Газодинамическая технология холодного напыления (ХГН) от компании ДИМЕТ

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.

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.

Владислав Пермин, специально для Equipnet.ru

Мир современных материалов — Холодное газодинамическое напыление

 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).

На рис. 3 представлена принципиальная схема напыления покрытий холодным методом высокого давления. Газ под высоким давлением нагревается и смешивается с порошком, затем газопорошковая смесь поступает в сопло, где она ускоряется до сверхзвуковой скорости и направляется на подложку, формируя покрытие.

 Рис. 3. Принципиальная схема холодного газодинамического напыления высокого давления.

 Основное отличие сверхзвукового сопла для этих технологий заключается в том, что при напылении с низким давлением порошок поступает перпендикулярно газовому потоку прямо в сопле, а при технологии высокого давления в сопло поступает газопорошковая смесь (рис. 4, 5). Также отличием является то, что подогрев газа при высоком давлении осуществляется перед сверхзвуковым соплом, а при низком давлении непосредственно в нем.

 Рис. 4. Конструкция сопла для холодного газодинамического напыления высокого давления [2].

 Рис. 5. Конструкция сопла для холодного газодинамического напыления низкого давления.

 При методе холодного напыления низкого давления обычно напыляют различные металлические порошки вместе с добавкой керамических частиц (Al₂O₃, SiC). Считается, что эти добавки активируют поверхность подложки, улучшая адгезию, и благодаря им прочищается сопло.

 Холодный метод нанесения покрытий, в основном, применяют для восстановления различных металлических деталей в случае трещин, сколов, истирания. Также у них высокий потенциал в качестве антикоррозионных, теплопроводных покрытий. Предложено использовать такие покрытия в качестве защитных для контактных поверхностей кабельных наконечников [1]. В [3] приведены экспериментальные результаты испытаний разнообразных покрытий поверхностей сильноточных контактов, нанесенных холодным газодинамическим напылением низкого давления. Все варианты не прошли испытания, кроме специально разработанного композиционного покрытия (см. новость «Защитное композиционное покрытие для электрических контактов»
Source: http://worldofmaterials.ru/358-zashchitnoe-kompozitsionnoe-pokrytie-dlya-elektricheskikh-kontaktov»).

 Литература:

 1.Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое напыление. Теория и практика. – М.: Физматлит, 2010 — 536 с.

 2. http://www.cmit.asiro.au/innovation/2003-08/cold_spray.cfm

 3. Koktsinskaya E.M., Roshal A.G. et al. Aging Tests of the High Current Aluminum–Copper Contact Connections in the ITER DC Busbar System/ IEEE Transactions on Plasma Science. – 2014. -Volume:42 ,  Issue: 3, p. 443-448.

Вас также может заинтересовать:

Газодинамическое напыление по технологии ДИМЕТ при помощи роботов Kawasaki

Роботы Kawasaki применяют в комплексах напыления по технологии ДИМЕТ. Эта технология позволяет наносить металлический слой на различные поверхности: металл, стекло, керамика, камень. Особенностью технологии является возможность нанесения металлического порошка на несовместимые для сварки и пайки металлы. Например, удается эффективно наносить медь на алюминий, что представляет большую ценность для электротехнического производства.

О технолигии

Технология газодинамического напыления порошкового металла и преобразования его в монолитное покрытие реализуется на оборудовании ДИМЕТ выпускаемом Обнинским Центром Порошкового Напыления. Покрытия формируются на любой твердой поверхности, такой, как металл, стекло, керамика, камень. Материал покрытия выбирается при решении конкретной производственной или творческой задачи, поскольку решение может быть получено с помощью разного типа порошковых материалов.

Сжатый воздух (5-8 атм) нагревается (300-600°C) и подается в сопло, где формируется сверхзвуковой поток:

• в этот поток вводятся порошки, содержащие металлические и керамические частицы
• частицы ускоряются газовым потоком до скорости несколько сот метров в секунду и в нерасплавленном состоянии направляются на подложку
• при ударе о подложку кинетическая энергия частиц преобразуется в тепло, а затем в энергию связи частиц с подложкой
• в результате таких высокоскоростных ударов частицы закрепляются на подложке и формируют плотное покрытие.

Основные процессы, определяющие сцепление частиц с подложкой и друг с другом:

1. Тесное соприкосновение кристаллических решеток частиц и подложки (или разных частиц) до образования металлических связей, по крайней мере, на отдельных участках пятна контакта. При этом нигде не происходит плавления частицы или подложки. Этот механизм сцепления аналогичен механизму сцепления при сварке взрывом.
2. На отдельных выступах и неровностях падающих частиц может происходить их плавление и осуществляться точечная микросварка.
3. При тесном соприкосновении ювенильных поверхностей разнородных материалов может проявляться межмолекулярное взаимодействие этих материалов. Типичным примером такого механизма является напыление зеркального алюминиевого покрытия на стекло.
4. Определенную роль может играть механическое сцепление при условии глубокого проникновения частиц в подложку. Конкретное соотношение относительной роли различных механизмов сцепления в различных случаях может существенно отличаться друг от друга и является предметом отдельного исследования.

