Металлокерамические покрытия

Инжиниринг металлокерамических покрытий из карбидов вольфрама и хрома для защиты от абразивного, эрозионного и гидроабразивного износа.

Эрозионный износ

Эрозионный износ – потеря материала, происходящая из-за повторяющихся воздействий небольших твёрдых частиц. Эрозионный износ может напоминать абразивный износ, когда твёрдые частицы минимального размера являются разрушающим агентом, угол соударения низкий, и скорость соударения порядка 100 м/с.

Эрозийный износ разделяют на несколько механизмов, которые в значительной степени зависят от материала и размеров частиц и от их угла и скорости соударения.

Механизмы эрозийного износа определяются углом, под которым частица соударяется с поверхностью, её скоростью, размером и материалом поверхности. Угол соударения - угол между поверхностью и траекторией частицы непосредственно перед соударением. Небольшие углы соударения приводят к износу, сходному с абразивным, потому что частицы двигаются по поверхности после соударения. Большой угол соударения вызывает механизмы износа, которые типичны для эрозии.

Существуют два режима эрозийного износа, называемые пластичным (при умеренных скоростях воздействующих частиц) и ломким. Пластичный режим эрозийного износа зависит от касательного перемещения воздействующей частицы по поверхности износа, вызывающего срезание материала. Подобное касательное перемещение характеризуется очень небольшим углом соударения. При угле соударения, равном нулю частица не будет обладать никакой кинетической энергией, необходимой для её проникновения в материал и образование углубления. Максимум воздействия при пластичном режиме эрозийного износа обычно находится близко к углу 30°. Для ломкого режима эрозийного износа максимум воздействия происходит приблизительно при 90°, когда кинетическая энергия соударения максимальна.

Так как эрозионное повреждение происходит из-за динамического воздействия частиц на твёрдую поверхность, характеристики частиц, и материала основания, на который эти частицы воздействуют, совместно ответственны за эрозионный износ.

Факторы, определяющие эрозионный износ:

● характеристики частиц (скорость, угол соударения, форма, размер, твёрдость, концентрация, материал и т.д.);

● характеристики материала основания (химия, упругие свойства, твёрдость, поверхностная морфология и т.д.)

Требования к покрытиям:

● минимальная пористость – при использовании высокоскоростного метода напыления возможно получение покрытия с пористостью менее 3%.

● оптимальная твёрдость покрытия – степень износа зависит от твёрдости материала, более точно от соотношения твёрдость материала/твёрдость эрозийных частиц. Если твёрдость материала меньше твёрдости частиц - произойдёт микросрезание материала. Если материал твёрже, удаления материала не будет и механизм эрозионного износа будет усталостным. При малых углах соударения твёрдость должна быть высокой и, соответственно выше, чем у эрозийных частиц. При больших углах твёрдость необходимо оптимизировать.

● оптимальная микроструктура – при условиях эрозионного износа предпочтительны покрытия с композитной структурой: очень твёрдая фаза (карбиды, нитриды и т.д.) в относительно твёрдой металлической матрице. Основываясь на различных механизмах эрозионного воздействия можно выделить оптимальную структуру покрытия. В случае наклонного воздействия эрозийных частиц (малые и средние углы соударения), когда степень износа уменьшается с увеличением твёрдости и доминирует механизм микросрезания, предпочтительна структура с содержанием твёрдой фазы более 50%. При нормальных условиях эрозионного износа лучше работают дисперсионно упрочнённые металлы или композиты с металлической матрицей с содержанием твёрдой фазы менее 50%. При смешанных условиях эрозионного износа выбор за структурами покрытий на основе матрицы Co(Ni), содержащей агломерированные гранулы или отдельные частицы карбида вольфрама WC-Co.

● вязкость материала покрытия – одна из важных характеристик покрытия, определяющая устойчивость к эрозионному износу. При небольших углах соударения происходит зарождение и распространение трещин, которые уменьшают эрозионную устойчивость, так как уменьшается устойчивость к сдвиговым напряжениям, появляющимся после соударения.

При выборе покрытия, устойчивого к эрозионному износу, необходимо принимать во внимание следующее:

  • при небольших и средних углах соударения, при доминировании механизма микросрезания, наиболее существенным является твёрдость покрытия.

  • При нормальных углах соударения (более 60 градусов) более важна величина вязкости и усталостные характеристики материала покрытия.

