eng
Выпуск #5/2015
А.Титов
Современным конструкциям – перспективные материалы и технологии
Современным конструкциям – перспективные материалы и технологии
Просмотры: 5466
При поддержке Топливной компании “ТВЭЛ” на базе передовых инновационных разработок в АО "ВНИИНМ им. А.А.Бочвара " создается современное промышленное производство функциональных наноструктурированных покрытий с использованием широкого спектра материалов, технологий и оборудования для их нанесения. Современный технологический комплекс призван стать одним из базовых элементов повышения эффективности, надежности и расширения эксплуатационных возможностей продукции для промышленности. ВНИИНМ успешно адаптирует "военные" технологии модификации поверхностей материалов для гражданской отрасли. Современные покрытия могут решать самые разные задачи: делать более прочным и долговечным оборудование для добычи нефти и газа, "залечивать раны" на деталях самолетов, улучшать качество эндопротезов…
DOI:10.22184/1993-8578.2015.59.5.48.54
DOI:10.22184/1993-8578.2015.59.5.48.54
Теги: gas dynamic cold spray nano-coating nanostructure surface protection защита поверхности нанопокрытие наноструктура холодное газодинамическое напыление
Наиболее слабым звеном системы "материал – рабочая среда", определяющим допустимые условия эксплуатации и ресурс всей системы, является поверхность материала, что предопределяет высокую значимость разработки методов и технологий модификации поверхностных слоев изделий. Самым эффективным методом направленной модификации поверхности материала является нанесение функциональных покрытий.
В настоящее время ВНИИНМ является одним из лидеров в России и в мире в области нанесения защитных и функциональных покрытий широкой сферы применения с использованием различных технологических процессов, которые позволяют выпускать изделия нового поколения с радикально улучшенным соотношением "цена/качество".
На базе передовых инновационных разработок ВНИИНМ, не имеющих отечественных аналогов, создается современное промышленное производство функциональных наноструктурированных покрытий с использованием широкого спектра материалов, технологий и оборудования для их нанесения. Создаваемый технологический комплекс станет одним из базовых элементов возрождения отечественного машиностроения, повышения эффективности, надежности и расширения эксплуатационных возможностей машиностроительной продукции для ТЭК, нефтехимической и горнодобывающей промышленности, авиационного и энергетического турбостроения и других отраслей.
Также весьма важна проблема импортозамещения. Российский рынок слабо насыщен современным оборудованием для получения покрытий, так как соответствующие технологии всегда имели двойное назначение, а потому их экспорт в СССР и Россию был долгое время ограничен. Отечественные предприятия освоили производство простого оборудования для электродуговой металлизации и газопламенного напыления, однако сейчас его выпуск практически прекращен, а установки плазменного и высокоскоростного напыления на рынке до последнего времени присутствовали в основном в импортном исполнении.
По словам генерального директора ВНИИНМ Валентина Иванова, институт разработал для конверсионных применений более десятка технологий обработки поверхности, например, высокоскоростное ионно-плазменное магнетронное распыление (ВИПМР) и катодное распыление и газопламенную обработку в инертных средах. Также во ВНИИНМ применяются невакуумные методы: холодное газодинамическое напыление (ХГН), электроискровое легирование, микродуговое оксидирование, химико-термическая обработка в специальных средах, струйно-абразивная обработка, магнито-абразивная обработка, обработка "холодом" (ColdJet). В зависимости от поверхности и поставленных задач могут наноситься керамические, металлические, композитные и другие материалы.
Специалисты-материаловеды и конструкторы института стараются решать стоящие перед промышленностью и народным хозяйством задачи по нанесению защитных и функциональных покрытий, выбирая наиболее эффективный, технологичный и экономичный метод.
Защита поверхности
Одним из эффективных методов нанесения функциональных или износостойких покрытий на новые изделия, а также восстановления изношенных деталей является холодное газодинамическое (ХГН) или сверхзвуковое воздушно-порошковое напыление, основанное на эффекте закрепления движущихся со сверхзвуковой скоростью и обладающих большой кинетической энергией твердых частиц при высокоскоростном ударе о поверхность изделия.
Разработанные во ВНИИНМ технологии ХГН используют порошки металлов (алюминий, медь, цинк, никель, свинец, олово, баббит, железо, кобальт, ванадий, титан), сплавов или их механические смеси с керамическими порошками. Они позволяют наносить металлические и керамические покрытия не только на металлы, но и на стекло, керамику, камень, бетон, и даже на плотные органические материалы – углепластик, вакуумную резину, пластмассы.