Области применения

Реализованный проект

Схема комплекса:

Решенная задача:

Напыление двухслойного медного покрытия на плоские электроконтактные поверхности алюминиевых токопроводящих шин. Площадка напыления — до 0,5м², сами шины достигают длины 12 метров и массы 4 тонны.

Состав комплекса:

1. ПЛК Овен;
2. Робот Kawasaki RS006L;
3. Камера напыления;
4. Контроллер E01;
5. …

Реализованный комплекс дает возможность выполнения следующих задач:

• исполнение технологического процесса с функцией программного контроля и управления параметрами;
• движение напылителя по заданной траектории, синхронизирующееся с работой технологического оборудования, посредством передачи информационных сообщений;
• визуализация параметров технологического процесса на сенсорном экране оператора, а также средства изменения режимов работы, организованные на базе элементов диалоговых окон.

Если у вас есть потребность в подобном решении — оставьте свои контактные данные в форме заявки. Наши специалисты проконсультируют вас и оговорят детали сотрудничества.

Галерея проекта

Схема сотрудничества

Оборудование для холодного газодинамического напыления металлов

Покупка и продажа оборудования для бизнеса

• Главная
• Информационные статьи
• Технологии
• “Оборонка” поделилась методом реставрации металлических изделий

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 еще о преимуществах и недостатках метода. Оборудование для напыления металлов из китая? 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

Все 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. Цены на оборудование для напыления металлов? 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.

Дополнительная информация:

Газодинамическим методом наносятся жаростойкие покрытия, которые обеспечивают защиту вплоть до 1000-1100 градусов Цельсия. Электропроводность в среднем составляет 80-90 % электропроводности объемного материала. Коррозионная стойкость зависит от характеристик агрессивной среды.

Работа оборудования ДИМЕТ , разработанного и серийно выпускаемого ” Обнинским центром порошкового напыления” ( ООО “ОЦПН “), основана на эффекте закрепления частиц металла, если они движутся со сверхзвуковой скоростью, на поверхности при соударении с ней, газодинамическое напыление металлов ДИМЕТ . Технология позволяет наносить металлические покрытия не только на металлы, но и на стекло, керамику, камень, бетон. К настоящему времени технология ДИМЕТ позволяет наносить покрытия из алюминия, цинка, меди, олова, свинца, баббитов, никеля и наносить их не только на металлы, но и на стекло, керамику, камень, бетон.

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 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.

В описании изобретения Браунинга данные проблемы оговариваются, но не разрешаются. Выход из данного положения открывает метод напыления, в котором порошок не нагревается до расплавленного состояния. Идея о возможности “холодной сварки” мелких металлических частиц при высокоскоростном соударении их с твердой поверхностью высказана в изобретении Шестакова еще в 1967 году [3] Предложение о холодной сварке частиц в динамическом режиме в свое время не получило развития.

Оборудование для холодного газодинамического напыления металлов? Т.к. для реализации режима холодного напыления необходимы были новые предложения по устройству соплового узла.

Газодинамическое напыление в Красноярске и крае

Газодинамическое напыление — это технология нанесения металлического покрытия на различные материалы и изделия с защитной или декоративной целью, при которой формирование поверхностного слоя происходит за счет удара частиц наносимого вещества о поверхность покрываемых заготовок. Газодинамическое напыление бывает холодным (ХГН) и импульсным (ИГН). В первом случае частицы не подвергаются нагреву, а их разгон обеспечивается с помощью сверхзвукового газового потока. Во втором же происходит средний нагрев и ускорение частиц серией ударных волн фиксированной частоты.

Газодинамическое напыление

Основная цель газодинамического напыления металла заключается в придании поверхностям заготовок определенных свойств. Эта процедура выполняется не только в отношении металлических заготовок, но и других материалов. Она направлена на увеличение прочностных характеристик, электрической и тепловой проводимости. Данная технология обеспечивает защиту от коррозии, восстанавливает геометрические размеры. Предприятия, оказывающие услуги газодинамического напыления металла в Красноярске, прекрасно справляются с этой задачей, ведь в их распоряжении находится высокотехнологичное оборудование.

