Специалисты Сколтеха (входящего в группу ВЭБ.РФ) впервые применили метод холодного напыления при пониженном давлении для создания композитного латунного слоя с укрепляющими включениями на стальной поверхности.
Ирина Петрова
Источник иллюстрации: пресс-служба «Сколтех»
Преимущества метода
Данный подход обходится дешевле существующих аналогов, наносит меньший урон экологии и может использоваться мобильными ремонтными группами по ремонту и эксплуатации объектов инфраструктуры, на транспорте и энергетике.
Латунные напыления служат для увеличения ресурса подшипников и иных металлических компонентов в промышленности, авиации, морском деле, на железных дорогах, буровых платформах и газопроводных системах. Результаты исследования были представлены в журнале Results in Engineering.
Латунные слои продлевают период эксплуатации изделий из металла, оберегая от износа из-за трения, вибраций и воздействия коррозии. Эти покрытия находят применение в авиационной и морской сферах, на буровых и трубопроводных, объектах, на рельсовых соединениях, а также в станках промышленного назначения, где присутствует трение.
Существующие методы латунного напыления и их недостатки
Существуют пара способов: гальванический метод и метод холодного газодинамического напыления, причем второй делится на процессы с высоким и низким давлением.
Гальваника предполагает использование больших резервуаров и другого громоздкого, дорогостоящего оборудования для электрохимического осаждения. В ходе этого процесса образуются сточные жидкости с тяжелыми металлами и иные высокотоксичные отходы.
Технология холодного напыления с высоким давлением также предъявляет повышенные требования к оснастке. Под действием высокой температуры и давления частицы меди и цинка на большой скорости соударяются с поверхностью детали, привариваясь к ней. Сопутствующий нагрев повышает вероятность негативного влияния на стальную основу и окисления латунного слоя.
Холодное напыление при низком давлении не имеет этих недостатков. Но при формировании композитных латунных покрытий было сложно получить однородную структуру: на разных участках поверхности оседало больше меди или же цинка.
В результате слой представлял собой более механическую медно-цинковую смесь, нежели полноценный латунный сплав, что отрицательно сказывалось на его качествах.
Суть инновационного механического легирования порошка
Исследователи из Лаборатории газотермического нанесения функциональных покрытий при Центре технологий материалов Сколтеха нашли решение этой задачи, изучив возможности прежде недоступного метода со многими преимуществами.
«Мы смогли создать однородный латунный слой благодаря особой подготовке исходного сырья, поясняет первый автор исследования, аспирант программы „Математика и механика“ Сколтеха Ирина Тумбусова.
Обычно при холодном напылении используются три порошка: медный, цинковый и какой-либо упрочняющий компонент, например корунд. В нашем случае медный и цинковый порошки прошли процедуру механического легирования, благодаря чему еще до начала напыления образовался латунный сплав».
Механическое легирование порошка представляет собой метод смешивания материалов и получения сплава без плавления в печи. Порошки подвергаются длительному и интенсивному размолу в высокоэнергетической мельнице, и под воздействием множества ударов частицы деформируются, дробятся и свариваются друг с другом, постепенно приобретая однородный состав.
Использование механически легированного порошка позволило исследователям достичь принципиально иного уровня качества покрытия. В отличие от традиционной смеси, где медь и цинк оставались раздельными фазами, предварительно обработанные частицы уже содержали интерметаллические соединения.
При соударении с поверхностью они формировали плотный, гомогенный слой, по структуре и свойствам идентичный промышленной латуни. Это открыло путь к созданию композитных покрытий, где одновременно достигается высокая износостойкость латуни и дополнительное упрочнение за счёт включений корунда или других керамических частиц.
Предложенная исследователями обработка сырья открывает доступ ко всем преимуществам холодного напыления при низком давлении: позволяет снизить вредное влияние экологию, уменьшается риск перегрева детали и окисления напыляемой поверхности благодаря более низкой рабочей температуре. Кроме того, метод оказывается дешевле из-за применения более компактного и простого оборудования, которое позволяет вести ремонтные и восстановительные работы силами мобильной бригады.
Экономическое преимущество
Важным экономическим преимуществом метода является возможность использования мобильного оборудования. Установки для холодного напыления при низком давлении значительно компактнее и легче своих высоконапорных аналогов, что позволяет доставлять их к месту ремонта на обычном грузовом транспорте.
Это исключает необходимость демонтажа крупногабаритных деталей, их транспортировки на стационарные заводские участки и последующей обратной установки. В результате время восстановительных работ сокращается с недель до нескольких часов, а затраты на логистику и монтаж минимизируются.
Экологичность метода
Экологическая безопасность нового подхода также заслуживает отдельного внимания. В отличие от гальванических процессов, холодное напыление не требует использования жидких электролитов, кислотных ванн и растворителей, образующих многолитражные стоки.
Единственным побочным продуктом является мелкодисперсная пыль, которая легко улавливается фильтрационными системами. При этом из процесса полностью исключаются дорогостоящие мероприятия по утилизации токсичных отходов, что дополнительно снижает себестоимость покрытия и делает его доступным для предприятий с любым уровнем экологического контроля.
Области применения
Особую ценность разработка представляет для отраслей, где требуется сочетание высокой несущей способности стали и антифрикционных свойств латуни. Например, на железных дорогах латунное напыление может применяться для восстановления изношенных рельсовых накладок и крестовин, а в газопроводных системах для защиты резьбовых соединений труб от коррозии и заедания.
Исследователи Сколтеха уже ведут переговоры с несколькими промышленными партнерами о внедрении технологии в серийное производство, и первые опытные образцы мобильных установок проходят полевые испытания на объектах транспортной и энергетической инфраструктуры.
Что касается будущих направлений, команда лаборатории намерена расширить линейку композитных материалов, используя аналогичный метод механического легирования для других сочетаний металлов.
В перспективе это может привести к созданию многофункциональных покрытий, одновременно обеспечивающих износостойкость, коррозионную защиту и даже заданную электропроводность.
Таким образом, работа сколковских специалистов не только решает конкретную прикладную задачу, но и открывает новое направление в материаловедении дешёвое и экологичное формирование сплавов прямо в процессе нанесения защитных слоёв.
Защита металла от износа и коррозии — важная задача для многих областей промышленности. Ранее мы информировали, что сотрудники научного отдела компании СИБУР создали для этих целей адгезионный компаунд новой серии LD17230 EC. Данный материал предназначен для трёхслойной полиэтиленовой защиты от коррозии, наносимой на стальные магистральные трубы.
А в Тольяттинском госуниверситете создали инструмент, определяющий усталость металла до его разрушения, — об этом мы тоже писали в нашем журнале.