Газодинамический способ напыления это

Сущность и задачи газодинамического напыления

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

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

Суть и назначение технологии газодинамического напыления

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

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

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

Этапы напыления следующие:

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

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

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

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

Главные плюсы метода

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

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

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

Применяемое оборудование

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

Процесс ремонта детали газодинамическим напылением показан на видео:

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

Источник

Газодинамический способ напыления это

Электронный научный журнал «ТРУДЫ ВИАМ»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
«ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
НАЦИОНАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ЦЕНТРА «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

• 
• 

Авторизация

Статьи

Метод холодного газодинамического напыления (ХГН) позволяет наносить покрытия с широким набором функциональных свойств практически на любой материал подложки, восстанавливать геометрические размеры деталей, поврежденных в процессе эксплуатации, и проводить восстановление защитных противокоррозионных покрытий без трудоемкого демонтажа конструкции. Простота и технологичность процесса, мобильность установок для нанесения покрытий методом ХГН дают возможность применять данный метод как в промышленных условиях с использованием роботизированных систем, так и в «полевых» условиях

Введение

В настоящее время в машиностроении для увеличения ресурса работы изделийпредъявляют повышенные требования к материалам, используемым для изготовления деталей и конструкций [1, 2]. Одним из перспективных направлений является улучшение характеристик материалов за счет нанесения функциональных покрытий, в том числе увеличение коррозионной стойкости материла, износостойкости и защита от механических повреждений, а также предоставление возможности локального ремонта изделий без демонтажа конструкции [3]. При этом предпочтение отдается технологиям, которые не оказывают негативного воздействия на наносимую поверхность. Технология холодного газодинамического напыления (ХГН) является наиболее динамично развивающимся методом для нанесения защитных покрытий и придания различных функциональных свойств материалам [4, 5].

Формирование покрытий методом холодного газодинамического напыления осуществляется в результате предварительного ускорения напыляемых частиц до сверхзвуковой скорости и их соударения с материалом-подложкой с последующей пластической деформацией [6].

Придание высоких скоростей и большой кинетической энергии частицам происходит за счет особенности конфигурации сопла Лаваля, что дает возможность формировать металлические покрытия при температурах, существенно меньше их температуры плавления [7]. Покрытия, полученные методом ХГН, не только имеют повышенную адгезию к металлическим поверхностям, но и обеспечивают различным конструктивным материалам широкий набор функциональных свойств [8].

Рассматриваемый метод отличается от газотермических систем напыления, например высокоскоростного напыления (HVOF – High Velocity Oxygen Fuel), высокой скоростью газового потока и относительно низкими температурами процесса. Отсутствие высоких температур при проведении процесса ХГН дает возможность применять этот метод для термочувствительных подложек [9]. На рис. 1 представлена диаграмма для современных технологий напыления металлов.

Рис. 1. Сравнение температуры и скорости частиц при различных методах напыления покрытий

При напылении покрытий HVOF плазменным или детонационным методами рабочие температуры достигают или превышают температуру плавления металлических частиц, что приводит к их расплавлению, сжатию после охлаждения и, как следствие, возникновению остаточных растягивающих напряжений в покрытии. При использовании ХГН частицы не достигают температуры плавления и при напылении формируют сжимающее остаточное напряжение за счет кинетической энергии соударения с поверхностью [10].

Холодное газодинамическое напыление – это общее название процесса. Можно встретить также такие названия, как кинетическая металлизация и динамическая металлизация [11].

Явление формирования покрытий методом ХГН было исследовано в России в начале 1980-х гг. Группа ученых Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) разработала способ нанесения металлических покрытий при помощи ускорения частиц до сверхзвуковых скоростей. Это привело к разработке двух патентов СССР – изобретениям метода и устройства для ускорения металлических частиц газом с высоким давлением при температурах, значительно меньших температуры плавления частиц, для формирования беспористого покрытия с высокой адгезией к подложке [12, 13].

