Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Температура и скорость частиц для различных процессов термического напыления [1]
Схема холодного напыления
СЭМ изображение частицы титана, нанесенной методом холодного напыления, прикрепленной к стальной поверхности

Газодинамическое холодное напыление или холодное напыление ( CS ) - это метод нанесения покрытия. Твердые порошки ( диаметром от 1 до 50 микрометров ) ускоряются в сверхзвуковой газовой струе до скоростей до прибл. 1200 м / с . При ударе о подложку частицы пластически деформируются и прилипают к поверхности. Для достижения равномерной толщины распылительное сопло сканируется вдоль подложки. Металлы , полимеры , керамика , композиционные материалы и нанокристаллические порошки можно наносить с помощью холодного напыления. [2] [3]кинетическая энергия частиц, создаваемая расширением газа, преобразуется в энергию пластической деформации во время связывания. В отличие от методов термического напыления , например плазменного напыления , дугового напыления, пламенного напыления или высокоскоростного кислородного топлива ( HVOF ), порошки не плавятся во время процесса напыления. [1]

История [ править ]

Холодное напыление было разработано российскими учеными в 1990-х годах. Во время экспериментов с эрозией частиц мишени, которая подвергалась воздействию двухфазного высокоскоростного потока мелкодисперсного порошка в аэродинамической трубе, ученые наблюдали случайное быстрое образование покрытий. Этот метод покрытия был коммерциализирован в 1990-х годах. [1]

Типы [ править ]

Есть два типа CS. Холодное напыление под высоким давлением (HPCS), при котором рабочим газом является азот или гелий при давлении выше 1,5 МПа [4], расход более 2 м 3 / мин, мощность нагрева 18 кВт. Применяется для напыления порошков чистых металлов размером 5–50 мкм. При холодном напылении низкого давления (LPCS) рабочим газом является сжатый газ с давлением 0,5–1,0 МПа, расходом 0,5–2 м 3 / мин и мощностью нагрева 3–5 кВт. Используется для напыления механической смеси металлических и керамических порошков. Включение керамического компонента в смесь обеспечивает получение высококачественных покрытий с относительно низким энергопотреблением. [5]

Основные принципы [ править ]

Наиболее распространенная теория связывания при холодном напылении объясняется « нестабильностью адиабатического сдвига.«которое происходит на границе раздела частиц и подложки с определенной скоростью, называемой критической скоростью, или выше. Когда сферическая частица, движущаяся с критической скоростью, ударяется о подложку, сильное поле давления распространяется сферически в частицу и подложку от точки контакта. В результате этого поля давления создается нагрузка сдвига, которая ускоряет материал в поперечном направлении и вызывает локализованную деформацию сдвига. Нагрузка сдвига в критических условиях приводит к адиабатической сдвиговой нестабильности, когда термическое разупрочнение локально преобладает над деформацией работы и упрочнением скорости деформации, что приводит к прерывистый скачок деформации и температуры, а также разрушение напряжений потока. Это явление адиабатической сдвиговой неустойчивости приводит к вязкому течениюматериала в направлении потока наружу с температурами, близкими к температуре плавления материала. Эта струйная обработка материала также является известным явлением при сварке материалов взрывом . [6] [7] [8]

Основные параметры холодного напыления [ править ]

Есть несколько факторов, которые могут повлиять на качество покрытий, наносимых методом холодного напыления, и на эффективность нанесения. Основными факторами влияния являются:

  • Тип газа, например воздух, азот, гелий
  • Давление газа
  • Температура газа (максимальная температура при холодном напылении составляет около 900 ° C [1] )
  • Размер частицы
  • Свойства исходного материала, например плотность, прочность, температура плавления.
  • Тип сопла
  • Субстрат
  • Кинетика напыления (поперечная скорость пистолета, скорость сканирования, количество проходов ...)
  • Расстояние зазора, то есть расстояние между форсункой холодного распыления и основанием. [9]

Параметры холодного напыления выбираются с учетом желаемых характеристик покрытия и экономических соображений. Это можно сделать, учитывая корреляцию между параметрами процесса и конечными свойствами покрытия. [10] Для этой цели также доступны пакеты программного обеспечения.

Преимущества и недостатки [ править ]

CS имеет множество преимуществ, которые делают эту технологию потенциально очень конкурентоспособной. Поскольку процесс является холодным, исходные физические и химические свойства частиц сохраняются, а нагрев основы минимален, что приводит к образованию микроструктуры покрытий, подвергнутых холодной деформации, при которой не происходит плавления и затвердевания. Между частицей и областью их связывания наблюдалась динамическая рекристаллизация с мелкими зернами. [11] [12] Кроме того, технология позволяет распылять термочувствительные материалы и комбинации сильно разнородных материалов благодаря тому, что механизм адгезии является чисто механическим.

