Sofi-spb.ru

Стройка и ремон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Холодное напыление металлических покрытий

Turbo-Union › Блог › Часть 2 .Теория . Обработка металлических конструкций, газодинамическое (холодное ) напыление

Предисловие : На данном этапе проведения работ мне бы хотелось остановиться более подробно (прошу прощения, но будет много теории, ибо тут трудно иначе определить эффективность последующей обработки не зная о процессе ) поскольку автомобиль здесь служит больше посредником к раскрытию довольно интересного процесса по которому также существует масса не однозначных мнений, а меня в этом процессе интересовала возможность не столько антикоррозионного покрытия, сколько возможность восстановления самой поверхности при износе .
Небольшая историческая справка . Среди обширного класса методов нанесения покрытий и модификаций поверхности химических, электрохимических(гальванических), термохимических (цементация, азотирование и т.д.), физических (лазерная порошковая наплавка ) особое место занимают методы порошкового напыления (на данный момент наиболее распространенный вариант плазменное напыление ), но кроме первых двух методов любой из остальных методов предполагал, как основное условие -высокую температуру самого процесса .
Ранее предполагалось, что невозможно создать устойчивое к сдвиговым деформациям, малопористое и однородное покрытие без предварительного расплавления мелкодисперсных частиц перед подачей их в активную зону на подложку . Однако, как выяснилось -это условие оказалось совсем не обязательным )), в первые данный эффект был изучен нашими соотечественниками сибиряками (отделение РАН в г.Новосибирске ) при проведении экспериментов над механикой волн при сверхзвуковых скоростях двухфазного потока и воздействие их на предметы различной геометрической формы (исследование лопаток турбокомпрессоров ). Данное явление было обнаружено неожиданно, но учитывая перспективы не могло не захватить ученые умы . В чем же выражается перспективность такого метода, давайте разбираться . А, для начала, в качестве «противовеса» к сравниваемому методу мы возьмем из списка метод плазменного напыления и вспомним его свойства .
Хочу прежде всего выделить почему газотермические (в целом ) методы ремонта /модифицирования покрытия не столь распространены в ремонте ДВС и по-прежнему, ремонтные предприятия крайне неохотно берутся восстанавливать, например, шейки распределительных валов .
Напомню принцип -материал покрытия (порошок) нагревается и ускоряется в высокотемпературном газовом потоке и на подложку он попадает уже в расплавленном виде .Какие же недостатки имеются у такого метода ?

1. При движении порошка в таком потоке могут произойти значительные изменения его свойств (окисление, фазовые переходы, разложение )
2. Наличие самой высокотемпературной струи неминуемо приводит к локальному нагреву материала подложки (вспоминаем толщину шеек, стенок и переходов в ГБЦ современных ДВС ), что может привести к внутренним термическим напряжениям и микротрещинам в последствии .
3. Нельзя использовать мелкодисперсные порошки, обычно это частицы не менее 10 мкм, поскольку при уменьшении размеров частиц (а речь идет как понимаете о порошках не тугоплавких материалов ) они могут попросту испариться в струе .
4. Во многих случаях, наличие высоких температур не дает возможности использовать нанесение композиционных покрытий из механической смеси разных материалов .
И тут маленькое отступление для облегчения восприятия материала )) … Существует большое количество алюсиловых (никасиловых) блок- картеров (называть марки автомобилей не буду, Вы итак знаете -довольно распространенная конструкция ) в которых вместо применения, залитой описываемым сплавом стальной гильзы, используется (как раз с помощью плазменного напыления ) насыщение поверхностного слоя алюминиевого сплава(порядка 0,08 мм), например, кристаллами карбида кремния.
По идее конструкторов, такой поверхностный слой должен значительно снижать износ гильзы(воздействия излишков топлива или масляного голодания на такое покрытие я касаться не буду это тема отдельного разговора ) . Если брать практическое применение, то необходимо понимать, что такая поверхность не может быть восстановлена в условиях ремонтной мастерской, приходится после расточки гильзовать стальной /чугунной гильзой, а тут возникают вопросы к посадке ( термической напряженность), правильной геометрии (довольно тонкие стенки), правильном подборе поршневых колец, покрытия юбки поршня и т.д. и т.п.
Мысленно, пройдясь по пунктам, не трудно понять почему описываемый процесс получил «зеленый свет « и был внедрен производителями (речь идет о производителях отливок для ДВС в данном случае из которых хорошо известны два европейских флагмана отсюда и дублирование название в обозначении материала ) именно при работе с массивными блок -картерами . Но, стой же легкостью, приходит и ответ, а почему, собственно, говорят о таком высокотехнологичном ДВС — «одноразовый мотор» ))
Вывод, в целом, можно сделать очень простой — данные методы не эффективны в работе с малыми деталями или с деталями с малой толщиной переходных стенок . Скажу честно, устав в очередной раз,
искать ГБЦ из за шеек или менять очередной опорный кронштейн (VW), и ознакомившись с данным типом обработки () я был полон надежд … Однако, забегая вперед, завершилось это всего лишь антикоррозионной обработкой несущих деталей описываемого автомобиля, хотя я и встречал попытки его использования в качестве нанесения антифрикционного и износостойкого покрытия и горячего «пропагандирования « такого метода( активность которого в Ютубе, включая и создание собственных установок в противовес Димету и вызвало желание разобраться в вопросе более тщательно )) .
В процессе познания, изучил довольно весомый труд Клинкова, Алхимова с тов. с одноименным названием, а также разнообразные патенты доступные в сети, в попытках найти оправдание применения в ремонте ДВС выдержки из которых, опуская математические выкладки я и буду использовать далее ибо это не просто теория, но и практические исследования на результат которых, по моему мнению, и надо опираться . Я специально оставляю номера иллюстраций соответственно оригиналу . Перейдем непосредственно к процессу, итак .
Метод газодинамического напыления . Видимая простота и сложность применения .

Надо сказать, что данный метод довольно давно поставлен на производственный поток (Обнинск, Димет -Зеленоград ), существуют аппараты для холодной порошковой обработки и выпускаются порошковые базы различных металлов или их смесей . В деле восстановления поверхностей различных наружных деталей (ручек, накладок, ободов, металлических деталей внешнего /внутреннего декора) -вещь просто незаменимая по эффективности трудозатрат, качества поверхности, и по достоинству оцененная любителями ретро техники, а также энтузиастов ее восстанавливающих . Но нас интересует ответы на конкретные вопросы . Каково качество слоя в противостоянии агрессивной среде ? Каким образом данный слой будет противостоять высоким сдвиговым деформациям при рабочих температурах ДВС ? Равномерность нанесения слоя в сложных геометрических формах? Возможно ли увеличение толщины слоя без потери прочностных и антикоррозионных свойств по отношению, скажем, к аналогичному слою созданным с помощью гальванопластики (где малая толщина слоя при высоких энергетических затратах -«ахиллесова пята « процесса ) ?
Кратко сам процесс в теории …

Важное значение имеет конструкция сопла аппарата, поскольку только при сверхвуковой скорости потока частиц возможен сам эффект напыления, при снижении скорости потока (или уменьшении концетрации частиц ) частицы свободно отражаются от подложки .( Тут интересная особенность в практическом применении, кстати, )) в виде налипания порошка внутри до критического сечения, после чего сопло .просто выбрасывается .)
При этом, поскольку не процесса не соударения друг о друга, происходит обычная эрозия (разрушение ) подложки . Как показали испытания показатели на отрыв (в МПа) такого покрытия, микротвердость были аналогичны покрытиям полученным при газотермическом напылении .

Поперечный разрез (шлиф) покрытия показывает малую пористость и хорошую однородность такого покрытия по всей толщине слоя. Кроме этого, даже в том случае если поверхность на которое наносится такое покрытие обрабатывается по высокому классу чистоты (10) все равно после процесса имеет высокую шероховатость, что говорит о физической деформации и эрозии тела, что безусловно положительно отражается на прочностных характеристиках такого покрытия (и прежде всего нас интересует сдвиговая деформация ). В реальных условиях вместе с процессом напыления идет и процесс эрозии, просто используя избыточное количество частиц это процесс практически не заметен .
Казалось бы идеальный метод восстановления металлических поверхностей и не надо тратить больших усилий ? Увы, не все так просто … ))
Одним из положительных моментов такого метода напыления является использование разных материалов образуя смесь частиц, но о каких частицах идет речь . Экспериментальным путем было определено, что хорошее покрытие образуют элементы с октогональной решеткой, а это прежде всего металлы которые имею низкий предел прочности, так сказать легко «разупрочняются « с ростом температуры, данные элементы также объединяет показатель низкой температуры плавления, это, например, такие элементы как медь, цинк, алюминий . Материалы имеющие железо, никель содержащие материалы, различие виды пластиков, а также тугоплавкие материалы не могут образовывать хорошее покрытие, очевидно кинетической энергии при «холодной» подачи частиц на подложку не хватает для их устойчивой повторной деформации, даже такой материал как бронза (т.е. сплав из легких металлов ) тоже не подходит для этого процесса . Расход частиц при использовании различных легирующих сплавов тоже значительно возрастает …

Если же брать материалы с тэтрагональной решеткой, то приходится признавать абсолютную невозможность образования покрытия из таких материалов этим методом .Иначе говоря, различные виды керамики, кремний, твердые минералы становятся исключением из данного процесса . Учитывая, что кремний, магний широко используется наряду с медью, в изготовлении сплава деталей ДВС (головка блока цилиндров ) становится невозможным подобрать идентичный состав .Другими словами напылить алюминий или медь, или даже смесь из них на поверхность детали можно, но обладать теми же качествами ( а следовательно и ресурсом ), что и прежняя поверхность (например пресловутые шейки распределительного вала ) она не будет . Хорошо, допустим, это временное решение, чего уж греха таить . Есть определенная категория водителей, которые с удовольствием напылили бы шейку алюминием, для кратковременного восстановления давления масла например, и продали бы машину)) . Однако есть другие факторы, вспомним, детали подшипников всегда образуют криволинейную поверхность с малым радиусом в поперечном сечении …
При исследовании эффективности метода во время изменения угла потока частиц было определено, что оптимальный угол образования покрытия -90 градусов, но важнее то, что начиная с 75 градусов угла напыления и далее появляется четко выраженная волнистая структура гребни которых расположены перпендикулярны к направлению движения частиц .При угле меньше 55 градусов покрытие уже не формируется, а наблюдается только эрозия частиц подложки , поскольку при углах 40 -70 градусов значительно вырастает коэффициент эрозии, возникает сильный вращающий момент при контакте частица –подложка .