В 1994 г. был получен патент в США. Процесс нанесения покрытий назвали холодным газодинамическим напылением, позволяющим напылять разнообразные материалы – металлы, сплавы, полимеры и их смеси. С тех пор выпущено множество патентов, но эти три стали основными в области ХГН [14].

Основной целью данных изобретений является разработка способа и устройства для напыления покрытий для придания поверхности изделий необходимого уровня свойств (снижение пористости, повышение твердости, прочности, коррозионной стойкости). Поставленную задачу решали путем введения в поток газа порошков металлов с размером частиц от 1 до 50 мкм для образования газопорошковой смеси. Плотность массового расхода частиц составляла от 0,05 до 17 г/(с·см 2 ) в зависимости от режима напыления. Скорость газового потока для внедрения металлических частиц в структуру подложки находилась в пределах от 300 до 1200 м/с. Придание ускорения газопорошковой смеси обеспечивает высокий уровень кинетической энергии частиц порошка. При столкновении напыляемых частиц с поверхностью изделия происходили их пластическая деформация и образование прочных адгезионных связей с подложкой.

Применение мелкодисперсных порошков способствовало уменьшению объема микрополостей и созданию более однородной структуры, что приводит к повышению коррозионной стойкости, твердости и адгезии покрытий.

В период с 1980 по 2020 г. выпущено в общей сложности более 150 патентов в области ХГН-покрытий.

Как показал анализ отобранных охранных документов и научно-технической документации, исследования по разработке функциональных покрытий, наносимых методом ХГН, проводятся практически во всех промышленно развитых странах мира.

За последние 20 лет наибольшая изобретательская активность в области технологий ХГН-покрытий наблюдается в России, Германии, Китае и США [15].

В 2008 г. в США выпущен стандарт MIL-STD-3021 «Напыление материалов. Холодное газодинамическое напыление», который описывает процесс работы метода ХГН, а также методы испытаний покрытий и применяется при восстановлении изделий военной техники с помощью ХГН [16].

Данная область нанесения покрытий также осваивается разработчиками из Японии, Республики Кореи, Индии, Австрии и Австралии [17].

На рис. 2 представлен график изобретательской активности в области технологий ХГН-покрытий.

Рис. 2. Изобретательская активность в области технологий ХГН-покрытий за последние
20 лет [15–17]

Основными тенденциями развития технологий ХГН являются повышение производительности и автоматизация процесса напыления покрытий за счет разработки новых автоматизированных систем и исследования современных порошковых материалов для придания различных функциональных свойств деталям и изделиям.

Конструктивные особенности установок для напыления

покрытий методом ХГН

Устройство для напыления покрытий методом ХГН содержит: дозирующий питатель; корпус, включающий бункер для порошка в виде барабана, имеющего углубления на цилиндрической поверхности; смесительную камеру, снабженную соплом для ускорения частиц порошка (рис. 3, а).

Сопло сообщается со смесительной камерой и источником сжатого газа. Контроллер подачи частиц порошка обеспечивает желаемую скорость его потока во время нанесения покрытия, а перегородка, установленная на дне бункера, предотвращает попадание частиц порошка в пространство между барабаном и корпусом дозирующего устройства, что может привести к заклиниванию барабана.

Сопло, имеющее профилированный проход, позволяет придавать газовому потоку сверхзвуковую скорость. Для увеличения производительности процесса и управления скоростью смеси газа и порошка со сверхзвуковой струей, устройство содержит элемент для нагрева сжатого газа с системой регулирования его температуры (рис. 3, б). Предпочтительно, чтобы нагревательные средства были снабжены нагревательным элементом, изготовленным из резисторного сплава, что даст возможность уменьшить габаритные размеры нагревательного средства и его массу [18–22].

Рис. 3. Устройство для нанесения покрытия на поверхность изделия:

а – общий вид; б – вариант устройства, имеющего модуль нагрева газа, соединенный параллельно с дозирующим питателем

Существует две разновидности технологии ХГН, обеспечивающие формирование сплава на обрабатываемой поверхности при разной начальной скорости порошковой смеси. Различной скорости потока частиц добивались за счет давления газа. Поэтому на сегодняшний день установки для напыления металлов делятся на два вида: ХГН с низким давлением и ХГН с высоким давлением [23].

