ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΘΕΡΜΙΚΟΣ ΨΕΚΑΣΜΟΣ και ΑΝΑΓΟΜΩΣΗ

Transcript

1 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΘΕΡΜΙΚΟΣ ΨΕΚΑΣΜΟΣ και ΑΝΑΓΟΜΩΣΗ

2 Εισαγωγή

3 Εισαγωγή Η αύξηση των τιμών των παραμέτρων λειτουργίας των στοιχείων μηχανών και συσκευών (μεγάλες φορτίσεις, ταχύτητες και θερμοκρασίες) προξενεί την επιταχυνόμενη φθορά τους. Ο οικονομικότερος τρόπος αποκατάστασης των ιδιοτήτων χρήσης είναι η αναγέννηση με την εναπόθεση επιστρώσεων. Η εναπόθεση επιστρώσεων πετυχαίνεται με θερμικό ψεκασμό ή αναγόμωση.

4 Εισαγωγή

5 Εισαγωγή

6 Εισαγωγή Ανεξάρτητα από την εφαρμογή της αναγόμωσης στα φθαρμένα αντικείμενα, αυτή η τεχνική εφαρμόζεται όλο και περισσότερο για την παραγωγή νέων εξαρτημάτων μηχανών και συσκευών. Έτσι είναι δυνατόν να παραχθούν βαλβίδες κινητήρων εσωτερικής καύσης, εξατμιστήρες κινητήρων αερωθούμενων, έλαστρα με κεραμική επικάλυψη κ.α.

7 Εισαγωγή

8 Εισαγωγή

9 Εισαγωγή

10 Εισαγωγή

11 Εισαγωγή

12 Εισαγωγή

13 Εισαγωγή

14 Εισαγωγή

15 Εισαγωγή

16 Εισαγωγή

17 Εισαγωγή

18 Εισαγωγή

19 Εισαγωγή

20 Εισαγωγή

21 Εισαγωγή

22 Θερμικός ψεκασμός ΟόροςΘερµικός Ψεκασµός (Thermal Spray) περιγράφει µια οµάδα κατεργασιών απόθεσης, κατά τις οποίες κεραµικά ή µεταλλικά σωµατίδια, ή και µίγµα τους, σε λεπτοµερή διαµερισµό, διοχετεύονται σε ρεύµα αερίου υψηλής θερµοκρασίας και αποτίθενται στην προς επικάλυψη επιφάνεια σε κατάσταση πλήρους ή µερικής τήξης. Εκεί στερεοποιούνται ταχύτατα παρέχοντας το επιδιωκόµενο επίστρωµα.

23 Θερμικός ψεκασμός

25 Θερμικός ψεκασμός Το υλικό απόθεσης παρέχεται υπό µορφή σκόνης, σύρµατος ή ράβδου, απ όπου εξάγονται τα προς απόθεση σωµατίδια. Λόγω των χαµηλών θερµοκρασιών που αναπτύσσονται στο υπόστρωµα, κατά τον ψεκασµό, (ως 200 ºC) οι τεχνικές αυτές είναι κατάλληλες για την κάλυψη υλικών χαµηλού σηµείου τήξης, π.χ. θερµοσκληρυνόµενων πολυµερών.

29 Θερμικός ψεκασμός Tα λαµβανόµενα επιστρώµατα, -µε σύνηθες πάχος από 50 µm έως µερικά εκατοστά,- βρίσκουν ευρύτατες εφαρµογές που σχετίζονται µε την προστασία από φθορά λόγω τριβής και µηχανικής διάβρωσης, την προστασία από διάβρωση και οξείδωση σε υψηλές θερµοκρασίες, τη θερµική και ηλεκτρική µόνωση, τη βιοσυµβατότητα και την υπεραγωγιµότητα.

30 Θερμικός ψεκασμός Ειδικότερα, οι κεραµικές επικαλύψεις θερµικού ψεκασµού χρησιµοποιούνται, κυρίως, για την προστασία από φθορά και ως θερµικά φράγµατα, στην αεροναυπηγική, την αυτοκινητοβιοµηχανία, τη βιοµηχανία κατασκευής σκαπτικών εργαλείων, εργαλείων επεξεργασίας βιοµηχανικών ορυκτών και µεταλλευµάτων, τη χαρτοβιοµηχανία, την κλωστοϋφαντουργία, κλπ.

