Высокоскоростное газотермическое напыление: HVOF и HVAF

HVOF (High-Velocity Oxy-Fuel — высокоскоростное газокислородное напыление) и HVAF (High-Velocity Air-Fuel — высокоскоростное газовоздушное напыление) — передовые технологии газотермического нанесения покрытий. Они используют кинетическую энергию сверхзвуковой струи для получения сверхплотных покрытий с исключительно высокой прочностью сцепления с основой.

Принцип работы HVOF и HVAF

• Горение под давлением: в закрытую камеру сгорания распылителя непрерывно подаются газы под высоким давлением.
• HVOF: используются газообразное или жидкое топливо — пропан, пропилен, водород или керосин — и чистый кислород.
• HVAF: используются топливный газ и сжатый воздух.
• Сверхзвуковое ускорение: продукты сгорания расширяются в сопле Лаваля, достигая сверхзвуковой скорости 1 000–2 000 м/с.
• Подача порошка: мелкодисперсный порошок подаётся в сопло, где частицы нагреваются до пластичного состояния, зачастую без полного расплавления.
• Удар и деформация: частицы ударяются об основу с чрезвычайно высокой скоростью. Их высокая кинетическая энергия обеспечивает прочное сцепление и формирование исключительно плотного покрытия практически без пор.

Основные различия между HVOF и HVAF

• Температура пламени: благодаря использованию кислорода температура в процессе HVOF достигает 3 000 °C. В процессе HVAF она ниже — около 2 000 °C, поскольку воздух содержит примерно 78 % азота, который снижает температуру пламени.
• Скорость частиц: HVAF обеспечивает более высокую скорость частиц, компенсируя более низкую температуру большей энергией удара.
• Окисление порошка: при HVAF окисление материала значительно снижается благодаря более низкой рабочей температуре и присутствию азота в технологическом воздухе. В результате покрытия HVAF содержат меньше оксидов и обладают большей твёрдостью.
• Эксплуатационные затраты: эксплуатация оборудования HVAF значительно дешевле, поскольку не требует дорогостоящего технического кислорода.

Преимущества

• Исключительно высокая прочность сцепления: прочность сцепления превышает 70–80 МПа и часто оказывается выше предела прочности клея, используемого при испытаниях на отрыв.
• Минимальная пористость: относительная плотность покрытия может достигать 99,5 % и более.
• Низкие термические напряжения: в покрытиях формируются остаточные напряжения сжатия, что позволяет наносить толстые слои с низким риском отслаивания.
• Сохранение фазового состава: карбидные материалы, такие как WC–Co, устойчивы к разрушению и разложению в процессе напыления.

Недостатки и ограничения

• Высокая стоимость оборудования: процесс требует сложных систем управления подачей газов, мощных роботизированных манипуляторов и звукоизолированных камер.
• Шум: уровень звукового давления сверхзвуковой струи может достигать 130–140 дБ.
• Геометрические ограничения: для эффективного нанесения покрытия обычно требуется угол напыления 45–90° к поверхности. Обработка внутренних поверхностей труб крайне затруднена.

Области применения

• Нефтегазовая отрасль: защита шаровых кранов, задвижек и бурового инструмента от гидроабразивного износа.
• Гидроэнергетика: нанесение покрытий на лопатки гидротурбин для защиты от кавитации.
• Металлургия: нанесение покрытий на прокатные валки для защиты от интенсивного абразивного износа.
• Авиакосмическая отрасль: замена экологически опасного гальванического твёрдого хромирования на деталях шасси и валах двигателей.