Термическое напыление. Металлические и другие неорганические покрытия. Контроль цинковых, алюминиевы

Термическое напыление: Металлические и другие неорганические покрытия. Контроль цинковых, алюминиевых и их сплавов

Введение
Термическое напыление (ТН) – это группа промышленных технологий нанесения покрытий, при которых материал покрытия в виде порошка, проволоки или стержня расплавляется, диспергируется потоком газа и осаждается на подготовленную поверхность детали (подложку). Получаемые покрытия из металлов (цинк, алюминий, их сплавы, никель, медь и др.), керамик, карбидов, смесей металлов и керамик (кераметы) обладают уникальными свойствами для защиты от коррозии, износа, высоких температур, восстановления размеров или придания специальных функциональных характеристик. Особое значение имеют покрытия на основе цинка и алюминия благодаря их выдающейся коррозионной стойкости в различных средах. Однако качество и долговечность покрытия напрямую зависят от строгого контроля на всех этапах. Данная статья фокусируется на объектах, областях, методах и оборудовании для контроля цинковых, алюминиевых и их сплавов, наносимых методом термического напыления.

1. Объекты испытаний
Объектами контроля при нанесении цинковых, алюминиевых и их сплавов методом ТН являются:

1. Поверхность покрытия:
   • Внешний вид: однородность цвета, наличие дефектов (трещины, расслоения, отслоения, крупные поры, наплывы, брызги, непроплавленные частицы).
   • Шероховатость (Rz, Ra).
   • Сплошность и пористость.
   • Наличие окислов, непрореагировавших частиц.
2. Свойства покрытия:
   • Толщина: Наиболее критичным параметром для противокоррозионных покрытий Zn и Al, так как определяет срок службы защиты (особенно при отслаивающем механизме защиты цинка и барьерном - алюминия).
   • Адгезия/когезия: Прочность сцепления покрытия с подложкой (адгезия) и между частицами самого покрытия (когезия).
   • Твердость: Может влиять на износостойкость.
   • Микроструктура: Распределение фаз, размер частиц, плотность, наличие окислов, границы раздела покрытие/подложка.
   • Химический состав: Соответствие заданному составу сплава, чистота покрытия (особенно важно для сплавов типа Al-Mg, Zn-Al, Zn-Al-Mg).
   • Остаточные напряжения.
3. Подготовленная подложка:
   • Чистота поверхности после абразивоструйной обработки (степень очистки Sa 2.5 - Sa 3).
   • Шероховатость профиля (Rz), необходимая для механического зацепления покрытия.
   • Отсутствие загрязнений (масла, пыль, влага, соли).
   • Наличие активирующего подслоя (если используется).

2. Область испытаний
Контроль качества покрытий ТН проводится на различных этапах:

1. Входной контроль:
   • Проверка качества исходных материалов (проволоки, порошков): химический состав, размер частиц, форма, насыпная плотность, текучесть.
   • Контроль параметров подготовки поверхности (степень очистки, шероховатость, профиль, влажность).
2. Операционный контроль:
   • Мониторинг параметров процесса напыления (давление газов, расход, напряжение, ток, дистанция напыления, скорость перемещения, температура подложки).
   • Визуальный контроль слоя в процессе нанесения (особенно первых слоев на критичные участки).
   • Измерение толщины "на лету" или на промежуточных этапах (для многослойных покрытий или больших площадей).
3. Приемочный контроль готовых изделий:
   • Полный комплекс испытаний на соответствие требованиям технической документации:
     • Толщина (локальная и средняя по зонам).
     • Адгезия (на образцах-свидетелях или на самом изделии выборочно).
     • Внешний вид и сплошность.
     • Контроль твердости, микроструктуры (на образцах-свидетелях).
     • Контроль пористости (при необходимости).
4. Лабораторные исследования и аттестация технологий:
   • Разработка и валидация режимов напыления.
   • Определение эксплуатационных характеристик покрытий (коррозионная стойкость – солевой туман, циклы погружения и т.д., износостойкость).
   • Исследование микроструктуры и фазового состава.

3. Методы испытаний
Для контроля перечисленных объектов используются следующие основные методы:

1. Измерение толщины:

   • Магнитная индукция (ферромагнитные подложки): Основан на измерении магнитного потока через покрытие и подложку. Стандартный метод для Zn/Al покрытий на стали. Неразрушающий, портативный. Требует калибровки.
   • Вихретоковый метод (неферромагнитные подложки или покрытия): Основан на изменении импеданса катушки прибора под влиянием вихревых токов в проводящем покрытии/подложке. Применим для Al на алюминии, Zn/Al на нержавейке и т.д. Неразрушающий, портативный. Требует калибровки.
   • Ультразвуковой метод: Измеряет время прохождения ультразвукового импульса через покрытие. Может применяться на любых подложках при наличии акустического контакта. Требует точной калибровки и знания скорости звука в покрытии.
   • Микроскопический (поперечный шлиф): Золотой стандарт точности. Требует вырезания образца, приготовления поперечного шлифа, травления и измерения толщины под микроскопом по всему периметру или в заданных точках. Разрушающий, но самый точный и дающий информацию о структуре. Используется для калибровки других методов.
   • Массовый метод (весовой): Измерение увеличения массы изделия после нанесения покрытия. Точен, но требует данных о плотности покрытия и площади покрытия. Не дает локальной толщины.

