Холодное газодинамическое напыление как способ создания композитных материалов

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/320259418
Холодное газодинамическое напыление как способ создания
композитных материалов
Presentation · October 2016
DOI: 10.13140/RG.2.2.16763.82724/1
CITATIONS
READS
0
273
4 authors, including:
Sergey Vladimirovich Klinkov
Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics
69 PUBLICATIONS 936 CITATIONS
SEE PROFILE
Some of the authors of this publication are also working on these related projects:
The study of the activation stage in cold spray process View project
Principal physics of heterogeneous materials creation using additive technologies (supervised by V.M. Fomin) View project
All content following this page was uploaded by Nikolay Sergeevich Ryashin on 08 October 2017.
The user has requested enhancement of the downloaded file.
Институт теоретической и прикладной механики
им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН
(ИТПМ СО РАН), Новосибирск, Россия
Н.С. Ряшин, С.В. Клинков, В.Ф. Косарев, В.М. Фомин
Работа по ХГН Ni+B4C выполнена благодаря финансовой поддержке
Российского научного фонда по гранту № 16-19-10300
План доклада
Введение
• Актуальность проблемы и постановка задачи
Основная часть
• Холодное газодинамическое напыление (ХГН):
основные факты
• Примеры формирования композитов с
помощью метода ХГН
• Лаборатория физики многофазных сред ИТПМ
СО РАН – разработчик метода ХГН
Заключение
Стр. 2/20
Актуальность проблемы и цель работы
•
Непрерывно растущие требования к повышению экономической
эффективности, ресурсосбережения и экологической безопасности
современных производств определяют необходимость разработки новых
материалов и новых подходов для их изготовления.
•
Для решения данной задачи в настоящее время активно используются
композитные материалы, совокупность свойств отдельных компонентов
которых обеспечивает функциональные свойства в целом.
•
Холодное газодинамическое напыление обладает высоким потенциалом
для производства композитов ввиду технологической простоты и малого
агрессивного воздействия на используемые материалы*.
Цель работы
Демонстрация возможностей холодного газодинамического
напыления как способа производства композитных материалов.
* Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое напыление.
Теория и практика // М.: Изд-во Физматлит, 2010 − 535 с.
Стр. 3/20
Холодное газодинамическое напыление:
основные факты
Схематичное изображение метода
Газ
Порошок
Сопло Лаваля
П
о
к
р
ы
т
и
е
Холодное газодинамическое напыление (ХГН) − это быстроразвивающийся
нанесения порошковых покрытий и формирования 3D объектов*.
П
о
д
л
о
ж
к
а
метод
В процессе напыления частицы размером 1 – 100 мкм ускоряются сверхзвуковым потоком
газа до скоростей 400 – 1200 м/с и при столкновении с подложкой закрепляются на ней,
формируя покрытие без плавления. Явление открыто и исследовано в Институте
теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН
(ИТПМ СО РАН), Новосибирск, Россия**.
Метод позволяет наносить покрытия из металлов, сплавов и смесей металлов с керамикой.
* Papyrin A., Kosarev V., Klinkov S., Alkhimov A., Fomin V. Cold Spray Technology //
Amsterdam: Elsevier Science, 2007.
** Способ получения алюминиевых покрытий, А.с. № 1246638, 1986г.
Стр. 4/20
Холодное газодинамическое напыление:
основные факты
Типичные параметры установки ХГН
Рабочее давление:
0,3 − 4 MПa
Рабочая температура: 0 − 800 0C
Мощность:
4 − 25 кВт
Расход газа:
10 − 40 г/с
Расход порошка:
0,1 − 20 г/с
Размер частиц:
1 − 100 мкм
Материал порошка:
металлы, сплавы,
композиты, смеси с
керамикой
Материал подложки:
металлы,
диэлектрики
Позиционирование:
6-осевой робот
Производительность: до 5 м2/ч
Экспериментальный стенд ХГН
ИТПМ СО РАН
Стр. 5/20
Холодное газодинамическое
Холодное газодинамическое
напыление:
основные факты
напыление: основные факты
Сравнение различных методов
порошкового напыления
16800
1. Газопламенный порошковый*
T, oC
2. Газопламенный проволочный*
11200
4
3. Электродуговой*
5,6
4. Плазменный*
3
5600
5. Детонационный*
1
7
6. Высокоскоростной газопламенный*
2
0
0
300
600
900
1200
7. ХГН
vp , m/ s
* 1 – 6: Welding Journal. August, 1991г.
Стр. 6/20
Холодное газодинамическое
Холодное газодинамическое
напыление:
основные факты
напыление: основные факты
Преимущества метода ХГН
 Низкое температурное воздействие на частицы и
напыляемое изделие.
 Возможность получения покрытий со свойствами, близкими
к свойствам порошкового материала.
 Простота установки.
 Отсутствие энергонапряженных узлов.
 Возможность сбора и повторного использования порошков.
 Экологичность.
Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое напыление.
Теория и практика // М.: Изд-во Физматлит, 2010 − 535 с.
