Холодное напыление
Газодинамическое холодное напыление или холодное напыление ( ХС ) – это метод нанесения покрытия. Твердые порошки (диаметром от 1 до 50 микрометров ) ускоряются в сверхзвуковой газовой струе до скоростей до ок. 1200 м/с . При ударе о подложку частицы пластически деформируются и прилипают к поверхности. Для достижения однородной толщины распылительное сопло сканирует подложку. Металлы , полимеры , керамика , композиционные материалы и нанокристаллические порошки могут наноситься методом холодного напыления. [2] [3] Кинетическая энергия частиц, получаемая за счет расширения газа, преобразуется в энергию пластической деформации при склеивании. В отличие от методов термического напыления , например, плазменного напыления , дугового напыления, газопламенного напыления или высокоскоростного кислородного топлива ( HVOF ), порошки не плавятся в процессе напыления.
История
[ редактировать ]Холодное напыление было разработано российскими учеными в 1990-х годах. Экспериментируя с эрозией частиц мишени, которая подвергалась воздействию двухфазного высокоскоростного потока мелкодисперсного порошка в аэродинамической трубе, ученые наблюдали случайное быстрое образование покрытий. Эта технология нанесения покрытия была коммерциализирована в 1990-х годах. [1]
Типы
[ редактировать ]Существует два типа КС. Холодное напыление под высоким давлением (ХВД), при котором рабочим газом является азот или гелий при давлении выше 1,5 МПа, [4] скорость потока более 2 м 3 /мин, мощность нагрева 18 кВт. Применяется для распыления чистых металлических порошков размером 5–50 мкм. При холодном напылении низкого давления (ХНД) рабочим газом является сжатый газ с давлением 0,5–1,0 МПа, расход 0,5–2 м. 3 /мин и мощность нагрева 3–5 кВт. Используется для напыления механической смеси металлических и керамических порошков. Включение в смесь керамического компонента обеспечивает получение высококачественных покрытий при относительно небольших энергозатратах. [5]
Основные принципы
[ редактировать ]Наиболее распространенная теория связи при холодном напылении объясняется « неустойчивостью адиабатического сдвига », которая возникает на границе раздела частиц с подложкой при определенной скорости, называемой критической скоростью, или выше нее. Когда сферическая частица, движущаяся с критической скоростью, ударяется о подложку, сильное поле давления сферически распространяется на частицу и подложку от точки контакта. В результате этого поля давления создается сдвиговая нагрузка, которая ускоряет материал в поперечном направлении и вызывает локализованное сдвиговое напряжение. Сдвиговая нагрузка в критических условиях приводит к адиабатической сдвиговой неустойчивости, при которой термическое разупрочнение локально доминирует над рабочей деформацией и скоростным упрочнением, что приводит к прерывистому скачку деформации и температуры и разрушению напряжений течения. Это явление адиабатической сдвиговой нестабильности приводит к вязкому течению материала в направлении наружу с температурами, близкими к температуре плавления материала. Выброс материала также является известным явлением в взрывная сварка материалов. [6] [7] [8]
Ключевые параметры холодного напыления
[ редактировать ]Существует несколько факторов, которые могут повлиять на качество покрытий, нанесенных методом холодного напыления, и эффективность нанесения. Основными факторами влияния являются:
- Тип газа, например воздух, азот, гелий
- Давление газа
- Температура газа (максимальная температура при холодном распылении составляет около 900 °C). [1] )
- Размер частиц
- Свойства материала сырья, например, плотность, прочность, температура плавления.
- Тип сопла
- Субстрат
- Кинетика напыления (поперечная скорость пистолета, скорость сканирования, количество проходов...)
- Расстояние отступа, т.е. расстояние между соплом холодного распыления и подложкой. [9]
Параметры холодного напыления выбираются с учетом желаемых характеристик покрытия и экономических соображений. Это можно сделать, учитывая корреляцию между параметрами процесса и свойствами конечного покрытия. [10] Для этой цели также доступны пакеты программного обеспечения.