2. Контроль адгезии/когезии:

   • Отрывной метод (Pull-off): Склеивание к номиналу к покрытию, отрыв с регистрацией разрушающего усилия. Наиболее прямой и широко используемый. Разрушающий, требует ровной поверхности.
   • Испытание на отслаивание (Peel Test): Применяется для покрытий на гибких подложках.
   • Испытание на решетчатые надрезы (Cross-cut test): Качественный метод оценки адгезии тонких покрытий. Надрезы делаются на покрытии до подложки, накладывается клейкая лента и резко отрывается. Оценка по степени отслоения покрытия в местах надрезов.
   • Простукивание (Tap Test): Субъективная оценка по звуку при простукивании молоточком. Обнаруживает крупные отслоения.
   • Ультразвуковой контроль: Обнаружение отслоений и непроклепов внутри покрытия или на границе с подложкой. Требует опыта оператора и калибровки.

3. Контроль пористости и сплошности:

   • Пористографические красители: Нанесение специальных проникающих или контрастных красок на поверхность покрытия с последующей визуализацией пор, выводящих краситель на поверхность после удаления излишков.
   • Испытание под давлением (PoroTest): Герметизация участка покрытия и создание вакуума или давления с индикаторной жидкостью для визуализации сквозных пор.
   • Микроскопия поперечных шлифов: Прямая оценка и измерение пористости под микроскопом.
   • Электрохимические методы: Косвенная оценка сплошности барьерных покрытий (Al) по коррозионному потенциалу или сопротивлению поляризации.

4. Контроль твердости:

   • Микротвердость (Виккерс, Кнуп): Измерение на поперечном шлифе покрытия. Используются малые нагрузки для минимизации влияния подложки и пористости. Наиболее адекватный метод для ТН покрытий.

5. Контроль химического состава и микроструктуры:

   • Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) с энергодисперсионным рентгеновским микроанализом (ЭДС): Анализ микроструктуры, морфологии частиц, распределения элементов по сечению покрытия и определение локального химического состава.
   • Металлографический анализ (оптическая микроскопия): Исследование структуры на поперечных шлифах после травления.

4. Испытательное оборудование
Контроль качества покрытий ТН требует использования специализированного оборудования:

1. Для измерения толщины:
   • Портативные толщиномеры: магнитной индукции, вихретоковые, ультразвуковые.
   • Металлографические микроскопы с измерительными окулярами или цифровыми системами анализа изображений.
   • Весы аналитические высокой точности (для массового метода).
2. Для контроля адгезии:
   • Универсальные разрывные машины с приспособлением для отрывного теста.
   • Приборы для испытания на решетчатые надрезы (специальные резаки, лупы, клейкие ленты).
   • Ультразвуковые дефектоскопы (А-сканы, фазированные решетки).
3. Для контроля пористости/сплошности:
   • Наборы пористографических красителей и проявителей.
   • Приборы для испытания под давлением/вакуумом.
   • Металлографические микроскопы и СЭМ.
4. Для контроля твердости:
   • Твердомеры микротвердости (Виккерс, Кнуп).
5. Для анализа состава и структуры:
   • Сканирующие электронные микроскопы (СЭМ) с детектором обратно-рассеянных электронов (BSE) и спектрометром ЭДС.
   • Оптические металлографические микроскопы (с проходящим/отраженным светом).
   • Оборудование для пробоподготовки: отрезные станки, заливочные прессы (для полимеров), шлифовально-полировальные станки, травильные установки.
6. Общее оборудование:
   • Эталоны толщины и шероховатости для калибровки приборов.
   • Измерители шероховатости поверхности (профилометры).

Заключение
Контроль качества цинковых, алюминиевых и их сплавов, нанесенных методом термического напыления, является неотъемлемой частью технологического процесса и гарантией долговременной и надежной работы защищенных изделий. Многообразие объектов и параметров контроля требует применения широкого спектра методов – от простых неразрушающих (толщина магнитная/вихретоковая, визуальный контроль) до сложных разрушающих лабораторных (адгезия отрывом, металлография, СЭМ/ЭДС). Выбор конкретных методов и оборудования зависит от требований технической документации, типа покрытия, подложки, размеров и формы изделия, а также необходимого уровня детализации информации о качестве покрытия. Использование современных приборов и строгое соблюдение стандартизированных методик испытаний – залог объективной оценки и обеспечения высоких эксплуатационных характеристик покрытий термического напыления цинка и алюминия.