31 Θερμικός ψεκασμός Ο θερμικός ψεκασμός χαρακτηρίζεται από την έλλειψη διείσδυσης στο βασικό υλικό, ενώ η ψεκασμένη επίστρωση συνδέεται με το βασικό υλικό είτε μηχανικά είτε με πρόσφυση. Ηπηγή θερμότητας τήξης του πρόσθετου υλικού (σε μορφή σύρματος, ράβδου ή σκόνης) είναι η φλόγα αερίων οξυγόνου - ασετυλίνης, το ηλεκτρικό τόξο ή το τόξο πλάσματος.

34 Θερμικός ψεκασμός Ανάλογα με την εφαρμοσμένη τεχνολογία ψεκασμού, οι εναποτιθέμενες επιστρώσεις έχουν πάχη από 0,01 έως 0,5mm με ένα πέρασμα και με απόδοση που φτάνει μέχρι 50kg/h. Το χαρακτηριστικό των εναποτιθέμενων επιστρώσεων με θερμικό ψεκασμό είναι το πορώδες (μέχρι 10%) και η μερική οξείδωση.

39 Θερμικός ψεκασμός με αέρια (FLSP) Ο θερμικός ψεκασμός με αέρια είναι διαδικασία εναπόθεσης επιστρώσεων από μέταλλα, μη μεταλλικών ενώσεων, κεραμικών ή σύνθετων υλικών σε ρευστή κατάσταση στο μεταλλικό (ή μη μεταλλικό) υπόστρωμα, με σκοπό την επίτευξη στο υπόστρωμα προστατευτικής επίστρωσης ή διαμόρφωσης αντικειμένων με σύνθετη μορφή. Η πηγή θερμότητας είναι η φλόγα αερίων που επιτυγχάνεται με την καύση τουοξυγόνουμεκαύσιμοαέριο(π.χ. ασετυλίνη, προπάνιο, βουτάνιο, υδρογόνο κ.α.).

40 Θερμικός ψεκασμός με αέρια (FLSP) Οι φυσικές και μηχανικές ιδιότητες των ψεκασμένων μετάλλων και κραμάτων είναι δυνατόν να διαφέρουν σημαντικά από το αρχικό υλικό. Η ψεκασμένη μεταλλική ή κεραμική επίστρωση έχει ανομοιογενή δομή, πορώδη και περιέχει κάποια ποσότητας οξειδίων. Το πορώδες της επίστρωσης αποκτά τιμή μέχρι και 12%, ανάλογα με το είδος του ψεκασμένου υλικού, τη χρησιμοποιούμενη τεχνική και τις παραμέτρους ψεκασμού.

41 Θερμικός ψεκασμός με αέρια (FLSP) με χρήση σύρματος Ο θερμικός ψεκασμός με αέρια, με χρήση σύρματος, συνίσταται στην τήξη και κονιορτοποίηση στη φλόγα, σύρματος, τροφοδοτούμενο κατά συνεχή τρόπο. Το κονιορτοποιημένο μέταλλο εκτοξεύεται με ροή αέρος στο υπόστρωμα.

42 Θερμικός ψεκασμός με αέρια (FLSP) με χρήση σύρματος Τα πιστόλια είναι προσαρμοσμένα για κάθε καύσιμο αέριο. Μια τυπική κατασκευή πιστολιού αποτελείται από: Το σύστημα τροφοδοσίας του σύρματος (ηλεκτρικό ή πνευματικό), Την κεφαλή του αερίου, που ελέγχει τη ροή του καύσιμου αερίου, του οξυγόνου και του πεπιεσμένου αέρα.

43 Θερμικός ψεκασμός με αέρια (FLSP) με χρήση σύρματος

45 Θερμικός ψεκασμός με αέρια (FLSP) με χρήση σύρματος Η λειτουργία των πιστολιών ψεκασμού με αέρια επιτυγχάνεται χειρονακτικά ή κινούμενα σε σουπόρτ (support) και αυτά έχουν βάρος συνήθως 1,5 έως 3kg. Τα χρησιμοποιούμενα σύρματα έχουν διάμετρο μέχρι 4,8mm. Για μεγαλύτερη απόδοση ψεκασμού, για αντικείμενα μεγάλων διαστάσεων, εφαρμόζεται ψεκασμός ημιαυτόματος με σύρματα διαμέτρου 4,8mm.

