С течением времени, начиная с древности и заканчивая сегодняшним днем, человечество совершенствует и пытается как можно лучше оптимизировать, придавая комплекс нужных свойств самому распространенному материалу в технике – металлу. С момента появления первого плуга и до создания современных высокоточных машин, работающих в тяжелых температурных и кислотных условиях, прочность металла, его вязкость, пластичность, ударостойкость и другие свойства необходимо было менять конкретно для каждого случая. Человек научился сочетать в одной детали необходимый комплекс свойств, но при этом осталась проблема ее долговечности. Износ и окисление железа (коррозия) – являются главными составляющими сокращающими срок службы металлических деталей.

 

рекомендуем технический центр

Главными методами борьбы с этими факторами считается добавление в сталь других элементов: хром, никель, магний и другие - это называется легированием, таким образом сплаву придаются нужные свойства. Второй способ – это нанесение на рабочую поверхность детали защитного покрытия, его характер зависит от условий, в которых работает механизм. Современной науке известно множество способов и технологий по нанесению защитного покрытия: они могут быть простыми, которые доступны в бытовых условиях; или очень тонкие, с применением которых добиваются уникальности свойств. Физикам, работающим в Обнинске, удалось обойти своих предшественников в изобретении покрытия с комплексом полезных свойств, при этом добиться значительного экономического эффекта.

Баланс между температурой и скоростью

Наиболее распространенными способами нанесения защитной поверхности на металл (металлизацией поверхности) являются: погружение детали в расплав, гальваническое нанесение, вакуумное напыление и другие. За основу разработки ученых из Обнинска взята газотермическая металлизация, в процессе ее применения распыляемый металл в виде мельчайших капель наносят на подложку.
Существует несколько методов металлизации, которые зависят от того, каким способом плавят металл: газовыми горелками (газопламенное напыление), электрической дугой (электродуговая металлизация), низкотемпературной плазмой (плазменное напыление) и даже взрывчатыми веществами (детонационно-газовое напыление).
Газопламенное напыление представляет собой процесс, во время которого металлический лом плавят горелкой, которая работает на смеси газа и кислорода, при этом распыляя его. Покрытия, созданные этим методом имеют ряд недостатков, главным из которых является получение высокой пористости покрытия, что влияет на прочность детали, исключением являются случаи, когда этого необходимо достичь (детали радиоламп). Так же из-за резкого перепада температур, величина внутренних напряжений растет и деталь может деформироваться, особенно это касается изделий со сложными формами. Необходимо обеспечение высокой степени безопасности рабочего персонала в условиях высоких температур и применении горючих газов.
Во время электродуговой металлизации для расплавления металла используют электрическую дугу, при этом частицы металла наносятся на напыляемую подложку воздухом. Это один из самых прогрессивных и точных методов, его минусом является большие энергозатраты.
Плазменное напыление характеризуется использованием струи плазмы для нагрева и распыления металла, которая создается различными плазматронами. Для осуществления этого метода необходимо создание плазматронов сложной конструкции, поэтому он редко применяется.
Во время детанационно-газового напыления происходит взрыв, который разгоняет частицы материала на большие скорости от 1000 м/с до 2000 м/с. Высокая скорость разброса частиц и является основным фактором, который определяет качество получаемого покрытия. Оно характеризуется низкой пористостью и высокой степенью сцепления поверхностей (адгезией). Но так как контролируемый взрывом все еще сложно управлять, результаты остаются не стабильными и гарантировать успешный исход невозможно.
Определяющими факторами в формировании будущей структуры и свойств напыляемого материала, являются два вида энергии: тепловая, которую распыляемая частица материала получает от источника нагрева и энергия движения – кинетическая энергия, получаемая от потока газа. Тепловая энергия во много раз больше кинетической, поэтому порядок их взаимодействия друг с другом и с подложкой характеризуется термическими процессами, такими как: фазовое превращение, диффузия, плавление, кристаллизация и другие. Такие покрытия зачастую имеют хорошую прочность, но характеризуются низкой однородностью, так как имеет место большой разброс параметров внутри газового потока.

