Холодное газодинамическое напыление

Холодное газодинамическое напыление (ХГН) (англ. Cold Spray) металлических покрытий — это процесс формирования металлических покрытий при соударении холодных (с температурой, существенно меньшей температуры плавления) металлических частиц, ускоренных сверхзвуковым газовым потоком до скорости несколько сот метров в секунду, с поверхностью обрабатываемой детали. При ударах нерасплавленных металлических частиц о подложку происходит их пластическая деформация и кинетическая энергия частиц преобразуется в тепло, обеспечивая формирование сплошного слоя из плотно упакованных металлических частиц.

Основной особенностью ХГН является отсутствие высоких температур в процессе формирования металлических покрытий, следовательно, отсутствие окисления материалов частиц и основы, процессов неравновесной кристаллизации, высоких внутренних напряжений в обрабатываемых деталях.

К настоящему времени существуют две основных разновидности ХГН:

«Холодное газодинамическое напыление высокого давления» (англ. High Pressure Cold Spray). В качестве рабочего газа используются азот или гелий при давлениях выше 1,5 МПа (15 атм), расходе более 2 м³/мин., и мощностью подогрева более 18 кВт. Для напыления обычно используются чистые металлические порошки размером 5-50 мкм.

«Холодное газодинамическое напыление низкого давления» (англ. — Low Pressure Cold Spray). В качестве рабочего газа используется сжатый воздух давлением 0,5-1,0 МПа (5-10 атм), расходом 0,5 м³/мин, и мощностью подогрева 3-5 кВт. Для напыления покрытий используются механические смеси металлических и керамических порошков. Включение керамического компонента в напыляемую смесь обеспечивает получение качественных покрытий при сравнительно небольших энергозатратах.

История

Явление закрепления твёрдых металлических частиц на поверхности преграды было обнаружено в экспериментальных исследованиях обтекания тел сверхзвуковыми гетерофазными потоками, выполнявшихся в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН СССР (ИТПМ) [1, 2], [1].

В последующем в исследования и разработки, связанные как с физикой процессов, происходящих при ХГН, так и с созданием оборудования для ХГН и способов его практического применения включились исследовательские и производственные предприятия разных стран. Детальный обзор интеллектуальной собственности, созданной в области холодного газодинамического напыления, представлен в [4], описание современного состояния работ — в [5]. В настоящее время в мире серийно производятся несколько типов оборудования для ХГН высокого давления — компанией CGT, для ХГН низкого давления — компаниями ОЦПН [2] и CenterLine [3]-(по лицензии ОЦПН). В промышленности применяется переносное оборудование ДИМЕТ®, выпускаемое Обнинским центром порошкового напыления [4].

Холодное газодинамическое напыление высокого давления

[5]

Холодное газодинамическое напыление низкого давления

[6], [6]

Суть технологии ХГН низкого давления (см. рис.) состоит в следующем:

Схема напыления металлических покрытий воздухом низкого давления (LPCS)

1 — сжатый воздух давлением 0,5-1,0 МПа подаётся в нагреватель, нагревается там до 400—600 град. С;

2 — поступает в сверхзвуковое сопло;

3 — порошковый материал, представляющий собой механическую смесь металлических и керамических частиц, подаётся в сверхзвуковой поток воздуха за критическим сечением сопла, в ту его часть, где давление в потоке несколько ниже атмосферного давления;

4 — частицы ускоряются воздушным потоком до скорости 300—600 м/с;

5 — частицы взаимодействуют с поверхностью преграды, формируя на ней металлокерамическое покрытие.

Особенности технологии

Технология обладает рядом особенностей, отличающих её от наиболее близких к ней газотермических технологий нанесения металлов, в частности:

• для работы необходим только сжатый воздух и электроэнергия;

• нет нагрева и окисления металла частиц и подложки, деформаций, изменения структуры металлов (температура подложки меньше 100—150 град С) ;

• нет вредных и агрессивных газов, веществ, излучений и др. опасных факторов;

• технологическая простота нанесения покрытий.

Материалы покрытий

Технология позволяет создавать алюминиевые, медные, цинковые, оловянные, свинцовые, никелевые и другие металлические покрытия. В качестве керамической примеси обычно используется оксид алюминия, хотя могут быть использованы и другие материалы, отличающиеся высокой твёрдостью и температурой плавления.

Материалы основы

Металлы, стекло, керамика, ситаллы, гранит, бетон.

Структура металлических покрытий

Покрытие «медь+оксид алюминия» на подложке из стали.

Покрытия, создаваемые таким способом, представляют собой металлическую матрицу с внедрёнными в неё керамическими частицами (см. рис.)

Свойства покрытий

Покрытия характеризуются высокой прочностью, хорошими эксплуатационными свойствами и могут наноситься любой толщиной.

Применение

Технология находит применение в различных отраслях промышленности для решения целого ряда задач по нанесению металлических покрытий [7] в производстве машиностроительной продукции, ремонте деталей машин и в декоративно-прикладном искусстве:

• восстановление утраченного металла в производстве (например, отливок [8]) деталей и ремонте эксплуатационного износа и повреждений в ремонте деталей машин, технологического оборудования и транспортных средств любого назначения;
• ремонт форм [9], дорнов, каландров [10], и др.;
• нанесение электропроводящих покрытий на металлы [11], стекло [12], керамику [13];
• нанесение подслоев под пайку [14];
• герметизация течей ёмкостей, трубопроводов, теплообменников (особенно тонкостенных [15]), масло- газонаполненных трансформаторов [16], и т. п.;

• восстановление нормативных геометрических параметров деталей газоперекачивающих аппаратов [;http://www.dimet-r.narod.ru/application/spec03.html];
• нанесение покрытий, предотвращающих адгезионное схватывание [17];
• ремонт подшипников скольжения [18];
• ремонт посадочных мест подшипников [19];
• восстановление поверхностей гидроштоков [20];
• защита от коррозии [21];
• восстановление исторических скульптурных памятников [22], художественная обработка стекла, керамики, металлов, реставрация ретроавтомобилей [23].

См. также

• Импульсное газодинамическое напыление

Литература

1. Алхимов А. П., Нестерович Н. И., Папырин А. Н. Экспериментальное исследование обтекания тел сверхзвуковым двухфазным потоком. — ПМТФ, 1982, № 2, с.66-74.

2. Алхимов А. П., Косарев В. Ф., Папырин А. Н. Метод «холодного» газодинамического напыления. — Докл. АН СССР, 1990, т.315, № 5, с.1062-1065.

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

4. E.Irissou, J.-G.Legoux, A.N.Ryabinin, B.Jodoin, C.Moreau. Review on Cold Spray Process and Technology: Part I — Intellectual Property. Journal of Thermal Spray Technology, 2008, V. 17(4), pp. 495–516

5. Каширин А. И., Шкодкин А. В. Газодинамическое напыление металлических покрытий — возникновение метода и его современное состояние. — Упрочняющие технологии и покрытия. 2007, № 12(36), с. 22-33.

6. Буздыгар Т. В., Каширин А. И., Клюев О. Ф. Портнягин Ю. И. Способ получения покрытий. — Патент РФ № 2038411, 1993.