Теперь нужно вспомнить, что согласно исследованиям наиболее эффективно процесс протекает при расстоянии 5-7 калибров от сопла до поверхности, а также то, что геометрические размеры такого сопла от критического сечения до среза (по длине) изменить нельзя (сверхзвук) .В итоге, мы получаем весьма значительные трудности в восстановлении таких поверхностей скольжения . Хорошо .Тогда получается, что хотя бы плоскость (например под различные фланцы охлаждения, корпусные крышки, термостаты ) восстановить можно ( а это не мало), а подшипники скольжения нет? Но, даже здесь не все просто … Тут уже вмешиваются характеристики «поровых» каналов в агрессивных средах .
Надо напомнить покрытие не однородно по своей сути, а представляет собой конгломерат постепенно уменьшающихся частиц относительно поверхности подложки .

Если толщина слоя при напылении материала не большая, то пористость, находится на приемлемом уровне, если же проводится напыление в несколько этапов (сильное разрушение, каверна, скол), то пористость дальнего от подложки слоя слишком велика . А это сказывается на коррозионной стойкости такого покрытия в целом . Среди материалов наиболее сильно противостоящих коррозии нужно выделить алюминий, но чистый алюминий без смесей .

Такая особенность для данного металла связана с явлением «самозалечиванием «, когда оксид алюминия обладая лучшими характеристиками плотно «запечатывает» поры покрытия . Любая другая смесь, (и в особенности смеси с довольно дешевым цинком ) обладают прямо противоположным свойством, когда разрушение от коррозии происходит в разы быстрее основного материала .Какой же можно сделать вывод ? Для применения в деталях ДВС данный метод мало применим, как бы не хотелось, покрытия с нужными свойствами получить не удастся . Но, в то же время, данный метод напыления не плохо себе покажет в работах с кузовными деталями с учетом последующей обработки поверхности лако-красочными материалами . Приблизительно так я и представлял процесс, который ожидался при обработке рамных компонентов Лэндровера, но в нем все таки проявился один особенный аспект который значительно убавил комфорт проведения самого процесса, но изменил физические характеристики самого слоя .))Но, об этом в следующий раз …

Холодное газодинамическое напыление

  • Электродуговая металлизация
  • Газопламенное напыление
  • Газопламенное напыление с оплавлением
  • Высокоскоростное HVOF/HVAF
  • Плазменное напыление
  • Плазменно-порошковая наплавка
  • Лазерная наплавка
  • Лазерная закалка
  • Детонационное напыление
  • Холодное газодинамическое напыление
  • Аддитивные технологии

Специалисты Плакарта производят покрытия газодинамическим способом для промышленного оборудования (например, на фото — антикоррозионное покрытие теплообменника без демонтажа). Кроме того, мы поставляем установки холодного газодинамического напыления под ключ (наладка, сервис, обучение).

В отличии от других газотермических технологий в газодинамических установках с твердой подложкой (деталью) взаимодействуют твердые нерасплавленные порошковые частицы металла, разогнанные до высокой скорости. Ускорение частиц производится сверхзвуковым воздушным потоком.

Преимущества газодинамического метода нанесения металлических покрытий:

  • напыление не требует специальных условий (камер), осуществляется на воздухе, при любой температуре и влажности;
  • незначительное термовоздействие на деталь (зона покрытия не нагревается выше 100-150 градусов С). Нет деформации, окисления, внутренних напряжений материала детали;
  • напыление покрытий безопасно для окружающей среды ( нет высоких температур, опасных газов, опасных отходов, требующих специальной утилизации);
  • при напылении происходит очистка поверхности;
  • узконаправленный поток частиц является позволяет наносить покрытия на локальные (с четкими границами) участки;
  • мобильное, простое в эксплуатации оборудование;
  • на установке также можно проводить АСО.

«ХОЛОДНОЕ» НАПЫЛЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Кандидаты физико-математических наук О. КЛЮЕВ и А. КАШИРИН.

ТЕМПЕРАТУРА ПЛЮС СКОРОСТЬ

Из способов металлизации поверхностей в современной технике чаще всего пользуются гальваническим нанесением и погружением в расплав. Реже используют вакуумное напыление, осаждение из паровой фазы и пр. Ближе всего к разработке обнинских физиков находится газотермическая металлизация, когда наносимый металл плавят, распыляют на мельчайшие капли и струей газа переносят их на подложку.

Металл плавят газовыми горелками, электрической дугой, низкотемпературной плазмой, индукторами и даже взрывчатыми веществами. Соответственно методы металлизации называют газопламенным напылением, электродуговой и высокочастотной металлизацией, плазменным и детонационно-газовым напылением.

В процессе газопламенного напыления металлический пруток, проволоку или порошок плавят и распыляют в пламени горелки, работающей на смеси кислорода с горючим газом. При электродуговой металлизации материал плавится электрической дугой. В обоих случаях капельки металла перемещаются к напыляемой подложке потоком воздуха. При плазменном напылении для нагрева и распыления материала используется струя плазмы, формируемая плазматронами разных конструкций. Детонационно-газовое напыление происходит в результате взрыва, разгоняющего металлические частицы до огромных скоростей.

Во всех случаях частицы напыляемого материала получают два вида энергии: тепловую — от источника нагрева и кинетическую — от газового потока. Оба этих вида энергии участвуют в формировании покрытия и определяют его свойства и структуру. Кинетическая энергия частиц (за исключением детонационно-газового метода) невелика по сравнению с тепловой, и характер их соединения с подложкой и между собой определяется термическими процессами: плавлением, кристаллизацией, диффузией, фазовыми превращениями и т.д. Покрытия обычно характеризуются хорошей прочностью сцепления с подложкой (адгезией) и, к сожалению, низкой однородностью, поскольку велик разброс параметров по сечению потока газа.

Покрытиям, которые создают газотермическими методами, присущ ряд недостатков. К ним относятся, прежде всего, высокая пористость, если, разумеется, не стоит цель специально сделать покрытие пористым, как в некоторых деталях радиоламп. Кроме того, из-за быстрого охлаждения металла на поверхности подложки в покрытии возникают высокие внутренние напряжения. Обрабатываемая деталь неизбежно нагревается, и если она имеет сложную форму, то ее может «повести». Наконец, использование горючих газов и высокие температуры в рабочей зоне усложняют меры по обеспечению безопасности персонала.

Несколько особняком стоит детонационно- газовый метод. При взрыве скорость частиц достигает 1000-2000 м/с. Поэтому основным фактором, определяющим качество покрытия, становится их кинетическая энергия. Покрытия отличаются высокой адгезией и низкой пористостью, но взрывными процессами крайне сложно управлять, и стабильность результато в гарантиро вать практически невозможно.

СКОРОСТЬ ПЛЮС ТЕМПЕРАТУРА

Желание создать более совершенную технологию возникло давно. Перед инженерами стояла цель — сохранить достоинства традиционных технологий и избавиться от их недостатков. Направление поиска было более или менее очевидно: во-первых, покрытия должны формироваться в основном за счет кинетической энергии частиц металла (нельзя допускать плавления частиц: это предотвратит разогрев детали и окисление подложки и частиц покрытия), и, во-вторых, частицы должны приобретать высокую скорость не за счет энергии взрыва, как в детонационно-газовом методе, а в струе сжатого газа. Такой метод назвали газодинамическим.

Первые расчеты и эксперименты показали, что создавать таким способом покрытия, обладающие вполне удовлетворительными характеристиками, можно, если использовать в качестве рабочего газа гелий. Такой выбор объяснялся тем, что скорость потока газа в сверхзвуковом соплепропорциональна скорости звука в соответствующем газе. В легких газах (водород из-за своей взрывоопасности не рассматривался) скорость звука гораздо выше, чем в азоте или воздухе. Именно гелий ускорял бы металлические частицы до высоких скоростей, сообщая им кинетическую энергию, достаточную для закрепления на мишени. Считалось, что использование более тяжелых газов, в том числе воздуха, обречено на неудачу.

Работа опытных напылительных установок дала неплохой результат: разогнавшиеся в струе гелия частицы из большинства промышленно применяемых металлов хорошо прилипали к подложке, образуя плотные покрытия.

Но полного удовлетворения инженеры не испытывали. Было понятно, что оборудование на легких газах неизбежно будет дорогим и сможет применяться лишь на предприятиях, выпускающих продукцию высоких технологий (только там есть магистрали со сжатым гелием). А магистрали со сжатым воздухом имеются практически в каждом цеху, на каждом предприятии автосервиса, в ремонтных мастерских.

Многочисленные эксперименты со сжатым воздухом вроде бы подтверждали худшие ожидания разработчиков. Однако интенсивный поиск все же позволил найти решение. Покрытия удовлетворительного качества получились, когда сжатый воздух в камере перед соплом нагрели, а в металлический порошок стали добавлять мелкодисперсную керамику или порошок твердого металла.

Дело в том, что при нагревании давление воздуха в камере в соответствии с законом Шарля повышается, а следовательно, повышается и скорость истечения из сопла. Частицы металла, набравшие в струе газа огромную скорость, при ударе о подложку размягчаются и привариваются к ней. Частицы керамики играют роль микроскопических кувалд — они передают свою кинетическую энергию нижележащим слоям, уплотняют их, снижая пористость покрытия.

Некоторые керамические частицы застревают в покрытии, другие отскакивают от него. Правда, таким способом получают покрытия только из относительно пластичных металлов — меди, алюминия, цинка, никеля и др. Впоследствии деталь можно подвергать всем известным способам механической обработки: сверлить, фрезеровать, точить, шлифовать, полировать.

ГЛАВНОЕ УСЛОВИЕ — ПРОСТОТА И НАДЕЖНОСТЬ

Старания технологов останутся втуне, если конструкторы не смогут создать простое, надежное и экономичное оборудование, в котором был бы реализован придуманный технологами процесс. Основой аппарата для напыления металлических порошков стали сверхзвуковое сопло и малогабаритный электрический нагреватель сжатого воздуха, способный доводить температуру потока до 500-600 o С.

Использование в качестве рабочего газа обычного воздуха позволило попутно решить еще одну проблему, которая стояла перед разработчиками систем на легких газах. Речь идет о введении напыляемого порошка в газовую струю. Чтобы сохранить герметичность, питатели приходилось устанавливать до критического сечения сопла, то есть порошок необходимо было подавать в область высокого давления. Чисто технические трудности усугублялись тем, что, проходя через критическое сечение, металлические частицы вызывали износ сопла, ухудшали его аэродинамические характеристики, не позволяли стабилизировать режимы нанесения покрытий. В конструкции аппарата с воздушной струей инженеры применили принцип пульверизатора, известный каждому еще из школьных опытов по физике. Когда газ проходит по каналу переменного сечения, то в узком месте его скорость увеличивается, а статическое давление падает и может даже быть ниже атмосферного. Канал, по которому порошок поступал из питателя, расположили как раз в таком месте, и порошок перемещался в сопло за счет подсоса воздуха.

