Композиционные порошки оказываются особенно эффективными при напылении теплозащитных покрытий на детали камеры сгорания дизелей: днище поршня, крышку цилиндра и клапаны. Существует несколько вариантов покрытий из композиционных порошков на деталях камеры сгорания. На алюминиевые поршни в качестве подслоя лучше напылять экзотермически реагируемые никель-алюминиевые порошки системы А1 - 80 % Ni (плакированные) или Ni - 5 % Al (конгломератные). Для чугунных деталей более эффективным является подслой из порошка нихрома, конгломерированного с алюминием, легированным редкоземельными элементами (например, Ni - Сг - Al - Y).

Для повышения термостойкости покрытий на деталях камеры сгорания необходимо напылять промежуточные демпфирующие слои из металлокерамики. Как показали исследования, лучшими промежуточными слоями являются покрытия из плакированных оксидов циркония или алюминия. Плакированные порошки А1203 - Y203 или Zr02 - Y203 (например, никелем или никелем и алюминием) обеспечивают при низкой теплопроводности (особенно при переменном по толщине составе) высокую демпфирующую способность за счет квазипластичности пористой металлокерамики при высоких когезии и термостойкости. Верхний слой обычно напыляют чистыми оксидами, стабилизированными оксидом иттрия, например Zr02 - 20 % Y203, или порошками системы А1203 - ТЮ2, А!203 - MgO, А1203 - Zr02, Zr02 - MgO и другими оксидами и шпинелями.

Теплозащитные покрытия обеспечивают при высокой термостойкости (при толщинах 0,5-1 мм), особенно на стальных или чугунных деталях, достаточное снижение температуры. При высоких степенях турбонаддува дизеля (до 2 МПа) температура чугунных или стальных деталей (клапанов, крышек цилиндров) снижается на 40-90 °С, что обеспечивает повышение стойкости против растрескивания, разбивания седел клапанов и снижает температурные напряжения в участках с минимальной термопрочностью.

Получаемый эффект упрочнения антифрикционного покрытия в процессе приработки широко позволяет формировать боковую поверхность поршней с оптимальным профилем при минимальных зазорах.

Проведены исследования покрытия на основе сплава Al - Sn, которое напылено на боковую поверхность поршня дизеля ЧН 12/14 на толщину0,5 мм. В процессе приработки поршня диаметром119,9 мв цилиндре диаметром120 мпри полном контакте всей боковой поверхности поршня происходит интенсивная приработка его при одновременном упрочнении покрытия. При этом поршень приобретает оптимальную форму и в дальнейшем практически не изнашивается. Зазор между поршнем и гильзой в процессе приработки увеличивается незначительно и после 100 ч практически стабилизируется. Зазор приработанного поршня (0,16 мм) с покрытием на 30 % меньше, чем у серийного (0,22 мм). У головки вследствие высокой износостойкости и стойкости против прижогов и схватывания зазор уменьшается в 2,5 раза (от0,9 ммдо0,35 мм). В результате приработки боковой поверхности поршня профиль его приобретает форму, близкую к овально-бочкообразной. Несмотря на увеличение поверхности трения по сравнению с серийным поршнем и снижение зазоров в 1,7- 2 раза, высокоантифрикционные свойства покрытия обеспечили повышение механического коэффициента полезного действия дизеля.

Измерение КПД по выбегу дизеля после прекращения подачи топлива проведено на всех этапах приработки. После установки поршня вследствие незначительных зазоров время выбега на всех частотах вращения меньше, чем у серийного. В процессе приработки увеличение зазора снижает коэффициент трения и увеличивает выбег дизеля с повышением механического КПД.

После 100 ч работы на низких частотах вращения коленчатого вала время выбега на 40 % выше у дизеля с опытным поршнем. С ростом частоты вращения преимущества покрытия снижаются, что связано со снижением утечки рабочего тела из надпоршневого пространства через зазоры с ростом скорости перемещения поршня.

Одной из важных особенностей работы феррооксидных покрытий является проявление эффекта ротапринтной смазки, обеспечивающего перенос мелкодисперсных феррооксидных продуктов трения на цилиндрическую втулку и за счет этого снижение износа нижерасположенных чугунных колец в 1,5-2 раза.

Испытания феррооксидных покрытий поршневых колец алюминиевых поршней установили, что, обеспечивая снижение износа по сравнению с покрытиями из гальванического хрома на 30- 80 %, снижения износа втулки цилиндра на 25 %, компрессионных чугунных вторых колец - на 55%, канавки под первое кольцо - на 26 %, под второе - в пять - восемь раз. Обладая низким коэффициентом трения, феррооксидное покрытие снижает разбивание канавок, в особенности под вторым кольцом, где находится максимальное количество продуктов износа от первого кольца. Следует также отметить, что за счет снижения размера замка и потери упругости на 25 % поршневые компрессионные кольца с феррооксидными покрытиями за счет лучшего уплотнения обеспечили снижение расхода масла на угар на 20 %. Таким образом, высокая эффективность феррооксидных покрытий обеспечивает их использование на ряде двигателей.