Преимущества и недостатки
[ редактировать ]CS имеет множество преимуществ, которые делают эту технологию потенциально очень конкурентоспособной. Поскольку это холодный процесс, первоначальные физические и химические свойства частиц сохраняются, а нагрев подложки минимален, что приводит к образованию нагартованной микроструктуры покрытий, в которой не происходит плавления и затвердевания. Динамическая рекристаллизация с измельченными зернами наблюдалась между частицей и областью связи частиц. [11] [12] Кроме того, технология позволяет распылять термочувствительные материалы и комбинации сильно разнородных материалов, поскольку механизм адгезии является чисто механическим.
Другие преимущества: [13]
- Высокая тепло- и электропроводность покрытий;
- Высокая плотность и твердость покрытий;
- Высокая однородность покрытий;
- Низкая усадка;
- Возможность распыления микрочастиц (5–10 мкм);
- Возможность распыления наноматериалов и аморфных материалов;
- Короткое расстояние ожидания;
- Минимальная подготовка поверхности;
- Низкое энергопотребление;
- Возможность получения сложных форм и внутренних поверхностей;
- Высокая производительность за счет высокой скорости подачи;
- Высокие скорости осаждения и эффективность;
- Возможность собирать и повторно использовать 100% частиц;
- Отсутствие токсичных отходов;
- Нет горения;
- Повышенная безопасность эксплуатации за счет отсутствия высокотемпературных газовых струй и радиации.
Получаемая струя представляет собой пучок частиц высокой плотности из-за небольшого размера сопла (10–15 мм). 2 ) и небольшое расстояние зазора (25 мм). Это приводит к высокой фокусировке струи и точному контролю над областью осаждения. Наконец, создание сжимающих напряжений позволяет получать плотные однородные и сверхтолстые (20 мкм – 50 мм) покрытия.
С другой стороны, можно обнаружить некоторые трудности. Например, трудно распылять твердые и хрупкие материалы, поскольку в этом случае механическое сцепление за счет пластической деформации может быть не таким эффективным, как для пластичных частиц. Другие проблемы могут включать в себя: [13]
- Околонулевая пластичность в состоянии после напыления;
- Необходимость в пластичной подложке;
- Сложность обработки чистой керамики и некоторых сплавов в качестве наклепа;
- высокая стоимость гелия;
- засорение и эрозия сопла.
Приложения
[ редактировать ]Покрытия
[ редактировать ]Способность CS наносить материалы, чувствительные к фазе или температуре, сделала этот метод приготовления покрытий невозможным при использовании других методов термического напыления. CS обычно можно использовать для получения покрытий из самых разных металлов, сплавов и композитов на основе металлов, включая те материалы, которые имеют исключительно высокие температуры плавления (например, тантал , ниобий , суперсплавы ). Этот процесс также полезен для осаждения материалов, которые чрезвычайно чувствительны к присутствию кислорода и легко окисляются при умеренно повышенных температурах, что отрицательно сказывается на характеристиках этих материалов. Некоторыми примерами чувствительных к кислороду покрытий, которые обычно производятся с использованием CS, являются композиты из алюминия, меди, титана и карбидов (например, карбид вольфрама ). [14] а также покрытия из аморфных сплавов. [15]
Дополнительные разработки в области CS связаны с нанесением керамических материалов на металлы, особенно на диоксид титана для фотокаталитического эффекта. [16] и использование CS в аддитивном производстве . [17]
Ремонт
[ редактировать ]Холодное напыление теперь используется для ремонта деталей машин за считанные минуты. Частицы металла (никелевых сплавов) перемещаются в смеси азота и гелия и постепенно скапливаются на поврежденной части, воссоздавая желаемую поверхность. Робот управляет движением опрыскивателя. Армия США использует эту технологию для ремонта компонентов вертолетов Blackhawk . General Electric адаптирует технологию для гражданского применения. [18] ВМС США на экспериментальной основе внедрили сварку холодным распылением в своих операциях по всему миру. [19]
Производство
[ редактировать ]Аддитивное производство с использованием технологии холодного распыления можно использовать для быстрой разработки деталей и компонентов со скоростью осаждения до 45 кг/час — намного быстрее, чем другие методы аддитивного производства.
