Metody natryskiwania cieplnego.

Politechnika ŚląskaWydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii

ZIP41 Katowice ZaoczneJoanna MiszczokAleksander SzymoniakRafał Czechowski

Procesy i techniki produkcyjne. Projekt

1.Natryskiwanie płomieniowe W natryskiwaniu płomieniowym wykorzystuje się spalanie paliwa (zazwyczaj propanu lub acetylenu) w tlenie w celu roztopienia materiału mającego utworzyć powłokę. Materiał może być podany w formie drutu, proszku lub pręta.

Norma PN-EN 657 podaje definicję natryskiwania cieplnego jako proces, w którym materiał powłokowy jest nagrzewany do stanu plastycznego lub ciekłego wewnątrz lub na zewnątrz pistoletu do natryskiwania, a następnie rozpylany i nanoszony na przygotowaną powierzchnię. Powierzchnia nie jest przy tym nadtapiana. Metody natryskiwania:

a.) natryskiwanie płomieniowe przy zastosowaniu drutu ( CWS )

-Średnica drutu – 5mm-drut doprowadzany osiowo do głowicy za pomocą rolek podających. -wydajność stapiania– do 10 kg/h (w przypadku ołowiu – do 50 kg/h), c-ciśnienie gazu rozpylająco-transportującego dochodzi do 1 MPa.

Urządzenie: MARK 73 firmy METALLISATION jest przełomowym produktem w dziedzinie natryskiwania płomieniowego. Z nowym zestawem dysz, umożliwiających natryskiwanie ciągłe lub przerywane (tryb start/stop), wydajność wzrosła aż o 33%.

Drut Zużycie gazu L/min

Materiał Nr ref. Średnica

Prędkość nanoszenia (kg/h) Min. zużycie

kg/m2/100µm Tryb ciągły

Tryb ciągły Tryb stop/start

Tryb ciągły

Tryb stop/start Propan Tlen Propan Tlen

Aluminium 01E 3/16" (4,76mm)

12,5 8,0 0,28 28,5 133,0 22,7 101,4

Cynk 02E 50,0 32,0 1,10

Aluminium 01E 1/8" (3,17mm)

- 4,5 0,28 - - 18,5 93,0

Cynk 02E - 18,0 1,10

Aluminium 01E 2,00mm - 2,3 0,28 - - 10,4 52,1

Typowe parametry pracy MARK 73

Rys.1. Mark 73 . Źródło [1]

Rys.2. Schemat palnika acetylenowo-tlenowego do natryskiwania cieplnego. Źródło [4]

ZASTOSOWANIE: Antykorozja , warstwy pod malowanie:Konstrukcje stalowe ,Przemysł stoczniowy ,Mosty, zbiorniki ,Elektrownie wiatrowe ,Bramy i płoty

b) natryskiwanie płomieniowe przy zastosowaniu proszku ( CPS )

-bardzo popularna technologia

-umożliwia ona nanoszenie powłok metalowych o niemal dowolnym składzie oraz niektórych powłok ceramicznych i ceramiczno-metalowych.

-Gaz transportujący (najczęściej sprężone powietrze) jest doprowadzany koncentryczną dyszą, otaczającą dyszę mieszanki palnej.

-relatywnie wysoka cena materiału dodatkowego w postaci proszku

-niewielka wydajność stapiania, która zwykle nie przekracza 3 kg/h (tylko metale niskotopliwe mogą być stapiane szybciej

Urządzenie: Mark 74 firmy METTALLISATION. MARK 74 może być obsługiwany ręcznie lub wykorzystywany w aplikacjach automatycznych. MARK 74 umożliwia nanoszenia szerokiej gamy proszków.