Читать еще:  Как и чем покрасить декоративный камень

В результате на свет появился переносной аппарат для нанесения металлических покрытий. Он имеет ряд достоинств, которые делают его очень полезным в различных отраслях промышленности:

для работы аппарата нужны всего лишь электросеть и воздушная магистраль или компрессор, обеспечивающий давление сжатого воздуха 5-6 атм и подачу 0,5 м 3 /мин;

при нанесении покрытий температура подложки не превышает 150 о С;

покрытия обладают высокой адгезией (40-100 Н/мм 2 ) и низкой пористостью (1-3%);

оборудование не выделяет вредных веществ и излучений;

габариты устройства позволяют использовать его не только в цеху, но и в полевых условиях;

можно напылять покрытия практически любой толщины.

В состав установки входят собственно напылитель массой 1,3 кг, который оператор держит в руке или закрепляет в манипуляторе, нагреватель воздуха, порошковые питатели, блок контроля и управления работой напылителя и питателя. Все это смонтировано на стойке.

Пришлось потрудиться и над созданием расходных материалов. Выпускаемые промышленностью порошки имеют слишком большие размеры частиц (порядка 100 мкм). Разработана технология, которая позволяет получать порошки с зернами размером 20-50 мкм.

ОТ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ДО СЕЯЛОК

Новый способ напыления металлических покрытий может применяться в самых различных отраслях промышленности. Особенно эффективен он при ремонтных работах, когда необходимо восстановить участки изделий, например, заделать трещину или раковину. Благодаря невысоким температурам процесса легко восстанавливать тонкостенные изделия, отремонтировать которые другим способом, например наплавкой, невозможно.

Поскольку зона напыления имеет четкие границы, напыляемый металл не попадает на бездефектные участки, а это очень важно при ремонте деталей сложной формы, например корпусов коробок передач, блоков цилиндров двигателей и др.

Устройства для напыления уже применяют в авиакосмической и электротехнической промышленности, на объектах атомной энергетики и в сельском хозяйстве, на авторемонтных предприятиях и в литейном производстве.

Метод может оказаться весьма полезным во многих случаях. Вот лишь некоторые из них.

Восстановление изношенных или поврежденных участков поверхностей. С помощью напыления восстанавливают поврежденные в процессе эксплуатации детали редукторов, насосов, компрессоров, форм для литья по выплавляемым моделям, пресс-форм для изготовления пластиковой упаковки. Новый метод стал большим подспорьем для работников авторемонтных предприятий. Теперь буквально «на коленках» они заделывают трещины в блоках цилиндров, глушителях и пр. Без особых проблем устраняют дефекты (каверны, свищи) в алюминиевом литье.

Устранение течей. Низкая газопроницаемость покрытий позволяет ликвидировать течи в трубопроводах и сосудах, когда нельзя использовать герметизирующие компаунды. Технология пригодна для ремонта емкостей, работающих под давлением или при высоких и низких температурах: теплообменников, радиаторов автомобилей, кондиционеров.

Нанесение электропроводящих покрытий. Напылением удается наносить медные и алюминиевые пленки на металлическую или керамическую поверхность. В частности, метод экономически более эффективен, чем традиционные способы, при меднении токоведущих шин, цинковании контактных площадок на элементах заземления и т. п.

Антикоррозионная защита. Пленки из алюминия и цинка защищают поверхности от коррозии лучше, чем лакокрасочные и многие другие металлические покрытия. Невысокая производительность установки не позволяет обрабатывать большие поверхности, а вот защищать такие уязвимые элементы, как сварные швы, очень удобно. С помощью напыления цинка или алюминия удается приостановить коррозию в местах появления «жучков» на крашеных поверхностях кузовов автомобилей.

Восстановление подшипников скольжения. В подшипниках скольжения обычно применяют баббитовые вкладыши. С течением времени они изнашиваются, зазор между валом и втулкой увеличивается и слой смазки нарушается. Традиционная технология ремонта требует либо замены вкладыша, либо заварки дефектов. А напыление позволяет восстановить вкладыши. В этом случае для уплотнения слоя напыляемого металла керамику применять нельзя. Твердые включения через считанные минуты после начала работы выведут подшипник из строя, причем поврежденными окажутся поверхности и втулки и вала. Пришлось применить сопло особой конструкции. Оно позволяет наносить покрытие из чистого баббита в так называемом термокинетическом режиме. Частицы порошка сразу за критическим сечением сопла разгоняются сверхзвуковым потоком воздуха, затем скорость потока резко снижается до околозвуковой. В результате резко возрастает температура, и частицы нагреваются почти до температуры плавления. При попадании на поверхность они деформируются, частично плавятся и хорошо прилипают к ниже лежащему слою.

СПЕЦИАЛИСТУ — НА ЗАМЕТКУ

Каширин А. И., Клюев О. Ф., Буздыгар Т. В. Устройство для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов. Патент РФ на изобретение № 2100474. 1996, МКИ6 С 23 С 4/00, опубл. 27.12.97. Бюл.№ 36.

Каширин А. И., Клюев О. Ф., Шкодкин А. В. Способ получения покрытий. Патент РФ на изобретение № 2183695. 2000, МКИ7 С 23 С 24/04, опубл. 20.06.02. Бюл. № 17.

Координаты разработчиков и условия приобретения их технологий или изделий можно узнать в редакции.

Холодное напыление металлических покрытий

Метод холодного газодинамического напыления металла (англ. – cold spray , cold gas dynamic spraying ) состоит в том, что твердые частицы металла, температура которых значительно меньше их температуры плавления, разгоняются до сверхзвуковой скорости и закрепляются на поверхности при соударении с нею.

Сущность метода холодного газодинамического напыления металла включает в себя формирование в сопле сверхзвукового газового потока, подачу в этот поток порошкового материала с размерами частиц 0,01-50 мкм, его сверхзвуковое ускорение в сопле и направление частиц порошка на поверхность изделия. Ускорение частиц возможно в среде холодных или подогретых газов, таких как: воздух, гелий, азот. Значения температуры существенно ниже температуры плавления материала порошка (0,4-0,7Тпл). Технология холодного газодинамического напыления позволяет наносить металлические покрытия не только на металлы, но и на стекло, керамику, камень, бетон. Покрытия, нанесенные этим методом, механически прочны и имеют высокую адгезию к подложке.

Явление формирования покрытий методом холодного газодинамического напыления впервые было обнаружено в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) в начале 80-х годов прошлого века. Они показали, что для формирования покрытия необязательно, чтобы частицы находились в расплавленном или предрасплавленном состоянии, а покрытия можно получать из частиц с температурой значительно ниже их температуры плавления, в отличие от традиционных методов напыления.

Рис. 1. Микрофотографии покрытий [1].

Основные экспериментальные факты:

1. Наиболее важным параметром при холодном напылении является скорость частиц, именно от ее величины зависят адгезия, пористость, микротвердость покрытий и др. Для всех частиц с диаметром d £ 50 мкм существует «пороговая» величина скорости взаимодействия их с подложкой (500-600 м/с). Если скорость ниже этого значения, то наблюдается процесс эрозии. При скорости выше «пороговой» процесс эрозии переходит в напыление.

2. Существует критическая величина расхода частиц, при котором напыление не происходит независимо от времени воздействия потока.

3. При расходе частиц выше критической величины частицы прочно сцепляются с поверхностью изделия и между собой, образуя в напыленном слое плотную упаковку. Из рис. 2, а видно, что внешняя часть покрытия представляет собой совокупность деформированных частиц напыляемого материала с характерным размером d =20-40 мкм и следами (кратерами) от ударов бомбардирующих частиц. Поперечный разрез (шлиф) покрытия (рис. 2, б) показывает, что оно отличается малой пористостью и хорошей однородностью по всей толшине слоя. Наличие шероховатой границы между напыленным слоем и поверхностью тела, которая предварительно обрабатывалась по 10 классу чистоты, свидетельствует о том, что перед образованием напыления также имеет место пластическая деформация и эрозия поверхности тела.

Рис. 2. Микрофотографии внешнего слоя (х150) и поперечного шлифа покрытия из частиц алюминия (электронный микроскоп, х300) [1].

4. Только малая доля частиц, разгоняемая сверхзвуковым потоком, в итоге напыляется на изделие, основная же доля отражается и уносится потоком газа. Масса напыленных частиц увеличивается с ростом расхода порошкового материала.

5. При формировании покрытия нагрев поверхности изделия незначителен. Разница температур для поверхности только обтекаемой потоком газа и при напылении покрытия составляет » 45 градусов.

Существует 2 разновидности холодного газодинамического напыления: высокого и низкого давления. Сравнение типичных параметров оборудования для напыления по этим двум способам представлено в табл. 1. В общем, качество покрытий нанесенным методом высокого давления выше и требования к определенному размеру частиц порошка ниже. Главное достоинство метода низкого давления в более низкой стоимости оборудования и его меньших габаритах.

Таблица 1. Сравнение режимов холодного газодинамического напыления высокого (ХГНВД) и низкого давления (ХГННД).

«Холодное» напыление металлических покрытий

Когда только появились первые металлические орудия труда, выяснилось, что, твердые и прочные, они сплошь и рядом портились под воздействием влаги. Шло время, люди создавали механизмы и машины, и чем более совершенными они становились, тем в более тяжелых условиях приходилось работать их металлическим деталям. Вибрации и знакопеременные нагрузки, огромные температуры, радиоактивное облучение, агрессивные химические среды — вот далеко не полный перечень «испытаний», которым они подвергаются. Cо временем люди научились защищать металл от коррозии, износа и других явлений, которые сокращают срок службы деталей. По сути, есть два подхода к обеспечению такой защиты: либо в основной металл добавляют легирующие элементы, которые придают сплаву искомые свойства, либо на поверхность наносят защитное покрытие. Условия работы деталей машин диктуют свойства, которыми должны обладать покрытия. Технологии их нанесения разнообразны: есть распространенные и относительно несложные, есть очень тонкие, позволяющие создавать покрытия с уникальными свойствами. А неугомонные инженеры продолжают изобретать все новые покрытия и придумывать способы их получения. Судьба этих изобретений может стать счастливой, если покрытие намного превосходит своих предшественников по полезным свойствам или если технология дает существенный экономический эффект. В разработке физиков из Обнинска соединились оба этих условия.

Температура плюс скорость

Летящие с огромной скоростью частицы металла при соударении с подложкой привариваются к ней, а частицы керамики уплотняют покрытие (а); на шлифе слоя металла видны застрявшие керамические частицы (б).

Схема (вверху) и общий вид (внизу) аппарата для напыления металлических покрытий.

С помощью аппарата можно наносить покрытия в любых помещениях и даже в полевых условиях.

За критическим сечением сопла возникает зона отрицательного давления, и сюда засасывается порошок. Благодаря этому явлению удалось упростить конструкцию питателя.

Дефекты в корпусных деталях (слева) и результат напыления (справа): а — трещина в автоматической коробке передач; б — каверна в головке блока цилиндра.

Покрытыми слоем меди или алюминия инструментами можно работать в пожароопасных помещениях: при ударе о металлические предметы они не дают искры.

