Теплофизические характеристики HVAF-покрытия из квазикристаллического сплава системы Al-Cu-Fe

Abstract

В статье представлены результаты определения коэффициента теплопроводности квазикристаллических покрытий системы Al-Cu-Fe в диапазоне температур до 900 °С. Квазикристаллический сплав Al-Cu-Fe приобрел большой интерес для практического использования как материал для получения защитных покрытий. Сплав Al-Cu-Fe применяется для получения термобарьерных покрытий в двигателях внутреннего сгорания, антипригарных покрытий на оборудовании химического синтеза и пищевой промышленности, а также для предотвращения обледенения в авиации. Квазикристаллы системы Al-Cu-Fe имеют низкую плотность, высокую твердость, высокий модуль упругости, высокие значения коррозионностойкости и износостойкости, низкий коэффициент трения, пониженную адгезию, низкую теплопроводность в сочетании с коэффициентом теплового расширения, который близок по своей величине к некоторым металлам. Для напыления использовали порошок состава Al63Cu25Fe12 дисперсностью +40/–63 мкм, полученный распылением расплава водой высокого давления и имеющий содержание квазикристаллической фазы около 60 вес. %. Покрытия наносили на торец цилиндрической подложки из стали 45 (диаметр – 25 мм, высота – 10 мм), который перед напылением подвергали струйно-абразивной обработке порошком корунда с определяющим размером частиц 1 мм при давлении распыляющего воздуха 0,5 МПа. Покрытие Al-Cu-Fe толщиной более 0,8 мм было нанесено методом высокоскоростного воздушно-топливного напыления (high-velocity air-fuel (HVAF) spraying) с использованием горелки ГВО-РВ12 при следующем режиме напыления: давление в камере сгорания горелки 1,0 МПа; коэффициент избытка окислителя α ≈ 1,2, дистанция напыления – 270 мм. Образцы устанавливали на боковой поверхности барабана (диаметр 120 мм), вращающегося со скоростью 2,0 об/с (скорость перемещения пятна напыления – 0,8 м/с). Напыление производили в три захода по 10 секунд каждый и с выдержкой для охлаждения по 30 секунд между ними. Определение температурной зависимости теплопроводности покрытия проводили путем решения обратной задачи теплопроводности по одномерным полям температуры в образцах, полученных односторонним струйным нагревом промышленным факелом горячего воздуха (при температурах поверхности до 450 °С) и кислородно-пропановой сварочной горелки (при температуре выше 450 °С). Показано, что значения коэффициента теплопроводности квазикристаллических покрытий и Al-Cu-Fe в диапазоне 20 °С…900 °С изменяются в пределах λ = 1,9 – 2,31 Вт/(м К).

У статті наведено результати визначення коефіцієнта теплопровідності квазікристалічних покриттів системи Al-Cu-Fe в діапазоні температур до 900 °С. Квазікристалічний сплав Al-Cu-Fe набув великого інтересу для практичного використання як матеріал для отримання захисних покриттів. Сплав Al-Cu-Fe застосовується для отримання термобар'єрних покриттів у двигунах внутрішнього згоряння, антипригарних покриттів на обладнанні хімічного синтезу та харчової промисловості, а також для запобігання зледеніння в авіації. Квазікристали системи Al-Cu-Fe мають низьку щільність, високу твердість, високий модуль пружності, високі значення корозійностійкості та зносостійкості, низький коефіцієнт тертя, знижену адгезію, низьку теплопровідність у поєднанні з коефіцієнтом теплового розширення, який близький за своєю величиною до деяких металів. Для напилення використовували порошок сплаву складу Al63Cu25Fe12 дисперсністю +40/-63 мкм, отриманий розпиленням розплаву водою високого тиску і вміст квазікристалічної фази близько 60 ваг. %. Покриття наносили на торець циліндричної підкладки зі сталі 45 (діаметр – 25 мм, висота – 10 мм), який перед напилюванням піддавали струминно-абразивної обробки порошком корунду з визначальним розміром частинок 1 мм при тиску повітря, що розпилює, 0,5 МПа. Покриття Al-Cu-Fe товщиною понад 0,8 мм було нанесено методом високошвидкісного повітряно-паливного напилення (high-velocityair-fuel (HVAF) spraying) з використанням пальника ГВО-РВ12 при наступному режимі напилення: тиск у камері згоряння пальника 1,0 МПа; коефіцієнт надлишку окислювача ≈ 1,2, дистанція напилення – 270 мм. Зразки встановлювали на бічній поверхні барабана (діаметр 120 мм), що обертається зі швидкістю 2,0 об/с (швидкість переміщення плями напилення – 0,8 м/с). Напилення виконували в три заходи по 10 секунд кожен і з витримкою для охолодження по 30 секунд між ними. Визначення температурної залежності теплопровідності покриття проводили шляхом вирішення зворотного завдання теплопровідності за одномірними полями температури у зразках, отриманих одностороннім струминним нагріванням промисловим факелом гарячого повітря (при температурах поверхні до 450 °С) і киснево-пропанового зварювального пальника (при температурі вище ). Показано, що значення коефіцієнта теплопровідності квазікристалічних покриттів Al-Cu-Fe в діапазоні 20 °С…900°С змінюються в межах λ=1,9– 2,31 Вт/(мК).