Исходя из полученных результатов и осознавая очевидные недостатки, имеющие место быть в каждом из методов, появилась необходимость создать новый – инновационный метод, который сочетал бы в себе преимущества уже известных способов нанесения защитных покрытий, не повторял бы их недостатки и был стабильным в получении положительных результатов. Поэтому было очевидно, что в основе формирования покрытия должна лежать кинетическая энергия получаемая частицами металла. При этом разгоняться до высоких скоростей частицы металла должны не за свет контролируемого взрыва, как делалось раньше, а в струе газа, как это делается при детонационно-газовом методе. Этот метод получил название – газодинамический метод распыления частиц.
Множественные эксперименты и долгая работа ученых позволила выяснить, что если использовать гелий как рабочий газ – можно получить покрытие, которое будет обладать нужными характеристиками. Расчеты показали, что скорость движения потока газа в сверхзвуковом сопле пропорционально скорости звука в том же газе. То есть скорость звука гораздо выше именно в легких газах по сравнению с тяжелыми. Таким образом стало очевидно, что использование воздуха, который является тяжелым газом неприемлемо, тогда как гелий позволяет ускорять распыленные металлические частицы до нужных скоростей, придавая им кинетическую энергию, которая позволит им закрепиться на детали.
Опытным путем, рассматривая различные варианты установок распыляющие металлические частицы стало известно, что с использованием гелия практически все используемые варианты металлических соединений хорошо соединялись с подложкой, при этом получалось плотное покрытие с рядом необходимых свойств.
Но, как и в большинстве инновационных решении появились свои значимые минусы. Стало очевидным, что распыляющие конструкции на основе гелия весьма дорогостоящие и применяются в узком кругу предприятий, которые выпускают высокоточную и дорогостоящую продукцию. В то время как магистрали и компрессоры вырабатывающие сжатый воздух применимы практически везде, вплоть до автомастерских и не требуют больших затрат при эксплуатации.
Дальнейшее изучение данной проблемы каждый раз терпело крах. Пока не появилась идея нагреть сжатый в камере воздух перед соплом, а в распыляемый металлический порошок добавили мелкие частицы керамики или порошок более твердого металла. Этот новый подход позволил получить необходимое покрытие, удовлетворяющее нормы качества и необходимые свойства. В основе этого решения лежал закон Шарля, который гласит, что при нагревании идеального газа давление в камере повышается, а следовательно и скорость его распыления из сопла увеличивается. Таким образом, набрав высокую скорость частицы металла вылетевшие из сопла при столкновении с подложкой лучше прилипают к ней (фактически свариваются), а керамические частицы, под действием кинетической энергии, ударяются о нижележащие слои металла, при этом металл уплотняется, устраняя пористость покрытия.
Этот способ подходит для пластичных металлов, таких как цинк, олово, медь, никель, алюминий и другие. После нанесения покрытия деталь готова к любым методам механической обработки, ее можно шкурить, шлифовать, сверлить, резать и фрезеровать. Застрявшие при напылении керамические частицы легко удаляются шлифовкой.

рекомендуем технический центр

Внедрение технологии
Следующим шагом для внедрения изученной технологии напыления, является создание конструкторами простого и экономически выгодного решения для ее внедрения. Необходимо создать оборудование, в котором сочетались бы задумки технологов, а также простота и доступность оборудования. Так в основе механизма, созданного с целью напыления металлического порошка на поверхность рабочих деталей, стал небольшой нагреватель воздуха, который обеспечивал нагрев до 500 - 600°С и сверхзвуковое сопло.
Решение с нагревом обычного воздуха и применением его в процессе распыления, так же помогло избавиться от ряда неудобств по сравнению с применением в данной сфере легких газов. Проблема заключалась в сложности введения металлического порошка в распыляемую струю. Для того чтобы газы не смешивались и сохранялась необходимая герметичность, порошок подавался непосредственно в область высокого давления, то есть перед рабочим соплом. Металлические частицы ударяясь при выходе о сопло приводили к его быстрому износу, что препятствовало стабильному проведению процесса напыления – аэродинамические характеристики не соблюдались. Аппарат, использующий воздушный поток, работал по принципу пульверизатора: за счет разности сечений канала, по которому проходил воздух, в зауженном участке скорость увеличивалась, при этом статическое давление понижается, иногда даже ниже атмосферного. Именно в этом месте располагается канал, через который металлический порошок поступает в распылитель и за счет подсоса воздуха он попадает в сопло.