Из способов металлизации поверхностей в современной технике чаще всего пользуются гальваническим нанесением и погружением в расплав. Реже используют вакуумное напыление, осаждение из паровой фазы и пр. Ближе всего к разработке обнинских физиков находится газотермическая металлизация, когда наносимый металл плавят, распыляют на мельчайшие капли и струей газа переносят их на подложку.

Металл плавят газовыми горелками, электрической дугой, низкотемпературной плазмой, индукторами и даже взрывчатыми веществами. Соответственно методы металлизации называют газопламенным напылением, электродуговой и высокочастотной металлизацией, плазменным и детонационно-газовым напылением.

В процессе газопламенного напыления металлический пруток, проволоку или порошок плавят и распыляют в пламени горелки, работающей на смеси кислорода с горючим газом. При электродуговой металлизации материал плавится электрической дугой. В обоих случаях капельки металла перемещаются к напыляемой подложке потоком воздуха. При плазменном напылении для нагрева и распыления материала используется струя плазмы, формируемая плазматронами разных конструкций. Детонационно-газовое напыление происходит в результате взрыва, разгоняющего металлические частицы до огромных скоростей.

Во всех случаях частицы напыляемого материала получают два вида энергии: тепловую — от источника нагрева и кинетическую — от газового потока. Оба этих вида энергии участвуют в формировании покрытия и определяют его свойства и структуру. Кинетическая энергия частиц (за исключением детонационно-газового метода) невелика по сравнению с тепловой, и характер их соединения с подложкой и между собой определяется термическими процессами: плавлением, кристаллизацией, диффузией, фазовыми превращениями и т.д. Покрытия обычно характеризуются хорошей прочностью сцепления с подложкой (адгезией) и, к сожалению, низкой однородностью, поскольку велик разброс параметров по сечению потока газа.

Покрытиям, которые создают газотермическими методами, присущ ряд недостатков. К ним относятся, прежде всего, высокая пористость, если, разумеется, не стоит цель специально сделать покрытие пористым, как в некоторых деталях радиоламп. Кроме того, из-за быстрого охлаждения металла на поверхности подложки в покрытии возникают высокие внутренние напряжения. Обрабатываемая деталь неизбежно нагревается, и если она имеет сложную форму, то ее может «повести». Наконец, использование горючих газов и высокие температуры в рабочей зоне усложняют меры по обеспечению безопасности персонала.

Несколько особняком стоит детонационно- газовый метод. При взрыве скорость частиц достигает 1000-2000 м/с. Поэтому основным фактором, определяющим качество покрытия, становится их кинетическая энергия. Покрытия отличаются высокой адгезией и низкой пористостью, но взрывными процессами крайне сложно управлять, и стабильность результато в гарантировать практически невозможно.

«Оборонка» поделилась методом реставрации металлических изделий

По сути, газодинамическая технология холодного напыления – более продвинутый вариант давно уже зарекомендовавшего себя газотермического способа восстановления различных металлических деталей и поверхностей. Cold Spray или просто ХГН значительно расширяет возможности «горячего» метода обработки изделий.

В настоящее время, бесспорно, это самая передовая технология восстановления и защиты материалов, получившая широкое распространение как в промышленном секторе, так и гражданской сфере.

Принцип действия, плюсы и минусы ХГН

ХГН имеет два основных отличия от газотермического метода реставрации. Во-первых, напыление защитного или восстановительного покрытия происходит при пониженной температуре, не превышающей 150 °С, что в свою очередь не вызывает напряжения в обрабатываемых деталях и их деформации. Во-вторых, «холодная» технология позволяет создавать слой регулируемой толщины и в точно заданных границах. О других плюсах и минусах расскажем чуть позже, а пока об авторах метода и о том, как он работает.

Его разработчиком является «Обнинский центр порошкового напыления» (Россия). Производимое ими оборудование получило название ДИМЕТ ® . Оно сертифицировано по системе ГОСТ Р и защищено патентами России, США, Канады и других стран. В основу технологии заложен принцип сверхзвукового воздействия мельчайшими частицами легкоплавких и других материалов на обрабатываемую поверхность. В основном это полимеры или сплавы карбидов с металлами с размером частиц 0,01-0,5 мкм. Смешиваясь с газом они подаются на изделие со скоростью 500-1000 м/с.

В зависимости от состава расходного материала (порошка) и изменения режимов его нанесения можно получить однородное или композиционное покрытие с твердой или пористой структурой и своей функциональной задачей. Это может быть: восстановление геометрии изделия, упрочнение и защита металла от коррозии, повышение тепло- и электропроводности материала, а также образование износостойкого покрытия, выдерживающего воздействие химически активных сред, высоких тепловых нагрузок и т. д.

Кстати, обнинские инженеры разработали уже несколько модификаций установок ДИМЕТ ® . Учитывая широкую востребованность данного оборудования, сейчас серийно выпускаются как ручные, так и автоматизированные аппараты холодного газодинамического напыления, что позволяет использовать их в промышленности, нефтегазовой отрасли, а также в малом бизнесе для обработки небольших деталей. Тем более, что ничего особо сложного в самой технологии нет. Для работы комплекса (помимо материала для напыления) необходим только сжатый воздух (подается под давлением 0,6-1,0 МПа и расходом 0,3-0,4 м3/мин.) и электросеть напряжением 220 В.

Теперь ещё о преимуществах и недостатках метода. Во-первых, в отличие от газотермического способа ХГН может эффективно применяться при обычном давлении, в любом температурном диапазоне и уровне влажности. В-вторых, он экологически абсолютно безопасен. В-третьих, благодаря большой скорости, может применяться и для абразивной чистки поверхности. Ну, а единственным недостатком технологии является возможность нанесения покрытий только из относительно пластичных металлов, таких как медь, алюминий, цинк, никель и др.

Область применения ХГН

Более подробно хотелось бы остановиться на сферах использования технологии холодного газодинамического напыления порошковыми материалами, чтобы наглядно показать насколько она сегодня востребована.

Устранение дефектов, восстановление поверхностей и герметизация

Всё это – работа, которой могут заниматься даже малые предприятия. К примеру, в небольших мастерских можно ремонтировать детали из легких сплавов (части автомобильной конструкции, допустим), прежде всего, алюминиевых и алюминиевомагниевых. Причем, легко устраняются дефекты, возникшие как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации. А отсутствие сильного нагрева и низкая энергетика метода позволяют чинить даже тонкостенные изделия.

Отлично подходит ХГН и для восстановления изношенных поверхностей. Например, такой трудоемкий процесс, как «наращивание» металла в посадочных местах подшипников, теперь могут осуществлять даже малые предприятия, не говоря уже о восстановлении герметизации (когда применение жидких герметиков невозможно) в трубопроводах, теплообменниках или сосудах для рабочих газов, жидкостей.

Высокоточное восстановление деталей различных механизмов, токопроведение

ХГН очень эффективен в ремонте сложных изделий, где требуется точное восстановление геометрических параметров, устранение скрытых дефектов, но при этом с сохранением всех эксплуатационных характеристик, а также товарного вида. Именно поэтому данный метод активно используется в оборонно-промышленном комплексе, железнодорожной и авиационной промышленности, сельском хозяйстве, газоперекачке и пр.

Не обойтись без этой технологии и в создании контактных площадок. Благодаря возможности легкого нанесения покрытий на любые металлические, керамические и стеклянные поверхности ХГН применяется и в производстве электротехнических изделий. Например, в процессах меднения, создании силовых токонесущих сетей, нанесении токовводов, изготовлении подслоев под пайку и т. д.

Антикоррозийная обработка и устранение глубоких дефектов

Напыление так называемого антифрикционного покрытия – высокоэффективный способ избавления от локальных повреждений (глубоких сколов, задиров, царапин). Это позволяет избежать процедуры полной перезаливки или даже замены изделия, что, естественно, экономически не выгодно.

А в антикорроизонной обработке и защите от высокотемпературной коррозии различных коммуникаций данному методу вообще нет равных. К слову, различные модификации оборудования ДИМЕТ ® обеспечивают качественную обработку внутренней поверхности труб диаметром от 100 мм и длиной до 12 м.

«Оборонка» поделилась методом реставрации металлических изделий


По сути, газодинамическая технология холодного напыления – более продвинутый вариант давно уже зарекомендовавшего себя газотермического способа восстановления различных металлических деталей и поверхностей. Cold Spray или просто ХГН значительно расширяет возможности «горячего» метода обработки изделий.

В настоящее время, бесспорно, это самая передовая технология восстановления и защиты материалов, получившая широкое распространение как в промышленном секторе, так и гражданской сфере.

Суть и назначение технологии газодинамического напыления

Сущность метода холодного газодинамического напыления заключается в нанесении и закреплении на поверхности изделия или детали твердых частиц металла или смеси материалов размером от 0,01 до 50 мкм, разогнанных до необходимой скорости в воздухе, азоте или гелии. Такой материал называют порошковым. Это частицы алюминия, олова, никеля, баббиты разных марок, смесь алюминиевого порошка с цинком. Среда, с помощью которой осуществляют перемещение материала, может быть холодной или подогреваться до температуры не выше 700 °C.

При контакте с поверхностью изделия происходит трансформация пластического типа, а энергия кинематического вида переходит в адгезионную и тепловую, что способствует получению прочного поверхностного слоя металла. Порошок может наноситься не только на металлические поверхности, но и на выполненные из бетона, стекла, керамики, камня, что значительно расширяет область применения способа создания поверхностей с особыми свойствами.

В зависимости от давления различают такие виды холодного газодинамического напыления:

  • высокого;
  • низкого.

В первом случае в качестве рабочей среды, перемещающей порошковый материал размером от 5 до 50 мк, используют гелий и азот. Частицы металла, если они движутся, имеют давление больше 15 атм. Во втором случае используется сжатый воздух, который подается под давлением, не превышающим 10 атм. Различаются эти виды еще и такими показателями, как мощность подогрева и расход рабочей среды.

Этапы напыления следующие:

  • подготовка поверхности изделия к напылению механическим или абразивным способом;
  • нагревание рабочей среды (воздух, азот, гелий) до установленной в технологическом процессе температуры;
  • подача нагретого газа в сопло оборудования вместе с порошком под необходимым давлением.
Читать еще:  Нужна ли гидроизоляция под профнастил холодной крыши

В результате порошок разгоняется в потоке до сверхзвуковых скоростей и соударяется с поверхностью детали или изделия. Происходит напыление слоя металла толщиной, величина которой зависит от температуры нагрева подаваемого газа и давления.

Подготовку поверхности изделия абразивным способом выполняют, применяя само оборудование для нанесения газодинамического напыления простой сменой параметров режима.

Область применения этого вида напыления довольно обширная. С помощью метода осуществляют герметизацию течей в емкостях и трубопроводах, ремонт деталей и отливок из легких сплавов, наносят электропроводящие, антикоррозионные и антифрикционные покрытия, устраняют механические повреждения, восстанавливают посадочные места в подшипниках.