В результате обработки поверхность приобретает требуемый комплекс характеристик: жаростойкость или жаропрочность, механическую износостойкость, антифрикционные свойства, коррозионную стойкость, радиопоглощение, электроизоляцию. Покрытия представляют собой однородный слой плотно упакованных деформированных металлических частиц с внедренными керамическими частицами.
На рис.1 и 2 представлены полуавтоматическая и роботизированная (автоматическая) установки для нанесения покрытий методом ХГН. Изменяя режимы работы оборудования, в автоматическом режиме проводится либо эрозионная обработка поверхности изделия, либо нанесение покрытий требуемых составов, пористости и толщины.
В ряде случаев для повышения коррозионной стойкости, жаростойкости и износостойкости покрытия необходимо формирование диффузионного (интерметаллидного) слоя путем термической обработки, режимы которой подбираются экспериментально. В некоторых случаях после напыления и термообработки покрытие шлифуется до необходимого уровня шероховатости.
Метод ХГН достаточно известен и распространен, однако разработка технологии нанесения покрытия на конкретные детали и изделия является сложной технической задачей. ВНИИНМ успешно разрабатывает технологические схемы нанесения покрытий в зависимости от типа изделий, причем ряд способов запатентован.
В рамках работ по нанесению функциональных покрытий методом ХГН ВНИИНМ заключил 18 соглашений о сотрудничестве в авиационной, медицинской, буровой технике, судостроении, жилищно-коммунальном хозяйстве, железнодорожном транспорте, электротехнике и электронике (контактные площадки, высокотемпературная сверхпроводимость), а также в строительстве.
Ядерные технологии для народного хозяйства
Одним из конверсионных проектов ВНИИНМ стало сотрудничество с префектурой СЗАО Москвы, направленное на внедрение новых технологий в сферу ЖКХ. Летом 2014 года была успешно проведена апробация нанесения металлических покрытий для оперативного ремонта и восстановления систем водоснабжения, и проект получил дальнейшее практическое продолжение. Специалисты ВНИИНМ продемонстрировали возможности метода ХГН по заращиванию повреждений на трубах. Ремонт повреждений проводился без перекрытия магистрали, при этом отремонтированная область успешно выдерживала перепады давлений.
Сверхзадачи для "сверхзвука "
Коррозионные повреждения являются одним из массовых эксплуатационных повреждений "стареющих" воздушных судов, поэтому актуальна разработка технологии, позволяющей качественно и эффективно проводить ремонт и восстановление элементов конструкции планера силами эксплуатирующих авиационную технику организаций.
Совместно с Государственным научно-исследовательским институтом гражданской авиации (ГосНИИГА) ВНИИНМ проводит работы по экспериментальной оценке эффективности восстановления пораженных коррозией конструкционных алюминиевых сплавов для поддержания летной годности воздушных судов. На первом этапе работ специалисты ВНИИНМ проводят предварительную оценку влияния состава порошковой смеси и выбранной технологии восстановления материала на статистическую прочность и упругость путем испытаний образцов на растяжение при статическом нагружении. В качестве объекта исследования был выбран листовой конструкционный алюминиевый сплав 1163РДТВ (на базе системы AL-Cu-Mg), применяемый в конструкциях современных воздушных судов.
Для восстановления конструктивных элементов учеными ВНИИНМ разработана и применена технология сверхзвукового воздушно-порошкового напыления материалов, "залечивающая" дефекты поверхности в сочетании с механической обработкой (абразивная обработка и шлифование). Технологический процесс включает подготовку поверхности изделия к напылению; восстановление повреждений при помощи сверхзвукового напыления порошковой композиции на соответствующие участки; выравнивание поверхности; дополнительную обработку поверхности; финишное сверхзвуковое воздушно-порошковое напыление порошковых композиций.
Все перечисленные работы могут проводиться в ручном режиме на территории заказчика, эксплуатирующего авиационную технику. Кроме того, разрабатываемый ВНИИНМ мобильный комплекс ХГН весом менее 25 кг позволит восстанавливать повреждения в полевых условиях.
Полученные результаты доказывают, что коррозионные повреждения эффективно "залечиваются", причем при правильном подборе состава порошковой композиции и режима ее напыления, покрытие в восстановленной зоне не разрушается вплоть до предела текучести и выше, а его упругие и пластические свойства максимально соответствуют свойствам основного материала.
Наноструктуры – производству!