Typowe materiały Nr referencyjny proszku

Wydajność Efektywność %

kg/h lbs/h

Tlenek aluminium P 205 1,3 2,9 83

Tlenek chromu P 225 0,5 1,1 48

Ni P 325 5,8 12,8 87 Ni kompozyt P 636 4,0 8,8 82

NiAlMo P 627 5,7 12,6 78

Stal niskowęglowa P 850 5,6 12,3 68

Typowe parametry pracy MARK 74

Rys.3. Mark 74. Źródło [1]

ZASTOSOWANIE: Ochrona przed korozją konstrukcji i części, Regeneracja zużytych części (zazwyczaj stalowych lub z brązu), zwłaszcza wałków w miejscu łożyskowania.

Rys.5.Natryskiwanie cieplne proszkiem. Źródło [7]

c.) natryskiwanie płomieniowe naddźwiękowe

-te same gazy co w przypadku metod poddźwiękowych najpowszechniej wodór, propan lub propylen. -natryskiwane cząstki materiału powłokowego osiągają prędkości od 400 do 1200 m/s. -powłoki natryskane mają bardzo niską porowatość i małą zawartość tlenków oraz bardzo wysoką wytrzymałość obszaru dyfuzyjnego połączenia powłoki z natryskiwanym podłożem.

Zależnie od konstrukcji palników wyróżnia się:

• natryskiwanie detonacyjne

• z dużymi prędkościami natryskiwanych cząstek, Natryskiwanie proszkowe naddźwiękowe z dużymi prędkościami (HVOF - High Velocity Oxy Fuel)

• z dużymi prędkościami cząstek i pod dużym ciśnieniem.

Urządzenie: SYSTEM MET-JET III HVOF firmy METTALLISATIONPistolet MET-JET II, Kontroler przepływu masy MET-JET III-CU, Podajnik proszku PF-MET, System chłodzenia

Zastosowanie: wały przekładni i reduktorów, dzielone pierścienie współpracujące z uszczelnieniami, pierścienie uszczelniające kół wirnikowych na rotorach, natrysk i obróbka czopów na wałach 5-6 metrowych, łopatki turbin parowych, łopaty turbin wodnych, łopaty wentylatorów ciągów spalin.

Rys.4. MET-JET. Źródło [1]

Szkic przedstawiający zasadę działania urządzenia do natryskiwania HVOF: 1, proszek; 2, proszek w strumieniu gorącego gazu; 3, podłoże; 4, natryśnięta warstwa; 5, tlen; 6, urządzenie zapłonowe; 7, paliwo.

Rys.6.Dysza HVOF. Źródło [1]

Rys.5. Schemat natryskiwania naddźwiękowego Źródło [7]

Regeneracja powłoki uszczelniającej na kole wirnikowym rotora - powłokę otrzymano po natrysku HVOF

Rys.7. Regenerowany element. Źródło [2]

Natryskiwanie HVOF powierzchni łopatki wentylatora.

Rys.8. Natryskiwanie HVOF. Źródło [3]

2. Natryskiwanie łukowe ( AWS )- Źródłem ciepła w tej metodzie jest łuk elektryczny zajarzany między drutami metalu natryskiwanego, w osi wypływającego strumienia powietrza, które rozpyla i przenosi stopione cząstki na pokrywane podłoże.Urządzenie: SYSTEM ARCSPRAY 140 firmy METTALLISATION

Materiał Nr referencyjny Średnica drutu* Maksymalna wydajność kg/h **

Maksymalna pokryta owierzchnia

m2/kg/100µm

Cynk 01E 2,0mm 36 0,822,3mm

Aluminium i stopy aluminium

01E 17E 25E

2,0mm8,5 2,882,3mm

Miedź 05E 1,6mm 15,0 0,91 Nikiel 06E 1,6mm 13,6 1,02

Brąz aluminiowy 10E 1,6mm 13,6 1,37 Brąz fosforowy 15E 1,6mm 19,0 0,91

Stale 30E, 35E, 45E, 55E, 57E, 60E, 65E, 80E, 84C 1,6mm 13,6 1,02

Warstwa przejściowa 75E 1,6mm 16,4 0,91 Monel 70E , 71E 1,6mm 17,2 1,02

Typowe parametry pracy ARCSPRAY 140

Rys.9. ARCSPRAY 140. Źródło [1]

Natryskiwanie łukowe: 1, sprężone powietrze; 2, prowadnik drutu ze stykiem elektrycznym; 3, warstwa natryskiwana; 4, podłoże; 5, łuk elektryczny; 6, układ podający drut z określoną prędkością; 7, sprężone powietrze.

