Газодинамическое нанесение покрытий. Оборудование для холодного газодинамического напыления металлов

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.

Покупка и продажа оборудования для бизнеса

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

Кстати, обнинские инженеры разработали уже несколько модификаций установок ДИМЕТ. Учитывая широкую востребованность данного оборудования, сейчас серийно выпускаются как ручные, так и автоматизированные аппараты холодного газодинамического напыления, что позволяет использовать их в промышленности, нефтегазовой отрасли, а также в малом бизнесе для обработки небольших деталей. Тем более, что ничего особо сложного в самой технологии нет. Для работы комплекса (помимо материала для напыления) необходим только сжатый воздух (подается под давлением 0,6-1,0 МПа и расходом 0,3-0,4 м3/мин.) и электросеть напряжением 220 В.

Теперь еще о преимуществах и недостатках метода. Оборудование для напыления металлов из китая? Во-первых, в отличие от газотермического способа ХГН может эффективно применяться при обычном давлении, в любом температурном диапазоне и уровне влажности.

В-вторых, он экологически абсолютно безопасен. В-третьих, благодаря большой скорости, может применяться и для абразивной чистки поверхности. Ну, а единственным недостатком технологии является возможность нанесения покрытий только из относительно пластичных металлов, таких как медь, алюминий, цинк, никель и др.

Область применения ХГН

Более подробно хотелось бы остановиться на сферах использования технологии холодного газодинамического напыления порошковыми материалами, чтобы наглядно показать насколько она сегодня востребована.

Устранение дефектов, восстановление поверхностей и герметизация

Все это – работа, которой могут заниматься даже малые предприятия. К примеру, в небольших мастерских можно ремонтировать детали из легких сплавов (части автомобильной конструкции, допустим), прежде всего, алюминиевых и алюминиевомагниевых. Причем, легко устраняются дефекты, возникшие как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации.

А отсутствие сильного нагрева и низкая энергетика метода позволяют чинить даже тонкостенные изделия.

Отлично подходит ХГН и для восстановления изношенных поверхностей. Например, такой трудоемкий процесс, как “наращивание” металла в посадочных местах подшипников, теперь могут осуществлять даже малые предприятия, не говоря уже о восстановлении герметизации (когда применение жидких герметиков невозможно) в трубопроводах, теплообменниках или сосудах для рабочих газов, жидкостей.

Высокоточное восстановление деталей различных механизмов, токопроведение

ХГН очень эффективен в ремонте сложных изделий, где требуется точное восстановление геометрических параметров, устранение скрытых дефектов, но при этом с сохранением всех эксплуатационных характеристик, а также товарного вида. Именно поэтому данный метод активно используется в оборонно-промышленном комплексе, железнодорожной и авиационной промышленности, сельском хозяйстве, газоперекачке и пр.

Не обойтись без этой технологии и в создании контактных площадок. Цены на оборудование для напыления металлов? Благодаря возможности легкого нанесения покрытий на любые металлические, керамические и стеклянные поверхности ХГН применяется и в производстве электротехнических изделий. Например, в процессах меднения, создании силовых токонесущих сетей, нанесении токовводов, изготовлении подслоев под пайку и т. д.

Антикоррозийная обработка и устранение глубоких дефектов

Напыление так называемого антифрикционного покрытия – высокоэффективный способ избавления от локальных повреждений (глубоких сколов, задиров, царапин). Это позволяет избежать процедуры полной перезаливки или даже замены изделия, что, естественно, экономически не выгодно.

А в антикорроизонной обработке и защите от высокотемпературной коррозии различных коммуникаций данному методу вообще нет равных. К слову, различные модификации оборудования ДИМЕТ ® обеспечивают качественную обработку внутренней поверхности труб диаметром от 100 мм и длиной до 12 м.

Дополнительная информация:

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

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

Специалисты Плакарта производят покрытия газодинамическим способом для промышленного оборудования (например, на фото – антикоррозионное покрытие теплообменника без демонтажа). Кроме того, мы поставляем установки холодного газодинамического напыления под ключ (наладка, сервис, обучение).