Широкий спектр задач, которые стоят перед инженерами и конструкторами в области создания функциональных и защитных покрытий, требует новых подходов. Эффективным методом модификации поверхности является высокоскоростное ионно-плазменное магнетронное распыление (ВИПМР). В данном случае материал, который необходимо нанести на поверхность детали или изделия, размещается на катоде специального устройства и распыляется в среде аргона при остаточном давлении 1…10–1 Па. Под действием бомбардировки ионами аргона с поверхности катода генерируется поток атомов, который переносится на поверхность изделия и осаждается, образуя покрытие. Процесс нанесения покрытия осуществляется на специальных вакуумных установках. Это универсальный способ, позволяющий получать наноструктурированные покрытия из различных материалов: металлов, сплавов, композитов, химических соединений и керамики, причем состав покрытия определяется составом исходной мишени для распыления. Скорость осаждения в высокоскоростном режиме при расстоянии между мишенью и деталью 50–60 мм для различных материалов составляет от 20 до 150 мкм/час.
С помощью данного метода можно эффективно и экономично решать следующие научно-технические задачи:
•повышение жаростойкости и жаропрочности лопаток турбин газотурбинных двигателей (ГТД) пятого поколения для авиации и кораблей благодаря применению многослойных многокомпонентных покрытий на основе алюминида и алюмоциркония, комплексно легированных элементами, которые стабилизируют, с одной стороны, образование защитных оксидов, а с другой – жаропрочность материала основы и покрытия;
•увеличение ресурса работы элементов компрессоров ГТД, топливной аппаратуры гидравлических систем, элементов механизации крыла, турбореактивных двигателей самолетов и ракет за счет применения композиционных покрытий, в том числе износостойких, твердосмазочных, коррозионностойких с ультрадисперсной структурой;
•повышение ресурса работы, жаростойкости и жаропрочности клапанно-поршневой пары двигателя внутреннего сгорания (ДВС), топливной аппаратуры дизельных ДВС и других элементов автомобиля путем применения многослойных многокомпонентных покрытий на основе жаропрочных сплавов с высокими коррозионными и светоотражающими свойствами;
•нанесение твердосмазочного, антисхватывающего покрытия на зубчатые передачи сильно нагруженных редукторов для снижения расхода энергии, повышения надежности и снижения уровня шума;
•нанесение твердосмазочного, антисхватывающего покрытия на элементы подшипников скольжения дизельных двигателей всех типов для снижения расхода топлива, повышения мощности, повышения надежности, снижения уровня шума;
•нанесение покрытий на высокоскоростные подшипники качения, резьбовые соединения бурильных труб, резьбовые соединения быстроразборных систем и т.д.;
•частичная замена экологически вредных химических и гальванических технологий, применяемых для защиты от коррозии и придания декоративных свойств изделиям автотехники, путем применения многокомпонентных покрытий на основе нержавеющих сталей, сплавов системы "алюминий-хром" и других с высоким сопротивлением коррозии и хорошими светоотражающими свойствами.
Следует отметить, что решение каждой конкретной задачи по нанесению покрытия на изделие или деталь требует индивидуального подхода, метода и технологии напыления материала. Для достижения наилучшего результата ученые ВНИИНМ совместно с конструкторами и разработчиками комбинируют различные методы модификации поверхности изделия.
В настоящее время ВНИИНМ является одним из лидеров в России и в мире в области нанесения защитных и функциональных покрытий широкой сферы применения с использованием различных технологических процессов, которые позволяют выпускать изделия нового поколения с радикально улучшенным соотношением "цена/качество".
На базе передовых инновационных разработок ВНИИНМ, не имеющих отечественных аналогов, создается современное промышленное производство функциональных наноструктурированных покрытий с использованием широкого спектра материалов, технологий и оборудования для их нанесения. Создаваемый технологический комплекс станет одним из базовых элементов возрождения отечественного машиностроения, повышения эффективности, надежности и расширения эксплуатационных возможностей машиностроительной продукции для ТЭК, нефтехимической и горнодобывающей промышленности, авиационного и энергетического турбостроения и других отраслей.
Также весьма важна проблема импортозамещения. Российский рынок слабо насыщен современным оборудованием для получения покрытий, так как соответствующие технологии всегда имели двойное назначение, а потому их экспорт в СССР и Россию был долгое время ограничен. Отечественные предприятия освоили производство простого оборудования для электродуговой металлизации и газопламенного напыления, однако сейчас его выпуск практически прекращен, а установки плазменного и высокоскоростного напыления на рынке до последнего времени присутствовали в основном в импортном исполнении.