Воздействие скорости частиц на качество и эффективность покрытия

  1. Частица покрытия достигла минимальной скорости удара, которая необходима для возбуждения механизма взаимодействия с поверхностью подложки (обрабатываемого образца). Эта так называемая «критическая скорость» влияет на свойства материала покрытия.
  2. Поскольку скорость удара выше критической скорости, деформация и качество сцепления частиц возрастают.
  3. Если скорость удара слишком высока («скорость эрозии»), происходит больше разрушения материала, чем его добавления. Покрытие не образуется.
  4. Чтобы образовалось плотное и хорошо сформированное покрытие, значение скорости удара частиц должно быть между значениями критической скорости и скорости эрозии.

Главные плюсы метода

К преимуществам технологии относят:

  • выполнение работ при любых климатических условиях (давлении, температуре, влажности);
  • возможность применения оборудования стационарного и переносного типа, что в последнем случае позволяет осуществлять работы по месту их проведения;
  • возможность нанесения покрытия на локальные участки (дефектные места);
  • возможность создания слоев с разными свойствами;
  • возможность создания слоя необходимой толщины или разных по толщине в многослойных покрытиях;
  • процесс не оказывает влияния на структуру изделия, на которое наносится напыление, что является важным преимуществом;
  • безопасность;
  • экологичность.

К недостатку этого вида напыления относят только один факт. Слои можно наносить на пластичные металлы, такие как медь, цинк, алюминий, никель и сплавы на их основе.

Производители разных стран выпускают оборудование стационарного и переносного типа для ручного и автоматизированного нанесения покрытий разной производительности на разные металлы.

Основные элементы технологии ДИМЕТ

Технология нанесения покрытий включает в себя нагрев сжатого газа (воздуха), подачу его в сверхзвуковое сопло и формирование в этом сопле сверхзвукового воздушного потока, подачу в этот поток порошкового материала, ускорение этого материала в сопле сверхзвуковым потоком воздуха и направление его на поверхность обрабатываемого изделия.

В качестве порошковых материалов используются порошки металлов, сплавов или их механические смеси с керамическими порошками. При этом путем изменения режимов работы оборудования можно либо проводить эрозионную обработку поверхности изделия, либо наносить металлические покрытия требуемых составов. Изменением режимов можно также менять пористость и толщину напыляемого покрытия.

Особенности технологии ДИМЕТ

В наиболее распространенных газотермических методах нанесения покрытий для формирования покрытий из потока частиц необходимо, чтобы падающие на подложку частицы имели высокую температуру, обычно выше температуры плавления материала.

В газодинамической технологии напыления (которую на практике удобно называть «наращиванием» металла), это условие не является обязательным, что и обуславливает ее уникальность. В данном случае с твердой подложкой взаимодействуют частицы, находящиеся в нерасплавленном состоянии, но обладающие очень высокой скоростью. Ускорение частиц до нужных скоростей осуществляется сверхзвуковым воздушным потоком с помощью разработанных в ОЦПН оригинальных установок серии ДИМЕТ®, не имеющих аналогов в традиционных методах нанесения покрытий.

Способ формирования металлических покрытий оборудованием ДИМЕТ® — в газодинамическом методе, т.е. закрепление твердых металлических частиц, обладающих большой кинетической энергией, на поверхность подложки в процессе высокоскоростного удара.

Привлекательность технологии нанесения металла на поверхность деталей и изделий газодинамическим методом состоит в том, что оборудование и создаваемые с его помощью покрытия свободны от большинства недостатков, присущих другим методам нанесения металлических покрытий, и обладают рядом технологических, экономических и экологических преимуществ.

Достоинства технологии ДИМЕТ

Газодинамический метод нанесения металлических покрытий обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами. Эти преимущества состоят в следующем:

  • покрытие наносится в воздушной атмосфере при нормальном давлении, при любых значениях температуры и влажности атмосферного воздуха;
  • при нанесении покрытий оказывается незначительное тепловое воздействие на покрываемое изделие;
  • технология нанесения покрытий экологически безопасна (отсутствуют высокие температуры, опасные газы и излучения, нет химически агрессивных отходов, требующих специальной нейтрализации);
  • не требуется подогрев покрываемого изделия;
  • при отсутствии на подложках пластовой ржавчины или окалины на металлическом изделии не требуется тщательной подготовки поверхности (при воздействии высокоскоростного потока частиц происходит очистка поверхности от технических загрязнений, масел, красок и активация кристаллической решетки материала изделия);
  • поток напыляемых частиц является узконаправленным и имеет небольшое поперечное сечение. Это позволяет, в отличие от традиционных газотермических методов напыления, наносить покрытия на локальные (с четкими границами) участки поверхности изделий;
  • возможно нанесение многокомпонентных покрытий с переменным содержанием компонентов по его толщине;
  • оборудование отличается компактностью, мобильностью, технически доступно практически для любого промышленного предприятия, может встраиваться в автоматизированные линии, не требует высококвалифицированного персонала для своей эксплуатации;
  • путем простой смены технологического режима оборудование позволяет проводить микроэрозионную (струйно-абразивную) обработку поверхностей для последующего нанесения покрытий или достижения декоративного эффекта;
  • возможно нанесение различных типов покрытий с помощью одной установки;
  • возможно использование оборудования в полевых условиях.

Широкий спектр областей применения и высокие эксплуатационные качества различных покрытий были неоднократно подтверждены как в лабораторных условиях, так и в условиях практической эксплуатации покрытий. Некоторые из задач по нанесению покрытий, которые решаются с помощью оборудования ДИМЕТ®, являются уникальными. Решение таких задач другими способами и с применением другого оборудования оказывается практически невозможным.

Состав покрытий

В качестве порошковых материалов используются порошки металлов, сплавов или их механические смеси с керамическими порошками. При этом путем изменения режимов работы оборудования можно либо проводить эрозионную обработку поверхности изделия, либо наносить металлические покрытия требуемых составов. Изменением режимов можно также менять пористость и толщину напыляемого покрытия.

Основные свойства покрытий:

  • высокая адгезия (30-100 МПа);
  • высокая когезия (30-100 МПа);
  • однородность покрытий;
  • низкая пористость (1-3%);
  • плотное соединение покрытия с защищаемой основой без зазоров и полостей, с надежным электрогальваническим контактом покрытия и основы;
  • шероховатость поверхности покрытий составляет Rz = 20-40 и обеспечивает высокую прочность закрепления на них лакокрасочных материалов;
  • толщина может быть любой и обеспечивается технологическим режимом нанесения;
  • покрытия могут обрабатываться всеми известными способами мехобработки;
  • при специальной термообработке некоторые покрытия могут приобретать дополнительные или новые свойства;
  • покрытия могут наноситься на поверхности изделий из любых металлов, а также керамики и стекла.

Типы покрытий

К настоящему времени разработаны несколько типов покрытий на основе алюминия, меди, цинка, никеля:

  • антикоррозионные покрытия;
  • покрытия с низкой газопроницаемостью (герметизирующие);
  • композитные покрытия из смеси металлов и керамики для восстановления формы и размеров деталей;
  • электропроводящие покрытия;
  • покрытия со специальными свойствами.

Структура покрытий

Структура покрытий представляет собой однородный металлический слой (в случае чисто металлических покрытий, создаваемых из одного металла) или металлический слой, структурированный частицами другого металла или керамики.

Рабочее место и требования безопасности

Для обеспечения пылезащиты персонала и окружающей среды при работе с оборудованием ДИМЕТ в закрытых помещениях необходима организация рабочего места с отсосом запыленного воздуха из рабочей зоны, где производится напыление покрытий, и последующей его очисткой. Примерная схема организации рабочего места представлена на рисунке.

Пылезащитная камера должна обеспечивать возможность размещения в ней обрабатываемых изделий при условии доступа к нему соплом напылительного блока. Персонал должен быть защищен индивидуальными средствами пылезащиты (очки, респиратор).

Фильтр должен обеспечивать очистку запыленного воздуха от пыли (не вошедшего в покрытие порошка).

Вытяжной вентилятор должен обеспечивать эффективный отсос запыленного воздуха из системы «пылезащитная камера — фильтр — воздуховоды». Производительность вентилятора, нагруженного на фильтр, должна быть не менее 2 куб.м/мин.

В качестве системы пылеочистки могут использоваться как готовые промышленные пылесосы с достаточной степенью фильтрации воздуха и производительностью, так и специально изготовленные устройства, которые могут включать циклоны, фильтры тонкой очистки и вытяжные вентиляторы.

Технические характеристики

Применяемое оборудование

Аппарат газодинамического напыления металла состоит из таких основных частей:

  • емкости для порошка;
  • системы подачи рабочей среды, включая баллон для сжатого газа и все необходимые комплектующие к нему;
  • сопла (как правило, их несколько, они разной конфигурации и применяются для разных режимов напыления);
  • пульта управления.


В РФ качественное оборудование для напыления газодинамическим способом выпускает центр порошкового напыления в Обнинске под товарным знаком «ДИМЕТ». Оно соответствует требованиям отечественных ГОСТов, сертифицировано и защищено патентами во многих странах, включая Россию.
Процесс ремонта детали газодинамическим напылением показан на видео:

Просим тех, кто работал с разными типами оборудования по газодинамическому напылению и разными металлами и типами порошков поделиться опытом в комментариях к тексту и рассказать, каким способом выполнялись подготовка поверхности и сам процесс напыления.

Сущность и задачи газодинамического напыления

Газодинамическое напыление металла: цель, назначение, разновидности технологии. Преимущества и недостатки метода. Область применения. Оборудование и особенности применения холодного напыления.

Газодинамическое напыление металла выполняется с целью придания поверхностям металлических и неметаллических изделий необходимых свойств. Это может быть повышение электро- и теплопроводности, прочности, защита от воздействия коррозионных процессов, восстановление геометрических размеров и т. д. При этом в зависимости от конкретной задачи, зависящей от металла изделия, подбирается необходимое оборудование, расходные материалы и технология выполнения напыления. Чаще всего поверхности подлежат металлизации, при этом наносимое покрытие имеет высокую адгезию с материалом, на которую оно наносится, а изделие получается механически прочным. Напыляться могут чисто металлические порошки или смеси, в состав которых, помимо металлической составляющей, вводится керамический порошок в определенных количествах. Это значительно удешевляет технологию получения порошкового покрытия и не сказывается на его свойствах.

Суть и назначение технологии газодинамического напыления

Сущность метода холодного газодинамического напыления заключается в нанесении и закреплении на поверхности изделия или детали твердых частиц металла или смеси материалов размером от 0,01 до 50 мкм, разогнанных до необходимой скорости в воздухе, азоте или гелии. Такой материал называют порошковым. Это частицы алюминия, олова, никеля, баббиты разных марок, смесь алюминиевого порошка с цинком. Среда, с помощью которой осуществляют перемещение материала, может быть холодной или подогреваться до температуры не выше 700 °C.