В зависимости от состава расходного материала (порошка) и изменения режимов его нанесения можно получить однородное или композиционное покрытие с твердой или пористой структурой и своей функциональной задачей. Это может быть: восстановление геометрии изделия, упрочнение и защита металла от коррозии, повышение тепло- и электропроводности материала, а также образование износостойкого покрытия, выдерживающего воздействие химически активных сред, высоких тепловых нагрузок и т. д.

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

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

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.

Холодное газодинамическое напыление - новейший метод в области термического напыления. По сравнению с обычными процессами термического напыления холодное газодинамическое напыление имеет особые преимущества, поскольку распыляемый материал не расплавляется и не плавится во время процесса. Таким образом, тепловое воздействие на покрытие и материал подложки остается низким.

Высокая кинетическая энергия частиц и высокая степень деформации при воздействии на подложку, которая связана с ней, позволяет изготавливать однородные и очень плотные покрытия. Диапазон толщины покрытия варьируется от нескольких сотых долей миллиметра до нескольких сантиметров.

В получаемых металлических покрытиях, физические и химические свойства практически не отличаются от свойств базового материала.

Согласно новейшей системной технологии компании «Impact Innovations GmbH» инертный газ - предпочтительно азот или гелий - подается в пистолет-распылитель под давлением до 50 бар (725 фунтов на кв. дюйм) и нагревается до максимальной температуры 1100 °C (2012 °F) в корпусе пистолета.

Последующее расширение нагретого и находящегося под высоким давлением газа в сужающемся-расширяющемся сопле до давления окружающей среды приводит к ускорению технологического инертного газа до сверхзвуковой скорости и в то же время к охлаждению газа до температуры ниже 100 °C (373 °F).

Распыляемые порошки впрыскиваются в сужающуюся часть сопла с помощью устройства подачи порошка и газа-носителя и ускоряются до скорости частиц 1200 м/с в основном газовом потоке.

В сильно суженом сопле распылителя частицы ударяются о необработанные, в большинстве случаев, поверхности компонентов, деформируются и превращаются в сильно адгезионное/когезионное и низкооксидное покрытие.

Воздействие скорости частиц на качество и эффективность покрытия

1. Частица покрытия достигла минимальной скорости удара, которая необходима для возбуждения механизма взаимодействия с поверхностью подложки (обрабатываемого образца). Эта так называемая «критическая скорость» влияет на свойства материала покрытия.
2. Поскольку скорость удара выше критической скорости, деформация и качество сцепления частиц возрастают.
3. Если скорость удара слишком высока («скорость эрозии»), происходит больше разрушения материала, чем его добавления. Покрытие не образуется.
4. Чтобы образовалось плотное и хорошо сформированное покрытие, значение скорости удара частиц должно быть между значениями критической скорости и скорости эрозии.

Что может быть покрыто методом холодного газодинамического напыления?

Материалы для покрытия

Металлы: например, магний, алюминий, титан, никель, медь, тантал, ниобий, серебро, золото и др.

Сплавы: например, никель-хром, бронза, алюминиевые сплавы, латунь, титановые сплавы, порошки из MCrAlY (сплавы на основе базового металла (Co, Ni, Cr, Fe) с добавлением хрома, алюминия и иттрия) и др.

Смешанные материалы (металлическая матрица в сочетании с твердыми фазами): например, металл и керамика, композиты.

Материалы основы

Металлические изделия и образцы, пластмасса, а также стекло и керамика.

Индивидуальная обработка

Каждый отдельный материал обрабатывается индивидуально.

Обработка материалов требует индивидуальной регулировки температуры и давления газа. Комбинация этих двух физических параметров определяет скорость частиц и качество покрытия. Диапазон оптимальной скорости распыления, ограниченный критической скоростью и скоростью эрозии, называется диапазоном осаждения. В рамках этого диапазона на качество нанесения покрытий влияют параметры.