В большинстве случаев, поверхности металлизируют, при этом наносимые покрытия обладают отличными адгезивными свойствами. Сцепление с основанием получается максимально надежным, изделия обретают дополнительную прочность. Напыляться могут исключительно металлические порошки либо субстанции, содержащие помимо металла, ещё и керамическую составляющую в определенных дозировках. Это существенно удешевляет методику формирования порошкового покрытия и не отражается на его характеристиках. Суть холодной методики газодинамического напыления состоит в нанесении и фиксации на поверхности элементов твердых металлических частиц либо смесей материалов. Их размер составляет 0,01-50 мкм. Они разгоняются до требуемой скорости в воздушной, озоновой либо гелиевой среде. Подобный материал именуют порошковым.

Это алюминиевые частички, никелевые, сочетания алюминия с цинком. Среда, при помощи которой перемешают материал, может быть горячей и холодной. В первом случае максимальный нагрев составляет 700 градусов. При взаимодействии с поверхностью изделия имеет место пластинчатая трансформация, кинематическая энергия трансформируется в адгезионную и тепловую. За счет этого формируется прочный поверхностный слой. Порошок наносят не только на поверхности из металла, но и на бетонные, стеклянные, керамические, каменные. Это существенно расширяет сферу использования методики формирования поверхностей со специфичными свойствами.

Газодинамическое напыление бывает высоким и низким – этот зависит от уровня давления. В первом случае рабочей средой, которая перемещает порошок, служит азот и гелий. Движущиеся металлические частицы обладают давлением свыше 15 атм. Во втором случае применяют сжатый воздух, подаваемый под давлением не более 10 атм. Отличия между этими видами состоят еще и в силе подогрева, расходе рабочей среды. Напыление выполняется в несколько этапов, включающих:

1. Подготовку поверхности к нанесению порошка (используют механический либо абразивный метод).
2. Нагрев рабочей среды до необходимого температурного режима.
3. Подачу нагретого газа в специальное сопло под требуемым давлением (газ подается вместе с порошком).
4. Порошок обретает огромную скорость и соприкасается с поверхностью изделий.

Стоимость услуг газодинамического напыления металла в Красноярском крае вполне доступная.

В России предложен революционный метод выращивания и ремонта авиационных деталей с помощью газодинамического напыления

Международный научный журнал International Journal of Advanced Manufacturing Technology опубликовал статью на тему новой разработки российский и французских ученых, которая, как отмечают авторы, сулит «революцию в авиастроении». Речь идет о модернизации самого дорого элемента самолета – авиационного двигателя. Проект, разработанный в стенах Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» позволяет проводить ремонт силовых установок, не прибегая к замене деталей. Для исправления повреждений ученые предлагают использовать аддитивные технологии или 3D-печать. Новый способ не только обеспечит экономию средств при обслуживании самолетов, но и значительно снизит первоначальное производство авиадвигателей.

Воспользуйтесь нашими услугами

Специалисты «МИСиС» и Лионского университета взяли за основу метод «холодного газодинамического напыления», разработанный еще в Советском Союзе. Этот способ всегда использовался для нанесения на детали каких-нибудь покрытий. А новый проект подразумевает использование ХГН для «выращивания» деталей по компьютерным моделям непосредственно на силовой установке.

Главное преимущество такого метода заключается в том, что он не требует термического воздействия. Использование сварки могло негативно сказаться на прочностных характеристиках аппарата, а для ХГН не нужен нагрев металла. Новое материал образуется в результате взаимодействия частиц порошка, ускоренных сверхзвуковым газовым потоком. При помощи 3D- моделирования специалисты смогут «выращивать» поврежденную деталь до ее первоначального вида.

Представитель Объединенной двигателестроительной корпорации Павел Аликин уверен, что новая разработка пригодится не только для ремонта силовых установок, но и для их производства. Например, разработка первого «тяжелого» авиадвигателя ПД-35 в какой-то момент застопорилась из-за потребности в создании жаропрочного корпуса диаметров 2 метра и крупногабаритных титановых элементов. Традиционным методом литья выполнить такую задачу, как говорит Аликин, было практически невозможно. Зато созданные путем 3D-печати образцы МИСиС оказались гораздо прочнее и дешевле запланированных. Такая реклама для нового способа «выращивания» деталей авиадвигателя может значительно ускорить его внедрение на производство.

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.
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.

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

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).

На рис. 3 представлена принципиальная схема напыления покрытий холодным методом высокого давления. Газ под высоким давлением нагревается и смешивается с порошком, затем газопорошковая смесь поступает в сопло, где она ускоряется до сверхзвуковой скорости и направляется на подложку, формируя покрытие.

Рис. 3. Принципиальная схема холодного газодинамического напыления высокого давления.

