Газовое холодное напыление: виды, достоинства и недостатки, применение

Что такое холодный спрей?
Это метод осаждения частиц порошка в твердом состоянии путем ускорения их к поверхности в сверхзвуковом потоке газа. Этот метод может использоваться для покрытия различных материалов, таких как металлы, стекло, керамика и полимеры, для ремонта изношенных или поврежденных металлических деталей, а также для создания больших деталей слой за слоем в аддитивном производстве. Поскольку плавления не происходит, холодное распыление может наносить чувствительные материалы без необходимости использования вакуумной камеры.

Метод холодного распыления был разработан в 1990 году. Во время экспериментов с эрозией частиц мишени, которые подвергались двухфазному потоку высокоскоростного мелкодисперсного порошка в аэродинамической трубе, ученые наблюдали случайное быстрое образование покрытия. Этот метод нанесения покрытия был представлен на рынке в 1990-х годах.

Существует два типа распыляющего газа на холоде:
холодный
рабочий газ для распыления под высоким давлением представляет собой азот или гелий под давлением более 1,5 МПа, с расходом более 2 м ³ / мин и мощностью нагрева 18 кВт. . Применяется для напыления порошков чистых металлов размером 5–50 мкм.

Холодный
рабочий газ низкого давления представляет собой сжатый газ с давлением 0,5-1,0 МПа, расходом 0,5-2 м, расходом ³ / мин и мощностью нагрева 3-5 кВт. Этот метод используется для напыления механической порошковой смеси металла и керамики. Включение керамического компонента в смесь обеспечивает получение высококачественных покрытий с относительно низким энергопотреблением.

Основные параметры холодного напыления.
Существует несколько факторов, которые могут повлиять на качество покрытий, наносимых холодным напылением, и эффективность напыления. Основными влияющими факторами являются:

• тип газа, например воздух, азот, гелий
• давление газа
• температура газа (максимальная температура при холодном распылении около 900 ° C)
• размер частицы
• свойства исходного материала, например плотность, прочность, температура плавления
• тип насадки
• недра
• расстояние между форсункой холодного распылителя и землей

Параметры холодного напыления выбираются в зависимости от желаемых свойств покрытия и экономических соображений. Это можно сделать, приняв во внимание корреляцию между параметрами процесса и свойствами конечного покрытия.

Преимущества и недостатки
Холодное напыление  имеет множество преимуществ, которые делают эту технологию потенциально очень конкурентоспособной. При холодном процессе исходные свойства физических и химических частиц сохраняются, а нагрев подложки минимален, что приводит к микроструктуре покрытий, обработанных холодным способом, которые не плавятся и не затвердевают. Кроме того, технология позволяет распылять термочувствительные материалы и очень разные комбинации материалов, поскольку механизм склеивания является чисто механическим.

К другим преимуществам можно отнести:

• высокая теплопроводность и электропроводность покрытий
• высокая плотность и твердость покрытий
• высокая однородность покрытий
• нет таяния
• возможность распыления мелких частиц (5-10 мкм)
• возможность распыления наноматериалов и аморфных материалов
• минимальная подготовка поверхности
• низкое потребление энергии
• возможность получения сложных форм и внутренних поверхностей
• высокий КПД за счет высокого коэффициента мощности
• высокая производительность наплавки и эффективность
• нет токсичных отходов
• повышенная безопасность труда за счет отсутствия высокотемпературных газовых и радиационных струй

Получаемый поток представляет собой пучок частиц с высокой плотностью из-за небольшого размера сопла (10-15 мм ² ) и короткого стоячего расстояния (25 мм). Это приводит к высокой концентрации потока и точному контролю площади осаждения. Наконец, создавая сжимающее напряжение, можно получить плотные, однородные и очень толстые покрытия (20 мкм — 50 мм).

Что касается трудностей с применением этого метода, то, например, трудно распылять твердые и хрупкие материалы, потому что в этом случае механическая адгезия за счет пластической деформации может быть не такой эффективной, как в случае пластиковых частиц.

Другие проблемы могут включать:

• практически нулевая пластичность после напыления
• необходимость в пластиковой подложке
• трудности с обработкой чистой керамики и некоторых сплавов в качестве упрочняющих сплавов
• дороговизна гелия
• загрязнение и эрозия сопла

ЗАЯВЛЕНИЕ

Покрытия
Холодное напыление обычно можно использовать для получения покрытий из самых разных металлов, металлических сплавов и композитов, включая материалы с чрезвычайно высокими температурами плавления (например, тантал, ниобий, суперсплавы). Этот процесс полезен для осаждения материалов, которые чрезвычайно чувствительны к кислороду и легко окисляются при умеренно повышенных температурах.

Примеры чувствительных к кислороду покрытий, которые обычно получают холодным напылением:
композиты из алюминия, меди, титана и карбидов (например, карбида вольфрама) и покрытия из аморфных сплавов.

Ремонт
деталей Холодным напылением можно отремонтировать детали машин за считанные минуты. Частицы металла (никелевые сплавы) движутся в смеси азота и гелия и постепенно перекрывают поврежденную часть, чтобы воссоздать желаемую поверхность. Робот контролирует движение опрыскивателя. Например, военные США используют эту технологию для ремонта частей вертолетов Blackhawk. General Electric, с другой стороны, адаптирует технологию для гражданских приложений.

Производство Аддитивное
производство с использованием технологии холодного напыления можно использовать для быстрой разработки деталей и компонентов со скоростью наплавки до 45 кг / час — намного быстрее, чем другие методы AM.

В отличие от других методов аддитивного производства, таких как селективное лазерное спекание, холодное напыление не плавит металлы. Это означает, что металлы не деформируются из-за нагрева, и детали не нужно изготавливать в среде инертного газа или вакуума, что позволяет создавать гораздо более крупные конструкции.

Производство методом холодного напыления предлагает такие преимущества, как возможность создавать формы без ограничений по форме или размеру, более эффективное соотношение цены и стоимости по сравнению с механической обработкой и возможность комбинировать различные металлы для формирования гибридных металлических деталей. Такие материалы, как титан, медь, цинк, нержавеющая сталь, алюминий, никель и даже хастеллой и инконель, можно распылять вместе.

Ниже мы показываем видео о том, как ученые GE исследуют эту технологию аддитивного производства для ремонта и создания новых деталей для авиации.