Напыление антифрикционных покрытий композиционным порошковым материалом на основе алюминийоловянистого сплава на боковую поверхность алюминиевых поршней дизелей повышает не только стойкость против задиров и схватывания, но и за счет низкого коэффициента трения (в 1,5 раза ниже, чем у баббита, и в четыре - восемь раз ниже, чем у алюминия) позволяет уменьшить зазоры между поршнем и цилиндром. Покрытие обладает открытой пористостью и может быть пропитано маслом с диспергированными частицами твердой смазки (графит, дисульфит молибдена, нитрид бора и т. д.). В процессе трения при нагрузке до 1,5 МПа и температуре до 200 °С покрытие уплотняется, упрочняется, особенно при ограниченной смазке и специальном режиме приработки на двигателе.

Поршневые кольца с различными феррооксидными покрытиями прошли длительные испытания на дизелях 8 ЧН 25/34 дизельгенератора ДГР 300/500. Для сравнения испытаны поршневые кольца из высокопрочного чугуна с покрытиями из гальванического хрома, плазменного молибдена и сульфидированные. Испытания проведены при работе двигателя на высокосернистом топливе. Результаты испытания показали, что гематитовое и хромовое покрытия имеют практически одинаковый износ (в 1,5 раза меньший, чем покрытия из молибдена). Феррооксидное покрытие из композиционного порошка обладает износостойкостью в 1,4-1,5 раза большей, чем покрытие из гальванического хрома. Кроме того, установлено, что применение феррооксидных покрытий обеспечивает снижение износа цилиндровых втулок в три-четыре раза.

благоприятное распределение остаточных напряжений при достаточной упругости кольца с покрытием; незначительное влияние покрытия на форму кольца и эпюру радиальных давлений; высокая релаксационная стойкость; отсутствие дефектов, снижающих усталостную прочность.

В настоящее время широко применяемые покрытия из гальванического хрома с пористым поверхностным слоем удовлетворяют этим требованиям не в полную меру, в особенности в условиях работы форсированных дизелей на тяжелом высокосернистом топливе и при высоких температурах (выше 250 °С). Пришедшие на смену гальваническому хрому покрытия на основе молибдена обеспечивают в основном указанные требования, но из-за дефицитности молибдена снижают его массовое содержание в композициях до 10-20 %. На основе молибдена (с добавками самофлюсующихся сплавов, карбидов, окислов, ферросплавов, порошков Ni - Al и других материалов) разработано большое количество различных порошков. Кроме покрытия этого состава фирма испытывала на различных двигателях покрытия из смеси молибдена и высокоуглеродистой стали (К1115А), композиционных порошков карбида хрома с молибденом (К 1008) и различными добавками, карбида вольфрама с молибденом (К1121А).

Поиски сложных по составу композиций проводятся для напыления износостойких покрытий деталей ДВС: поршневых колец, поршней, клапанов, шеек коленчатых валов, посадочных мест. Анализ композиционных покрытий деталей ДВС свидетельствует, что вопросами применения композиционных порошков для ответственных деталей, в первую очередь поршневых колец, занимается значительное количество зарубежных фирм, отечественных организаций и предприятий. Создано большое число (несколько десятков) различных вариантов покрытий поршневых колец, наносимых методами газотермического напыления композиционных порошков различного состава. Такое разнообразие материалов и методов их напыления обусловлено спецификой формирования покрытий на поршневых кольцах, многообразием условий эксплуатации и особенностями поведения поршневых колец как упругих элементов, одновременно подвергающихся совокупности термических, динамических и триботехнических воздействий в условиях эксплуатации.

По-видимому, сложность условий работы поршневых колец обусловила как интенсивность поиска материалов и покрытий рабочей трущейся поверхности, так и множественность качественного и количественного состава порошков для газотермического напыления покрытий.

С начала внедрения процессов газотермического напыления покрытий и по настоящее время на поршневых кольцах были испытаны практически все покрытия (по качественному и количественному составу), разработанные для узлов и деталей, работающих в широких интервалах температур, давлений, и трибонагрузок в различных средах (применительно к топливу и смазкам ДВС). На поршневых кольцах ДВС прошли испытания газотермические покрытия, наносимые как чистыми металлами, работоспособными в условиях трения (молибден, вольфрам, кобальт), так и многочисленными сплавами, керамикой, керметами, сложными композициями, при использовании пакетных покрытий с пропиткой твердыми смазками, со специальной термической обработкой и т. д.