В отличие от других методов аддитивного производства, таких как селективное лазерное плавление или аддитивное производство электронным лучом, холодное напыление не плавит металлы. Это означает, что металлы не подвергаются термической деформации, а детали не нужно изготавливать в среде инертного газа или вакуумной изоляции, что позволяет создавать гораздо более крупные конструкции. Самый большой и быстрый в мире 3D-принтер по металлу имеет рабочую зону 9×3×1,5 м и использует газодинамическое холодное напыление. Производство с использованием технологии холодного напыления обеспечивает такие преимущества, как возможность создавать формы без ограничений по форме или размеру, более эффективное соотношение закупок и затрат по сравнению с механической обработкой, а также возможность сплавлять разнородные металлы для создания гибридных металлических деталей – таких материалов, как титан. сплавы, медь, цинк, нержавеющую сталь, алюминий, никель, даже хастеллой и инконель можно распылять вместе. [20]
Ссылки
[ редактировать ]
- ^ Jump up to: а б с Курода, Сейджи; Кавакита, Джин; Ватанабэ, Макото; Катанода, Хироши (2008). «Теплое напыление — новый процесс нанесения покрытия, основанный на высокоскоростном ударе твердых частиц» . наук. Технол. Адв. Мэтр . 9 (3): 033002. doi : 10.1088/1468-6996/9/3/033002 . ПМК 5099653 . ПМИД 27877996 .
- ^ Мориди, А.; Хасани-Гангарай, С.М.; Гуальяно, М.; Дао, М. (2014). «Покрытие холодным напылением: обзор систем материалов и перспективы на будущее». Поверхностная инженерия . 30 (6): 369–395. дои : 10.1179/1743294414Y.0000000270 . hdl : 11311/968457 . S2CID 987439 .
- ^ Раоэлисон, Р.Н.; Се, Ю.; Сапанатан, Т.; Планш, член парламента; Кромер, Р.; Костиль, С.; Лангладе, К. (2018). «Технология холодного газодинамического распыления: всесторонний обзор условий обработки для различных технологических разработок на сегодняшний день». Аддитивное производство . 19 : 134–159. дои : 10.1016/j.addma.2017.07.001 .
- ^ Файзан-Ур-Раб, М.; Захири, Ш.; Масуд, Ш.; Фан, Т.Д.; Джахеди, М.; Нагараджа, Р. (2016). «Применение целостной 3D-модели для оценки состояния частиц титана, напыленного методом холодного напыления». Материалы и дизайн . 89 : 1227–1241. дои : 10.1016/j.matdes.2015.10.075 .
- ^ Ириссу, Эрик; Легу, Жан-Габриэль; Рябинин Анатолий Н.; Жодуан, Бертран; Моро, Кристиан (декабрь 2008 г.). «Обзор процесса и технологии холодного напыления: Часть I — Интеллектуальная собственность» . Журнал технологии термического напыления . 17 (4): 495–516. Бибкод : 2008JTST...17..495I . дои : 10.1007/s11666-008-9203-3 .
- ^ Хусейн, Т.; Маккартни, генеральный директор; Шипвей, штат Пенсильвания; Чжан, Д. (2009). «Механизмы склеивания при холодном напылении: вклад металлургических и механических компонентов». Журнал технологии термического напыления . 18 (3): 364–379. Бибкод : 2009JTST...18..364H . дои : 10.1007/s11666-009-9298-1 . S2CID 135893433 .