Основное отличие сверхзвукового сопла для этих технологий заключается в том, что при напылении с низким давлением порошок поступает перпендикулярно газовому потоку прямо в сопло, а при технологии с высоким давлением в сопло поступает газопорошковая смесь (рис. 4) [24].

Рис. 4. Установки для нанесения ХГН-покрытий с высоким (а) и низким давлением (б)

При напылении с высоким давлением воздух (или газ – азот, гелий) под давлением

70 ат нагревается до температуры от 400 до 1100 °С и смешивается с порошком, после чего газопорошковая смесь поступает в сопло. После расширения газа внутренняя энергия газопорошковой смеси преобразуется в кинетическую энергию, которая при уменьшении температуры газа ускоряет его поток к сверхзвуковому режиму (1000 м/с) и направляется на подложку, формируя покрытие. Покрытие может быть сформировано из таких систем материалов, как металлы и их сплавы, металлокомпозиты, керамика, металлокерамика, полимеры, наноматериалы [25, 26].

При напылении с низким давлением воздух (или азот) при относительно низком давлении (5–10 ат) поступает в сверхзвуковое сопло и нагревается в нем до температуры 550 °С, ускоряется до 600 м/с и направляется на подложку из металла, стекла или керамики [27].

Добавление в металлопорошковую смесь керамических частиц карбида кремния SiC или корунда Al₂O₃ способствует активации поверхности подложки, улучшению адгезии, а также формированию более плотных и беспористых покрытий [28].

Конструктивные особенности сопла определяют производительность и качество нанесения ХГН-покрытий [29]. Существует оптимальная степень расширения для ускорения частиц около 4 и 6,25 для сопла с расходящейся длиной 100 и 40 мм.

Помимо традиционного сопла Лаваля, в соответствии с конфигурацией детали и материалом сырья, разработано множество модификаций сопла (цилиндрические и прямоугольные) [30].

Для увеличения кинетической энергии напыляемых частиц разработана система подогрева воздуха. Сжатый воздух поступает в нагреватель, нагревается там до температуры от 100 до 300 °С, а затем поступает в сопло, создавая разрежение и смешиваясь с напыляемым материалом [31].

В настоящее время для повышения эффективности труда и качества нанесения покрытий на сложнопрофильные детали на производствах внедряются автоматизированные системы для нанесения ХГН-покрытий.

Рис. 5. Автоматизированные комплексы для нанесения ХГН-покрытий

На рис. 5 представлены установки ХГН с низким и высоким давлением для нанесения металлических покрытий на поверхности деталей [32–34]. Комплексы, как правило, состоят из установки для напыления, сканирующего (роботизированного) устройства, фильтро-вытяжного устройства, пылезащитной камеры и стойки [31].

Механизм формирования ХГН-покрытий

Исходный порошок для нанесения ХГН-покрытий состоит из частиц различной дисперсности и массы, поэтому не все частицы ускоряются до критических скоростей, при которых происходит их внедрение в поверхность подложки и формирование покрытия. Крупные частицы часто не достигают критической скорости и при сближении с поверхностью отскакивают от нее. Эффективность напыления таких частиц составляет при этом до 95% [35–37].

На рис. 6 показана последовательность деформации медной частицы, напыленной со скоростью 650 м/с, на алюминиевую подложку. В процессе напыления происходит эрозионный износ подложки, внедрение и деформация частицы напыляемого материала и формирование адгезионного контакта на поверхности. Последующие частицы формируют покрытие в месте контакта с внедренной частицей. Этот процесс сопровождается локальным повышением температуры на границе раздела частиц без достижения температуры плавления напыляемого материала [38–40].

Рис. 6. Схема взаимодействия медной частицы с алюминиевой подложкой при напылении методом ХГН

Наиболее важным параметром при холодном напылении является скорость частиц – именно от ее величины зависят адгезия, пористость, микротвердость покрытий и др. [41].