По словам генерального директора ВНИИНМ Валентина Иванова, институт разработал для конверсионных применений более десятка технологий обработки поверхности, например, высокоскоростное ионно-плазменное магнетронное распыление (ВИПМР) и катодное распыление и газопламенную обработку в инертных средах. Также во ВНИИНМ применяются невакуумные методы: холодное газодинамическое напыление (ХГН), электроискровое легирование, микродуговое оксидирование, химико-термическая обработка в специальных средах, струйно-абразивная обработка, магнито-абразивная обработка, обработка "холодом" (ColdJet). В зависимости от поверхности и поставленных задач могут наноситься керамические, металлические, композитные и другие материалы.
Специалисты-материаловеды и конструкторы института стараются решать стоящие перед промышленностью и народным хозяйством задачи по нанесению защитных и функциональных покрытий, выбирая наиболее эффективный, технологичный и экономичный метод.
Защита поверхности
Одним из эффективных методов нанесения функциональных или износостойких покрытий на новые изделия, а также восстановления изношенных деталей является холодное газодинамическое (ХГН) или сверхзвуковое воздушно-порошковое напыление, основанное на эффекте закрепления движущихся со сверхзвуковой скоростью и обладающих большой кинетической энергией твердых частиц при высокоскоростном ударе о поверхность изделия.
Разработанные во ВНИИНМ технологии ХГН используют порошки металлов (алюминий, медь, цинк, никель, свинец, олово, баббит, железо, кобальт, ванадий, титан), сплавов или их механические смеси с керамическими порошками. Они позволяют наносить металлические и керамические покрытия не только на металлы, но и на стекло, керамику, камень, бетон, и даже на плотные органические материалы – углепластик, вакуумную резину, пластмассы.
В результате обработки поверхность приобретает требуемый комплекс характеристик: жаростойкость или жаропрочность, механическую износостойкость, антифрикционные свойства, коррозионную стойкость, радиопоглощение, электроизоляцию. Покрытия представляют собой однородный слой плотно упакованных деформированных металлических частиц с внедренными керамическими частицами.
На рис.1 и 2 представлены полуавтоматическая и роботизированная (автоматическая) установки для нанесения покрытий методом ХГН. Изменяя режимы работы оборудования, в автоматическом режиме проводится либо эрозионная обработка поверхности изделия, либо нанесение покрытий требуемых составов, пористости и толщины.
В ряде случаев для повышения коррозионной стойкости, жаростойкости и износостойкости покрытия необходимо формирование диффузионного (интерметаллидного) слоя путем термической обработки, режимы которой подбираются экспериментально. В некоторых случаях после напыления и термообработки покрытие шлифуется до необходимого уровня шероховатости.
Метод ХГН достаточно известен и распространен, однако разработка технологии нанесения покрытия на конкретные детали и изделия является сложной технической задачей. ВНИИНМ успешно разрабатывает технологические схемы нанесения покрытий в зависимости от типа изделий, причем ряд способов запатентован.
В рамках работ по нанесению функциональных покрытий методом ХГН ВНИИНМ заключил 18 соглашений о сотрудничестве в авиационной, медицинской, буровой технике, судостроении, жилищно-коммунальном хозяйстве, железнодорожном транспорте, электротехнике и электронике (контактные площадки, высокотемпературная сверхпроводимость), а также в строительстве.
Ядерные технологии для народного хозяйства
Одним из конверсионных проектов ВНИИНМ стало сотрудничество с префектурой СЗАО Москвы, направленное на внедрение новых технологий в сферу ЖКХ. Летом 2014 года была успешно проведена апробация нанесения металлических покрытий для оперативного ремонта и восстановления систем водоснабжения, и проект получил дальнейшее практическое продолжение. Специалисты ВНИИНМ продемонстрировали возможности метода ХГН по заращиванию повреждений на трубах. Ремонт повреждений проводился без перекрытия магистрали, при этом отремонтированная область успешно выдерживала перепады давлений.
Сверхзадачи для "сверхзвука "
Коррозионные повреждения являются одним из массовых эксплуатационных повреждений "стареющих" воздушных судов, поэтому актуальна разработка технологии, позволяющей качественно и эффективно проводить ремонт и восстановление элементов конструкции планера силами эксплуатирующих авиационную технику организаций.
Совместно с Государственным научно-исследовательским институтом гражданской авиации (ГосНИИГА) ВНИИНМ проводит работы по экспериментальной оценке эффективности восстановления пораженных коррозией конструкционных алюминиевых сплавов для поддержания летной годности воздушных судов. На первом этапе работ специалисты ВНИИНМ проводят предварительную оценку влияния состава порошковой смеси и выбранной технологии восстановления материала на статистическую прочность и упругость путем испытаний образцов на растяжение при статическом нагружении. В качестве объекта исследования был выбран листовой конструкционный алюминиевый сплав 1163РДТВ (на базе системы AL-Cu-Mg), применяемый в конструкциях современных воздушных судов.
