Возможности использования газодинамических способов формирования материала для реставрации изделий из металла

С момента своего изготовления любое изделие подвергается износу в той или иной форме, что обобщенно можно определить как утрату или изменение физических свойств материала, составляющего изделие. Износ может быть как следствием использования изделия по назначению, так и эрозионно-коррозионного воздействия, воздействия окружающей среды, ненадлежащего хранения, осознанной порчи (вандальные действия), что суммируется в общую утрату материала изделия ( ил. 1 ).

Ил. 1.

Примеры эрозионно-коррозионного воздействия окружающей среды. Фото: С. В. Добровольский, 2023. Алушта, Крым

Таким образом, одной из задач реставрации с технологической точки зрения является возвращение изделию утраченного материала для формирования внешней и внутренней поверхностей памятника, воссоздания авторской идеи скульптора. Здесь может быть применен метод, называемый «аддитивная технология», что в рассматриваемом случае означает послойное добавление материала на основе созданной компьютерной 3D-модели изделия. Обычно аддитивные технологии применяются при реставрационных работах, когда создается утраченный элемент изделия, который механически закрепляется на нем, создавая целостный вид. Используемые в настоящее время аддитивные лазерные технологии не могут выращивать материал непосредственно на восстанавливаемом изделии [1; 13] из-за ограничений по габаритам рабочей области [17] . Возникла необходимость в более гибком и точном методе, работающем непосредственно в месте нахождения изделия, которым для частичного решения данной задачи может быть использование одного из газодинамических методов нанесения материала [6; 9] .

Возможности использования газодинамических методов и выбор подходящего для реставрации изделий из металла

Газодинамические методы известны давно и эффективно используются в машиностроении. Основные из них: газопламенный, плазменный, детонационный, высокоскоростного (сверхзвукового) напыления (HVOF/HVAF), холодный газодинамический метод (ХГМ). Они объединены единым принципом формирования материала с использованием гетерогенных потоков. Материал формируется из отдельных частиц (порошка), нагретых и ускоренных с помощью высокотемпературной газовой струи (газа-носителя). Методы отличаются друг от друга температурой потока и скоростью движения частиц в нем. Газодинамические технологии обладают высокой производительностью. Толщина формируемого покрытия — от десятков микрометров до нескольких миллиметров. Технологии позволяют наносить покрытия как на локальные участки конструкций, так и на большие поверхности, в том числе сложной конфигурации. Перечисленные преимущества обуславливают высокую универсальность методов и позволяют формировать покрытия с широким спектром назначения [8].

Все перечисленные методы, кроме ХГМ, характеризуются тем, что гетерогенный поток нагревается до температуры, большей температуры плавления наносимого материала; вследствие теплового воздействия на объект нанесения будет возникать температурная деформация, следствием которой будет температурное разрушение материала объекта реставрации. Наиболее перспективным для реставрации изделий из металла является, таким образом, ХГМ.

Несколько лет назад ХГМ начал применяться в реставрационных работах [7; 12] для восстановления и реставрации изделий из металлов [11] . Сущность ХГМ заключается в том, что изделие формируется в результате соударения высокоскоростных гетерогенных потоков с твердой поверхностью. В момент удара значительная часть кинетической энергии частиц материала, двигающихся в потоке, переходит в тепло, вызывая в зоне контакта значительное повышение местной температуры и деформацию частиц ( ил. 2 ).

Ил. 2.

Деформация металлической частицы при ударе о твердую поверхность.

Автор С. А. Борисов

Массовая доля частиц, которые формируют изделие в гетерогенном потоке, не превышает 10% от массовой доли газа-носителя, размер частиц от 5 до 60 мкм [15; 16] , газом-носителем может быть воздух [5; 10] .

Состав порошков в расчетной пропорции готовится в специальном газодинамическом смесителе. Полученный материал в составе гетерогенного потока с необходимыми параметрами (давлением и температурой) поступает в форкамеру и затем разгоняется в сверхзвуковом сопле до расчетной для данной композиции скорости. Давление и температура газа-носителя выбираются так, чтобы скорость частиц на выходе из разгонного участка соответствовала расчетной, а их температура не превышала 50–70% температуры плавления материала частиц. Основной особенностью ХГН является то, что материал формируется за счет высокого уровня кинетической энергии частиц, в то время как температура потока значительно меньше температуры их плавления. Принципиальная схема установки для ХГН показана на ил. 3.

Ил. 3.

Принципиальная схема установки. Авторы С. В. Добровольский,

Ю. И. Глуховская, 2020

Частица материала в гетерогенном потоке при движении от среза ускорителя до поверхности изделия проходит через скачок уплотнения, что делает невозможным нанесение частиц нано размеров из-за их торможения при прохождении через скачок уплотнения.

