Введение к работе
Актуальность проблемы. Метод холодного газодинамического напыления (ХГН), развитый на основе обнаруженного в ИТПМ СО РАН явления эрозионно-адгезионного перехода при взаимодействии высокоскоростных гетерогенных потоков с преградой (первые результаты были оформлены в виде заявки на изобретение с приоритетом от 3.11.1983 г. [а.с. СССР № 1246638, 1986]), в настоящее время получил широкое распространение в России и за рубежом (в международных изданиях, публикуемых на английском языке, метод получил название Cold Spray). Отсутствие высоких температур позволяет значительно расширить возможности методов нанесения покрытий порошковыми материалами и обеспечивает ряд важных преимуществ метода ХГН перед известными газотермическими методами, включая:
возможность использования для напыления порошков с размером менее 30-50 мкм, в том числе ультрадисперсных, что приводит к улучшению качества покрытия - увеличивается его плотность, уменьшается объем микропустот, структура становится более однородной, появляется возможность уменьшить толщину покрытия;
отсутствие существенного нагрева частиц и связанных с ним процессов высокотемпературного окисления, фазовых переходов и т.д., что позволяет получать покрытия со свойствами, близкими к свойствам материала исходных частиц, а также композиционные покрытия из механической смеси порошков, значительно различающихся по физико-термическим свойствам;
отсутствие значительного термического воздействия на изделие, что позволяет наносить покрытия на подложки из нетермостойких материалов;
простота технической реализации и улучшение безопасности работ в связи с отсутствием высокотемпературных струй, а также огне- и взрывоопасных газов.
На основе метода ХГН создаются технологии для решения задач энерго- и ресурсосбережения в различных областях промышленности и вводятся в практику нетрадиционные и эффективные способы производства, ремонта, восстановления, антикоррозионной защиты, получения электро- и теплопроводящих, антифрикционных и других покрытий функциональных узлов и элементов самой различной техники и оборудования. Группа ученых (в том числе и автор представленной работы Клинков СВ.) под руководством академика Фомина В.М. за создание обобщенной теории взаимодействия высокоскоростных гетерогенных потоков с преградой, разработку технологий и оборудования для газодинамического напыления металлов, широкомасштабно используемых в мировой практике, отмечена премией Правительства РФ в 2010 г. Однако потенциал ХГН до конца не раскрыт, некоторые аспекты процесса требуют дальнейшего исследования с целью создания новых технологий, их оптимизации, а также более глубокого понимания физики высокоскоростного ударного взаимодействия гетерогенных потоков с преградами.
Возможность образования покрытий из частиц в твердом (нерасплавленном) состоянии оказалась неожиданной для специалистов, поскольку существовали представления о необходимости плавления (общего либо локального) для появления адгезии между частицей и поверхностью подложки и образования покрытия и о том, что при ударе нерасплавленной частицы упругая энергия вызовет отрыв и отскок частицы от преграды.
Данная работа посвящена изучению и обоснованию физических основ ХГН, а также исследованию различных вопросов, связанных с ним (газодинамические и теплофизиче-ские аспекты формирования сверхзвуковых двухфазных потоков, натекания их на преграду, движение и теплообмен микрочастиц, их высокоскоростное ударное взаимодействие с поверхностью преграды и т.д.). Автор присоединился к исследованиям в 1993 году. К тому времени была разработана и создана экспериментальная база и были получены основные данные о влиянии скорости микрочастиц, включающие концепцию критических скоростей, о влиянии предварительной механической обработки поверхности, а также об автоактивапии (наличию времени индукции или, по-другому, задержки напыления). Однако отсутствие приемлемой и доступной компьютерной техники не позволяло в полном объеме реализовать решение насущных на тот момент вопросов, связанных с моделированием адгезии, оптимизации сопловых узлов и т.д. Поэтому одной из задач было, помимо продолжения экспериментального изучения, создание приемлемых моделей для расчетов и проведение самих расчетов. В данной работе наряду с экспериментальными данными представлено достаточно много результатов численных расчетов. Следует отметить, что некоторые физические аспекты изучаемого явления не могут быть определены из экспериментов даже на сегодняшний день (например, температура частиц перед ударом), и поэтому численный расчет играет важную роль в установлении сущности происходящего.
Необходимо также отметить, что подавляющее большинство проведенных исследований были посвящены напылению однокомпонентных покрытий (чистый металл или сплав). Напыление многокомпонентных (смеси металлов, металлов и керамик) покрытий, представляющее большой интерес, требует решения новых задач, несвойственных для напыления однокомпонентных покрытий. В этом случае формируется высокоскоростной гетерогенный поток, несущий частицы разных материалов. Из-за различий в свойствах компоненты приобретают разные скорости и температуры. При ударе о поверхность подложки (покрытия) компоненты по разному воздействуют на нее, приводя к закреплению частиц, эрозии и/или активации поверхности. Кроме того, столкновения компонентов друг с другом в потоке могут приводить к изменению их состояния. Таким образом, результат взаимодействия многокомпонентного потока с преградой оказывается зависимым от компонентного состава и условий формирования гетерогенного потока. В данной работе подробно рассматриваются упомянутые эффекты и дается ряд практических рекомендаций применительно к ХГН, что отражено в пункте научная новизна.
