Производственные технологии: Газотермическое напыление (+ видео лекции) ^{Избранное}

Специалист по машиностроению Фардад Азарми о защите материалов от коррозии, плавлении частиц и технологии напыления

Вместе со Сколковским институтом науки и технологий мы сняли курс «Производственные технологии», посвященный компьютерному моделированию и 3D-печати. В этой лекции преподаватель магистерской программы «Новые производственные технологии и материалы» Сколтеха Фардад Азарми рассказывает о том, где применяется газотермическое напыление.

Я бы хотел начать с понятия напыления. Вы не сможете найти буквально ни одного материала или предмета, используемого в индустрии без защиты ― под защитой я имею в виду то, что поверхность объекта должна быть защищена от эрозии, коррозии или любого повреждения, которое может с ним случиться. Поэтому нам надо покрывать все поверхности защитным покрытием. Им может быть простейшая краска, которой мы покрываем стены, кузовы машин, все строительные конструкции, или то, что мы называем более продвинутыми покрытиями вроде газотермического напыления ― технологии, при которой мы наплавляем твердые материалы, такие как металлы или керамика, на поверхность других объектов, промышленных деталей, чтобы защитить их, увеличить срок их службы и сделать их более эффективными. Для этого нужно расплавить эти материалы и затем распылить их на поверхность объектов. Эта технология и называется газотермическим напылением.

Газотермическое напыление ― это общий термин для семейства схожих технологий наплавления материалов. Основная идея этой технологии ― расплавить материалы и перенести их на объект. В семейство этих технологий входят плазменное напыление, высокоскоростное газопламенное напыление, электродуговая металлизация, холодное напыление, детонационное напыление. Их можно классифицировать на основании того, какую энергию они используют для расплавления материала, или по другим основаниям.

Я не могу точно сказать, кто придумал газотермическое напыление. Нужно по отдельности рассматривать каждую технологию и где ее изобрели или начали применять. В целом этим технологиям чуть больше 60–70 лет. Тогда люди начали предпринимать попытки нанести слой твердого материала на поверхность других, более важных объектов. Но я могу сказать, что одна технология, которая очень широко используется в разных индустриях, ― холодное напыление ― была изобретена в России около 60 лет назад. Русские изобрели технологию напыления твердых частиц в их твердом состоянии, чтобы создать слой покрытия на поверхности другого материала, основываясь на деформации этих твердых частиц и механическом сцеплении между ними. Для того времени это оказалось очень качественным покрытием. Холодное напыление можно производить двумя разными способами ― под большим и малым давлением. Например, воздушно-космические компании очень часто используют такой способ нанесения защитных покрытий на детали своих аппаратов.

Наплавление покрытия и газотермическое напыление независимо от конкретной технологии, за исключением холодного напыления, ― это процессы наращивания. Они начинаются с доведения порошка или проволоки до высоких температур, чтобы их расплавить. Эти температуры могут достигаться путем сжигания топлива в сочетании с кислородом или при помощи плазмы. Порошок расплавляют, а дальше при помощи сжатого газа ускоряют и направляют на цель ― она называется субстрат. Эти расплавленные частицы направляются при помощи специального пистолета на субстрат, а когда они при большой скорости достигают субстрата, то ударяются о поверхность. При этом они находятся в расплавленном состоянии и начинают растекаться. А когда они растекаются и распределяются по поверхности, они начинают затвердевать. Весь процесс занимает микросекунды. Для отдельных частиц это недолгий процесс. Мы начинаем с порошка. Он расплавляется, направляется на цель, ударяется о цель, растекается и начинает затвердевать. Следующий слой ударяется уже о предыдущий, и таким образом мы создаем слой покрытия, напыляя тысячи слоев один на другой.

Здесь есть два очень важных фактора. Во-первых, есть спайка первого слоя с целью, субстратом, а во-вторых, спайка следующего слоя, который ударяется о поверхность первого, и то, как хорошо они сцеплены между собой. В этом процессе очень важна связь между этими слоями. В целом есть два типа связей: первый ― механическая связь, возникающая из-за высокой скорости расплавленных частиц, а вторая ― та, которую мы называем металлургической связью (некоторые ее называют химической связью). Когда расплавленные частицы ударяются друг о друга, во время процесса затвердевания может произойти химическая реакция или диффузия между атомами, которая создает связь между этими частицами.

Газотермическое напыление было введено на рынок и используется в различных индустриях на протяжении 40–50 лет. Индустрии выигрывают от этой технологии, получая лучшую защиту конструкционных материалов на весь срок их службы. У газотермического напыления есть множество преимуществ по сравнению с другими технологиями покрытия. Например, если вы хотите сравнить его с краской или другими полимерными покрытиями, которые мы называем мягкими покрытиями, это твердое покрытие окажется крепче. Оно лучше работает против эрозии или любого повреждения. Возьмем сколы на машинах, когда что-то твердое ударяется о капот или корпус машины. Если этот предмет ударится о резиновый или полимерный материал, он пробьет его и попадет в тело объекта. С этого момента начнутся процессы коррозии, объект начнет ржаветь. Но если на нем будет слой твердого покрытия, этого скола не случится. Объект будет хорошо защищен.

Однако по сравнению с традиционными видами покрытия у газотермического напыления есть некоторые недостатки. Этот процесс включает в себя плавление твердых материалов при высоких температурах и их нанесение на поверхность объекта, субстрата. Разумеется, в этой области будут свои проблемы и недостатки. Но все же газотермическое напыление ― это быстрый метод защиты поверхности материала твердым покрытием.

Одна из проблем в области газотермического напыления ― сделать его более простым и удобным в пользовании. Мы говорим о расплавлении материала на тысячах градусов Цельсия. Нам нужны способы сделать этот процесс более простым в применении. Кроме того, нужно найти новые материалы, которые можно наплавлять при помощи этой технологии, или создать новые технологии, которые помогут наплавлять на объекты более продвинутые материалы. Другие вызовы состоят в том, что это технология «зоны прямого видения». У нас есть пистолет ― форсунка, которой нужно двигать и напылять покрытие на поверхность объекта. Она может распылить материал в любую точку, в которую смотрит. Но нужно сделать так, чтобы было легче напылять материал в труднодоступные места, уголки объекта. Это было бы очень удобно, это можно было бы использовать в будущем, и это было бы продвижением этой технологии вперед.