Другие преимущества: [13]

  • Высокая теплопроводность 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 отстоя;
  • Минимальная подготовка поверхности;
  • Низкое энергопотребление;
  • Возможность получения сложных форм и внутренних поверхностей;
  • Высокая производительность за счет большой мощности подачи;
  • Высокая производительность и эффективность наплавки;
  • Возможность сбора и повторного использования 100% частиц;
  • Нет токсичных отходов;
  • Нет горения;
  • Повышенная безопасность эксплуатации за счет отсутствия высокотемпературных газовых струй и излучения.

Получаемая струя представляет собой пучок частиц высокой плотности из-за небольшого размера сопла (10–15 мм 2 ) и небольшого расстояния отвода (25 мм). Это приводит к высокой фокусировке струи и точному контролю над областью наплавки. Наконец, создание сжимающих напряжений позволяет получать плотные однородные и сверхтолстые (20 мкм - 50 мм) покрытия.

С другой стороны, могут быть некоторые трудности. Например, трудно распылять твердые и хрупкие материалы, потому что в этом случае механическая адгезия за счет пластической деформации может быть не такой эффективной, как для пластичных частиц. Другие проблемы могут включать: [13]

  • Почти нулевая пластичность в состоянии после напыления;
  • Потребность в пластичной подложке;
  • Сложность обработки чистой керамики и некоторых сплавов как упрочняющих сплавов;
  • высокая стоимость гелия;
  • засорение и эрозия сопла.

Приложения [ править ]

Покрытия [ править ]

Способность CS наносить материалы, которые являются фазочувствительными или чувствительными к температуре, позиционирует метод получения покрытий, невозможный с другими методами термического напыления. CS обычно можно использовать для производства покрытий из самых разных металлов, сплавов и композитов на металлической основе, включая те материалы, которые имеют исключительно высокие температуры плавления (например, тантал , ниобий , суперсплавы.). Этот процесс также важен 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 алюминиевые, медные, титановые и карбидные композиты (например, карбид вольфрама ) [14], а также покрытия из аморфных сплавов. [15]

Дополнительные разработки в области CS связаны с нанесением керамических материалов на металлы, в частности диоксида титана для фотокаталитических эффектов [16], а также с использованием CS в аддитивном производстве . [17]

Ремонт [ править ]

Холодное напыление теперь используется для ремонта деталей машин за считанные минуты. Частицы металла (никелевые сплавы) перемещаются в смеси азота и гелия и постепенно накапливаются на поврежденной части, чтобы воссоздать желаемую поверхность. Робот контролирует движение опрыскивателя. Армия США использует эту технологию для ремонта компонента вертолетов Blackhawk . General Electric адаптирует технологию для гражданского применения. [18]

Производство [ править ]

Аддитивное производство с использованием технологии холодного напыления можно использовать для быстрой разработки деталей и компонентов со скоростью наплавки до 45 кг / час - намного быстрее, чем другие методы аддитивного производства.