Zastosowanie: Pokrycia antykorozyjne z cynku lub aluminium również dużych elementów (np.: mostów),Regeneracja części,Powłoki odporne na ścieranie (druty z rdzeniem i płaszczem).

Rys.10. Dysza pistoletu łukowego. Źródło [1]

3. Natryskiwanie plazmowe ( APS )

• stapianie proszku metalicznego (lub z niemetali) w strumieniu plazmy i kierowaniu roztopionych cząstek przez strumień gazu plazmowego na pokrywaną powierzchnię.• łuk plazmowy o temperaturze do ok. 16 000ºC jest zajarzany między nietopliwą katodą wolframową a anodą miedzianą, stanowiącą równocześnie dyszę wylotową dla strumienia plazmy i natryskiwanych cząstek. • Palnik plazmowy jest intensywnie chłodzony wodą, aby zabezpieczyć elektrody przed stopieniem. • Jako gazy plazmowe stosuje się argon lub azot, a jako gaz pomocniczy wodór lub hel. • Gazy służą do wytworzenia plazmy, stabilizacji jarzenia się łuku wewnątrz palnika i przenoszenia proszku plazmowego.

Urządzenie: SYSTEM PS50M firmy METTALLISATION : Pistolet PLA5000, PS50M CU ( Control Unit ) jednostka kontroli procesu, System chłodzenia, Podajnik proszku PF-MET, Zasilacz PS50M*IPS PU.

Rys.10.1 System PS50M. Źródło [1]

Rys.11. Schemat palnika do natryskiwania plazmowego. Źródło [4]

Rys.10.2. Dysza pistoletu do natryskiwania plazmowego. Źródło [4]

Zastosowanie: Bębny drukarskie ,Walce hydrauliczne ,Uszczelnienia ,Silniki samolotowe Konstrukcje samolotowe ,Przeciągarki drutów ,Zawory samochodowe ,Łopatki wirników ,Trzpienie wzorników ,Rolki kalibrujące, Krzywki popychaczy ,Bariery termiczne ,

Szybkość cząstek

m/sAdhezja

MPaZawartość tlenków %

Porowatość %

Prędkość nanoszenia

kg/hTypowa grubość

powłoki mm

Płomieniowe 40 <8 10-15 10-15 1-10 0,2-10Łukowe 100 10-30 10-20 5-10 6-60 0,2-10

Plazmowe 200-300 20-70 1-3 5-10 1-5 0,2-2HVOF 600-1000 >70 1-2 1-2 1-5 0,2-2

Porównanie metod natryskiwania:

Typowymi własnościami powłok natryskanych cieplnie w zależności od zastosowanych materiałów i ich warunków pracy są m.in.:

Odporność na korozje – np.; cynk , aluminium, stal kwasoodporna,Żarowytrzymałość - np.; tlenki aluminium i tlenki tytanu,Właściwości trybologiczne – np.; stop łożyskowy (babbit), brąz,Odporność na ścieranie – np.; węgliki wolframu, węgliki chromu, tlenek chromu,Cieplna i elektryczna przewodność- np.; miedź,Izolacja cieplna i izolacja elektryczna – np.; poliamid, poliesterDobra obrabialność – np.; stale niskowęglowe, stale niskostopoweWłasności dekoracyjne- np.; cynk, brąz, mosiądz.