- ^ Ассади, Хамид; Гертнер, Франк; Столтенхофф, Торстен; Крейе, Генрих (2003). «Механизм склеивания при холодном газовом напылении». Акта Материалия . 51 (15): 4379–4394. Бибкод : 2003AcMat..51.4379A . дои : 10.1016/S1359-6454(03)00274-X .
- ^ Шмидт, Тобиас; Гертнер, Франк; Ассади, Хамид; Крее, Генрих (2006). «Разработка обобщенного окна параметров для холодного напыления». Акта Материалия . 54 (3): 729–742. Бибкод : 2006AcMat..54..729S . дои : 10.1016/j.actamat.2005.10.005 .
- ^ Захири, Саден Х.; Антонио, Кристиан И.; Джахеди, Махназ (2009). «Устранение пористости в титане, полученном прямым способом, методом холодного газодинамического напыления». Межд. J. Журнал технологий обработки материалов . 209 (2): 922–929. doi : 10.1016/j.jmatprotec.2008.03.005 .
- ^ Ассади, Х.; Шмидт, Т.; Рихтер, Х.; Климанн, Ж.-О.; Биндер, К.; Гертнер, Ф.; Классен, Т.; Крей, Х. (2011). «О выборе параметров при холодном напылении» . Журнал технологии термического напыления . 20 (6): 1161. Бибкод : 2011JTST...20.1161A . дои : 10.1007/s11666-011-9662-9 .
- ^ Цзоу, Ю; Цинь, Вэнь; Ириссу, Эрик; Легу, Жан-Габриэль; Юэ, Стивен; Шпунар, Ежи А. (2009). «Динамическая рекристаллизация в межфазной области между частицами никелевого покрытия, нанесенного холодным напылением: характеристика дифракции обратного рассеяния электронов». Скрипта Материалия . 61 (9): 899. doi : 10.1016/j.scriptamat.2009.07.020 .
- ^ Цзоу, Ю; Гольдбаум, Дина; Шпунар, Ежи А.; Юэ, Стивен (2010). «Микроструктура и нанотвердость покрытий, нанесенных холодным напылением: исследования дифракции обратно рассеянных электронов и наноиндентирования». Скрипта Материалия . 62 (6): 395. doi : 10.1016/j.scriptamat.2009.11.034 .
- ^ Jump up to: а б Шампанское, Виктор Константинович (2007). Процесс нанесения материалов методом холодного напыления . Издательство Вудхед. стр. 63–70. ISBN 9781845691813 .
- ^ Картикеян, Дж. (декабрь 2004 г.). «Технология холодного распыления: международный статус и усилия США» . АСБ Индастриз.
- ^ Ван, AP (январь 2006 г.) «Полностью аморфное металлическое покрытие на основе Ni с высокой коррозионной стойкостью» . Шэньянская национальная лаборатория материаловедения, Институт исследования металлов.
- ^ Климанн, Дж.-О.; Гутцманн, Х.; Гертнер, Ф.; Хюбнер, Х.; Борчерс, К.; Классен, Т. (2010). «Формирование керамических слоев диоксида титана, напыленных холодным способом, на металлических поверхностях» . Журнал технологии термического напыления . 20 (1–2): 292–298. дои : 10.1007/s11666-010-9563-3 .
- ^ Гэйбл, Ховард; Тапфорн, Ральф (август 1997 г.). «Твердотельное формование распылением алюминиевых почти сетчатых форм». ДЖОМ . 49 (8): 31–33. Бибкод : 1997JOM....49h..31G . дои : 10.1007/BF02914398 .
- ^ Макфарланд, Мэтт. (22 ноября 2013 г.) Ремонт двигателя самолета при ограниченном бюджете может стать намного проще . Вашингтон Пост. Проверено 26 ноября 2016 г.
- ^ Фуэнтес, Гиджет. «ВМФ расширяет альтернативу сварке холодным распылением при ремонте флота» . news.usni.org . УСНи . Проверено 17 сентября 2023 г.
- ^ «Холодное распыление для прямого производства без расплава» . csiro.au.