Перспективы применения низкотемпературного газодинамического напыления композиционных материалов в ремонтном производстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективы применения низкотемпературного газодинамического напыления композиционных материалов в ремонтном производстве

Э.Р. Абдуллин

Оренбургский государственный университет, г. Оренбург

В современном ремонтном производстве широко распространены различные методы восстановления ресурса деталей сборочных единиц (узлов или агрегатов). Одним из наиболее распространенных и весьма простых является замена изношенных деталей на новые. Отчасти это оправдано, например, в том случае, когда деталь не поддаётся восстановлению. Однако существует ряд изделий, восстановление которых с применением существующих в настоящее время технологий связано с уменьшением геометрических размеров изделия в пределах ремонтных размеров, установленных заводом-изготовителем. Но диапазон изменения геометрических размеров, допускаемый изготовителем, составляет малый процент от геометрических размеров новой детали, что ставит под сомнение целесообразность замены изношенной детали на новую. Ранее подобный случай чаще всего приводил к замене изделия, однако представляется возможным восстановить её, избежав полной замены, что являлось с экономической точки зрения затратным и по сути нерентабельным для изготовления вновь. деталь узел изношенный композиционный

Метод холодного газодинамического напыления (далее по тексту - ХГН) состоит в том, что мелкие биметаллические частицы или композиционно составляющие порошки, находящиеся в твёрдом состоянии, вводятся в поток газа, движущийся со скоростью звука, и направляются непосредственно на преграду, то есть на поверхность восстанавливаемой детали со скоростью несколько сотен метров в секунду. Сталкиваясь с ней в процессе высокоскоростного удара, композиционные частицы закрепляются на поверхности, формируя таким образом сплошное покрытие с хорошей адгезией. Обычно частицы напыляемого порошка имеют температуру значительно ниже температуры их плавления.

В случае, когда напыляемый порошок представляет собой смесь, по крайней мере, двух компонентов, один из которых - пластичный металл, а второй - порошок керамики или более твёрдого металла (можно рассматривать более сложные композиции), процесс протекает иным образом, чем в простейшем случае. Частицы такой смеси порошков, увлеченные потоком газа в сопле, с высокой скоростью соударяются с препятствием, однако характер взаимодействия с поверхностью препятствия металлических и керамических частиц существенно различается.

Частицы керамики при ударе практически не деформируются и либо отскакивают от поверхности, унося при этом часть основного материала этой поверхности, либо внедряются в нее, образуя прочное сцепление с поверхностью. На основании эрозионного воздействия керамических частиц на поверхность происходит в последствии эффективная очистка от загрязнений, абсорбированных веществ, окисных плёнок, а также в процессе формируется микрорельефная поверхность.

При соударении частиц с основной поверхностью происходит их пластическая деформация, что приводит к образованию в пятне контакта химических связей. Последующие удары керамических частиц по закрепившимся на основной поверхности частицам металла дополнительно деформируют их, уплотняя в связи с этим покрытие, увеличивая адгезию материала детали и напыляемых частиц.

При ХГН покрытий условно можно выделить три основные стадии процесса:

Первая стадия - это очистка поверхности от окислов, маслянистых образований и других загрязнений потоком высокоскоростных частиц. При этом активизируется процесс осаждения частиц напыляемого композиционного порошка с образованием микрорельефа.

Вторая стадия - это получение зоны контакта покрытия с поверхностью, ответственной за прочность сцепления покрытия последних. За счет высокоинтенсивного соударения микрочастиц происходит пластическое деформирование основного материала детали и наносимого порошка, идёт процесс их частичного внедрения и закрепления на поверхность.

Третья стадия - это образование «финишного» покрытия. Каждая частица при ударе «прессует» предыдущий слой частиц, что улучшает их взаимодействие друг с другом, уменьшая или вовсе устраняя зазоры между частицами. При этом сама частица в результате передачи своей энергии на формирование покрытия, может и не полностью закрепиться в нём.