Другими типичными вариантами механических смесей являются керметные составы с добавлением оксидов алюминия, циркония и т. п. Одним из примеров таких покрытий является эмиссионное покрытие на металлической подложке для систем ядерных вспомогательных источников питания. На поверхность наносят подслой из композиционного порошка Ni - Al толщиной около0,18 мм, затем слой толщиной 0,04-0,05 ммиз смеси массовым содержанием: 65 % (Ni - Al) - 35 % AI2Os, поверх него слой такой же толщины из смеси 35 % (Ni - Al) - 65 % AI2Os н наружный слой из А1203 толщиной0,075 мм. Вместо А1.03 могут быть применены CaTi03, FeTi03 и т. п. Такие покрытия успешно работают в условиях окислительных сред и термических ударов в диапазоне 20-1100 °С.

С развитием техники и технологии получения композиционных порошков находят все более широкое использование порошки плакированных окислов, карбидов, твердых смазок, алмаза и других материалов.

При восстановлении шейки вала ротора турбины высокого давления из никельхроммолибденовой стали после четырехлетней эксплуатации на судне с атомным двигателем после проточки на глубину2 ммнанесли подслой из порошка А1 - 80 % Ni, а затем слой стали массовым содержанием, %: Ni 5, Сг 18, Мп 8,5 толщиной5 мм, с последующей пропиткой фенольным лаком.

Сравнение такого метода восстановления валов судовых винтов в месте посадки подшипников с наплавкой показало, что применение напыления вместо наплавки сокращает время ремонта в два раза, а затраты - в 1,5 раза. При этом устраняются явления коробления, разупрочнения основы, обеспечивается более эффективное использование упрочняющего материала.

Характерной особенностью покрытия из Ni - А1-порошков является высокий коэффициент трения даже при значительном увлажнении. В связи с этим, известно его применение в США для нанесения на отражатели газовых струй. Оно может быть также использовано для предотвращения пробуксовки колес на рельсах в сырую погоду. Американские фирмы сообщают о практическом применении покрытия из порошка М404 для защиты титановой сутунки от окисления при нагреве перед прокаткой. Это сокращает потери титана, облегчает процесс прокатки. В другом случае это покрытие защищало молибден от окисления на воздухе при 1100 °С в течение 200 ч.

При герметизации швов в находящихся под небольшим внутренним давлением оболочковых конструкциях самолетных узлов из жаропрочных листовых никелевых и кобальтовых сплавов применение обычных методов сварки или пайки недопустимо из-за возникающих напряжений и деформации. Газопламенное напыление Ni - А1-порошка толщиной до1 ммобеспечивает эффективную герметизацию с хорошей вибростойкостью напыленного слоя.

Наиболее распространенным типом механических смесей, в которых используют композиционный порошок никель - алюминий, является его смесь с порошком никельхромборкремниевых сплавов, которая характеризуется как самопроплавляющаяся.

Наибольшее распространение получили экзотермически реагирующие порошки системы Ni - Al, особенно для напыления промежуточных слоев (подслоев) на детали или в смеси с другими материалами для повышения когезии и эксплуатационных свойств покрытий.

Исходя из свойств покрытия, получаемого при напылении порошка М404 (А1 - 80 % Ni), фирма «Метко» определила возможный круг практического применения этого композиционного порошка.

Повышенная надежность сцепления с большей частью конструкционных материалов даже при самой простой подготовке поверхности, образование покрытия с высокой шероховатостью, хорошее сопротивление окислению обеспечивают высокое качество подслоя. Имеются сведения, что в этом случае толщина керамического покрытия может быть доведена до2,5 ммбез опасения растрескивания и отслоения.

Конструкция частицы с учетом технологии изготовления определяет также удельную поверхность, текучесть, плотность, прочность порошка и другие характеристики.

Конструирование частицы должно несомненно определяться технологичностью ее изготовления и влиянием процесса приготовления на свойства частицы. Например, нельзя плакировать никелем в карбонильной газовой фазе при температурах 150- 200 °С конгломерат CuO - А1, так как в результате произойдет реакция восстановления. Поэтому целесообразнее введение никеля в конгломератную частицу с изменением ее конструкции и, следовательно, дисперсности исходных компонентов.

При конструировании следует также учитывать экономические соображения при изготовлении многокомпонентных порошков в несколько технологических приемов. В ряде случаев лучше напылять смеси нескольких композиционных порошков, чем приготавливать сложную композиционную частицу.

После конструирования и изготовления порошка выдаются технологические рекомендации по температурно-временным условиям его нагрева, ускорения, кристаллизации (охлаждения) на подложке, а также другим факторам процесса напыления, обеспечивающим оптимальное состояние частицы при формировании покрытия. Окончательная конструкция частицы определяется после оценки свойств покрытий и в результате эксплуатации детали в реальных условиях.