Представленная работа является обобщением известных, а также полученных автором результатов по изучению возможности управления эрозионно-адгезионным переходом в условиях ХГН, что и определяет ее актуальность.
Связь с государственными программами и НИР. Работа по теме диссертации выполнена автором в ИТПМ СО РАН в соответствии с планами научно-исследовательских работ Института по теме «Динамика вязких жидкостей и газов. Исследование физических процессов в двухфазных потоках» (шифр 4.1.1. 10.1.8); по программе СО РАН «Механика, научные основы машиностроения и надежности машин»; в рамках Программы СО РАН «Научные основы конструирования новых материалов и создание перспективных технологий» (шифр 6.4.1. 10.2.6); Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов»; интеграционных проектов № 57 «Металлокомпо-зитные материалы»; № 45 «Физические процессы на границах раздела при получении
гетерогенных материалов и покрытий»; № 93 «Разработка принципов и технологий создания наноструктурных состояний в поверхностных слоях и на внутренних границах раздела высокоресурсных конструкционных и функциональных материалов»; № 90 «Научные основы создания многоуровневых наноструктурных покрытий и интерфейсов в гетерогенных материалах для работы в полях экстремальных внешних воздействий»; № 106 «Создание научных основ получения наноструктурных композиционных материалов нового поколения неравновесными методами, исследование функциональных свойств»; интеграционного проекта ИНТАС-СО РАН «Direct Manufacturing by micro Cold Spray (DIMACS)»; заказного интеграционного проекта №12 «Синтез и компакти-рование нано - и субмикроструктурированных керамических порошковых материалов различного функционального назначения. Прикладные аспекты применения»; грантов РФФИ №№03-02-16329, 05-07-90172, 06-08-00302-а, 08-01-00108-а, 09-08-00543-а, молодежного проекта СО РАН 2006 - 2007 гг. «Изучение кинетики формирования и свойств металлокерамических покрытий при холодном газодинамическом напылении». Цель работы. Экспериментальное и теоретическое исследование закономерностей и особенностей формирования сверхзвуковых двухфазных (газ + нерасплавленные микрочастицы металлов, сплавов, керамик и их смесей) потоков, их взаимодействия с преградой; высокоскоростного ударного адгезионного взаимодействия нерасплавленных микрочастиц с преградой и формирования покрытий; создание приемлемых моделей для расчетов и проведение самих расчетов, связанных с моделированием адгезии, оптимизацией сопловых узлов, кинетикой роста покрытий в том числе двухкомпонентных; разработка технологий и устройств с использованием метода ХГН.
Научная новизна
1. Впервые предложен и изучен способ создания многокомпонентных композицион
ных (металл + металл, металл + керамика) покрытий в условиях ХГН за счет раз
дельного ввода компонентов в поток ускоряющего газа:
изучены закономерности теплообмена между частицами и газом при движении в сверхзвуковом потоке и показано, что температура частиц перед ударом в большей степени зависит от положения их ввода в поток, чем скорость удара;
показано, что при вводе частиц в сверхзвуковой поток их температура перед ударом существенно зависит от их начальной температуры;
найден диапазон параметров (размер абразивных частиц менее dp ~ 5 мкм при расходе более 0,05 г/с) частиц, при которых реализуется активация поверхности частиц металлического компонента при его движении в сопле за счет столкновений с частицами абразивного компонента.
2. Впервые изучена кинетика формирования покрытий в условиях ХГН (в том числе
из двухкомпонентных смесей) с учетом влияния процессов эрозии и активации по
верхности подложки (покрытия):
- предложен, обоснован и применен метод статистического моделирования ХГН для
исследования адгезионного взаимодействия частиц с подложкой с учетом тепло
проводности, с помощью которого объяснен известный эффект задержки напыле
ния и показано, что при уменьшении размера частиц начиная с dp ~ 10 мкм крити
ческая скорость частиц увеличивается, достигая максимальной величины
upw -1250 м/с при dp ~ 1 мкм для хорошо теплопроводящих материалов (медь,
алюминий) и при dp ~ 0,1 мкм для стали;
показано, что влияние эрозии существенно только при скорости удара частиц сравнимой с критической и коэффициенте напыления к^< 0,05;
объяснен эффект формирования слоя покрытия, толщина которого со временем напыления не растет, и предложен метод получения монослойных покрытий (когда сравнимы вероятности эрозии и закрепления);
впервые в условиях ХГН обоснованы условия активации напыления металлического компонента за счет очистки поверхности подложки (покрытия) абразивным компонентом и на примере смеси медь + карбид кремния показано, что когда вероятность закрепления металлических частиц высока сама по себе (более 0,75), акти-вационный эффект практически пропадает;
впервые показана возможность активации напыления металлических частиц одного из компонентов в присутствии металлических частиц другого компонента (на примере смеси порошков алюминий-медь с раздельным вводом компонентов).