Стр. 7/20
Холодное газодинамическое
Холодное газодинамическое
напыление:
основные факты
напыление: основные факты
Примеры покрытий ХГН [ИТПМ СО РАН]
Покрытия ХГН из различных металлов на трубках
Покрытия ХГН через трафарет
Покрытия ХГН на промышленных изделиях
Стр. 8/20
Холодное газодинамическое напыление:
основные факты
Актуальность ХГН
2007 – первая в мире монография
Рост числа публикаций по ХГН,
зависимость от времени
120
Число публикаций
Number of pubs
100
80
60
40
20
0
1995
2000
2005
2010
2015
Years
Год
Коллектив авторов из ИТПМ СО РАН отмечен Премией Правительства РФ (2010) «За
создание обобщенной теории взаимодействия высокоскоростных гетерогенных потоков с
преградой, разработку технологий и оборудования для газодинамического напыления
металлов, широкомасштабно используемых в мировой практике»
Стр. 9/20
Холодное газодинамическое напыление:
основные факты
Патентная защита, ИТПМ СО РАН
Стр. 10/20
Формирование композитных материалов
методом ХГН
Металлизация керамики
Медное покрытие ХГН
на электрокерамике
Алюминиевое покрытие ХГН на
керамической плитке и кирпиче
Достигнута адгезия 40 Мпа!
Цена деления линейки 1 мм.
Стр. 11/20
Формирование композитных материалов
методом ХГН
Металлокерамика
Композитное Ni/B4C покрытие ХГН
Поверхность Ni/B4C покрытия
Микрофотография, полученная с помощью
сканирующего электронного микроскопа (РЭМ) в
режиме обратно-рассеянных электронов.
Темным цветом выделены частицы карбида бора
Получено объемное содержание карбида бора CVa ≈ 0,27 в
ХГН покрытии из механической порошковой смеси Ni + B4C
Стр. 12/20
Формирование композитных материалов
методом ХГН
Наноструктурные композиты
Наноструктурные композитные материалы в форме порошка получают в шаровых
мельницах. Частицы порошка размером 10 – 40 мкм представляют собой
металлическую матрицу с включениями керамики размером 50 – 100 нм.
Порошок состава Cu+TiB2
Объемная доля TiB2-до 0,43
Наноструктурированное ХГН
покрытие в поперечном сечении
в покрытии сохраняется фазовый и наноструктурный состав порошка
и достигается высокая электроэрозионная стойкость, унесенная масса
в 4 – 5 раз меньше, чем унесенная масса медного электрода без покрытия.
Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое напыление.
Теория и практика // М.: Изд-во Физматлит, 2010 − 535 с.
Стр. 13/20
Формирование композитных материалов
методом ХГН
Металлополимерные композиты
ХГН покрытие
Медь-ПТФЭ композитный порошок
Линия ПТФЭ
(фторопласта)
0,08
ft
0,06
-4
ft = 0,01 + 9,5*10 p
0,04
коэффициент трения
композитного покрытия
Cu + 0,2 объ. % ПТФЭ
Применение:
Скользящие токосъемники
0,02
0,00
40
p, кг/м2
45
50
55
60
~0.06
65
В.М. Бузник, В.М. Фомин, А.П. Алхимов и др. Металлополимерные нанокомпозиты (получение, свойства,
применение) // Интеграционные проекты СО РАН – Н.: Изд-во СО РАН, 2005. 260 с.
Стр. 14/20
Лаборатория физики многофазных сред
ИТПМ СО РАН
Коллектив лаборатории
• 3 доктора наук, в том числе
профессора и член-корр. РАН
• 3 кандидата наук
• 5 инженерно-технических работников
• аспиранты
• студенты
Стр. 15/20
Лаборатория физики многофазных сред
ИТПМ СО РАН
Компьютерное моделирование
Процессы при ХГН
Движение газа и частиц
Дизайн установок ХГН
(а)
(b)
Стр. 16/20
Лаборатория физики многофазных сред
ИТПМ СО РАН
Лабораторные исследования
• Исследование ХГН материалов заказчика.
• Визуализация многофазных потоков.
• Электронная микроскопия, анализ
микроструктуры и элементного состава.
• Диагностика поверхности.
• Механические испытания материалов.
• Сотрудничество с институтами СО РАН и
зарубежными лабораториями.
Стр. 17/20
Заключение
•
В настоящее время в мире ведутся активные исследования по
применению ХГН в различных отраслях промышленности.
•
Результаты исследований подтверждают высокий потенциал
ХГН как способа производства композитных материалов.
•
Лаборатория физики многофазных сред ИТПМ СО РАН,
первооткрыватель и разработчик метода, обладает обширным
опытом в области ХГН, позволяющим разрабатывать новые
решения промышленных задач на его основе.
Стр. 18/20
Холодное газодинамическое напыление:
основные факты
ХГН за 25 секунд
ВИДЕОФАЙЛ ПО ЗАПРОСУ
Напыление меди на алюминий,
скорость сканирования 25 мм/с, толщина покрытия 1 мм.
Стр. 19/20
Спасибо за внимание!
Николай Ряшин
Тел. (+7383) 354 30 43
E-mail ryashin@itam.nsc.ru
Институт теоретической и прикладной
механики им. С.А. Христиановича
Сибирского отделения РАН
(ИТПМ СО РАН)
Новосибирск, Россия
www.itam.nsc.ru
View publication stats
Стр. 20/20