Таким образом, образование покрытия происходит как результат множества высокоскоростных ударов микрочастиц о поверхность детали. При этом выделяют основные процессы, которые влияют на сцепление частиц с подложкой и друг с другом (см. Рис. 1.).

Рис. 1. Основные процессы, ответственные за сцепление частиц с подложкой и друг с другом

Во первых, это тесное соприкосновение кристаллических решёток до образования металлических связей на отдельных участках пятна контакта. При этом нигде в пятне контакта не происходит плавления частицы или детали под воздействием транспортирующего газа. Этот механизм сцепления аналогичен технологии сцепления при сварке взрывом.

Во вторых, на отдельных неровных участках может происходить плавление падающих частиц, может одновременно осуществляться точечная микросварка посредством перехода кинетической энергии частицы в тепловую.

В третьих, важную роль может играть и механическое сцепление частиц с деталью, в частности, частиц в подложку.

Сущность метода ХГН 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 (0,4-0,7 Т пл.). Технология ХГН 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.

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 толщине 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 около 45 градусов.

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

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. 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. 3. Принципиальная схема холодного газодинамического напыления высокого давления

Рис. 4. Конструкция сопла для холодного газодинамического напыления высокого 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. Традиционные методы термического нанесения покрытий имеют ряд недостатков ввиду несовершенства технологии восстановления деталей, которых лишён метод ХГН. Метод газодинамического напыления позволяет получать покрытия из большинства металлов и сплавов (Al, Zn, Cu, Fe, Ni, V, Co, Sn и др.) на различные изделия из металлов и диэлектриков, включая стекло, керамику и т.п. При этом характерное значение адгезии составляет 30 … 80 Мпа, пористости - 1 … 10%, толщина слоя - 1 … 10000 мкм, коэффициента использования порошка - 50 … 80%. Он может применяться в машиностроении, авиастроении, сельхозмашиностроении, судостроении, автомобилестроении, электронной технике, приборостроении и т. д., для получения антикоррозионных, упрочняющих, изолирующих, антифрикционных, электро- и магнитопроводящих покрытий.

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

С учётом написанного выше представляется перспективным применять ХГН в ремонтном производстве как альтернативу традиционным методам газотермического напыления.

В настоящее время в РФ в серийном производстве применяется оборудование, в котором в качестве транспортирующего газа применяется воздух, подаваемый компрессором. Подобное портативное оборудование производится Обнинским центром порошкового напыления, в то время как в Европе и Америке применяется также азот или гелий, а производится установка компаниями Supersonic Spray Technologies (Канада), Inovati и ASB-Industries (США) и CGT (Германия).

На сегодняшний день метод ХГН получил широкое признание специалистов в области поверхностной обработки материалов, защиты материалов от коррозии, уменьшения трения, повышения электро- и теплопроводности, а также упрочнения поверхности и многих др. Из-за отличий параметров процесса и в зависимости от предпочтений и представлений разных исследователей описанный метод напыления металлических покрытий имеет множество названий: «холодное напыление», «быстрое напыление», «кинетическая металлизация», «кинетическое напыление», «динамическая металлизация» и др. Несмотря на некоторые технические различия все подходы включают процесс ускорения частиц по законам газовой динамики и процесс динамического взаимодействия частиц с основной. Поэтому использование термина «газодинамическое напыление» вполне полно описывает процесс и метод в целом.

Главной проблемой для российских учёных является конструктивная особенность оборудования, не позволяющая наносить порошки из чёрных металлов. Однако это затруднение вполне представляется преодолимым.

Список литературы

1. Нанесение металл-полимерных покрытий методом холодного газодинамического напыления [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://vivliophica.com/articles/physics/515546/ (дата обращения: 09.01.2019).

2. Особенности технологии напыления металлов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://dimet.info/tekhnologiya/ (дата обращения: 10.01.2019).

Размещено на Allbest.ru