Поведение частицы при контакте с поверхностью изделия будет зависеть от ее размера, массы, температуры, угла падения, расстояния от среза ускорителя до поверхности изделия, формы самой поверхности, подготовки поверхности и материала частицы.

Шероховатость поверхности получившегося материала определяется размером частиц наносимого материала.

Условием получения качественного результата реставрации является применение порошка из материала, аналогичного восстанавливаемому, что накладывает ограничения на ассортимент реставрируемых изделий.

Без учета перечисленных факторов невозможно сформировать материал с требуемыми для данного изделия характеристиками (пористостью, когезией, адгезией). При определенном сочетании факторов, таких как температурное воздействие гетерогенного потока на реставрируемый объект; напряжения, возникающие после ударного воздействия частиц, сформированный материал может ускорить разрушение восстанавливаемого объекта.

Примеры использования ХГН без учета специфики реставрационных работ (в любых погодных условиях, в местах со сложным доступом) не дают ожидаемого результата. Это не значит, что применение газодинамического метода является тупиковым направлением для реставрационных работ. ХГН — наукоёмкая технология, которая требует адаптации под поставленную задачу при точном соблюдении технологических процессов [14] .

Для создания гетерогенного потока с нужными параметрами необходимо рассчитать и сконструировать ускорители для формирования материала на поверхностях различной формы.

Для расчета ускорителя используются следующие параметры:

• •    давление торможения на входе в ускоритель;

• •    температура торможения на входе в ускоритель;

• •    статическое давление на срезе ускорителя;

• •    статическая температура на срезе ускорителя.

На ил. 4 представлен пример расчета ускорителя для формирования материала на плоских поверхностях.

Ил. 4.

Пример расчета ускорителя для формирования материала на плоских поверхностях.

Разработчик С. А. Захаров

На ил. 5 представлены примеры ускорителей для формирования материала на поверхностях различных форм.

Ил. 5.

Виды ускорителей: 1 — угловой, 2 — для внутренних поверхностей.

Разработчик С. А. Борисов

Угловой ускоритель используется для работы в ограниченном пространстве, ускоритель для внутренних поверхностей может работать на внутренней поверхности цилиндра.

Температурное и ударное (частицами материала) воздействие формирующего материал гетерогенного потока может привести к нежелательной деформации реставрируемого изделия. Одно из преимуществ использования этого метода для реставрации — минимизация нежелательных воздействий.

Опыт показывает, что рабочее давление в пневмосистеме установки для мягких материалов — цинк, алюминий, медь — до 10 бар; для твердых материалов — сталь, чугун, титан — 50 бар и выше.

Заключение

Таким образом, универсального инструмента для реставрации любого материала нет. Для каждого необходимо рассчитывать способ введения частиц материала в поток, нагрев и разгон потока до требуемой скорости. Наиболее важным является расчет, проектирование и изготовление ускорителя гетерогенного потока под поставленную задачу.

Перспективные направления использования газодинамических методов при реставрации изделий из металла таковы:

• •    восстановление площадных поверхностей, подвергшихся эрозионно-коррозионному износу;

• •    восстановление утраченных элементов объектов реставрации методом наращивания материала на врéменной подложке с последующей обработкой получившейся поверхности;

• •    наращивание объема утраченного материала на изделии с последующей механической обработкой для придания нужной формы;

• •    консервация элементов металлических конструкций с целью предотвращения дальнейшего разрушения с возможностью расконсервации и возвращению к процессу реставрации без ухудшения состояния объекта реставрации;

• •    искусственное состаривание поверхности (имитация патины) после восстановления новым материалом частично утраченной поверхности.

Все предлагаемые направления использования газодинамических методов при реставрации изделий из металла обладают свойством обратимости (например, доделка утраты, выполненная аддитивными технологиями по CAD-модели с применением ХГН, может обратимо удаляться с памятника).

В некоторых случаях целесообразно добавить дополнительные технологические операции, улучшающие сцепление основного и наносимого материалов.

Разработка, проектирование и изготовление специализированных газодинамических установок — наукоёмкий процесс, в котором используются научные и инженерные наработки Московского авиационного института (МАИ) [3; 4] и его научно-техническая база [2; 15] .

Установки могут быть реализованы в стационарном и переносном (мобильном) варианте для работы в полевых условиях.

Целесообразно рассмотреть выпуск установок различной мощности и конфигурации, оптимизированных под конкретные задачи с учетом специфики местного применения, наличия или отсутствия централизованного электро- и пневмоснабжения, условий окружающей среды, квалификации обслуживающего персонала.

В техническом задании на выпуск установок необходимо определить виды и объем реставрационных работ. В этом случае созданные установки будут экономически эффективны.