Перспективное использование установки газодинамического напыления

Возможность использования принципов газодинамики в нанесении токопроводящих покрытий и в восстановлении деталей машин и оборудования из алюминиевых сплавов применяется на практике давно. Этому способу более двадцати лет. Что вообще такое газодинамическое напыление (ГДН). Выполнив специальные исследования по взаимодействию двухфазного потока с преградой А.П. Алхимов, В.Ф. Косарев и А.Н. Папырин установили, что при превышении некоторого значения скорости потока, которое было названо критической скоростью, может происходить осаждение толстого слоя твердых металлических частиц на преграде. Названный авторами методом «холодного» газодинамического напыления [1] этот способ формирования покрытий за счет высокой кинетической энергии нерасплавленных металлических частиц в настоящее время широко известен в мире как «холодное напыление» («Cold Spray»).

Суть ГДН состоит в том, что мелкие металлические частицы, находящиеся в твердом состоянии, ускоряются сверхзвуковым газовым потоком до скорости 500-800 м/с и направляются на восстанавливаемую поверхность детали. Сталкиваясь с поверхностью в процессе высокоскоростного удара, частицы закрепляются на ней, формируя сплошное покрытие [1]. В наиболее распространенных газотермических способах нанесения покрытий для их формирования из потока частиц необходимо, чтобы падающие на основу частицы имели высокую температуру, обычно выше температуры плавления материала [2, 3]. При газодинамическом напылении, это условие не является обязательным, что и обуславливает ее уникальность. В данном случае с твердой основой взаимодействуют частицы, находящиеся в нерасплавленном состоянии, но обладающие очень высокой скоростью.

Преимущество применения установок ГДН состоит в том, что оборудование и создаваемые с его помощью покрытия выигрывают по многим показателям, присущих другим способам нанесения покрытий, и обладают рядом достоинств. Эти преимущества состоят в следующем: 1) для нанесения покрытия не требуются какие-то специальные условия, работы можно проводить в неспециализированных помещениях или на открытом воздухе; 2) при нанесении покрытий не оказывается высокотемпературных воздействий на деталь; 3) технология нанесения покрытий экологически безопасна (отсутствуют высокие температуры, опасные газы и излучения, нет химически агрессивных отходов, требующих специальной нейтрализации) [5]; 4) не требуется подогрев покрываемого изделия; 5)

обрабатываемые детали не требуют какой-либо дополнительной подготовки; 6) нанесение покрытия возможно точечно и в ограниченное место.

В настоящее время существует множество установок для нанесения сверхзвукового газодинамического напыления, их производители и типовые характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Типовые характеристики установок для газодинамического напыления

Покрытия наносятся с использованием порошковых (органических и неорганических) материалов ускоренным и подогретым до температуры 250 - 500 ºС сверхзвуковым потоком воздуха.

Основными достоинствами такого метода являются [4, 7]:

• –    возможность получения покрытий как защитных, так и декоративных на изделиях и конструкциях из самых различных металлических и неметаллических материалов;

• –    возможность нанесения покрытий из органических, в том числе полимерных и неорганических материалов: металлов и тугоплавких материалов (оксидов, карбидов, боридов, силицидов, нитридов и др.);

• –    равномерное покрытие можно напылить как на большую площадь, так и ограниченные участки больших по площади изделий, при этом толщина покрытий регулируется в широком диапазоне (от 0,01 до 10 мм);

• –    высокая производительность процесса;

• –    покрытия наносятся в атмосфере воздуха при нормальном давлении;

• –    при напылении отсутствует нагрев напыляемого изделия (температура поверхности не превышает 100 – 150 ºС), а, следовательно, деформации и снижение прочности защищаемых и восстанавливаемых изделий;

• –    отсутствие высоких температур, опасных газов, пламени и излучения.

Восстановление деталей, сборочных единиц и агрегатов, а также кузовной ремонт с использованием метода газодинамического напыления безусловно очень востребовано. Однако на фоне экономической нестабильности далеко не каждый желающий может позволить себе приобрести такое оборудование. В связи с этим, на базе мастерской «Мотор_техник», были проведены НИОКР [9] и создан упрощенный аналог установок ГДН (рис. 2).

Рисунок 2 – Общий вид экспериментальной установки ГДН

При его создании основными задачами стояли: получение недорогой установки с функциями максимально приближенными к аналогам маститых производителей; снижение требований по потребления воздуха и энергии; и самое главное простота в использовании, т.е. работать с предлагаемым устройством может человек, без каких-либо специальных навыков и умений. В результате, удалось добиться нужного результата. Разработанный и изготовленный экспериментальный образец оборудования практически на 100 процентов воссоздает функции промышленных установок ГДН, за исключением, наверно, только функции работы в автоматическом и дистанционном режиме, т.к. принципиально создавалась для ручного использования в автосервисах, небольших мастерских и с возможностью применения в передвижных аварийно-ремонтных мастерских. В половину снижено энергопотребление установки, что тоже не маловажно, т.к. в небольших мастерских не всегда присутствует качественная электропроводка. Для работы необходим воздух подаваемый в аппарат под давлением в 5-6 атм., в количестве не менее 200 литров в минуту, а также напряжение 220 В. Разработанной экспериментальной установкой для ГДН проводились работы по восстановлению герметичности тонкостенных радиаторов, изготовленных из алюминиевых сплавов, которые применяются на различной технике [6].

а)                                                   б)

Рисунок 3 – Общий вид разделанных трещин на головке блока цилиндров (а) и

после устранения трещин ГДН, механической обработки и сборки (б)

Восстанавливались детали турбин многих автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями. Проводились работы по устранению трещин между сёдлами на головке блока цилиндров Рено Мастер (рис. 3), в головке блока цилиндров дизельного двигателем BMW N57. Наносились антикоррозийные покрытия (цинкование) на очаги локальных мест коррозий и герметизировались сварные швы, с целью предупреждения так называемого «зацветания» лакокрасочного покрытия в местах проведения кузовных работ [8].

Таким образом, разработанная установка показала высокую эффективность при устранении различных дефектов на изделиях из алюминиевых сплавов при проведении ремонтно-восстановительных работ. Габариты и простота использования установки позволяет перспективное применение ее в передвижных аварийноремонтных мастерских построенных на базе автомобилей оборудованных штатной пневмосистемой, например КамАЗ или Урал.

Конструкторские решения, использованные при производстве передвижных аварийно-ремонтных мастерских заводами изготовителями, позволяют без больших затрат дооборудовать ПАРМ оборудованием для применения установки газодинамического напыления в «полевых» условиях.

Рисунок 4 – Отремонтированный радиатор

Дооборудование заключается в установке на передвижную аварийноремонтную мастерскую дополнительного воздушного ресивера, объемом 150-200 литров. Наполнение будет происходить за время движения ПАРМ к месту ремонта. Электрогенератором переменного тока передвижные мастерские, как правило, оборудованы. При соблюдении этих условий возможно выполнение ремонтных работ, методом газодинамического напыления, непосредственно на месте остановки техники, без необходимости транспортировки ее в зону ремонта. На рисунке 4 представлен образец проведенного ремонта радиатора, без его демонтажа, за пределами мастерской, непосредственно на улице.