При контакте с поверхностью изделия происходит трансформация пластического типа, а энергия кинематического вида переходит в адгезионную и тепловую, что способствует получению прочного поверхностного слоя металла. Порошок может наноситься не только на металлические поверхности, но и на выполненные из бетона, стекла, керамики, камня, что значительно расширяет область применения способа создания поверхностей с особыми свойствами.

  • высокого;
  • низкого.

В первом случае в качестве рабочей среды, перемещающей порошковый материал размером от 5 до 50 мк, используют гелий и азот. Частицы металла, если они движутся, имеют давление больше 15 атм. Во втором случае используется сжатый воздух, который подается под давлением, не превышающим 10 атм. Различаются эти виды еще и такими показателями, как мощность подогрева и расход рабочей среды.

Этапы напыления следующие:

  • подготовка поверхности изделия к напылению механическим или абразивным способом;
  • нагревание рабочей среды (воздух, азот, гелий) до установленной в технологическом процессе температуры;
  • подача нагретого газа в сопло оборудования вместе с порошком под необходимым давлением.

В результате порошок разгоняется в потоке до сверхзвуковых скоростей и соударяется с поверхностью детали или изделия. Происходит напыление слоя металла толщиной, величина которой зависит от температуры нагрева подаваемого газа и давления.

Подготовку поверхности изделия абразивным способом выполняют, применяя само оборудование для нанесения газодинамического напыления простой сменой параметров режима.

Область применения этого вида напыления довольно обширная. С помощью метода осуществляют герметизацию течей в емкостях и трубопроводах, ремонт деталей и отливок из легких сплавов, наносят электропроводящие, антикоррозионные и антифрикционные покрытия, устраняют механические повреждения, восстанавливают посадочные места в подшипниках.

Главные плюсы метода

  • выполнение работ при любых климатических условиях (давлении, температуре, влажности);
  • возможность применения оборудования стационарного и переносного типа, что в последнем случае позволяет осуществлять работы по месту их проведения;
  • возможность нанесения покрытия на локальные участки (дефектные места);
  • возможность создания слоев с разными свойствами;
  • возможность создания слоя необходимой толщины или разных по толщине в многослойных покрытиях;
  • процесс не оказывает влияния на структуру изделия, на которое наносится напыление, что является важным преимуществом;
  • безопасность;
  • экологичность.

К недостатку этого вида напыления относят только один факт. Слои можно наносить на пластичные металлы, такие как медь, цинк, алюминий, никель и сплавы на их основе.

Производители разных стран выпускают оборудование стационарного и переносного типа для ручного и автоматизированного нанесения покрытий разной производительности на разные металлы.

Применяемое оборудование

  • емкости для порошка;
  • системы подачи рабочей среды, включая баллон для сжатого газа и все необходимые комплектующие к нему;
  • сопла (как правило, их несколько, они разной конфигурации и применяются для разных режимов напыления);
  • пульта управления.

Процесс ремонта детали газодинамическим напылением показан на видео:

Просим тех, кто работал с разными типами оборудования по газодинамическому напылению и разными металлами и типами порошков поделиться опытом в комментариях к тексту и рассказать, каким способом выполнялись подготовка поверхности и сам процесс напыления.

Сверхзвуковое газопламенное напыление HVAF

Высокоскоростное газопламенное напыление HVAF или High Velocity Air-Fuel — это процесс термического напыления для нанесения покрытий с очень низкой пористостью и высокой прочностью сцепления из всех стандартных HVAF металлических и металлокерамических порошков, имеющихся на рынке.

Покрытия HVAF

Нанесенные по технологии HVAF покрытия , аналогичны и в целом сопоставимы с покрытиями, производимыми HVOF и Cold Spray.

HVAF — это процесс «теплого распыления», который холоднее, чем HVOF, но горячее, чем холодное распыление.

Пистолеты HVAF используют осевой впрыск порошка в воздушно-топливную струю с температурой около 1900-1950 ° C. Таким образом, этот процесс позволяет эффективно применять материалы на основе карбидов, но поскольку воздушно-топливная струя производит значительно меньше оксидов, чем высокотемпературные кислородно-топливные струи.

Процесс HVAF также может применять металлы с почти нулевым окислением, как и в случае холодного напыления. HVAF можно наносить на все обычные порошковые материалы для термического напыления, за исключением керамики.

Преимущества технологии и оборудования HVAF

Технология высокоскоростного напыления HVAF исключает трудности, связанные с применением HVAF систем, такие как потребление большого количества кислорода, водяное охлаждение и т.д. Можно распылять непрерывно в течение нескольких часов без остановки/

Возможность напыления материалов на поверхность деталей и предварительной абразивоструйной обработки поверхности одним пистолетом. Далее на видео показана работа установки абразивоструйной обработки и напыления депозита карбида вольфрама, без смены пистолета.

Особенности технологии сверхзвукового напыления HVAF:

  • является производной от технологии процесса обычного HVOF
  • использует сжатый воздух вместо кислорода
  • более высокая скорость распыления и эффективность отложений
  • более быстрое распыление и более низкая стоимость нанесения
  • более твердые покрытия с лучшими эксплуатационными характеристиками за счет «теплого распыления» процесса
  • подготовка поверхности осуществляется с помощью пистолета распылителя HVAF

Минимум затрат на замену или преобразование участка HVOF

Легко реализовать с существующей камерой металлизации и оборудованием HVOF .

Покрытия лучшего качества: более высокая плотность, лучшая износостойкость, лучшая прочность сцепления

Покрытия лучше работают.

Более высокая скорость распыления

Выполняйте задания за меньшее время и с меньшими затратами.

Более высокая эффективность депозита

Для покрытия используйте меньше порошка.

Намного более низкий расход запчастей

Пистолет не изнашивается быстро, расходы на техническое обслуживание значительно снижаются.

Прочные материалы конструкции

Пистолет нелегко повредить из-за ошибок оператора.

Легко настраивается для распыления широкого спектра материалов и достижения различных свойств покрытия

Пистолет HVAF может распылять практически любой металл или сплав, просто изменив конфигурацию оборудования.

Нет необходимости поддерживать запасы кислорода

Для установки системы HVAF требуется меньше площади.

Не требуется охлажденная вода

Пистолет проще в обслуживании, в разобранном состоянии не возникает беспорядка.

Может использоваться в мастерской или на объектах.

Контроллер отслеживает условия на входе и выходе для поддержания заданных значений.

Встроенный журнал данных

Обеспечивает подробную запись истории распыления для документации.

Неограниченное хранилище рецептов

Сохраняйте наборы пользовательских параметров с описательным текстом для каждого материала покрытия или детали.

Функция автоматического распыления полностью автоматизирует процесс распыления

Экономит время и труд, любой может нанести хорошее покрытие.

Пескоструйная очистка из пистолета

Операторы устанавливают детали один раз, дробеструйная очистка и нанесение покрытия происходят в одном месте. Значительно сокращает время и стоимость подготовки.

Заводская помощь доступна бесплатно, нет необходимости ждать, пока технический специалист поедет к заказчику.

Стоимость сверхзвукового напыления HVAF

Стоимость газопламенное напыление HVAF при нанесении покрытия с M3 ™ в 2-4 раза ниже по сравнению с процессом HVOF за счет использования воздуха вместо кислорода и высокой скорости распыления, что сокращает время распыления.

Эксплуатационные расходы

Уменьшение окисления частиц в покрытии

Низкая температура струи газотермического сверхзвукового напыления позволяет избежать перегрева частиц выше точки плавления, характерного для HVAF, плазменного, дугового и детонационного процессов. Поэтому окисление частиц в полете значительно ниже по сравнению с расплавленными частицами при HVAF. Также сверхзвуковое газодинамическое напыление существенно снижается декарбюризация карбидо-вольфрамового порошка при его напылении.

Порошки и эффективность депозита

Газопламенное напылениеHVAF может наносить порошки металлов, карбидов и металлических сплавов с диапазоном размеров от 5 до 53 микрон, из которых наиболее распространена резка -30 + 10 мкм. Эффективность наплавки (DE) составляет 50-75% для порошков карбидов и 60-85% для порошков металлов.

Скорость распыления

Процесс HVAF обеспечивает скорость распыления до 30 кг / час карбидов и до 23 кг / час металлических порошков (система распыления M3 ™).

Скорость струи и частиц

Теоретический предел скорости струи при газопламенном напылении HVAF составляет 1400 м / с для диапазонов давления, которые могут быть обеспечены обычными воздушными компрессорами 125 psi. Скорость частиц составляет до 1100-1200 м / с и зависит от разрезаемого порошка, размера и конструкции пистолета-распылителя (ускоряющего расстояния и профиля сопла).

Применение карбида вольфрама

Ударопрочность

Как и в случае испытаний на усталость и нагрузку, покрытия HVAF демонстрируют очень хорошую ударопрочность. В испытании на удар стальной шар весом 450 гр. упал с высоты 152 см.. Обычно HVOF и сверхзвуковая плазма могут выдержать 18-22 попадания до отказа, как показано на плазменном покрытии WC / 20Cr3C2 / 7Ni слева. Справа — покрытие HVAF WC / 20Cr3C2 / 7Ni, напыленное из пистолета-распылителя M3 ™, которое выдержало 100 ударов, и испытание было остановлено.

Остаточные напряжения

Напыление высокоскоростными пластичными частицами вместо расплавленных ведет к образованию напряжений сжатия в покрытии, или существенному снижению напряжений растяжения.

Постоянство свойств покрытий

Ускоренные до высокой скорости частицы, обладая дробеструйным эффектом, удаляют частицы плохо сцепленные с подложкой, устраняя источник возможных дефектов в покрытии.

Требования к процессу высокоскоростного газопламенного напыления HVAF.

Процесс сверхзвукового газодинамического напыления HVAF работает на пропане, пропилене или природном газе (подаваемом из баллонов или газовой линии под давлением) и сжатом воздухе, подаваемом воздушным компрессором. Никаких дополнительных требований к охлаждению или работе нет.

# газопламенное напыление #сверхзвуковое напыление# высокоскоростное напыление# HVAF# газотермическое сверхзвуковое напыление # высокоскоростное газопламенное напыление HVAF# сверхзвуковое газопламенное напыление# оборудование для сверхзвукового газотермического напыления# сверхзвуковое газодинамическое напыление#

«Холодное» напыление металлических покрытий

«Холодное» напыление металлических покрытий

Кандидаты физико-математических наук О. Клюев и А. Каширин.