  • При высокоэнергетическом воздействии эрозийных частиц, сопровождающимся хрупким разрушением материала и отделением частиц карбида или их фрагментации, значение вязкости становится наиболее существенной характеристикой.

 
Наиболее применяемые покрытия:

● самофлюсующиеся сплавы, наносимые методом газопламенного напыления с последующим оплавлением либо методом высокоскоростного напыления без оплавления;

● керметы - карбид вольфрама с матрицей из кобальта (WC-Co) нанесённый детонационным или высокоскоростным методами напыления, карбид хрома/никель хром;

● высоколегированные стали;

● оксиды: Cr2O3, Al2O3 и его смеси с TiO2.

 

Гидроабразивная эрозия, гидроэрозионный износ

Гидроабразивная эрозия – одна из форм эрозионного износа. Происходит из-за динамического воздействия на твёрдые поверхности взвешенных абразивных частиц, переносимых вместе с жидкостью. Износ происходит главным образом из-за взвешенных в жидкости частиц, обладающих кинетической энергией, подверженных влиянию силы тяжести, вязкости, турбулентности и кавитации. Механизмы гидроабразивной эрозии сходны с механизмами эрозии твёрдыми частицами.

Факторы, определяющие гидроэрозионный износ:

● характеристики частиц находящихся в потоке (форма, размер, твёрдость, концентрация, материал и т.д.);

● характеристики жидкостей (скорость, ускорение, угол удара, среда потока, температуры, турбулентность и т.д.);

● характеристики материала основания (химия, упругие свойства, твёрдость, поверхностная морфология и т.д.).

Поскольку при гидроабразивной эрозии появляется новый фактор, существенно влияющий на степень износа – жидкость, переносящая абразивные частицы, необходимо принимать во внимание новые, характерные для этого типа износа переменные.

Концентрация частиц - один из доминирующих факторов, влияющих на степень гидроабразивного износа. Концентрация - полная масса (или объем) переносящихся частиц, существующих в единице массы (или объёма) жидкости. Степень гидроабразивного износа пропорциональна концентрации до определённого предельного значения износа. Это значение является результатом интерференции между рикошетирующими и прибывающими частицами. Также возможно уменьшение степени износа, когда превышено ограничение по потоку.

Главные характеристики потока жидкости включают скорость и ускорение потока жидкости переносящей частицы, угол соударения, среда потока, температура, и турбулентность. Каждый фактор оказывает значительное воздействие на характер гидроабразивного износа. Интенсивность эрозии обычно пропорциональна третьей степени скорости жидкости, несущей взвешенные частицы. Любое уменьшение скорости существенно снижает эрозионные повреждения. Например, 10% уменьшение скорости воды снизит эрозию, по крайней мере, на 27%.

Основная масса эрозийных агентов передаются средой, например, водой. Смесь эрозийных частиц и жидкой среды известна как гидросмесь. Характеристики среды оказывают сильное влияние на конечную степень износа. Влияющие факторы - физические свойства среды, то есть, вязкость, плотность и турбулентность, и химические свойства - коррозионность и способность смазки. Способность жидкой среды охлаждать частицы во время соударения также важна. С точки зрения физических свойств силы лобового сопротивления вязкой гидросмеси могут воздействовать на степень износа, изменяя угол соударения частиц.

Турбулентность среды ускоряет эрозионный износ, поскольку соударение частиц с большей вероятностью произойдёт в турбулентном потоке, чем в ламинарном, где среда имеет тенденцию к переносу частиц параллельно поверхности.

Эрозионная стойкость связана с механическими свойствами материала в целом. Но различия в эрозионной стойкости стали различной твёрдости и сплавов не значительны. С точки зрения эрозионного износа материал можно классифицировать как металлы, керамика и полимеры. Механизм эрозии металлов и сплавов - в основном царапание, у чистой керамики это отделение частиц. С другой стороны, эрозия керметов идёт через удаление связующей матрицы.

Эрозионная устойчивость материала может быть улучшена либо созданием чрезвычайно твёрдой поверхности (например, металл и керамика) либо получением прочной поверхности, но с чрезвычайно низким модулем упругости так, чтобы кинетическая энергия соударяющихся частиц рассеивалась, как в резине.

Стали - наиболее используемый конструкционный материал, стойкий к различным окружающим средам. Максимальная эрозия пластичного материала при низких углах соударения (приблизительно 30°) происходит из-за глубокого и поверхностного растрескивания.