Основное отличие сверхзвукового сопла для этих технологий заключается в том, что при напылении с низким давлением порошок поступает перпендикулярно газовому потоку прямо в сопле, а при технологии высокого давления в сопло поступает газопорошковая смесь (рис. 4, 5). Также отличием является то, что подогрев газа при высоком давлении осуществляется перед сверхзвуковым соплом, а при низком давлении непосредственно в нем.

Рис. 4. Конструкция сопла для холодного газодинамического напыления высокого давления [2].

Рис. 5. Конструкция сопла для холодного газодинамического напыления низкого давления.

При методе холодного напыления низкого давления обычно напыляют различные металлические порошки вместе с добавкой керамических частиц (Al₂O₃, SiC). Считается, что эти добавки активируют поверхность подложки, улучшая адгезию, и благодаря им прочищается сопло.

Холодный метод нанесения покрытий, в основном, применяют для восстановления различных металлических деталей в случае трещин, сколов, истирания. Также у них высокий потенциал в качестве антикоррозионных, теплопроводных покрытий. Предложено использовать такие покрытия в качестве защитных для контактных поверхностей кабельных наконечников [1]. В [3] приведены экспериментальные результаты испытаний разнообразных покрытий поверхностей сильноточных контактов, нанесенных холодным газодинамическим напылением низкого давления. Все варианты не прошли испытания, кроме специально разработанного композиционного покрытия.

 Литература:

1. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое напыление. Теория и практика. – М.: Физматлит, 2010 – 536 с.
2. http://www.cmit.asiro.au/innovation/2003-08/cold_spray.cfm
3. Koktsinskaya E.M., Roshal A.G. et al. Aging Tests of the High Current Aluminum–Copper Contact Connections in the ITER DC Busbar System/ IEEE Transactions on Plasma Science. – 2014. -Volume:42 ,  Issue: 3, p. 443-448.

Воспользуйтесь нашими услугами

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Газодинамическое напыление металла -Услуги

Работа оборудования ДИМЕТ®, разработанного и серийно выпускаемого  «Обнинским центром порошкового напыления»  (ООО «ОЦПН»), основана на эффекте закрепления частиц металла, если они движутся со сверхзвуковой скоростью, на поверхности при соударении с ней, газодинамическое напыление металлов ДИМЕТ®. Технология позволяет наносить металлические покрытия не только на металлы, но и на стекло, керамику, камень, бетон. К настоящему времени технология ДИМЕТ® позволяет наносить покрытия из алюминия, цинка, меди, олова, свинца, баббитов, никеля и наносить их не только на металлы, но и на стекло, керамику, камень, бетон.

Важно, что температуры при нанесении покрытий ДИМЕТ® не превышают 150 градусов, т.е. температуры работающего двигателя, что позволяет широко применять ДИМЕТ® в авторемонтных работах, а именно:

• —Ремонт головки блока цилиндров двигателя;
• —Герметизация топливных баков;
• —Ремонт радиаторов;
• —Ремонт и восстановление кондиционеров автомобиля;
• —Ремонт посадочных мест коленвалов и постелей распредвалов;
• —Ремонт обогревателей заднего стекла;
• —Цинкование, антикоррозийная обработка и многое другое.

Основные элементы технологии холодного газодинамического напыления

Технология газодинамического напыления металлов ДИМЕТ® включает в себя нагрев сжатого газа (воздуха), дальнейшее поступление его  в сверхзвуковое сопло с формированием в сопле воздушного потока сверхзвуковой скорости. Далее питатель подает в сверхзвуковой поток металлический порошок  (особым образом подготовленный), частицы металла разгоняются и направляются на поверхность детали.

Ремонт ГБЦ, отремонтированный блок цилиндров

В качестве порошковых материалов используются порошки металлов, сплавов или\и их смеси с керамическими порошками. Все составы порошков разработаны специально  «Обнинским центром порошкового напыления» именно для оборудования ДИМЕТ®. Изменяя режимы работы оборудования можно либо проводить эрозионную  (струйно-абразивную) обработку поверхности изделия, либо наносить металлические покрытия требуемых составов.

Преимущества метода газодинамического напыления в следующем:

• —Нанесение покрытий при любых значениях температуры и влажности окружающей среды, в обычных условиях мастерской;
• —Покрытие не нагреваентся свыше 100-150 градусов, следовательно нет внутренних напряжений деталий, деформаций и окисления материалов покрытия и детали;
• —Безопасность — отсутствуют высокие температуры, опасные газы и излучения, нет химически агрессивных отходов, требующих специальной нейтрализации;
• —ДИМЕТ® компактный, мобильный  (вес от 11 до 20 кг в зависимости от модели), работа оборудованием интуитивно удобно, специальных навыков не требуется;
• —Оборудование используем не только в стационарных условиях но и в полевых;