Процесс нанесения ХГН-покрытия может сопровождаться эрозионными процессами, которые наблюдаются при скорости частиц от 500 до 600 м/с. При превышении данных значений скорости происходит пластическая деформация частиц и формируется адгезионный контакт с материалом подложки [42].

Помимо скорости частиц, важным параметром при нанесении ХГН-покрытий является критическая величина расхода частиц. При расходе порошка больше критической величины, частицы прочно сцепляются с поверхностью изделия и между собой, образуя в напыленном слое плотную структуру покрытия [43].

На рис. 7 представлены микрофотографии поверхности образца и его поперечного шлифа, сформированного при напылении алюминиевых частиц размером от 20 до 40 мкм [44].

Рис. 7. Микрофотографии внешнего слоя на поверхности образца (а) и поперечного шлифа покрытия (б), сформированного при напылении алюминиевых частиц

На поверхности образца (рис. 7, а) наблюдается развитая шероховатость вследствие применения частиц корунда в составе напыляемого материала для получения плотно сцепленных между собой частиц алюминия. На поперечном шлифе (рис. 7, б) сквозная пористость отсутствует – покрытие однородно по всей толщине слоя и имеет прочное сцепление с материалом подложки [45].

Для получения качественных, беспористых, с высокой адгезией ХГН-покрытий необходимо, чтобы скорость частиц напыляемого материала достигала 600 м/с для мягких и пластичных материалов (Cu, Al, Zn) и больше 1000 м/с для формирования покрытий из твердых и тугоплавких материалов (W, Ti, Co, Ni) [46]. Для активации поверхности и формирования более плотного покрытия в составе порошка должны присутствовать
керамические частицы (Al₂O₃, SiC) [47].

Системы материалов для напыления методом ХГН

В настоящее время активно ведется разработка новых порошковых материалов и технологии их напыления. Ее особенностью является возможность нанесения металлического порошка на несовместимые для сварки и пайки металлы. Кроме того, данная технология используется для придания материалу функциональных свойств, таких как износостойкость, защита от коррозии, а также для создания жаростойких покрытий [48].

Металлические материалы

При нанесении покрытий методом ХГН используются как металлы, так и их сплавы. Согласно основам кристаллографии, материалы, применяемые при данном методе, можно разделить на следующие группы:

– металлы с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК): Al, Cu, Ni и γ-Fe;

– металлы с объемноцентрированной решеткой (ОЦК): Ta, W, Mo, Cr и α-Fe;

– металлы с гексагональной плотноупакованной решеткой (ГПУ): Zn, Mg, Co и Ti.

Большая часть исследований процесса холодного газодинамического напыления сосредоточена на пластичных металлах, таких как алюминий, медь, стали, сплавы на никелевой основе [49–52]. Это ограничение основывается на том, что напыляемые твердые частицы должны пластически деформироваться при соударении для создания металлических связей на отдельных участках пятна контакта. Для этого напыляемая частица должна быть в свою очередь достаточно пластична, чтобы могла произойти пластическая деформация [53].

Для получения антикоррозионных покрытий методом ХГН в основном применяют такие материалы, как алюминий, цинк и их сплавы [54].

Для повышения коррозионной стойкости конструкционных сталей используют смесь порошков алюминия и цинка с добавлением корунда. Полученное покрытие обладает защитными свойствами, в 3 раза превышающими свойства гальванического цинкового покрытия [55].

Для увеличения коррозионной стойкости полученного покрытия проводят термообработку в печи при температуре 480–500 °С с выдержкой 10–15 мин [56].

Для уменьшения шероховатости и упрочнения восстановленной детали после холодного газодинамического напыления производят механическую и безабразивную ультразвуковую финишную обработки поверхности.

Для получения повышенных значений твердости и износостойкости осуществляют микродуговое оксидирование детали [57].

