Международный научный журнал International Journal of Advanced Manufacturing Technology опубликовал статью на тему новой разработки российский и французских ученых, которая, как отмечают авторы, сулит «революцию в авиастроении». Речь идет о модернизации самого дорого элемента любого самолета – авиационного двигателя. Проект, который был разработан в стенах известного Национального исследовательского технологического университета “МИСиС” позволяет проводить ремонт силовых установок, не прибегая к замене деталей. Для исправления повреждений ученые предлагают использовать аддитивные технологии или 3D-печать. Новый способ не только обеспечит экономию средств при обслуживании самолетов, но и значительно снизит первоначальное производство авиадвигателей.

Специалисты «МИСиС» и Лионского университета взяли за основу метод «холодного газодинамического напыления», разработанный еще в Советском Союзе. Этот способ всегда использовался для нанесения на детали каких-нибудь покрытий. А новый проект подразумевает использование ХГН для «выращивания» деталей по компьютерным моделям непосредственно на силовой установке.

Главное преимущество такого метода заключается в том, что он не требует термического воздействия. Использование сварки могло негативно сказаться на прочностных характеристиках аппарата, а для ХГН не нужен нагрев металла. Новое материал образуется в результате взаимодействия частиц порошка, ускоренных сверхзвуковым газовым потоком. При помощи 3D- моделирования специалисты смогут «выращивать» поврежденную деталь до ее первоначального вида.

Представитель Объединенной двигателестроительной корпорации Павел Аликин уверен, что новая разработка пригодится не только для ремонта силовых установок, но и для их производства. Например, разработка первого «тяжелого» авиадвигателя ПД-35 в какой-то момент застопорилась из-за потребности в создании жаропрочного корпуса диаметров 2 метра и крупногабаритных титановых элементов. Традиционным методом литья выполнить такую задачу, как говорит Аликин, было практически невозможно. Зато созданные путем 3D-печати образцы МИСиС оказались гораздо прочнее и дешевле запланированных. Такая реклама для нового способа «выращивания» деталей авиадвигателя может значительно ускорить его внедрение на производство.

Справка:

Метод холодного газодинамического напыления металла (англ. –cold spray, cold gas dynamic spraying) состоит в том, что твердые частицы металла, температура которых значительно меньше их температуры плавления,  разгоняются до сверхзвуковой скорости и закрепляются на поверхности при соударении с нею.

Сущность метода холодного газодинамического напыления металла включает в себя формирование в сопле сверхзвукового газового потока, подачу в этот поток порошкового материала с размерами частиц 0,01-50 мкм, его сверхзвуковое ускорение в сопле и направление частиц порошка на поверхность изделия. Ускорение частиц возможно в среде холодных или подогретых  газов, таких как: воздух, гелий, азот. Значения температуры существенно ниже температуры плавления материала порошка (0,4-0,7Тпл). Технология холодного газодинамического напыления позволяет наносить металлические покрытия не только на металлы, но и на стекло, керамику, камень, бетон. Покрытия, нанесенные этим методом, механически прочны и имеют высокую адгезию к подложке.

Явление формирования покрытий методом холодного газодинамического напыления впервые было обнаружено в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН)  в начале 80-х годов прошлого века. Они показали, что для формирования покрытия необязательно, чтобы частицы находились в расплавленном или предрасплавленном состоянии, а покрытия можно получать из частиц с температурой значительно ниже их температуры плавления, в отличие от традиционных методов напыления.

Рис. 1. Микрофотографии покрытий [1].

Основные экспериментальные факты:

1. Наиболее важным параметром при холодном напылении является скорость частиц, именно от ее величины зависят адгезия, пористость, микротвердость покрытий и др. Для всех частиц с диаметром d£50 мкм существует «пороговая» величина скорости взаимодействия их с подложкой (500-600 м/с). Если скорость ниже этого значения, то наблюдается процесс эрозии. При скорости выше «пороговой» процесс эрозии переходит в напыление.
2. Существует критическая величина расхода частиц, при котором напыление не происходит независимо от времени воздействия потока.
3. При расходе частиц выше критической величины частицы прочно сцепляются с поверхностью изделия и между собой, образуя в напыленном слое плотную упаковку. Из рис. 2, а видно, что внешняя часть покрытия представляет собой совокупность деформированных частиц напыляемого материала с характерным размером d=20-40 мкм и следами (кратерами) от ударов бомбардирующих частиц. Поперечный разрез (шлиф) покрытия (рис. 2, б) показывает, что оно отличается малой пористостью и хорошей однородностью по всей толшине слоя. Наличие шероховатой границы между напыленным слоем и поверхностью тела, которая предварительно обрабатывалась по 10 классу чистоты, свидетельствует о том, что перед образованием напыления также имеет место пластическая деформация и эрозия поверхности тела.
4. Только малая доля частиц, разгоняемая сверхзвуковым потоком, в итоге напыляется на изделие, основная же доля отражается и уносится потоком газа. Масса напыленных частиц увеличивается с ростом расхода порошкового материала.
5. При формировании покрытия нагрев поверхности изделия незначителен. Разница температур для поверхности только обтекаемой потоком газа и при напылении покрытия составляет »45 градусов.

Рис. 2. Микрофотографии внешнего слоя (х150) и поперечного шлифа покрытия из частиц алюминия (электронный микроскоп, х300) [1].

Существует 2 разновидности холодного газодинамического напыления: высокого и низкого давления. Сравнение типичных параметров оборудования для напыления по этим двум способам представлено в табл. 1. В общем, качество покрытий нанесенным методом высокого давления выше и требования к определенному размеру частиц порошка ниже. Главное достоинство метода низкого давления в более низкой стоимости оборудования и его меньших габаритах.

Таблица 1. Сравнение режимов холодного газодинамического напыления высокого (ХГНВД) и низкого давления (ХГННД).

Параметр	ХГНВД	ХГННД
Газ	Азот, гелий, смесь	Сжатый воздух
Давление, бар	7-40	6-10
Температура нагрева, 0С	20-550-800	20-650
Расход газа, м3/мин	0,85-2,5 (азот), макс. 4,2 (гелий)	0,3-0,4
Расход порошка, кг/ч	4,5-13,5	0,3-3
Расстояние для напыления, мм	10-50	5-15
Мощность, кВт	17-47	3,3
Размер частиц, мкм	5-50	5-30

На рис. 3 представлена принципиальная схема напыления покрытий холодным методом высокого давления. Газ под высоким давлением нагревается и смешивается с порошком, затем газопорошковая смесь поступает в сопло, где она ускоряется до сверхзвуковой скорости и направляется на подложку, формируя покрытие.

Рис. 3. Принципиальная схема холодного газодинамического напыления высокого давления.

Основное отличие сверхзвукового сопла для этих технологий заключается в том, что при напылении с низким давлением порошок поступает перпендикулярно газовому потоку прямо в сопле, а при технологии высокого давления в сопло поступает газопорошковая смесь (рис. 4, 5). Также отличием является то, что подогрев газа при высоком давлении осуществляется перед сверхзвуковым соплом, а при низком давлении непосредственно в нем.

Рис. 4. Конструкция сопла для холодного газодинамического напыления высокого давления [2].

Рис. 5. Конструкция сопла для холодного газодинамического напыления низкого давления.

При методе холодного напыления низкого давления обычно напыляют различные металлические порошки вместе с добавкой керамических частиц (Al₂O₃, SiC). Считается, что эти добавки активируют поверхность подложки, улучшая адгезию, и благодаря им прочищается сопло.

Холодный метод нанесения покрытий, в основном, применяют для восстановления различных металлических деталей в случае трещин, сколов, истирания. Также у них высокий потенциал в качестве антикоррозионных, теплопроводных покрытий. Предложено использовать такие покрытия в качестве защитных для контактных поверхностей кабельных наконечников [1]. В [3] приведены экспериментальные результаты испытаний разнообразных покрытий поверхностей сильноточных контактов, нанесенных холодным газодинамическим напылением низкого давления. Все варианты не прошли испытания, кроме специально разработанного композиционного покрытия.

 Литература:

1. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое напыление. Теория и практика. – М.: Физматлит, 2010 – 536 с.
2. http://www.cmit.asiro.au/innovation/2003-08/cold_spray.cfm
3. Koktsinskaya E.M., Roshal A.G. et al. Aging Tests of the High Current Aluminum–Copper Contact Connections in the ITER DC Busbar System/ IEEE Transactions on Plasma Science. – 2014. -Volume:42 ,  Issue: 3, p. 443-448.