46 Θερμικός ψεκασμός με αέρια (FLSP) με χρήση σύρματος Ο θερμικός ψεκασμός με αέρια, με χρήση σύρματος, συνίσταται στην τήξη και κονιορτοποίηση στη φλόγα, σύρματος, τροφοδοτούμενο κατά συνεχή τρόπο. Το κονιορτοποιημένο μέταλλο εκτοξεύεται με ροή αέρος στο υπόστρωμα.

48 Θερμικός ψεκασμός με αέρια (FLSP) με χρήση σύρματος Η διαδικασία ψεκασμού δεν ασκεί αρνητική επίδραση στις ιδιότητες του υποστρώματος, στο οποίο η θερμοκρασία κατά τον ψεκασμό δεν υπερβαίνει τους 160 έως 200 o C. Προβλέπεται όμως αρχική προθέρμανση μέχρι 100 o C, με σκοπό την αποφυγή της υγρασίας, η οποία μπορεί να συσσωρευθεί στην επιφάνεια του αντικειμένου και να ελαττώσει τις διαφορές της θερμικής διαστολής του εναποτιθέμενου επιστρώματος επί της επιφάνειας του αντικειμένου.

49 Θερμικός ψεκασμός με αέρια (FLSP) με χρήση κονιάματος Ο θερμικός ψεκασμός με αέρια με χρήση κονιάματος (σκόνης) συνίσταται στην τροφοδοσία μεταλλικού κονιάματος στη φλόγα αερίου, στην οποία τήκεται και με την πίεση των αερίων της φλόγας εκτοξεύεται στο αντικείμενο. Επιτυγχάνεται ψεκασμός χειρονακτικός ή αυτόματος με απόδοση 3kg/h και με όλα τα αέρια καύσης.

50 Θερμικός ψεκασμός με αέρια (FLSP) με χρήση κονιάματος

51 Θερμικός ψεκασμός με αέρια (FLSP) με χρήση κονιάματος

52 Θερμικός ψεκασμός με αέρια (FLSP) με χρήση κονιάματος Για τον ψεκασμός χρησιμοποιείται κονίαμα με κοκκομετρία 0,1 έως 0,15mm, παρόλο που σε μερικές περιπτώσεις χρησιμοποείται και χοντρότερος κόκκος από 0,1 έως 0,4mm ή πολύ λεπτός από 0,01 έως 0,04mm. Συνηθέστερα χρησιμοποιούνται κονιάματα από χάλυβα ανθεκτικό στη διάβρωση και πυρίμαχα κράματα με βάση το νικέλιο, το χρώμιο, το κοβάλτιο, το πυρίτιο, το βόριο, το καρβίδιο του βολφραμίου κ.α.

53 Θερμικός ψεκασμός με αέρια (FLSP) με χρήση κονιάματος Ανάλογα με τις απαιτήσεις που επιβάλλονται για το υπόστρωμα, εφαρμόζεται ψεκασμός με αέρια με χρήση κονιάματος εν ψυχρώ ή εν θερμώ.

54 Θερμικός ψεκασμός με αέρια (FLSP) με χρήση κονιάματος εν ψυχρώ Ο θερμικός ψεκασμός με αέρια με χρήση κονιάματος εν ψυχρώ είναι τεχνική επικάλυψης αντικειμένων που παθαίνουν φθορά πρόσφυσης. Οι επιστρώσεις είναι πορώδεις και επειδή η θερμοκρασία ψεκασμού δεν υπερβαίνει τους 350 o C δεν εμφανίζονται παραμορφώσεις ούτε μεταλλουργικές μεταβολές.

