Урок 11.11ПокрыватьГлава 11 · Покрытия и отделка поверхности

Холодное газодинамическое напыление

Твёрдые металлические зёрна привариваются одной лишь скоростью

Холодное напыление выстреливает твёрдым металлическим порошком в деталь так быстро, что зёрна привариваются при ударе, ни разу не расплавившись. Представьте газотермическое напыление (Газотермическое напыление) без пламени. Им восстанавливают изношенные детали самолётов и кораблей и даже могут выращивать целые металлические детали слой за слоем.

Фото: Александр Шоринов, CC BY-SA 4.0, через Wikimedia Commons

Холодное напыление · нагреватель, подача порошка, сверхзвуковое сопло, крупный план удараВверху показан пистолет от нагревателя до сопла; крупный план показывает, что происходит при ударе. Цифры в кружках соответствуют шагам ниже.

Как это работает

Нагреть газ. Азот или гелий под высоким давлением (часто в десятки раз выше давления воздуха) нагревают, обычно до нескольких сотен градусов и не более чем примерно до 1 000 °C. Это остаётся намного ниже температуры плавления порошка.
Добавить порошок. Питатель дозирует мелкие металлические зёрна размером обычно около 10–50 мкм в поток газа.
Разогнать. Сопло с сужением и расширением (сначала сужается, потом расширяется — сопло Лаваля) делает газ сверхзвуковым. Он разгоняет зёрна примерно до 500–1 000 м/с.
Удар и сцепление. Каждое твёрдое зерно при ударе сплющивается. Удар разрывает его тонкую оксидную плёнку, и чистый металл прижимается к чистому металлу и привариваются в твёрдом состоянии (без плавления).
Нарастить и обработать. Робот водит соплом над деталью, и зёрна копятся в плотный слой от доли миллиметра до нескольких сантиметров. Поскольку он шероховатый, слой потом обрабатывают резанием до нужной формы.

Ключевые факты

Материалы: Пластичные металлы: алюминий, медь, титан, никель, тантал, стали; некоторые смеси металла с керамикой. Твёрдые хрупкие порошки напыляются плохо
Типичные детали: Отремонтированные корпуса и валы, антикоррозионные покрытия, медные слои, сопла ракет, кольца
Размер детали: От небольших ремонтов до слоёв толщиной несколько сантиметров на крупных деталях; ограничено вылетом робота
Точность: Грубая после напыления, около ±1 мм; окончательную форму даёт механическая обработка
Качество поверхности: Шероховатая и матовая после напыления; обработанные поверхности выглядят как сплошной металл
Подходящая партия: Ремонт, единичные изделия и малые серии; производственные покрытия
Стоимость оснастки и оборудования: Никаких форм; установки часто стоят сотни тысяч долларов, плюс газ (гелий дорог)
Скорость: Быстрое осаждение, обычно килограммы в час для алюминия или меди

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Нет плавления: нет окисления, мало теплового повреждения детали
Плотные слои, от покрытий до толстых наплавок
Может соединять металлы, которые трудно сварить друг с другом
Быстро и хорошо подходит для ремонта на месте

Ограничения

Работает только с пластичными (гнущимися) металлами
Шероховатая форма, близкая к окончательной, которую нужно обрабатывать резанием
Прямая видимость, как у любого напыления
Гелий высшего качества дорог, а струя очень шумная

Где применяется

Авиация и оборонная отрасльВосстановление корродировавших магниевых и алюминиевых корпусов коробок передач
КосмосСлои меди и никеля для сопел ракетных двигателей
Электроника и энергетикаМедь на алюминии для радиаторов и электрических контактов
Нефть, газ и морская отрасльКоррозионностойкие слои, ремонт валов и клапанов
ПроизводствоАддитивное выращивание колец, фланцев и деталей, близких к окончательной форме

Как узнать процесс

Толстая плотная металлическая наплавка на старой детали, часто из другого металла, чем сама деталь.
Нет цветов побежалости, окалины и следов прожига вокруг отремонтированной области, в отличие от сварки.
После напыления шероховатая матовая поверхность, как крупная наждачная бумага; после обработки — обычный металл.
Под микроскопом: сплющенные зёрна, плотно упакованные, почти без пор.

Сравните с

Газотермическое напыление11.10сначала плавит материал и оставляет больше пор и оксидов; холодное напыление сохраняет его твёрдым.Сварка взрывом7.8та же идея сварки при сильном ударе, но целыми плитами, а не крошечными зёрнами.Прямое осаждение под действием энергии (DED)8.7тоже наращивает или ремонтирует металлические детали, но плавит порошок лазером.

Смотрите

TWI Ltd · Эксперты объясняют процесс, материалы и оборудование

Impact Innovations | Cold Spray Made In Germany · Медь и никель напыляют, затем обрабатывают в сопло ракеты

UTBM Université de Technologie Belfort-Montbéliard · Университетская лаборатория выращивает металлическую деталь холодным напылением

3DPrint.com · Робот напыляет магнит внутри цилиндра

Смотреть реальные фото

Википедия: холодное газодинамическое напыление — история, скорости, газы и применение; в основном текст, мало фотографий
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

Холодное напыление приваривает твёрдые металлические зёрна одной лишь скоростью, без плавления.
Ему нужны пластичные металлы и сверхзвуковое сопло.
Особенно хорошо подходит для ремонта и толстых плотных металлических наплавок.