Меню Рубрики

Установки для холодного газодинамического напыления

«Оборонка» поделилась методом реставрации металлических изделий

По сути, газодинамическая технология холодного напыления – 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

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.

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. 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.

источник

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.

Читайте также:  Установка акустики в чайзер

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

Установки для холодного газодинамического напыления

Метод холодного газодинамического напыления металла (англ. – cold spray , cold gas dynamic spraying ) состоит в том, что твердые частицы металла, температура которых значительно меньше их температуры плавления, разгоняются до сверхзвуковой скорости и закрепляются на поверхности при соударении с нею.

Сущность метода холодного газодинамического напыления 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 (0,4-0,7Тпл). Технология холодного газодинамического напыления 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.

Рис. 1. Микрофотографии покрытий [1].

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.

Читайте также:  Установка происходит следующим образом

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 толшине 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.

Рис. 2. Микрофотографии внешнего слоя (х150) и поперечного шлифа покрытия из частиц алюминия (электронный микроскоп, х300) [1].

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 » 45 градусов.

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).

источник

Холодное газодинамическое напыление – альтернатива газотермическому напылению

КОСАРЕВ В.Ф., д.ф.­м.н., ИТПМ СО РАН, г. Новосибирск

КЛИНКОВ С.В., д.ф.­м.н., ИТПМ СО РАН, г. Новосибирск

ХОЛОДНОЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ НАПЫЛЕНИЕ – АЛЬТЕРНАТИВА ГАЗОТЕРМИЧЕСКОМУ НАПЫЛЕНИЮ

Явление ХГН было впервые обнаружено в Институте Теоретической и Прикладной Механики им. С.А. Христиановича Сибирского Отделения РАН (ИТПМ СО РАН)
в начале 80 ых годов прошлого века при изучении обтекания затупленных тел сверхзвуковым гетерогенным низкотемпературным потоком (с температурой торможения 0 – 20°С). Отсутствие высоких температур, характерных для газотермических методов напыления, позволяет говорить, что в данном случае был реализован новый метод нанесения покрытия, который былназван авторами методом «холодного» газодинамического напыления (ХГН).

Сравнение основных параметров двухфазного потока при ХГН с параметрами, присущими традиционным методам напыления (плазменному, газопламенному, детонационному и т.п.) показывает (рис. 1), что они существенно различаются. Главное отличие состоит в том, что основным энергетическим источником в процессе формирования покрытий ХГН является кинетическая энергия частиц. Основным физическим механизмом ХГН является высокоскоростная деформация напыляемых частиц при ударе, приводящая к интенсивным сдвиговым течениям материала по границам контакта, и образованию адгезионно-когезионных связей. Умеренный уровень температур при ХГН минимизирует тепловое взаимодействие частиц с ускоряющим их газом и окружающей атмосферой, а это открывает широкие возможности для создания новых технологий и новой техники для напыления.

Дальнейшие исследования показали определяющую роль величины скорости частиц. Для металлических частиц с размером (dp 50 мкм ) существуют критические скорости взаимодействия их с подложкой (ucr1 = 500 600 м/с). То есть, при взаимодействии с подложкой твердых металлических частиц наблюдается классический процесс эрозии, если скорость частиц меньше критической. При скоростях больше критической процесс эрозии переходит в процесс напыления, причем в зависимости от скорости частиц в очень широких пределах изменяются и свойства покрытий, такие как адгезия, пористость, микротвердость и т.д.

Метод ХГН обеспечивает получение различных металлических покрытий, свойства которых, изменяя режим напыления, можно регулировать в достаточно широких пределах, например, пористость (от величины 1 % до величины 15 %), толщину слоя (от нескольких десятков микрометров до нескольких миллиметров) и др. При этом характерное значение адгезии составляет 20 – 80 МПа, а коэффициент использования порошков достигает 50 – 80 %. Метод ХГН позволяет проводить сбор порошка и повторное его использование, что обеспечивает экологическую чистоту, увеличивает коэффициент использования до 90 – 95 %, снижает эксплуатационные затраты.

Отсутствие высокотемпературных струй позволяет существенно расширить возможности методов нанесения покрытий порошковыми материалами и обеспечивает ряд важных преимуществ метода ХГН перед известными газотермическими методами, включая:

возможность использования для напыления порошков с размером менее 30 – 50 мкм, в том числе ультрадисперсных, что приводит к улучшению качества покрытия, появляется возможность уменьшить толщину покрытия;

отсутствие существенного нагрева частиц и связанных с ним процессов высокотемпературного окисления, фазовых переходов и т.д., что позволяет получать покрытия со свойствами близкими к свойствам материала исходных частиц, а также композиционные покрытия из механической смеси порошков, значительно различающихся по физико-термическим свойствам;

отсутствие существенного термического воздействия на изделие, что позволяет наносить покрытия на подложки из нетермостойких материалов;

простота технической реализации, высокий ресурс оборудования и безопасность работ в связи с отсутствием высокотемпературных струй, а также огне- и взрывоопасных газов.

Метод ХГН может найти широкое применение для получения антикоррозионных, упрочняющих, электропроводящих и других покрытий отдельных деталей и конструкций особенно из материалов и на материалы, допускающие ограниченное термическое воздействие, а также может быть использован для получения компактных порошковых материалов. Дальнейшие исследования могут значительно расширить возможности этого метода и позволят перейти к созданию целого ряда новых технологий.

Читайте также:  Установка газовых счетчиков в калининградской области

В ИТПМ СО РАН в результате исследований уже найден ряд новых технических решений, запатентованных в России и за рубежом [например, 1 – 5]. Основные результаты исследований ИТПМ СО РАН в области ХГН опубликованы в монографиях [6, 7]. Соединение вместе результатов, находящихся на стыке различных научных направлений, позволило создать научные основы технологических процессов, проектирования и изготовления оборудования ХГН.

