Процесс газодинамического напыления представляет собой закрепление частиц металла на металлических, стеклянных, керамических или бетонных изделиях в момент соударения газопорошковой смести с внешней поверхностью-подложкой. Происходит это благодаря предварительному ускорению этих частиц в сопле для сверхзвукового разгона частиц, при этом температура разгоняемых металлических частиц не превышает температуру их плавления. Металлический слой, нанесенный на изделие по методу холодного газодинамического напыления, отличается качественной сцепкой с поверхностью основы и устойчив к механическим повреждениям.

История открытия явления и факты, обнаруженные опытным путем

Тот факт, что для образования металлического покрытия на поверхности-подложке нет необходимости доводить металлические частицы до состояния плавления или близкого к нему, как это обычно происходит при использовании стандартных методик напыления, был обнаружен в конце ХХ века российскими учеными. Результаты ряда экспериментов, проводимых научными сотрудниками РАН, показали, что поверхностное напыление можно получать и при нагреве твердых металлических частиц до температуры, которая гораздо ниже температуры их плавления.

Кроме того, в ходе экспериментов были зафиксированы следующие важные факты:

• главным параметром в технологии холодного газодинамического напыления, от которого зависит качество адгезии, является скорость разгона газопорошковой смеси. Именно этот параметр влияет на степень сцепки напыления с поверхностью, на которую оно наносится, а также на такие характеристики напыляемого слоя, как пористость и механическая прочность. При скорости твердых частиц выше 500-600 м/с эрозийные процессы трансформируются в прочный слой напыления;
• эмпирическим путем был обнаружен критический предел расхода частиц, при котором металлический слой не образуется при любой длительности воздействия газопорошкового потока на подложку;
• если расход порошка превышает критическую величину, то происходит крепкое и надежное сцепление частиц на напыляемой поверхности, и образуется плотный напыляемый слой;
• из всего объема твердых частиц, разгоняемых сверхзвуковым потоком, только небольшое количество образует слой поверхностного напыления. Основная масса частиц распыляется и не имеет возможности закрепиться на обрабатываемой поверхности. Соответственно, количество металлических частиц, наносимых и фиксирующихся на изделии, напрямую зависит от объема расходуемого порошкового материала;
• поверхность подложки в процессе формирования слоя напыления нагревается незначительно.Температура поверхности, обтекаемой потоком газа и подложки, которая находится в процессе газодинамического напыления, отличается друг от друга примерно на 45 градусов.

Виды холодного газодинамического напыления и их преимущества

Холодное газодинамическое напыление имеет 2 вида:

1. Напыление высокого давления, при котором используется гелий, азот или смесь газов. Расход порошкового материала составляет 4,5-13,5 кг/ч.
2. Холодное газодинамическое напыление низкого давления, осуществляемое при помощи сжатого воздуха. Объем расходуемого порошка колеблется в пределах 0,3-3 кг/ч.

Оба вида напыления имеют свои преимущества и недостатки:

• при использовании в технологическом процессе высокого давления покрытие получается более качественным, при том, что размер твердых частиц металлического порошка может варьироваться от 5 до 50 мкм, а не в пределах 5-30 мкм, как в технологии со сжатым воздухом;
• в технологическом процессе напыления низкого давления используется менее габаритное оборудование, стоимость которого значительно ниже того, что используется для напыления под высоким давлением.

Технологический процесс напыления высокого и низкого давления

В процессе холодного напыления высокого давления газ нагревается и соединяется с твердыми частицами порошкового материала. Эта газопорошковая смесь поступает в сверхзвуковое сопло, разгоняется там до сверхзвуковой скорости и под давлением 7-40 бар направляется на поверхность изделия, на котором необходимо образовать металлическое покрытие.

Холодное напыление, при котором используется сжатый воздух, технологически отличается от метода напыления под высоким давлением тем, что основные процессы происходят сразу в сопле для разгона частиц до сверхзвуковой скорости: газ нагревается непосредственно в нем, а порошок поступает в сопло перпендикулярно газовому потоку. Кроме того, при использовании метода напыления с низким давлением используются порошки, в которых кроме частиц металла присутствуют керамические частицы. Такие добавки улучшают состояние поверхности изделия, на которое наносится напыление, и повышают качество адгезии материалов. Кроме того, в процессе прохождения потока смеси через оборудование керамические частицы дополнительно очищают стенки и выходное отверстие сопла.

Область применения холодного газодинамического напыления

Холодное газодинамическое покрытие применяется для решения следующих задач:

• реставрация металлических деталей, которые были подвержены сколам, трещинам, истиранию и другим механическим повреждениям;
• покрытие металлических изделий напылением с целью увеличения их антикоррозийных и теплопроводных свойств;
• защита контактных поверхностей наконечников металлических кабелей.