Когда только появились первые металлические орудия труда, выяснилось, что, твердые и прочные, они сплошь и рядом портились под воздействием влаги. Шло время, люди создавали механизмы и машины, и чем более совершенными они становились, тем в более тяжелых условиях приходилось работать их металлическим деталям. Вибрации и знакопеременные нагрузки, огромные температуры, радиоактивное облучение, агрессивные химические среды — вот далеко не полный перечень «испытаний», которым они подвергаются. Cо временем люди научились защищать металл от коррозии, износа и других явлений, которые сокращают срок службы деталей. По сути, есть два подхода к обеспечению такой защиты: либо в основной металл добавляют легирующие элементы, которые придают сплаву искомые свойства, либо на поверхность наносят защитное покрытие. Условия работы деталей машин диктуют свойства, которыми должны обладать покрытия. Технологии их нанесения разнообразны: есть распространенные и относительно несложные, есть очень тонкие, позволяющие создавать покрытия с уникальными свойствами. А неугомонные инженеры продолжают изобретать все новые покрытия и придумывать способы их получения. Судьба этих изобретений может стать счастливой, если покрытие намного превосходит своих предшественников по полезным свойствам или если технология дает существенный экономический эффект. В разработке физиков из Обнинска соединились оба этих условия.

Читать еще:  Угольные горелки

Температура плюс скорость

Из способов металлизации поверхностей в современной технике чаще всего пользуются гальваническим нанесением и погружением в расплав. Реже используют вакуумное напыление, осаждение из паровой фазы и пр. Ближе всего к разработке обнинских физиков находится газотермическая металлизация, когда наносимый металл плавят, распыляют на мельчайшие капли и струей газа переносят их на подложку.

Металл плавят газовыми горелками, электрической дугой, низкотемпературной плазмой, индукторами и даже взрывчатыми веществами. Соответственно методы металлизации называют газопламенным напылением, электродуговой и высокочастотной металлизацией, плазменным и детонационно-газовым напылением.

В процессе газопламенного напыления металлический пруток, проволоку или порошок плавят и распыляют в пламени горелки, работающей на смеси кислорода с горючим газом. При электродуговой металлизации материал плавится электрической дугой. В обоих случаях капельки металла перемещаются к напыляемой подложке потоком воздуха. При плазменном напылении для нагрева и распыления материала используется струя плазмы, формируемая плазматронами разных конструкций. Детонационно-газовое напыление происходит в результате взрыва, разгоняющего металлические частицы до огромных скоростей.

Во всех случаях частицы напыляемого материала получают два вида энергии: тепловую — от источника нагрева и кинетическую — от газового потока. Оба этих вида энергии участвуют в формировании покрытия и определяют его свойства и структуру. Кинетическая энергия частиц (за исключением детонационно-газового метода) невелика по сравнению с тепловой, и характер их соединения с подложкой и между собой определяется термическими процессами: плавлением, кристаллизацией, диффузией, фазовыми превращениями и т.д. Покрытия обычно характеризуются хорошей прочностью сцепления с подложкой (адгезией) и, к сожалению, низкой однородностью, поскольку велик разброс параметров по сечению потока газа.

Покрытиям, которые создают газотермическими методами, присущ ряд недостатков. К ним относятся, прежде всего, высокая пористость, если, разумеется, не стоит цель специально сделать покрытие пористым, как в некоторых деталях радиоламп. Кроме того, из-за быстрого охлаждения металла на поверхности подложки в покрытии возникают высокие внутренние напряжения. Обрабатываемая деталь неизбежно нагревается, и если она имеет сложную форму, то ее может «повести». Наконец, использование горючих газов и высокие температуры в рабочей зоне усложняют меры по обеспечению безопасности персонала.

Несколько особняком стоит детонационно- газовый метод. При взрыве скорость частиц достигает 1000-2000 м/с. Поэтому основным фактором, определяющим качество покрытия, становится их кинетическая энергия. Покрытия отличаются высокой адгезией и низкой пористостью, но взрывными процессами крайне сложно управлять, и стабильность результато в гарантиро вать практически невозможно.

Скорость плюс температура

Желание создать более совершенную технологию возникло давно. Перед инженерами стояла цель — сохранить достоинства традиционных технологий и избавиться от их недостатков. Направление поиска было более или менее очевидно: во-первых, покрытия должны формироваться в основном за счет кинетической энергии частиц металла (нельзя допускать плавления частиц: это предотвратит разогрев детали и окисление подложки и частиц покрытия), и, во-вторых, частицы должны приобретать высокую скорость не за счет энергии взрыва, как в детонационно-газовом методе, а в струе сжатого газа. Такой метод назвали газодинамическим.

Первые расчеты и эксперименты показали, что создавать таким способом покрытия, обладающие вполне удовлетворительными характеристиками, можно, если использовать в качестве рабочего газа гелий. Такой выбор объяснялся тем, что скорость потока газа в сверхзвуковом соплепропорциональна скорости звука в соответствующем газе. В легких газах (водород из-за своей взрывоопасности не рассматривался) скорость звука гораздо выше, чем в азоте или воздухе. Именно гелий ускорял бы металлические частицы до высоких скоростей, сообщая им кинетическую энергию, достаточную для закрепления на мишени. Считалось, что использование более тяжелых газов, в том числе воздуха, обречено на неудачу.

Работа опытных напылительных установок дала неплохой результат: разогнавшиеся в струе гелия частицы из большинства промышленно применяемых металлов хорошо прилипали к подложке, образуя плотные покрытия.

Но полного удовлетворения инженеры не испытывали. Было понятно, что оборудование на легких газах неизбежно будет дорогим и сможет применяться лишь на предприятиях, выпускающих продукцию высоких технологий (только там есть магистрали со сжатым гелием). А магистрали со сжатым воздухом имеются практически в каждом цеху, на каждом предприятии автосервиса, в ремонтных мастерских.

Многочисленные эксперименты со сжатым воздухом вроде бы подтверждали худшие ожидания разработчиков. Однако интенсивный поиск все же позволил найти решение. Покрытия удовлетворительного качества получились, когда сжатый воздух в камере перед соплом нагрели, а в металлический порошок стали добавлять мелкодисперсную керамику или порошок твердого металла.

Дело в том, что при нагревании давление воздуха в камере в соответствии с законом Шарля повышается, а следовательно, повышается и скорость истечения из сопла. Частицы металла, набравшие в струе газа огромную скорость, при ударе о подложку размягчаются и привариваются к ней. Частицы керамики играют роль микроскопических кувалд — они передают свою кинетическую энергию нижележащим слоям, уплотняют их, снижая пористость покрытия.

Некоторые керамические частицы застревают в покрытии, другие отскакивают от него. Правда, таким способом получают покрытия только из относительно пластичных металлов — меди, алюминия, цинка, никеля и др. Впоследствии деталь можно подвергать всем известным способам механической обработки: сверлить, фрезеровать, точить, шлифовать, полировать.

Главное условие — простота и надежность

Старания технологов останутся втуне, если конструкторы не смогут создать простое, надежное и экономичное оборудование, в котором был бы реализован придуманный технологами процесс. Основой аппарата для напыления металлических порошков стали сверхзвуковое сопло и малогабаритный электрический нагреватель сжатого воздуха, способный доводить температуру потока до 500-600oС.

Использование в качестве рабочего газа обычного воздуха позволило попутно решить еще одну проблему, которая стояла перед разработчиками систем на легких газах. Речь идет о введении напыляемого порошка в газовую струю. Чтобы сохранить герметичность, питатели приходилось устанавливать до критического сечения сопла, то есть порошок необходимо было подавать в область высокого давления. Чисто технические трудности усугублялись тем, что, проходя через критическое сечение, металлические частицы вызывали износ сопла, ухудшали его аэродинамические характеристики, не позволяли стабилизировать режимы нанесения покрытий. В конструкции аппарата с воздушной струей инженеры применили принцип пульверизатора, известный каждому еще из школьных опытов по физике. Когда газ проходит по каналу переменного сечения, то в узком месте его скорость увеличивается, а статическое давление падает и может даже быть ниже атмосферного. Канал, по которому порошок поступал из питателя, расположили как раз в таком месте, и порошок перемещался в сопло за счет подсоса воздуха.

В результате на свет появился переносной аппарат для нанесения металлических покрытий. Он имеет ряд достоинств, которые делают его очень полезным в различных отраслях промышленности:

для работы аппарата нужны всего лишь электросеть и воздушная магистраль или компрессор, обеспечивающий давление сжатого воздуха 5-6 атм и подачу 0,5 м3/мин;

при нанесении покрытий температура подложки не превышает 150оС;

покрытия обладают высокой адгезией (40-100 Н/мм2) и низкой пористостью (1-3%);

оборудование не выделяет вредных веществ и излучений;

габариты устройства позволяют использовать его не только в цеху, но и в полевых условиях;

можно напылять покрытия практически любой толщины.

В состав установки входят собственно напылитель массой 1,3 кг, который оператор держит в руке или закрепляет в манипуляторе, нагреватель воздуха, порошковые питатели, блок контроля и управления работой напылителя и питателя. Все это смонтировано на стойке.

Пришлось потрудиться и над созданием расходных материалов. Выпускаемые промышленностью порошки имеют слишком большие размеры частиц (порядка 100 мкм). Разработана технология, которая позволяет получать порошки с зернами размером 20-50 мкм.

От космических аппаратов до сеялок

Новый способ напыления металлических покрытий может применяться в самых различных отраслях промышленности. Особенно эффективен он при ремонтных работах, когда необходимо восстановить участки изделий, например, заделать трещину или раковину. Благодаря невысоким температурам процесса легко восстанавливать тонкостенные изделия, отремонтировать которые другим способом, например наплавкой, невозможно.

Поскольку зона напыления имеет четкие границы, напыляемый металл не попадает на бездефектные участки, а это очень важно при ремонте деталей сложной формы, например корпусов коробок передач, блоков цилиндров двигателей и др.

Устройства для напыления уже применяют в авиакосмической и электротехнической промышленности, на объектах атомной энергетики и в сельском хозяйстве, на авторемонтных предприятиях и в литейном производстве.

Метод может оказаться весьма полезным во многих случаях. Вот лишь некоторые из них.

Восстановление изношенных или поврежденных участков поверхностей. С помощью напыления восстанавливают поврежденные в процессе эксплуатации детали редукторов, насосов, компрессоров, форм для литья по выплавляемым моделям, пресс-форм для изготовления пластиковой упаковки. Новый метод стал большим подспорьем для работников авторемонтных предприятий. Теперь буквально «на коленках» они заделывают трещины в блоках цилиндров, глушителях и пр. Без особых проблем устраняют дефекты (каверны, свищи) в алюминиевом литье.

Устранение течей. Низкая газопроницаемость покрытий позволяет ликвидировать течи в трубопроводах и сосудах, когда нельзя использовать герметизирующие компаунды. Технология пригодна для ремонта емкостей, работающих под давлением или при высоких и низких температурах: теплообменников, радиаторов автомобилей, кондиционеров.