В отличие от других методов аддитивного производства, таких как селективное лазерное плавлениеили электронно-лучевого аддитивного производства, холодное напыление не плавит металлы. Это означает, что металлы не подвержены деформации, связанной с нагревом, и детали не нужно изготавливать в среде инертного газа или в вакууме, что позволяет создавать конструкции гораздо большего размера. Самый большой и самый быстрый в мире металлический 3D-принтер имеет габариты 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 продаж по сравнению с механической обработкой и возможность плавления разнородных металлов для создания гибридных металлических деталей - таких материалов, как титан. сплавы, медь, цинк, нержавеющая сталь, алюминий, никель, даже хастеллой и инконель можно распылять вместе. [19]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Курода, Сейджи; Кавакита, Джин; Ватанабэ, Макото; Катанода, Хироши (2008). «Теплое напыление - новый процесс нанесения покрытия, основанный на высокоскоростном ударе твердых частиц» . Sci. Technol. Adv. Матер . 9 (3): 033002. DOI : 10,1088 / 1468-6996 / 9/3/033002 . PMC  5099653 . PMID  27877996 .
  2. ^ Мориди, А .; Hassani-Gangaraj, SM; Guagliano, M .; Дао, М. (2014). «Покрытие холодным распылением: обзор систем материалов и перспективы на будущее». Поверхностная инженерия . 30 (6): 369–395. DOI : 10.1179 / 1743294414Y.0000000270 . S2CID 987439 . 
  3. ^ Raoelison, RN; Xie, Y .; Сапанатан, Т .; Планш, депутат; Kromer, R .; Costil, S .; Ланглейд, К. (2018). «Технология холодного газодинамического напыления: всесторонний обзор условий обработки для различных технологических разработок на сегодняшний день». Аддитивное производство . 19 : 134–159. DOI : 10.1016 / j.addma.2017.07.001 .
  4. ^ Файзан-Ур-Раб, М .; Захири, SH; Масуд, SH; Фан, Т.Д .; Джахеди, М .; Нагараджа, Р. (2016). «Применение целостной 3D-модели для оценки состояния частиц титана методом холодного напыления». Материалы и дизайн . 89 : 1227–1241. DOI : 10.1016 / j.matdes.2015.10.075 .
  5. ^ Ирису, Эрик; Легу, Жан-Габриэль; Рябинин, Анатолий Н .; Йодоэн, Бертран; Моро, Кристиан (2008). «Обзор процесса и технологии холодного распыления: Часть I - Интеллектуальная собственность» . Журнал технологии термического напыления . 17 (4): 495. DOI : 10.1007 / s11666-008-9203-3 . S2CID 110570387 . 
  6. ^ Хуссейн, Т .; Маккартни, генеральный директор; Судоходный, PH; Чжан, Д. (2009). «Механизмы склеивания при холодном напылении: вклад металлургических и механических компонентов». Журнал технологии термического напыления . 18 (3): 364–379. DOI : 10.1007 / s11666-009-9298-1 . S2CID 135893433 . 
  7. ^ Assadi Хамид; Гертнер, Франк; Столтенхофф, Торстен; Крей, Генрих (2003). «Механизм склеивания при напылении холодным газом». Acta Materialia . 51 (15): 4379–4394. DOI : 10.1016 / S1359-6454 (03) 00274-X .
  8. ^ Шмидт, Тобиас; Гертнер, Франк; Ассади, Хамид; Крей, Генрих (2006). «Разработка обобщенного окна параметров для холодного напыления». Acta Materialia . 54 (3): 729–742. DOI : 10.1016 / j.actamat.2005.10.005 .
  9. ^ Захири, Саден Х .; Антонио, Кристиан I .; Джахеди, Махназ (2009). «Устранение пористости в непосредственно изготовленном титане с помощью холодного газодинамического напыления». Int. J. Журнал технологий обработки материалов . 209 (2): 922–929. DOI : 10.1016 / j.jmatprotec.2008.03.005 .
  10. ^ Ассади, Х .; Schmidt, T .; Richter, H .; Kliemann, J.-O .; Биндер, К .; Gärtner, F .; Klassen, T .; Крей, Х. (2011). «О выборе параметров при холодном напылении» . Журнал технологии термического напыления . 20 (6): 1161. DOI : 10.1007 / s11666-011-9662-9 .
  11. ^ Zou, Yu; Цинь, Вэнь; Ирису, Эрик; Легу, Жан-Габриэль; Юэ, Стивен; Шпунар, Ежи А. (2009). «Динамическая рекристаллизация в межфазной области частицы / частицы никелевого покрытия, нанесенного холодным напылением: характеристика дифракции обратного рассеяния электронов». Scripta Materialia . 61 (9): 899. DOI : 10.1016 / j.scriptamat.2009.07.020 .
  12. ^ Zou, Yu; Гольдбаум, Дина; Szpunar, Jerzy A .; Юэ, Стивен (2010). «Микроструктура и нанотвердость покрытий, нанесенных холодным напылением: дифракция обратного рассеяния электронов и исследования наноиндентирования». Scripta Materialia . 62 (6): 395. DOI : 10.1016 / j.scriptamat.2009.11.034 .
  13. ^ a b Шампанское, Виктор К. (2007). Процесс нанесения материалов холодным напылением . Издательство Вудхед. С. 63–70. ISBN 9781845691813.
  14. ^ Картикеян, J. (декабрь, 2004). «Технология холодного напыления: международный статус и усилия США» . ASB Industries.
  15. ↑ Wang, AP (январь 2006 г.) «Полностью аморфное металлическое покрытие на основе никеля с высокой коррозионной стойкостью» . Шэньянская национальная лаборатория материаловедения, Институт исследований металлов.
  16. ^ Kliemann, J. -O .; Gutzmann, H .; Gärtner, F .; Hübner, H .; Borchers, C .; Классен, Т. (2010). «Формирование слоев холодного напыления керамического диоксида титана на металлических поверхностях» . Журнал технологии термического напыления . 20 (1–2): 292–298. DOI : 10.1007 / s11666-010-9563-3 .
  17. ^ Гэйбл, Ховард; Таппхорн, Ральф (1997). «Формование алюминиевых профилей, близких к сетке, твердотельным распылением» (PDF) . JOM . 49 (8): 31. DOI : 10.1007 / BF02914398 . S2CID 135694916 .  
  18. ^ Макфарланд, Мэтт. (2013-11-22) Ремонт авиационного двигателя с ограниченным бюджетом может стать намного проще . Вашингтон Пост. Проверено 26 ноября 2016.
  19. ^ «Холодный спрей для прямого производства без плавления» . csiro.au.