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.

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.

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.

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

Литература

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.

По сути, - 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

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.

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.

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

Отрасль	Применение	Покрытия
Литейное производство	Ремонт дефектов литьевых деталей Под давлением В кокиль По выплавляемым моделям	Покрытия для восстановления формы и размеров деталей. Герметизирующие покрытия (низкая газопроницаемость)
Металлургическое производство	Снижение электросопротивления контактов электролизёров Защита от высокотемпературной коррозии	Электропроводящие покрытия Жаростойкие покрытия
Автомобилестроение	Ремонт литых деталей	Герметизирующие покрытия Антикоррозионные покрытия
	Покрытия при ремонте механических повреждений ГБЦ, БЦ, агрегатов Герметизация трещин ГБЦ, БЦ, радиаторов, трубопроводов, кондиционеров Защита от коррозии локальных очагов Восстановление формы кузовных деталей из алюминия без шпатлевки	Герметизирующие покрытия Антикоррозионные покрытия
Авиастроение, авиаремонт	Ремонт литьевых и производственных дефектов алюминиевых деталей	Покрытия для восстановления формы и размеров деталей. Герметизирующие покрытия
Ракетная и космическая техника	Специальное	Покрытия для герметизации изделий из термоупрочненного алюминия Теплоизлучающие покрытия
Судостроение, судоремонт	Протекторная защита сварных швов Восстановление посадочных мест подшипников	Покрытия для восстановления формы и размеров деталей Антикоррозионные покрытия Герметизирующие покрытия
Нефтегазовая промышленность	Восстановление геометрии деталей газоперекачивающих агрегатов Предотвращение от схватывания высоконагруженных резьбовых соединений Восстановление подшипников скольжения	Покрытия для восстановления формы и размеров деталей Антисхватывающие покрытия Антифрикционные
Электротехническое производство	Металлизация электроконтактных площадок Нанесение электропроводных гальванически совместимых покрытий Металлизация для теплопередачи Подслои по алюминию и стекло под пайку	Электропроводящие покрытия
Инструментальное производство	Восстановление форм для пластиковой и стеклянной упаковки Восстановление форм для прессования резиновых изделий Восстановление оснастки для прессовки деталей из прессматериалов (АГ4, ДСВ, карболит) Изготовление искрозащищенного инструмента	Покрытия для восстановления формы и размеров деталей Искробезопасные покрытия
Реставрация памятников и скульптур	Восстановление утраченных элементов памятников. Защита от коррозии	Покрытия для восстановления формы и размеров деталей Антикоррозионные покрытия

Реализованный проект

Роботизированный комплекс покрытия контактных поверхностей токопроводящих шин, которые используются в токамак-реакторе проекта ИТЭР. Разработчик комплекса — ООО "Актон" (партнер и системный интегратор Robowizard).

Схема комплекса:

Решенная задача:

Напыление двухслойного медного покрытия на плоские электроконтактные поверхности алюминиевых токопроводящих шин. Площадка напыления — до 0,5м 2 , 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;

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

Сверхзвуковое холодное газодинамическое напыление (ГДН).

Сущность метода заключается в формировании покрытий за счет высокой кинетической энергии нерасплавленных металлических частиц. В настоящее время данный метод известен как Cold Spray - холодное напыление.

Необходимо отметить, что в наиболее распространенных газотермических способах нанесения покрытий для их формирования из потока частиц необходимо, чтобы падающие на основу частицы имели высокую температуру, обычно выше температуры плавления материала. При газодинамическом напылении это условие не является обязательным, что и обуславливает ее уникальность. В данном случае с твердой основой взаимодействуют частицы, находящиеся в нерасплавленном состоянии, но обладающие очень высокой скоростью.

В противоположность плазменному горячему способу распыления разработан газодинамический метод нанесения покрытий холодным способом, сущность которого заключалась в том, что была установлена некоторая пороговая скорость, при которой холодные пластичные частицы образовывали плотное покрытие. При различной грануляции (крупные и мелкие частицы в едином потоке) более мелкие частицы, имеющие большую скорость, оседали на подложке, а более крупные частицы, имеющие меньшую скорость, отскакивали от поверхности и не участвовали в формировании покрытия.

Такое поведение частиц позволило ввести в поток материала покрытия более крупные частицы абразива. Происходило одновременное опескоструивание и нанесение покрытия. С точки зрения подготовки поверхности, когда ювенильная поверхность подложки теряет свою активность за счет адсорбции газов на поверхности при задержке напыления, такая схема нанесения покрытий является оптимальной. При этом была разработана установка, в которой газ (воздух, азот) при давлении 2,5-3,5 МПа подогревается до 350- 600°С в металлическом змеевике проходящим по нему электрическим током от сварочного трансформатора. Распылитель снабжается соплом Лаваля, обеспечивающим сверхзвуковое истечение двухфазной струи.