55 Θερμικός ψεκασμός με αέρια (FLSP) με χρήση κονιάματος εν θερμώ Ο θερμικός ψεκασμός με αέρια με χρήση κονιάματος εν θερμώ χρησιμοποιείται για αντικείμενα που απαιτούν υψηλή ανθεκτικότητα στη φθορά, στη διάβρωση, στην πύρωση και την δυσθραυτότητα. Ανάλογα με το είδος του υποστρώματος, εφαρμόζεται προθέρμανση μέχρι 150 έως 500 o C. Μετά την προθέρμανση εναποτίθεται λεπτό στρώμα πάχους 0,2 έως 0,5mm, με σκοπό την προστασία του υποστρώματος από την οξείδωση

56 Θερμικός ψεκασμός με αέρια (FLSP) με χρήση κονιάματος εν θερμώ και θερμαίνεται εκ νέου (600 έως 700 o C). Στη συνέχεια εναποτίθενται τα επόμενα στρώματα μέχρι την επίτευξη της επίστρωσης με τα απαιτούμενο πάχος, ενώ το πάχος καθενός στρώματος δεν πρέπει να ξεπερνά τα 2mm. Στο εναποτιθέμενο πάχος πρέπει να προβλεφθεί η ανοχή για την κατεργασία και κατά προσέγγιση ή συστολή 25%.

57 Θερμικός ψεκασμός με ηλεκτρικό τόξο (ASP) Η τεχνική περιορίζεται για εφαρµογές, στις οποίες το προς απόθεση υλικό είναι αγώγιµο. υο καταναλισκόµενα ηλεκτρόδια θερµαίνονται στο ένα άκρο τους, µέσω ωµικής αντίστασης, και τήκονται. Με τη βοήθεια πεπιεσµένου αέρα, το τηγµένο υλικό οδηγείται προς την επιφάνεια του υποστρώµατος,. Η θερµοκρασία του αέρα φτάνει τους C, ενώ η ταχύτητα των σωµατιδίων τα 240 m/s.

58 Θερμικός ψεκασμός με ηλεκτρικό τόξο (ASP)

59 Θερμικός ψεκασμός με ηλεκτρικό τόξο (ASP) Τα λαµβανόµενα επιστρώµατα εµφανίζουν, επίσης, υψηλό πορώδες (10-20%) και υψηλό ποσοστό οξειδίων (10-20%), έχουν ωστόσο καλύτερη πρόσφυση στο υπόστρωµα, λόγω της υψηλής ταχύτητας µε την οποία προσκρούουν σε αυτό.

60 Θερμικός ψεκασμός με ηλεκτρικό τόξο (ASP) Οι βασικές παράμετροι είναι: -Η τάση και η ένταση του ρεύματος -Η διάμετρος και η ταχύτητα τροφοδοσίας του σύρματος -Η πίεση διοχέτευσης του αέρα -Η απόσταση του ακροφυσίου από το υπόστρωμα -Η ταχύτητα προώθησης του πιστολιού

61 Θερμικός ψεκασμός με πλάσμα (PSP) Ο δαυλός πλάσµατος αποτελείται από δυο ηλεκτρόδια, µεταξύ των οποίων δηµιουργείται ηλεκτρικό τόξο, µε εκκένωση υψηλής συνεχούς τάσης. Αδρανές αέριο (συνήθως αργό ή µίγµα αργού µε άζωτο, ήλιο ή υδρογόνο) διοχετευόµενο µεταξύ των ηλεκτροδίων, θερµαίνεται και ιονίζεται πλήρως, δηµιουργώντας πλάσµα, το οποίο εξέρχεται του δαυλού µε τη µορφή φλόγας υψηλής θερµοκρασίας ( C) και ταχύτητας ( m/s). H σκόνη του προς απόθεση υλικού εισάγεται κάθετα στη φλόγα του πλάσµατος.

62 Θερμικός ψεκασμός με πλάσμα (PSP) Ανάλογα µε το περιβάλλον όπου λαµβάνει χώρα ο ψεκασµός, διακρίνουµε τέσσερεις κύριες παραλλαγές της τεχνικής: - Ατµοσφαιρικός ψεκασµός πλάσµατος (Air plasma spaying, APS), - Ψεκασµός πλάσµατος σε περιβάλλον αργού (argon-shrouded plasma spraying, ASPS), -Ψεκασµός πλάσµατος υπό κενό (vacuum plasma spraying, VPS) ή χαµηλή πίεση (low pressure plasma spraying, LPPS) - Ψεκασµός πλάσµατος υπό ελεγχόµενη ατµόσφαιρα (controlled atmosphere plasma spraying, CAPS).