Композиционные материалы на основе карбидов или керметы, состоящие из частиц карбида, объединённых металлической матрицей. Карбиды имеют хорошую эрозионную стойкость, когда материал матрицы - металл. У покрытий из карбида вольфрама, WC-М (где М - Со, Ni, Cr, Мо или их комбинации) лучшая эрозионная стойкость, чем у чистых металлов. Карбид вольфрама с кобальтовой связкой широко используется в гидроэнергетике. Но в коррозийных средах, когда WC-Со находится в контакте с нержавеющей сталью, Со действует как анод, а сталь - как катод и следовательно, скорость коррозии Cо увеличивается. Коррозионная устойчивость такой матрицы улучшается добавкой Cr в матрицу.

В таблице приведена выборка результатов испытаний на гидроабразивный износ.

Таблица  "Результаты испытания на эрозионный износ"

Материал

Процесс

Плотность

(г/см3)

Средняя потеря массы 10 мин (мг)

Средняя потеря массы 30 мин (мг)

Средняя потеря массы 60 мин (мг)

Средняя потеря объёма 60 мин (мм3)

Относит. потеря объёма по сравнению с ASTM A572

ASTM A572

Литой сплав

7,8

24

75,9

153,7

19,7

1

 

 

 

 

 

 

 

 

Нержавеющая сталь 304

Прокат

7,91

14,7

41,6

88,4

11,17

0,6

316 Нерж. сталь

Прокат

7,91

14,1

39,9

75,2

9,5

0,48

 

 

 

 

 

 

 

 

308 Нерж. сталь

Наплавка

7,91

12,2

37,7

73

9,22

0,46

310 Нерж. сталь

Наплавка

7,91

14

44,8

83,7

10,58

0,53

 

 

 

 

 

 

 

 

Co29.5Mo8.5Cr2.6Si (Tribaloy T-400)

Плазма

9

28,6

77,8

144,9

16,95

0,9

Co28Mo17Cr3.4Si (Tribaloy T-800)

Плазма

8,55

49,4

121,1

27,2

27,2

1,4

 

 

 

 

 

 

 

 

Co29.5Mo8.5Cr2.6Si (Tribaloy T-400)

HVOF

9

19,6

60,1

114,5

13,39

0,7

Co28Mo17Cr3.4Si (Tribaloy T-800)

HVOF

8,65

13,8

32,8

55,6

6,76

0,3

Co29Cr4W1.1Si1.2C (Stellite 6)

HVOF

8,38

7,7

23

42,5

5,33

0,3

WC-12Co

HVOF

13,2

3,7

7,4

13,3

1,06

0,13

 

Результаты показывают, что газотермические покрытия, нанесённые методом высокоскоростного газопламенного напыления, HVOF или HVAF, в условиях гидроабразивной эрозии работают намного лучше, чем углеродистые и нержавеющие стали. Среди исследованных покрытий первое место, безусловно, принадлежит керметам на основе карбида вольфрама. Устойчивость к гидроабразивной эрозии газотермических покрытий зависит от многочисленных свойств, таких как композиция покрытия, природа фаз и их распространение, микроструктура, пористость и остаточные напряжения. Все эти свойства, в свою очередь, определяют твёрдость покрытия, которое традиционно используется как основной параметр для оценки сопротивления износу.

Керметы

Типичные износостойкие покрытия базируются на керметах (керамо-металлических композитах) состоящих из металлической матрицы (Co, Cr, Ni или их комбинация) и твёрдой фазы (WC, Cr3C2, TiC). Фаза карбида обеспечивает высокую твёрдость и устойчивость к износу, более мягкая матрица увеличивает ударную вязкость композита и устойчивость к механическим и термическим ударам.

У широко используемых систем WC-Co композиционный диапазон обычно составляет - WC 86-88%, Со 6-17% с или без добавки Cr 1.5-8%. Теоретически содержание Со может быть 20 и 27%. В факеле при напылении карбид вольфрама взаимодействует с металлической матрицей, в основном состоящей из Со, чтобы сформировать трёхкомпонентные карбиды или смешанные составы W-C-M, где М. может быть Со, CoCr, Ni, и т.д. При перегреве WC может подвергаться декарбонизации, формируя металлический W или вторичный карбид W2C, чего обычно стараются избегать.

Мы выполняем опытные и исследовательские работы по подбору покрытий, поставляем оборудование для напыления металлокерамических покрытий под ключ, ставим технологии нанесения и обработки покрытий из керметов.

 

Заказать

Разработка сайта - Пять Пика Ру