Powłoki wykonane z proszku na bazie: - kobaltu zapewniają odporność na korozję w wysokich temperaturach oraz wysoką odporność na zużycie erozyjne ; - węglika chromu zapewniają odporność na zużycie przez tarcie, kawitację i erozję metali w temperaturach 540ºC - 815ºC ; - węglika wolframu zapewniają odporność na zużycie przez tarcie w temperaturach do 500ºC

Powłoki natryskiwane HVOF, w których zastosowano proszki na bazie: - miedzi - charakteryzuje dobra przewodność cieplna i elektryczna; - niklu - charakteryzuje wysoka przyczepność do podłoża, żaroodporność, odporność na korozję.

NATRYSKIWANE POWŁOKI:

Dobór elementu do natryskiwania cieplnego:

Rys.11. 1 Schemat turbiny M501J. Źródło [6]

Przemysłowa turbina gazowa Mitsubishi M501Parametry pracy:

-prędkość obrotowa 3600 rpm-moc wyjściowa 470MW-skuteczność 61%-temperatura pracy 1600 stopni C

Rys.11.2 Schemat turbiny M501J. Źródło [6]

Schemat Turbiny M501J

Natryskiwanie łopatki turbiny parowej – metoda HVOFPrzygotowanie elementu: Piaskowanie: Powierzchnia czyszczona jest sprężonym strumieniem wody z domieszką ścierniwa (garnet) jest to tzw obróbka hydrościerna. Metoda ta nie uszkadza struktury materiału. Spłukiwanie a następnie suszenie w suszarce.

Natryskiwanie naddźwiękowe HVOF

Natryskiwanie HVOF łopatek turbiny parowej

Rys.12. Natryskiwanie HVOF. Źródło [3]

Łopatka turbiny z białą ceramiczną powłokową barierą cieplną ,warstwą bazującą na cyrkonie

Rys.11.3 Łopatka turbiny pokryta TBC. Źródło [8]

POWŁOKOWE BARIERY CIEPLNE TBC

TBC jest skrótem pojęcia Thermal Barrier Coating oznacza powłoki, które dzięki niskiej przewodności cieplnej stanowią barierę oddzielającą powierzchnię elementów od strumienia gorących gazów.

Natryskujemy łopatkę turbiny aby poprawić jej właściwości

Rys.12.1 Odporność na wysoką temperaturę. Źródło [6]

WARSTWA GRUBOŚĆ

TBC 100-400 µm

TGO 1-10 µm

Międzywarstwa 100 µm

Struktura powłokowej bariery cieplnej

Stanowisko do natryskiwania cieplnego HVOF.

Zastosowania

Turbina gazowa do zastosowań energetycznych

•Stacjonarne (energetyka): •elektrownie •elektrociepłownie

•Transport: •wodny (oceaniczny, morski, rzeczny); •lądowy (drogowy, kolejowy); •powietrzny (silnik turbowentylatorowy, turbośmigłowy, turboodrzutowy, śmigłowcowy);

•Pojazdy wojskowe (lądowe, wodne, powietrzne);

•Urządzenia pomocnicze:

•turbosprężarki doładowujące silnik tłokowy, •rozruszniki głównych silników lotniczych.

LITERATURA.

[1] http://www.metallisation.sciteex.com/[2] http://www.resurs.pl/natryskiwanie/natryskiwaniehvof-przyklady3.htm[3] http://www.resurs.pl/natryskiwanie/natryskiwaniehvof-przyklady4.htm[4] http://www.openaccesslibrary.com/vol05/5.pdf[5] http://pkaero.prz.edu.pl/sprawozdania/1-konferencja/zb10.pdf[6] http://www.mhi-lobal.com/company/technology/review/pdf/e503/e503001.pdf[7] http://www.fst.nl/flame-powder-spraying/[8] http://www.dlr.de/wf/en/desktopdefault.aspx/tabid-1694/2303_read-4863/