3. Предложены и исследованы новые форкамерно-сопловые узлы для расширения возможностей метода ХГН:
для управления параметрами частиц двух и более компонентов за счет раздельного их ввода, возможности применения дозатора порошка открытого типа, а также для уменьшения воздействия порошка на критическое сечение сопла за счет применения сверхзвукового эжектора;
для получения широких дорожек покрытий (до 100 мм) и для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность труб малого диаметра (до 50-60 мм) за счет изменения формы среза сопла, закрутки потока, а также их сочетания;
для получения предельно узких дорожек покрытий (до 1 мм) и покрытий из нанопорошков (с размером частиц ~ 0,1 мкм) за счет использования микросопел.
Достоверность полученных результатов обоснована анализом методических ошибок используемых диагностических систем, сравнительным анализом экспериментальных и расчетных данных, полученных различными известными и хорошо зарекомендовавшими себя методами, а также их сопоставлением с известными данными.
Практическая ценность работы состоит в возможности использования полученных результатов для создания технологий нового поколения для решения широкого круга научно-технических и производственных задач в области материаловедения, машиностроения, металлургии, электротехники, транспорта и т.д. В частности, результаты могут быть использованы для создания и усовершенствования физико-математической модели высокоскоростного ударного взаимодействия микрочастиц с преградой, а также при разработке новых технологических процессов нанесения покрытий. Практическая ценность работы подтверждается получением ряда российских и зарубежных патентов на способы и устройства, вытекающие из результатов работы.
Установки ХГН переданы в ряд организаций РФ (НМЗ им. А.Н. Кузьмина, Новосибирск; СибНИА, Новосибирск; НИИ ВТ Минречфлота РФ, Новосибирск; МАИ, Москва; ЗСМК, Новокузнецк; НИЦ "Антикор" МПС, Новосибирск; и др.) и за рубежом: Институт механики жидкостей DLR (Геттинген, Германия); Институт исследования металлов КАН (Шэньян, Китай); Институт авиационных материалов (Пекин, Китай); Международный исследовательский центр передовых технологий порошковой металлургии и новых материалов (Хайдарабад, Индия); Высшая инженерная школа (Сент-Этьенн, Франция) и др.
На защиту выносятся результаты:
Способ создания многокомпонентных композиционных (металл + металл, металл + керамика) покрытий в условиях ХГН за счет раздельного ввода компонентов в поток ускоряющего газа.
Результаты изучения теплообмена между частицами и газом при движении в сверхзвуковом потоке в зависимости от места ввода и начальной температуры частиц в типичных для ХГН условиях.
Результаты расчетов вероятности столкновений напыляемых частиц с частицами абразивного компонента при их движении в сопле, приводящих к активации поверхности частиц металлического компонента в условиях ХГН.
Метод и результаты статистического моделирования ХГН для исследования адгезионного взаимодействия частиц с подложкой с учетом теплопроводности.
Модель формирования однокомпонентного ХГН покрытия с учетом эрозии и метод получения тонких покрытий (в том числе многокомпонентных).
Модель формирования многокомпонентного ХГН покрытия с учетом эрозии и активации напыления металлического компонента за счет очистки поверхности подложки (покрытия) абразивным компонентом.
Метод активации напыления металлических частиц одного из компонентов в присутствии металлических частиц другого компонента (на примере смеси порошков алюминий-медь с раздельным вводом компонентов).
Результаты разработки и исследования новых форкамерно-сопловых узлов для расширения возможностей метода ХГН (сверхзвуковое эжекторное сопло, микросопло, сопло с профилированной формой среза, закруткой потока, а также их сочетания).
Личный вклад. При непосредственном участии автора ставились задачи, выбирались методики и проводились экспериментальные и теоретические исследования формирования сверхзвуковых двухфазных потоков и их взаимодействия с преградой в условиях ХГН, обсуждались результаты, подготавливались печатные работы и доклады на конференциях. Результаты совместных работ представлены с согласия соавторов.
Апробация работы. Результаты работы представлялись на международных конференциях «Пленки и покрытия» (1998, 2001), «Методы аэрофизических исследований» (ICMAR 1998, 2000, 2004, 2007, 2008, 2010, 2012), International Thermal Spray Conference (1999, 2001, 2002, 2003, 2005, 2006, 2008), «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (2006), «Mechanochemistry and Mechanical Alloying» (2006), Powder Metallurgy World Congress (2006), Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (2001, 2006), Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО 2007» и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 работы, 8 патентов, список основных приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 196 наименований, содержит 290 страниц, в том числе 181 рисунок и 31 таблицу.