Надо отметить, что разработка метода ХГН в настоящее время осуществляется не только в России, но и за ее пределами. За рубежом организованы специализированные лаборатории, которые помимо проведения научных исследований занимаются также выпуском оборудования для ХГН и необходимых для него порошков. Авиационные и морские корпорации были одними из первых, кто заинтересовался ХГН (в международной литературе и интернете метод называется cold spray, kinetic spray, kinetic metallization). Предварительная информация о возможностях компаний, предлагающих свои услуги в области ХГН, предоставляется в свободном доступе в интернете. Далее приведены только некоторые разработки, сделанные в ИТПМ СО РАН, которые служат лишь примером, характеризующим возможности метода.

Оборудование и основы технологий

Экспериментальное оборудование ХГН

В ИТПМ СО РАН разработаны опытные образцы установок ХГН (рис. 2). Основными элементами установки ХГН являются: устройство напыления, состоящее из сверхзвукового сопла, форкамеры и омического нагревателя газа; дозатор порошка; источник сжатого газа (баллоны или компрессор); пульт управления и контроля (давление газа в форкамере и дозаторе, температура газа в форкамере). Для напыления используются такие газы как воздух, азот, гелий с расходом до 2 м 3 /мин. Дополнительно для выполнения работ требуются: камера напыления с системой пылеотсоса и сбора ненапыленного порошка; манипулятор для перемещения напыляемой детали или самого устройства напыления. Омический нагреватель газа может быть выполнен в двух вариантах. В первом варианте (более массивном, рис. 2а, требующем для питания источник питания с напряжением 40 – 60 В) нагревательным элементом служит завитая в спираль трубка из нержавеющей стали, внутри которой движется нагреваемый газ, а по стенкам течет нагревающий электрический ток. Во втором варианте (более легком и компактном, рис. 2b, требующем для питания напряжение 220 В) нагревательным элементом служит проволочная спираль из сплавов высокого сопротивления, по которой движется нагревающий электрический ток, а снаружи спираль обдувается нагреваемым газом. В этом варианте напыляющее устройство получается достаточно легким и компактным, что позволяет манипулировать им в ручную (оператор при этом использует индивидуальные средства защиты – очки, наушники, респиратор).

Для создания необходимой формы пятна напыления применяются сверхзвуковые сопла разной геометрии. В основном используются сопла круглого и прямоугольного сечения (рис. 3).

В традиционном виде для подачи порошка из дозатора в форкамеру сопла требуется, чтобы давление газа в дозаторе было выше (на 0,1 – 0,2 МПа) давления в форкамере сопла. Соответственно, дозатор должен выдерживать внутри себя рабочее давление газа (типичный диапазон рабочих давлений газа составляет 0,8 – 4,0 МПа). Чтобы снять это ограничение были разработаны эжектроные сопла, засасывающие порошок из дозатора. Это позволяет работать при атмосферном давлении в дозаторе без крышки и в случае необходимости досыпать порошок в бункер дозатора, не останавливая процесс напыления. Остановимся более подробно на описании возможности применения метода ХГН для нанесения антикоррозионных покрытий на внешнюю и внутреннюю поверхность труб.

Оборудование для нанесения антикоррозионных покрытий на трубы

Повышение коррозионной стойкости металлических изделий остается одной из актуальнейших научно-технических и экономических проблем современности. Одним из распространенных направлений защиты от коррозии является нанесение покрытий различными методами – химическим и электрохимическим осаждением, газотермическим напылением и т.п. Наиболее производительной является технология горячего цинкования внешней поверхности стальных труб. Существенные ее недостатки (ограничения) связаны со сложностью и высокими требованиями к процессам подготовки поверхности (включая химическое травление), ограничениями в возможности изменять толщину покрытий, а также огромными затратами для обеспечения экологичности процессов. Технология ХГН позволяет исключить эти недостатки и ограничения.

Напыление на внешнюю поверхность. Ниже представлена схема установки газодинамического нанесения защитных покрытий на внешнюю поверхность длинномерных труб и ее фотография (рис. 4).

Установка работает следующим образом – труба укладывается на рольганг и с пульта управления ей сообщается вращательное и одновременно поступательное движение через камеры очистки и напыления. В камере очистки поверхность трубы очищается. Частицы, образующиеся при обработке поверхности, утилизируются. После камеры очистки труба поступает в камеру напыления, где и происходит процесс напыления на поверхность трубы. Частицы порошка, не напыленные на поверхность трубы, утилизируются пылеотсасывающей установкой с последующим возвратом в бункер дозатора.

Представленный вариант установки с проходными камерами, обеспечивает минимальную задержку между процессами подготовки поверхности и нанесения покрытия и тем самым обеспечивается высокая адгезионная прочность. Унифицированные узлы установки позволяют проводить ее модернизацию с увеличением диаметров обрабатываемых труб до

1 м, а также возможностью использования проходных камер термической (обжига для ликвидации жировых пленок и нагрева труб) и пневмообразивной обработки. Кроме того, установки ХГН может быть вписана в имеющиеся заводские линии на различных их участках, что позволяет эффективно использовать тепловую энергию и наносить покрытия на уже нагретые трубы при различных температурах их поверхности.

Напыление на внутреннюю поверхность. Имеющиеся к настоящему времени разработки, основанные на газопламенном, металлизационном, плазменном и подобных методах не позволяют наносить металлические покрытия на внутреннюю поверхность длинномерных труб малого диаметра (

источник