Следует отметить, что для повышения износостойкости и коррозионной стойкости были разработаны следующие сплавы:

– на основе алюминия – для наноструктурированных покрытий, включает железо, кремний и отличается тем, что дополнительно содержит цинк, олово, титан и церий [58];

– на основе никеля – для нанесения износо- и коррозионностойких покрытий на конструкционные элементы, содержащие в своей структуре лантаноиды и тугоплавкие металлы из группы W, Re, Ta [59].

Металлокомпозитные материалы

В настоящее время возникла потребность в увеличении трибологических свойств покрытий. Для этого необходимы материалы с высокой твердостью. Однако такие материалы очень сложно наносить из-за их низких характеристик пластичности [60]. Для решения этой проблемы в структуру пластичной деформируемой металлической матрицы добавляют твердые частицы интерметаллидов [61].

Из-за низкой температуры нанесения ХГН никаких существенных реакций при распылении смешанных порошков не происходит. При напылении покрытий на основе металлокомпозитных материалов формируется покрытие с высокой плотностью и низким содержанием кислорода [62].

В случае двух металлов, формирующих металлокомпозит, термообработка позволяет управлять составом интерметаллидных соединений и получать покрытия с заданным уровнем свойств. Для получения покрытий с повышенными твердостью и износостойкостью в металлическую матрицу добавляют керамические частицы [63].

Металлокомпозит, в зависимости от включенных материалов, имеет различные сферы применения. Эта область разделена на две категории. В первой группе основными компонентами являются металлы, а во второй – металлические и твердые частицы [64].

В качестве примера рассмотрим несколько вариантов покрытий на основе металлокомпозитов.

С целью создания беспористого, твердого материала с высокими трибологическими характеристиками использовали материал на основе системы Ti–Al. После нанесения покрытия проведена термическая обработка. Результаты испытаний показали, что последующая термическая обработка покрытия преобразовывает осажденный материал Ti/Al в интерметаллид.

Проведены исследования и по напылению алюминиевого порошка на никелевую подложку. После отжига образовались интерметаллидные соединения Al₃Ni и Al₃Ni₂, что значительно повысило твердость покрытия [65].

Кроме того, проведены исследования по нанесению на подложку из углеродистой стали тугоплавкого материала на основе кобальта с добавлением порошка никеля. Толщина покрытия составила 25 мкм, частицы обладали достаточно высокой пластической деформацией в процессе нанесения, модуль упругости превышал 6 ГПа. Добавление пластичного никелевого порошка в тугоплавкий материал на основе кобальта уменьшило твердость и увеличило плотность покрытия [66].

Порошки вольфрама и меди в соотношении 75W:25Cu в % (по массе) измельчили в шаровой мельнице, а полученный порошок нанесли на подложку из низкоуглеродистой стали методом ХГН. Нанесенные покрытия обладали высокими плотностью, твердостью и низкой пористостью [67].

На сегодняшний день нанесение покрытий из металлокомпозитных материалов методом ХГН является одним из самых изучаемых направлений в этой области. При использовании этих материалов возможно достичь уникальных поверхностных свойств для целого ряда изделий [68].

Металлокерамические и керамические материалы

Керамические частицы обычно используют для улучшения плотности покрытия и его механических характеристик. В настоящее время получены такие металлокомпозиции, как NiCr+Cr₂C₃, WC+Co, Al+SiC [69, 70].

Для повышения износостойкости и микротвердости получаемых покрытий предлагается использование частиц карбидов, в частности карбида вольфрама, диаметром от 5 до 50 мкм. Более мелкие частицы внедряются в состав покрытия, крупные частицы за счет кинетической энергии соударения обеспечивают адгезию основного напыляемого металла [71].

Для повышения стойкости ХГН-покрытий к окислению проанализированы покрытия на основе карбида кремния SiC, нанесенные на подложку из никель-хромового сплава Inconel методом ХГН при высоких температурах. Покрытие формируется за счет пластической деформации подложки при нанесении керамических частиц (рис. 8). В зависимости от состава сплава на поверхности формируется слой оксидов Al₂O₃ или Cr₂O₃, который защищает подложку от дальнейшего окисления [72].

Рис. 8. Взаимодействие частиц карбида кремния (SiC) с подложкой из сплава Inconel 625

Основная проблема при напылении твердых керамических частиц состоит в эрозионном разрушении внутренней части сопла, а следовательно, и попадании частиц сопла в формируемое покрытие [73, 74].

Напыление керамических частиц перспективно для получения твердых и износостойких покрытий на мягких подложках, а также для улучшения стойкости к окислению материалов на основе никелевых сплавов, работающих при высоких температурах [75].

Покрытия на полимерных материалах

Полимерные материалы широко применяются во многих отраслях промышленности в качестве покрытий, пены, упаковочных материалов, промышленных текстильных волокон, соединений, электронных устройств, биомедицинских и оптических устройств [76].

Особенно интересны для технических сфер применения металлические покрытия, нанесенные на подложку из пластмасс, тканей и композиционных материалов. Композиционные материалы с полимерной матрицей широко используются в авиакосмической и военной промышленности из-за их низкой плотности, высокой прочности и других уникальных свойств, таких как высокая формуемость и обрабатываемость [77].

Поверхностная металлизация подложки из композиционного материала с полимерной матрицей является эффективным методом для улучшения поверхностных свойств. Технология позволяет достигнуть таких специальных свойств, как электропроводность, теплопроводность, эрозионная стойкость и защита от радиации. Исследования показали, что процесс ХГН дает возможность наносить металлические покрытия на неметаллическую подложку – в частности, проводили металлизацию углеродного волокна с помощью метода ХГН [78].

Крайне важно было покрыть поверхность углеродного волокна электрически проводящим материалом для предотвращения повреждений от ударов молнии. Поэтому алюминий наносили в качестве промежуточного слоя: тонкий слой – плазменным напылением, а затем – методом ХГН. Таким образом, промежуточный слой улучшил пластическую деформацию частиц алюминия, наносимых методом ХГН. Такой метод обладает большим потенциалом для нанесения молниезащитных покрытий на элементы фюзеляжа самолета [79].

Нанопорошковые материалы

Наноструктурные порошки обладают высокими прочностью, износостойкостью и повышенной пластичностью при низких температурах.

Существует множество методов получения нанопорошков, таких как осаждение из паровой фазы, распыление расплава, механическое измельчение, высокотемпературный синтез и т. д. [80].

Одним из направлений развития порошков для нанесения методом ХГН является создание способа получения слоя, состоящего из металлической основы, покрытой пластиком. В данном случае пластик прочно связан с металлическими частицами. При напылении пластик ускоряется со скоростью аналогичной скорости металлических частиц, тем самым формируя двухфазный слой. Перспективным направлением является напыление фторопластов методом ХГН. Фторопласты обладают повышенными гидрофобными и антипригарными свойствами. Кроме того, эти полимеры термически стабильны (вплоть до 350 °С) в зависимости от состава и обладают высокой химической стойкостью. Данные свойства могут использоваться при получении композиционного материала, например никель-фторполимера, который будет обладать вышеуказанными свойствами [81].

Область применения метода ХГН

В машиностроении покрытия чаще всего применяются с целью защиты поверхности детали или придания ей функциональных свойств. Метод ХГН позволяет наносить покрытия толщиной от 20 мкм до возможности устранения дефектов (рыхлоты, каверны, сколы), а также используется для нанесения покрытий на термочувствительные подложки [82].

Далее приведены существующие и перспективные области применения ХГН-покрытий.

Нанесение антикоррозионных покрытий

Для защиты от атмосферной коррозии стальных деталей наибольшее распространение получили цинковые покрытия. Для защиты деталей, эксплуатирующихся при температурах от 300 до 500 °С, применяются покрытия на основе алюминия. Для защиты при более высоких температурах используются никелевые покрытия. За счет обеспечения катодной электрохимической защиты стальных деталей ХГН-покрытия на основе порошков цинка, алюминия или их смесей по антикоррозионным свойствам превосходят лакокрасочные покрытия.