63 Ατµοσφαιρικός ψεκασµός πλάσµατος (APS) H τεχνική χρησιµοποιείται, κυρίως, για τη δηµιουργία κεραµικών επιστρωµάτων, δεδοµένου ότι οι µεταλλικές σκόνες, στον αέρα και σε υψηλές θερµοκρασίες οξειδώνονται. Η ταχύτητα κίνησης των σωµατιδίων είναι m/s και το λαµβανόµενο επίστρωµα έχει πορώδες 8-10% και πολύ καλή πρόσφυση µε το υπόστρωµα.

64 Ατµοσφαιρικός ψεκασµός πλάσµατος (APS)

65 Ατµοσφαιρικός ψεκασµός πλάσµατος (APS)

66 Ψεκασµός πλάσµατος υπό κενό (VPS) ή χαµηλής πίεσης (LPPS) Με τις τεχνικές αυτές επιτυγχάνονται υψηλότερες ταχύτητες κίνησης των σωµατιδίων ( m/s) και το λαµβανόµενο επίστρωµα έχει ελάχιστο πορώδες (έως 2%) και ποσοστό οξειδίων (<0,5%).

67 Ψεκασµός πλάσµατος υπό ελεγχόµενη ατµόσφαιρα (CAPS). Αποτελεί την πλέον προηγµένη τεχνολογία ψεκασµού πλάσµατος, ωστόσο οι δυνατότητές της δεν έχουν ακόµη διερευνηθεί πλήρως. O ψεκασµός γίνεται σε υψηλή πίεση (4 atm), που διεκολύνει τις θερµικές ανταλλαγές µέσα στη φλόγα του πλάσµατος και επιτρέπει την οµοιογενή απόθεση και αδροµερέστερων σωµατιδίων (>100µm). Tαυτόχρονα, το αδρανές αέριο ανακυκλώνεται µέσω φίλτρων και εναλλακτών θερµότητας, υποβοηθώντας έτσι την ψύξη του υποστρώµατος και την εξοικονόµηση αερίου.

68 Θερμικός ψεκασμός υψηλής ταχύτητας με χρήση φλόγας καύσης (HVOF) Mε την τεχνική αυτή επιτυγχάνονται υπερηχητικές ταχύτητες ψεκασµού ( m/s) και θερµοκρασίες έως C, ενώ τα λαµβανόµενα επιστρώµατα έχουν χαµηλό πορώδες (1-2%), χαµηλό ποσοστό περιεχοµένων οξειδίων (1-5%) και πολύ καλή πρόσφυση στο υπόστρωµα.

69 Θερμικός ψεκασμός υψηλής ταχύτητας με χρήση φλόγας καύσης (HVOF) Οι κυριότερες παραλλαγές της τεχνικής είναι: - Ο ψεκασµός µε χρήση κάνης εκτόνωσης (detonation gun spraying, D-gun), - Η τεχνική Jet-Kote.

70 Θερμικός ψεκασμός υψηλής ταχύτητας με χρήση φλόγας καύσης (HVOF/D-GUN) Η θερµότητα παρέχεται µέσω ελεγχόµενων εκρήξεων, κατά την ανάφλεξη µίγµατος οξυγόνου-ακετυλενίου µε τη βοήθεια ηλεκτρικού σπινθήρα. Σκόνη του πρός απόθεση υλικού εισάγεται παραλλήλως του επιµήκους άξονα του κυλινδρικού δαυλού, επιταχύνεται από τα αέρια της καύσης, εξέρχεται από το δαυλό µε υπερηχητική ταχύτητα (~750 m/s) και προσπίπτοντας στην επιφάνεια του υποστρώµατος σχηµατίζει το υψηλής ποιότητας επίστρωµα.

71 Θερμικός ψεκασμός υψηλής ταχύτητας με χρήση φλόγας καύσης (HVOF/JET-KOTE) Με την τεχνική αυτή, η θερµότητα παρέχεται από ανάφλεξη µίγµατος υδρογόνου-οξυγόνου, σε θάλαµο υψηλής πίεσης. Τα καυσαέρια, που µεταφέρουν σκόνη του προς απόθεση υλικού, εξέρχονται από το δαυλό, µέσω ακροφυσίου µικρής διαµέτρου. Ετσι, επιτυγχάνονται ταχύτητες της τάξης των m/s.