Нанесение электропроводящих покрытий. Напылением удается наносить медные и алюминиевые пленки на металлическую или керамическую поверхность. В частности, метод экономически более эффективен, чем традиционные способы, при меднении токоведущих шин, цинковании контактных площадок на элементах заземления и т. п.

Антикоррозионная защита. Пленки из алюминия и цинка защищают поверхности от коррозии лучше, чем лакокрасочные и многие другие металлические покрытия. Невысокая производительность установки не позволяет обрабатывать большие поверхности, а вот защищать такие уязвимые элементы, как сварные швы, очень удобно. С помощью напыления цинка или алюминия удается приостановить коррозию в местах появления «жучков» на крашеных поверхностях кузовов автомобилей.

Восстановление подшипников скольжения. В подшипниках скольжения обычно применяют баббитовые вкладыши. С течением времени они изнашиваются, зазор между валом и втулкой увеличивается и слой смазки нарушается. Традиционная технология ремонта требует либо замены вкладыша, либо заварки дефектов. А напыление позволяет восстановить вкладыши. В этом случае для уплотнения слоя напыляемого металла керамику применять нельзя. Твердые включения через считанные минуты после начала работы выведут подшипник из строя, причем поврежденными окажутся поверхности и втулки и вала. Пришлось применить сопло особой конструкции. Оно позволяет наносить покрытие из чистого баббита в так называемом термокинетическом режиме. Частицы порошка сразу за критическим сечением сопла разгоняются сверхзвуковым потоком воздуха, затем скорость потока резко снижается до околозвуковой. В результате резко возрастает температура, и частицы нагреваются почти до температуры плавления. При попадании на поверхность они деформируются, частично плавятся и хорошо прилипают к ниже лежащему слою.

Каширин А. И., Клюев О. Ф., Буздыгар Т. В. Устройство для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов. Патент РФ на изобретение № 2100474. 1996, МКИ6 С 23 С 4/00, опубл. 27.12.97. Бюл.№ 36.

Каширин А. И., Клюев О. Ф., Шкодкин А. В. Способ получения покрытий. Патент РФ на изобретение № 2183695. 2000, МКИ7 С 23 С 24/04, опубл. 20.06.02. Бюл. № 17.

Холодное напыление — Cold spraying

Газодинамическое холодное напыление или холодное напыление ( CS ) — это метод нанесения покрытия. Твердые порошки ( диаметром от 1 до 50 микрометров ) ускоряются в сверхзвуковой газовой струе до скоростей до прибл. 1200 м / с . При ударе о подложку частицы пластически деформируются и прилипают к поверхности. Для достижения равномерной толщины распылительное сопло сканируется вдоль подложки. Металлы , полимеры , керамика , композиционные материалы и нанокристаллические порошки можно наносить с помощью холодного напыления. Кинетическая энергия частиц, поступает за счет расширения газа, преобразуется в энергию деформации пластиковой во время склеивания. В отличие от методов термического напыления , например плазменного напыления , дугового напыления, пламенного напыления или высокоскоростного кислородного топлива ( HVOF ), порошки не плавятся во время процесса напыления.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Типы
  • 3 Основные принципы
  • 4 Основные параметры при холодном напылении
  • 5 Достоинства и недостатки
  • 6 приложений
    • 6.1 Покрытия
    • 6.2 Ремонт
    • 6.3 Производство
  • 7 ссылки

История

Холодное напыление было разработано российскими учеными в 1990-х годах. Экспериментируя с эрозией частиц мишени, которая подвергалась воздействию двухфазного высокоскоростного потока мелкодисперсного порошка в аэродинамической трубе, ученые наблюдали случайное быстрое образование покрытий. Этот метод покрытия был коммерциализирован в 1990-х годах.

Есть два типа CS. Холодное напыление под высоким давлением (HPCS), при котором рабочим газом является азот или гелий при давлении выше 1,5 МПа, расходе более 2 м 3 / мин, тепловой мощности 18 кВт. Применяется для напыления порошков чистых металлов размером 5–50 мкм. При холодном напылении низкого давления (LPCS) рабочим газом является сжатый газ с давлением 0,5–1,0 МПа, расходом 0,5–2 м 3 / мин и мощностью нагрева 3–5 кВт. Используется для напыления механической смеси металлических и керамических порошков. Включение керамического компонента в смесь обеспечивает получение высококачественных покрытий с относительно низким энергопотреблением.

Основные принципы

Наиболее распространенная теория связывания при холодном напылении связана с « нестабильностью адиабатического сдвига », которая возникает на границе раздела частиц с подложкой при определенной скорости, называемой критической скоростью, или выше. Когда сферическая частица, движущаяся с критической скоростью, ударяется о подложку, сильное поле давления распространяется сферически в частицу и подложку от точки контакта. В результате этого поля давления создается нагрузка сдвига, которая ускоряет материал в поперечном направлении и вызывает локальную деформацию сдвига. Сдвиговая нагрузка в критических условиях приводит к адиабатической сдвиговой нестабильности, когда термическое разупрочнение локально преобладает над упрочнением под действием деформации и скорости деформации, что приводит к скачку деформации и температуры и разрушению напряжений течения. Это явление нестабильности адиабатического сдвига приводит к вязкому течению материала в направлении наружу с температурами, близкими к температуре плавления материала. Такое распыление материала также является известным явлением при сварке материалов взрывом .

Основные параметры при холодном напылении

Есть несколько факторов, которые могут повлиять на качество покрытий холодным напылением и эффективность нанесения. Основными факторами влияния являются:

  • Тип газа, например воздух, азот, гелий
  • Давление газа
  • Температура газа (максимальная температура при холодном напылении около 900 ° C)
  • Размер частицы
  • Свойства исходного материала, например плотность, прочность, температура плавления
  • Тип сопла
  • Субстрат
  • Кинетика осаждения (поперечная скорость пистолета, скорость сканирования, количество проходов . )
  • Расстояние зазора, то есть расстояние между форсункой холодного распылителя и основанием.

Параметры холодного напыления выбираются с учетом желаемых характеристик покрытия и экономических соображений. Это можно сделать, учитывая корреляцию между параметрами процесса и конечными свойствами покрытия. Для этой цели также доступны пакеты программного обеспечения.

Преимущества и недостатки

CS имеет множество преимуществ, которые делают эту технологию потенциально очень конкурентоспособной. Поскольку процесс является холодным, исходные физические и химические свойства частиц сохраняются, а нагрев подложки минимален, что приводит к образованию микроструктуры покрытий, подвергнутых холодной деформации, без плавления и затвердевания. Между частицей и областью их связывания наблюдалась динамическая рекристаллизация с мелкими зернами. Кроме того, технология позволяет распылять термочувствительные материалы и комбинации сильно разнородных материалов из-за того, что механизм адгезии является чисто механическим.

  • Высокая теплопроводность и электропроводность покрытий;
  • Высокая плотность и твердость покрытий;
  • Высокая однородность покрытий;
  • Низкая усадка;
  • Возможность распыления микрочастиц (5–10 мкм);
  • Возможность распыления наноматериалов и аморфных материалов;
  • Короткое расстояние отстоя;
  • Минимальная подготовка поверхности;
  • Низкое потребление энергии;
  • Возможность получения сложных форм и внутренних поверхностей;
  • Высокая производительность за счет большой мощности подачи;
  • Высокие показатели наплавки и эффективность;
  • Возможность сбора и повторного использования 100% частиц;
  • Нет токсичных отходов;
  • Нет горения;
  • Повышенная безопасность эксплуатации за счет отсутствия высокотемпературных газовых струй и излучения.

Полученная струя представляет собой пучок частиц с высокой плотностью из-за небольшого размера сопла (10–15 мм 2 ) и небольшого расстояния отвода (25 мм). Это приводит к высокой фокусировке струи и точному контролю над площадью наплавки. Наконец, создание сжимающих напряжений позволяет получать плотные однородные и сверхтолстые (20 мкм — 50 мм) покрытия.

С другой стороны, можно найти некоторые трудности. Например, трудно распылять твердые и хрупкие материалы, потому что в этом случае механическая адгезия за счет пластической деформации может быть не такой эффективной, как для пластичных частиц. Другие проблемы могут включать:

  • Почти нулевая пластичность в состоянии после напыления;
  • Необходимость в пластичной подложке;
  • Сложность обработки чистой керамики и некоторых сплавов в качестве упрочняемых сплавов;
  • высокая стоимость гелия;
  • засорение и эрозия сопла.

Приложения

Покрытия

Способность CS наносить материалы, которые являются фазочувствительными или чувствительными к температуре, позиционирует технику для получения покрытий, невозможную с другими методами термического напыления. CS обычно можно использовать для создания покрытий из самых разных металлов, сплавов и композитов на основе металлов, включая те материалы, которые имеют исключительно высокие температуры плавления (например, тантал , ниобий , суперсплавы ). Этот процесс также ценен для осаждения материалов, которые чрезвычайно чувствительны к присутствию кислорода и легко окисляются при умеренно повышенных температурах, что отрицательно сказывается на характеристиках этих материалов. Некоторыми примерами чувствительных к кислороду покрытий, которые обычно производятся с использованием CS, являются алюминиевые, медные, титановые и карбидные композиты (например, карбид вольфрама ), а также покрытия из аморфных сплавов.

Дополнительные разработки в области CS связаны с нанесением керамических материалов на металлы, особенно диоксида титана для фотокаталитических эффектов, а также с использованием CS в аддитивном производстве .

Ремонт

Теперь холодное напыление используется для ремонта деталей машин за считанные минуты. Частицы металла (никелевые сплавы) перемещаются в смеси азота и гелия и постепенно накапливаются на поврежденной части, чтобы воссоздать желаемую поверхность. Робот контролирует движение опрыскивателя. Армия США использует эту технологию для ремонта компонентов вертолетов Blackhawk . General Electric адаптирует эту технологию для гражданского применения.

Производство

Аддитивное производство с использованием технологии холодного напыления можно использовать для быстрой разработки деталей и компонентов со скоростью наплавки до 45 кг / час — намного быстрее, чем другие методы аддитивного производства.

В отличие от других методов аддитивного производства, таких как селективное лазерное плавление или аддитивное производство электронным лучом, холодное напыление не плавит металлы. Это означает, что металлы не подвержены деформации, связанной с нагревом, и детали не нужно изготавливать в среде инертного газа или в вакууме, что позволяет создавать гораздо более крупные конструкции. Самый большой и самый быстрый в мире металлический 3D-принтер имеет габариты 9 × 3 × 1,5 м и использует газодинамическое холодное напыление. Производство с использованием технологии холодного напыления обеспечивает такие преимущества, как возможность создавать формы без ограничений по форме или размеру, более эффективное соотношение закупок и продаж по сравнению с механической обработкой и возможность плавления разнородных металлов для создания гибридных металлических деталей — таких материалов, как титан. сплавы, медь, цинк, нержавеющая сталь, алюминий, никель, даже хастеллой и инконель можно распылять вместе.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector