенной твердостью и износостойкостью. Однако применение метода ограничено преимущественно нанесением никеля и хрома, кроме того, скорость осаждения сравнительно низка (около 8 мкм/мин).
Электрохимический метод объединяет способы, при которых нанесение покрытий происходит в результате процессов электрохимического выделения металлов из среды, содержащей ионы осаждаемых веществ, при пропускании электрического тока от внешнего источника через границу раздела "среда - электролит". Покрытия, получаемые электрохимическим методом, могут осаждаться из растворов солей, расплавов и соединений, находящихся в виде газа [90].
К электролитическому методу относятся способы: электрофоретиче-ский, гальванический и др. При электрофоретическом способе перемещение частиц, взвешенных в жидкости, происходит под влиянием приложенного электрического поля. При движении частицы оседают на электродах или помещенных на их пути предметах. Недостатком способа является необходимость последующего уплотнения и спекания покрытий, а также наличие нежелательных включений из электрофоретических осадков.
Гальваническое осаждение металла происходит в результате электрохимической реакции разряда гидратированных ионов металла на катоде и вхождение образовавшихся атомов в состав кристаллической решетки покрытия. Получить высококачественные сплошные металлические защитные покрытия гальваническим способом весьма трудно, поскольку: а) выделение водорода часто вызывает мелкие трещины в осадке; б) возникающие в осадках значительные сжимающие и растягивающие напряжения также могут вызвать растрескивание; в) сцепление с поверхностью металла ухудшается, если плохо смыты остатки реагентов обезжиривания и травления. Недостатками технологии являются также неравномерность толщины покрытий, низкая производительность при нанесении антикоррозионных покрытий (например, для цинка - 2,5 мкм/мин), невозможность использования в ремонтном производстве при защите протяженных металлоконструкций или отдельных крупногабаритных элементов.
К числу наиболее экономичных и интенсивно развивающихся технологий формирования покрытий относится микродуговое оксидирование (МДО). Формирование покрытий методами МДО основано на использовании явления анодно-искрового разряда, который возникает на поверхности детали, погруженной в электролит, в результате подачи электрического напряжения от 100 до 700В и плотности тока от 1 до 100 А/дм . Искровой пробой анодных оксидных пленок вызывает появление в толще оксида пор, не достигающих поверхности металла. Длительный электролиз в условиях искрения приводит к образованию довольно толстых анодных покрытий, превосходящих по своим свойствам пленки, полученные путем безыскрового оксидирования [7, 8, 72]. Однако основным недостатком данного процесса является невозможность обработки изделий из пружинных черных металлов и их сплавов, а также ряда сплавов на основе алюминия, таких как литейные сплавы типа АК21М2; 5Н2,5; АЛ26 и т.п. Это существенно сужает возможности использования данного метода для стальных нагруженных деталей.
Методики исследования физико-механических и физико-химических свойств покрытий, напыляемые материалы
В ряде работ, посвященных разработке процессов подготовки различных деталей технологического оборудования и транспортных систем к нанесению покрытий, исследовалось влияние основных режимов струйно-абразивной обработки на параметры шероховатости [32, 45, 59]. Показано, что с увеличением скорости потока абразива прочность сцепления возрастает, а затем появляется тенденция к ее снижению [45]. Отмечено также, что увеличение времени выдержки обработанной абразивом поверхности до момента напыления (до 24 ч) приводит к снижению прочности сцепления в два раза. В то " же время при хранении обработанных абразивом образцов в сухой атмосфере в течение 27 суток снижения прочности сцепления не наблюдается, тогда как в присутствии влаги резкое снижение прочности сцепления происходит через 1 ч, а через 120 ч сцепление отсутствует [108].
Наиболее высокая прочность сцепления обеспечивается при использовании корундового порошка с размером частиц 0,8 - 1,6 мм. Однако однозначно использовать приведенные рекомендации невозможно, так как авторы публикаций в своих исследованиях использовали самые различные конструкции камер для струйно-абразивной обработки и пистолеты, имеющие разные диаметры выходных сопел.
Свойства потока абразивных частиц характеризуются расходом абразива, скоростью частиц и их расположением в пятне обработки [102]. Если использовать такой энергетический параметр, как удельную энергию потока частиц, и исследовать зависимость адгезии напыляемых покрытий от этого параметра, то полученные результаты можно использовать при выработке определенных технологических рекомендаций.
Помимо струйно-абразивной обработки толстостенные изделия из стали и чугуна подготавливают и другими механическими способами. При этом используют различные варианты галтовки в присутствии абразива, механической зачистки абразивными полотнами, кругами, иглофрезами, щетками и т. д. [41]. Для тонкостенных изделий применяют химические способы обработки (травление) [15, 63].
Для улучшения адгезии покрытий используют также различные по толщине (от мономолекулярных до соизмеримых по толщине с материалом основного слоя) адгезионноактивные подслои [41].
Эффективными модификаторами покрытий могут быть дисперсные металлы и их оксиды. Показано [13], что введение в состав напыляемых полимерных материалов частиц окиси алюминия повышает адгезию газопламенных покрытий. Добавка в полимерный порошок частиц металлических сплавов Fe-Ni-B и Fe-B, а также органических дисперсных наполнителей (фтало-цианинового красителя) уменьшает размеры кристаллитов и повышает прочностные характеристики.
Анализ проведенного обзора научно-технической информации позволяет сделать следующие выводы: 1. Значительными преимуществами по сравнению с другими методами защиты от коррозионного воздействия агрессивных сред на детали машин и элементы конструкций обладают технологии нанесения защитных покрытий, позволяющие создать герметичный барьер, изолирующий металл от коррозионных агентов. Наиболее широкое применение для защиты деталей от коррозии находят методы газопламенного напыления и электродуговой металлиза 39 ции, однако выбор наносимых материалов ограничивается только металлами. 2. Особое место в совокупности средств защиты металлов от коррозии занимают полимерные материалы, сочетающие в себе высокую химическую стойкость, необычные деформационные характеристики, низкие температуры плавления, простоту механической обработки. В странах СНГ налажено производство порошков полимеров в виде пленок, нитей, гранул и порошков. 3. Одним из наиболее эффективных и экономичных путей повышения долговечности металлических изделий, подвергающихся коррозионному воздействию, является формирование на рабочих поверхностях полимерных покрытий. Вместе с тем, информация по газотермическому и, в частности, газопламенному нанесению коррозионностойких покрытий из полимерных порошковых материалов имеет ограниченный характер. 4. Анализ литературных источников, посвященных методам термоструйного нанесения полимерных порошковых покрытий, показал, что не решенным остаются вопросы, связанные с процессами теплообмена в системе «факел - полимерная частица», а также «двухфазная струя — подложка». В результате этого отсутствуют единые рекомендации по выбору оптимальной величины плотности теплового потока факела термораспылителя и режимов оплавления полимерных покрытий на длинномерных деталях. Не проводились также систематические исследования по определению рационального состава горючей смеси, грануляции наносимого полимерного материала. 5. Показано, что газопламенные установки, использующие в качестве рабочих газов для напыления полимеров воздух и пропан, наиболее экономичны, могут наносить покрытия порошками полимеров с температурой плавления от 365 до 670 К. Однако серьезным недостатком всех известных пропано-воздушных термораспылителей является большой угол конуса распыла (более 30) полимерного порошка, что снижает коэффициент использования напыляемого порошка до 0,65. Таким образом, недостаток информации обуславливает необходимость проведения детальных теоретических и экспериментальных исследований возможности эффективного применения газопламенного напыления корро-зионностойких полимерных покрытий для повышения долговечности металлических деталей и элементов конструкций. Исходя из изложенного, целью настоящей работы является комплексное решение проблемы обеспечения эксплуатационной надежности металлических элементов конструкций, подверженных воздействию агрессивных сред, путем разработки технологии и оборудования для газотермического напыления защитных покрытий из полимерных порошков.
Влияние температурного режима на процесс формирования покрытий из полимерных материалов
При реализация процесса газопламенного напыления полимерных покрытий особое внимание должно уделяться соблюдению температурного режима напыления, при этом температура основы в процессе напыления должна поддерживаться в достаточно узком диапазоне, поскольку напыляемый полимерный материал должен разогреваться до температуры, с одной стороны, обеспечивающей его растекание по поверхности основы, а с другой стороны, не допускающей «сползания» полимерного покрытия с напыляемой поверхности и его деструкции. Наиболее высокие физико-механические свойства полимерных покрытий, нанесенных газопламенным напылением, получаются при напылении на достаточно коротких дистанциях (200...250 мм) [12, 77], и при этом тепловой поток от факела в верхний слой уже осевших на подложку частиц может быть соизмерим с тепловым потоком от этих частиц в основной металл. При нанесении полимеров с относительно низкой температурой плавления (ПЭТФ НТ, ПЭВД и др.) это приводит к значительному увеличению времени застывания частиц на подложке, в результате чего возможны расплавление и выдувание покрытия струей распыляющего газа. При этом на максимальную толщину слоя, который можно нанести без перегрева за один проход горелки, большое влияние оказывают дистанция напыления LH} температура поверхности основы Тп и плотность теплового газополимерного потока Qmen, регулируемая в термораспылителе расходом горючего газа Gsop, соотношением расхода горючего газа и газа-окислителя Р и расходом газа активирующего потока GaKm.
Указанная на рис. 3.5 предельная толщина покрытия из полиэтиленте-рефталата, нанесенного без перегрева за один проход при различных режимах работы термораспылителя, определялась напылением на подогреваемый образец из стали 3 наружным диметром 70 мм, внутренним диаметром 60 мм и длиной 120 мм, температура поверхности которого контролировалась хро-мель-алюмелевой термопарой и потенциометром 1111-63. Снижение максимально допустимой температуры подложки при увеличении толщины покрытий объясняется экранированием поверхности основы ранее осевшими частицами, обладающими низкой теплопроводностью, и соответствующим повышением контактной температуры для последующих слоев частиц.
Таким образом, при дистанциях напыления порядка 200 - 250 мм возможно нарушение нормального процесса формирования полимерного покрытия даже при незначительном повышении температуры подложки. В связи с этим важно установить характер нагрева изделия при нанесении полимерного покрытия, а также определить конкретные технологические способы стабилизации температурного режима. При напылении покрытий на длинномерные детали (элементы металлоконструкций, направляющие станков и т.п.) тепловое состояние напыляемой поверхности определяется не только процессами передачи тепловой энергии от газовой горелки через пятно напыления, но и процессами распространения тепла в самой основе по механизму теплопроводности. Накопление тепловой энергии в основе вызывает нарушение температурных параметров напыления, оказывает влияние на протекание физико-химических процессов в зоне контакта покрытия и основы, и это вызывает необходимость оценки процессов теплопередачи в основе при напылении полимерных покрытий и корректировки технологических режимов напыления по мере перемещения горелки вдоль оси детали.
При моделировании тепловых процессов в длинномерных трубных элементах, подвергаемых газопламенному напылению наружных поверхностей, рассматривалась тепловая задача в нижеследующей постановке. По наружной поверхности ограниченного полого цилиндра движется по винтовой линии источник тепла B{q},z,t), имеющий длину h и угловую ширину Р (рис. 3.6). Требуется найти распределение температуры T[r, p,z,t). Для упрощения расчета теплофизические характеристики материала цилиндра принимаются постоянными, теплообмен с окружающей средой отсутствует.
Исследование структурных изменений и коррозионной стойкости напыленных покрытий
Анализ работ по изучению работоспособности изделий с полимерными покрытиями, полученными различными, в том числе и газотермическими методами [31, 41, 60], и проведённые экспериментальные исследования показали, что, несмотря на то, что воздействие внепших разрушающих факторов испытывает поверхность покрытия, основной причиной его разрушения является недостаточная прочность и невысокая устойчивость адгезионных связей полимер-металл.