По итогам проведенной работы был сконструирован компактный аппарат, имеющий множество достоинств и используемый для нанесения металлического напыления или покрытия на различные поверхности. Этот аппарат, за счет простоты использования, является отличным решением при использовании в различных отраслях хозяйства и промышленности. Для его работы достаточно всего лишь иметь компрессор с рабочим давлением около 5-6 атмосфер и доступ к электросети. Рабочая температура подложки при нанесении покрытия не поднимается выше 150 °С. Получаемое покрытие хорошо сварено между собой и имеет низкую пористость. Аппарат совершенно нетоксичен и может использоваться практически в любых условиях, а его компактность позволяет переносить его в любое место. Нет ни каких пределов в толщине наносимого покрытия.
В комплект оборудования предназначенного для распыления входят:
- распылитель, его рабочий держит в руках (масса 1,3 кг);
- нагреватель воздуха;
- порошковые питатели;
- блок контроля и управления распылителя и питателя.
Все составляющие установлены на стойке.
Возникла необходимость разработать технологию получения мелкозернистых металлических порошков, с размером зерен 20-50 мкм, так как используемые до этого в промышленности порошки имели размер зерна порядка 100 мкм, что не позволяло им набрать нужную скорость из-за своей тяжести и габаритов.

Широкая область применения
Внедрение технологии напыления металлических покрытий широко применяется во многих сферах промышленности, а так же в повседневной жизни. Особенно это актуально при проведении ремонтных работ или восстановлении изношенных деталей. Если раньше в отдельных случаях приходилось менять целые узлы механизмов, то сейчас достаточно легко отремонтировать их применяя технологию напыления. Можно легко заделать трещину или полость, а благодаря низким рабочим температурам восстановлению подлежат даже тонкостенные изделия, которые раньше отремонтировать не получалось.
Высокая точность струи напыления позволяет использовать аппарат в работе с деталями сложной формы, так как напыление происходит только в месте дефекта, исключая возникновение наплывов в других областях детали. Напылительные устройства применяют практически везде: в автомобилестроении, авиастроении, космической промышленности, в сфере высоких технологий, на атомных станциях и многом другом.

Рассмотрим несколько проблем, которые решаются с внедрением метода распыления.

Восстановление деталей и поверхностей
Теперь без проблем восстанавливаются изношенные поверхности или поврежденные детали механизмов. Напыление позволяет устранить износ рабочих валов, редукторов, различных поверхностей работающих под воздействием постоянной силы трения. Восстанавливаются литьевые формы, которые до этого подвергались переработке. Очень облегчилась работа механиков и автослесарей, которые теперь без труда в полевых условиях устраняют появившиеся неполадки.

Устранение трещин и течи.
Метод позволяет устранять течи в водопроводах высокого давления, газопроводах, сосудах, емкостях, там, где запрещено использовать герметизирующие составляющие. Восстанавливаются емкости работающие при низких или высоких температурах, такие как радиаторы, кондиционеры, теплообменники.
Электропроводящие покрытия.
Теперь возможно наносить различные сплавы и металлы на обычную сталь или керамическую поверхность. Так медное или алюминиевое напыление на стальных проводах позволяет работать трамваям и троллейбусам, не затрачиваю при этом огромных средств на электропроводящие материалы. Этот метод более экономичен чем традиционные методы.
Защита от коррозии.
Напыление широко применяется при нанесении антикоррозионного покрытия, защищая уязвимые и ответственные участки конструкции, так как нанесение краски или лака не всегда помогает. Алюминиевая или цинковая пленка выступает в роли анода, а защищаемый участок является катодом, который становится не доступным для влаги и соответственно не окисляется. Таким образом, обрабатываются сварные швы и места с повышенной коррозионной опасностью.
Восстановление подшипников скольжения.
Без изобретения подшипников было бы невозможно достичь таких высот в технике, которые мы имеем на сей день. Они используются буквально во всех приборах, от их работы и долговечности прямо зависит работа всего механизма. Поэтому было необходимо изобрести технологию по их быстрому и качественному восстановлению. В первую очередь в подшипниках скольжения изнашиваются баббитовые вкладыши, это приводит к увеличению зазора между рабочим валом и втулкой, что негативно сказывается на их работе. Если раньше необходимо было полностью заменять вкладыш, то сейчас, используя технологию напыления, он легко восстанавливается. При этом используется оригинальное сопло, которое позволяет работать в термокинетическом режиме - нанося на поверхность чистый баббит. В результате быстрой смены скорости движения баббитового порошка со сверхзвуковой до околозвуковой, температура частиц резко возрастает, достигая температуры плавления. Поэтому при попадании на поверхность частицы легко прилипают, создавая однородную поверхность. Такая сложность конструкции обусловлена невозможностью применения керамических составляющих, так как это сразу выведет подшипник из строя при дальнейшей работе.

рекомендуем технический центр