Для восстановления конструктивных элементов учеными ВНИИНМ разработана и применена технология сверхзвукового воздушно-порошкового напыления материалов, "залечивающая" дефекты поверхности в сочетании с механической обработкой (абразивная обработка и шлифование). Технологический процесс включает подготовку поверхности изделия к напылению; восстановление повреждений при помощи сверхзвукового напыления порошковой композиции на соответствующие участки; выравнивание поверхности; дополнительную обработку поверхности; финишное сверхзвуковое воздушно-порошковое напыление порошковых композиций.
Все перечисленные работы могут проводиться в ручном режиме на территории заказчика, эксплуатирующего авиационную технику. Кроме того, разрабатываемый ВНИИНМ мобильный комплекс ХГН весом менее 25 кг позволит восстанавливать повреждения в полевых условиях.
Полученные результаты доказывают, что коррозионные повреждения эффективно "залечиваются", причем при правильном подборе состава порошковой композиции и режима ее напыления, покрытие в восстановленной зоне не разрушается вплоть до предела текучести и выше, а его упругие и пластические свойства максимально соответствуют свойствам основного материала.
Наноструктуры – производству!
Широкий спектр задач, которые стоят перед инженерами и конструкторами в области создания функциональных и защитных покрытий, требует новых подходов. Эффективным методом модификации поверхности является высокоскоростное ионно-плазменное магнетронное распыление (ВИПМР). В данном случае материал, который необходимо нанести на поверхность детали или изделия, размещается на катоде специального устройства и распыляется в среде аргона при остаточном давлении 1…10–1 Па. Под действием бомбардировки ионами аргона с поверхности катода генерируется поток атомов, который переносится на поверхность изделия и осаждается, образуя покрытие. Процесс нанесения покрытия осуществляется на специальных вакуумных установках. Это универсальный способ, позволяющий получать наноструктурированные покрытия из различных материалов: металлов, сплавов, композитов, химических соединений и керамики, причем состав покрытия определяется составом исходной мишени для распыления. Скорость осаждения в высокоскоростном режиме при расстоянии между мишенью и деталью 50–60 мм для различных материалов составляет от 20 до 150 мкм/час.
С помощью данного метода можно эффективно и экономично решать следующие научно-технические задачи:
•повышение жаростойкости и жаропрочности лопаток турбин газотурбинных двигателей (ГТД) пятого поколения для авиации и кораблей благодаря применению многослойных многокомпонентных покрытий на основе алюминида и алюмоциркония, комплексно легированных элементами, которые стабилизируют, с одной стороны, образование защитных оксидов, а с другой – жаропрочность материала основы и покрытия;
•увеличение ресурса работы элементов компрессоров ГТД, топливной аппаратуры гидравлических систем, элементов механизации крыла, турбореактивных двигателей самолетов и ракет за счет применения композиционных покрытий, в том числе износостойких, твердосмазочных, коррозионностойких с ультрадисперсной структурой;
•повышение ресурса работы, жаростойкости и жаропрочности клапанно-поршневой пары двигателя внутреннего сгорания (ДВС), топливной аппаратуры дизельных ДВС и других элементов автомобиля путем применения многослойных многокомпонентных покрытий на основе жаропрочных сплавов с высокими коррозионными и светоотражающими свойствами;
•нанесение твердосмазочного, антисхватывающего покрытия на зубчатые передачи сильно нагруженных редукторов для снижения расхода энергии, повышения надежности и снижения уровня шума;
•нанесение твердосмазочного, антисхватывающего покрытия на элементы подшипников скольжения дизельных двигателей всех типов для снижения расхода топлива, повышения мощности, повышения надежности, снижения уровня шума;
•нанесение покрытий на высокоскоростные подшипники качения, резьбовые соединения бурильных труб, резьбовые соединения быстроразборных систем и т.д.;
•частичная замена экологически вредных химических и гальванических технологий, применяемых для защиты от коррозии и придания декоративных свойств изделиям автотехники, путем применения многокомпонентных покрытий на основе нержавеющих сталей, сплавов системы "алюминий-хром" и других с высоким сопротивлением коррозии и хорошими светоотражающими свойствами.
Следует отметить, что решение каждой конкретной задачи по нанесению покрытия на изделие или деталь требует индивидуального подхода, метода и технологии напыления материала. Для достижения наилучшего результата ученые ВНИИНМ совместно с конструкторами и разработчиками комбинируют различные методы модификации поверхности изделия.
Отзывы читателей