На рис. 2.48 представлена схема процесса. Газодинамическое холодное напыление позволяет наносить покрытия из пластичных металлов с добавлением других материалов.

На рис. 2.49 представлены зависимости скорости и температуры газа и частиц по соплу Лаваля для двухфазной струи (азот + твердые частицы меди размером 5 и 25 мкм) при давлении Р = 2,5 МПа и температуре Т 0 = 950°С. При этом отношение выходного диаметра /) в к критическому /) к составляет /) в /Г> к = 9.

Рис. 2.48.

Рис. 2.49. Температура воздуха Т д, скорость воздуха и температуры и скорости медных частиц диаметром 5 и 25 мкм в профилированном сверхзвуковом сопле

Отечественная установка «ДИМЕТ» выпускается Обнинским центром порошкового напыления в двух вариантах - ручном мощностью 2 кВт и стационарном мощностью 7 кВт. Рекомендации по применению порошковых материалов представлены в табл. 2.10.

Основное применение ГДН - это нанесение антикоррозионных покрытий протекторного типа на основе алюминия и цинка. Наносятся износостойкие покрытия на основе пластичных материалов - баббита, меди, никеля и др. По сравнению со способами ГН и ЭДМ, когда металл плавится и насыщается газами, в том числе водородом, ухудшающим протекторные свойства покрытия, ГДН не имеют этих недостатков. Водород не растворяется в твердофазных частицах. Покрытие эффективно защищает сталь от коррозии. Способ нашел широкое применение для защиты кузовов автомобилей от коррозии в области сварочных швов.

Основные компоненты покрытия	рабочего
Алюминий, цинк		Герметизация течей в металлических трубках, радиаторах, конденсорах, теплообменниках и т.п., в том числе герметизация течей в сварных швах, ремонт коррозионных и механических повреждений. Герметизация трещин, промоин и других дефектов в алюминиевых, стальных и чугунных деталях
Алюминий, цинк		Восстановление формы металлических деталей. Заполнение каверн, пор, трещин и других дефектов в изделиях из алюминия и его сплавов (в том числе в деталях двигателей, пресс- формах и т.п.). Восстановление посадочных мест подшипников в алюминиевых, стальных и чугунных деталях
Алюминий, карбид кремния		Заполнение каверн, трещин и других дефектов в алюминиевых, стальных и чугунных корпусных деталях двигателя
Оксид алюминия		Очистка и струйно-абразивная подготовка поверхности стали и чугуна для нанесения металлических покрытий
		Электропроводящее покрытие (на сталь, алюминий, керамику). Подслой для пайки оловом к алюминиевым, стальным и чугунным деталям
Медь, цинк		Заполнение каверн, трещин и других дефектов в стальных и чугунных корпусных деталях двигателя

Основные компоненты покрытия	рабочего	Назначение покрытий, объекты ремонта и восстановления
		Антикоррозионная защита. Герметизация дефектов, микротрещин, резьбовых соединений
		Жаростойкое покрытие для защиты от высокотемпературной коррозии. Электропроводящее покрытие для контактных площадок электрооборудования
Никель, цинк		Заполнение каверн, прогаров и других дефектов в стальных изделиях. Для изделий, работающих при высокой температуре
		Электропроводящее покрытие для контактных площадок электрооборудования
		Антикоррозионная защита стальных деталей и сварных швов на стальных конструкциях

На рис. 2.50 представлена схема установки фирмы Linde (США). Последние достижения в реализации способа - изготовление ручных распылителей, характеристики которых приведены в табл. 2.11.

Таблица 2.11

Характеристики распылителей ГДН

Характеристики	Модель 412	Модель 403
Производительность по А1, г/мин
Число температурных режимов
Габариты (мм) и масса (кг):
блока напыления	450 х 64 х 85 мм; 1,3 кг	450 х 64 х 85 мм; 1,3 кг
	340 х 260 х 320 мм; 8 кг	560 х 260 х 490 мм; 16 кг
Характеристики покрытия:
прочность сцепления, МПа
пористость, %
шероховатость поверхности, мкм	R, = 20-40

Рис. 2.50. Схема установки холодного напыления фирмы Linde:

1 - танкер с сжиженным газом (Аг); 2 - испаритель; 3 - компрессор; 4 - подогреватель воздуха; 5 - порошковый питатель; 6 - распылитель

Низкие требования к ускоряющему газу и малая потребляемая мощность обеспечивают возможность создания портативных установок, использующих технологию «ДИМЕТ».