Рис. 9. Применение технологии ХГН в качестве антикоррозионной защиты:

а – восстановление противокоррозионной защиты; б – протекторная защита на трубе

Технология нанесения покрытий методом ХГН эффективна для антикоррозионной защиты деталей и позволяет наносить покрытия на сложнопрофильные детали, а также на локальные участки поверхности с коррозионными поражениями (рис. 9, а). Для эффективной защиты от коррозии свариваемых стальных труб возможно нанесение алюминиевого или цинкового покрытия в виде протекторных колец вблизи сварного шва (рис. 9, б) [83].

Ремонт и восстановление

геометрических размеров и свойств изделий

Возможность локального нанесения ХГН-покрытий открывает широкие возможности для восстановления геометрических и линейных размеров деталей и узлов машин. Низкая температура при нанесении покрытий позволяет восстанавливать размеры деталей без фазовых превращений и создания внутренних напряжений в структуре металла, которые приводят в конечном итоге к деформации изделия. При этом технология обеспечивает возможность локального напыления на поверхность детали, без затрагивания бездефектных участков [83].

На рис. 10 представлены примеры восстановления геометрических размеров и свойств изделий.

Рис. 10. Примеры восстановления геометрических размеров и свойств изделий:

а, б – восстановление панели самолета; в, г – устранение литьевого дефекта чугунной отливки

Герметизация течей жидкостей и газов

Низкая пористость и газопроницаемость покрытий, наносимых с помощью технологии ХГН, позволяют эффективно их использовать для герметизации и устранения течей трубопроводов; теплообменников; сосудов, работающих под давлением; элементов криогенных систем; систем охлаждения и т. п. (рис. 11) [84].

Рис. 11. Герметизация течей теплообменников испарителя (а) и автокондиционера (б)

Нанесение электропроводящих покрытий

Для улучшения электропроводящих свойств металлических поверхностей применяется нанесение медных покрытий (рис. 12). Технология ХГН позволяет создавать электропроводящие покрытия не только на металлических поверхностях, но и на подложках, не проводящих электрический ток, – например, стекле или керамике.

Рис. 12. Примеры нанесения электропроводящих покрытий при омеднении алюминиевых соединительных элементов (а) и стальных электродов (б)

Антизадирные, антифрикционные покрытия

Технология ХГН успешно используется для нанесения покрытий непосредственно на резьбовые участки соединений. Нанесение медных или цинковых покрытий позволяет предотвратить «схватывание» резьбового соединения. Кроме того, применение протекторных покрытий обеспечивает герметичность соединения и защиту от коррозии в случае попадания влаги или коррозионно-агрессивных электролитов (рис. 13, а).

Рис. 13. Применение ХГН в качестве антизадирных (а) и антифрикционных покрытий при восстановлении подшипника (б)

Оборудование для нанесения ХГН-покрытий может использоваться для нанесения антифрикционных покрытий на подшипники скольжения. С целью повышения износостойкости применяются как мягкие материалы (баббиты, медь), так и твердые металлокомпозиты на основе системы «карбид вольфрама–кобальт» (рис. 9, б) [85].

Заключения

Привлекательность и прогрессивность покрытий, нанесенных методом ХГН, обусловлена простотой их нанесения и уникальными свойствами формируемых слоев на поверхности металла, сочетающих высокую адгезию и возможность придания широкого спектра функциональных свойств различным материалам. Технологии нанесения покрытий методом ХГН являются перспективными для восстановления геометрических размеров изношенных деталей и формирования защитных антикоррозионных покрытий на конструктивных элементах, изготовленных из низколегированных сталей.

В настоящее время метод ХГН активно развивают в научно-исследовательских институтах, университетах и корпорациях более чем в 10 странах мира и во многих компаниях в Европе, Азии и Америке.

Основной тенденцией развития в области ХГН является создание более компактных и мобильных установок для локального восстановления участков с механическим повреждением или восстановления противокоррозионной защиты. Ведутся также научные исследования по разработке порошковых композиций для придания различных функциональных свойств материалам.

Источник