Как уже отмечалось в литературном обзоре, при реализации процесса газопламенного напыления порошками термопластичных полимеров с размером частиц до 300 мкм традиционным методом очень сложно обеспечить необходимые значения прочности сцепления покрытий с поверхностью деталей, работающих в коррозионно-активных средах в условиях знакопеременных нагрузок, например, при циклическом нагреве тонкостенных упруго деформирующихся элементов конструкций. Наибольшие значения прочности сцепления на отрыв, достигнутые при напылении порошка низкоплавкого полиэтилентерефталата со специальными добавками, повышающими адгезию, составляют около 7 МПа, а для полиамидов — не более 6 МПа [14].
Для повышения прочности сцепления полимерных покрытий с поверхностью деталей, испытывающих при эксплуатации знакопеременные нагрузки в пределах упругих деформаций скольжения предложено использовать эффект резкого повышения адгезии полимеров к металлам при возникновении у полимеров кислородосодержащих групп ( — ОН, - СООН и др.). Согласно данным, полученным в Институте механики металлополимерных систем НАН Беларуси [41], интенсификация процесса окисления частиц полимера при повышенных температурах приводит к значительному повышению адгезионных свойств наносимых покрытий. Используя этот эффект белорусскими исследователями предложено наносить покрытие из одного порошкового материала в две стадии - сначала полимер наносится при избыточном содержании кислорода, а затем при стехиометрическом [100]. Однако помимо патента на изобретение, публикации на эту тему отсутствуют.
Пламя, в зависимости от степени сгорания горючего газа в окислителе (в данном случае - воздухе), бывает «окислительным», «нормальным» и «восстановительным» [79]. Нормальное пламя образуется при горении сте-хиометрического состава горючей смеси, когда все молекулы углеводорода вступают во взаимодействие с молекулами кислорода. Окислительное пламя образуется при горении с избытком в смеси кислорода. Восстановительное пламя (коптящее) образуется при избытке горючего газа. Окислительное пламя имеет предельную концентрацию окислителя, выше которой процесс горения прекращается. Аналогично и восстановительное пламя имеет нижний предел окислителя.
Экспериментально установлено [77], что для аппаратов газопламенной обработки (напыления, резки, термообработки) нижний предел восстановительного пламени для смеси пропан — воздух составляет 16 объемов воздуха на 1 объем пропана. Дальнейшее понижение содержания воздуха вызывает появление большого количества не прореагировавшего углерода в виде копоти. Верхний предел содержания воздуха в смеси, образующей окислительное пламя, составляет 32 объема воздуха на 1 объем пропана. Последующее увеличение содержания окислителя приводит к отрыву пламени, хлопкам, прекращению горения.
Протекание процесса нанесения покрытий с качеством и производительностью, максимально возможной при заданной плотности теплового потока факела пламени обеспечивается не только правильным (оптимальным) выбором соотношения расходов рабочих газов, но и характеристиками процессов теплообмена между пламенем и напыляемым материалом. Без снижения производительности напыления в факел пропано-воздушного пламени (при количестве пропана до 2 м /ч - максимально возможные значения для аппаратов газопламенного напыления) можно подать частицы материала с теплофизическими свойствами полимера размером до 300 мкм. Для того, чтобы проплавить и разогнать частицы размером 300 - 360 мкм, необходимо снижать производительность напыления, а напыление частиц размером более 360 мкм газовоздушными пламенами экономически нецелесообразно.
Для напыления использовались порошки полиамида и полиэтиленте-рефталата, рассеянные на фракции, мкм: 50; 50 - 60; 60 - 80; 80 - 100; более 100 мкм. Количество воздуха по отношению к количеству пропана в смеси изменялось от 16/1 (восстановительное пламя) до предельно возможного для горения факела 32/1 (окислительное пламя).
Сопоставляя результаты исследования адгезии полимерных покрытий, напыленных различной по составу пропано-воздушной смесью и порошками различных фракций, установлено (рис. 4.1), что наибольшие значения прочности сцепления достигаются при использовании окислительного пламени и порошков с наименьшим размером частиц. Таким образом, наибольший эффект достигается при термоокислении порошков, у которых большая поверхностная площадь контакта частиц с кислородом воздуха способствует образованию значительного числа кислородосодержащих групп.
