СОБЫТИЯ

На Омском НПЗ готовят мощности для первого в России производства игольчатого кокса

На Омском НПЗ «Газпром нефти» начался монтаж основного реакционного оборудования в рамках работ по модернизации установки замедленного коксования. Проект позволит начать первое в России производство игольчатого кокса — ...

Завод порошковой металлургии «ПОЛЕМА» подписали соглашение о сотрудничестве в области разработки новых сплавов на основе тугоплавких металлов.

Соглашение предполагает проведение совместных фундаментальных исследований и прикладных работ в области порошковой металлургии и тугоплавких металлов. Сотрудничество «ПОЛЕМА» и ИФТТ РАН будет направлено на внедрение в промышленное ...

На Омском НПЗ готовят мощности для первого в России производства игольчатого кокса

На Омском НПЗ «Газпром нефти» начался монтаж основного реакционного оборудования в рамках работ по модернизации установки замедленного коксования. Проект позволит начать первое в России производство игольчатого кокса — ...

Счетная палата прогнозирует резкий рост цен на бензин в 2019 году

Повышение акцизов на топливо в РФ с 1 января 2019 года может привезти к новому резкому скачку цен на бензин. Об этом сообщается в заключении Счетной палаты на проект бюджета на 2019-2021 годы. «Увеличение акциза в 1,5 раза с 1 января 2019 года ...

ООН: Состояние океанов никогда не было столь угрожающим, как сейчас

Загрязнение, окисление воды, подводный шум, таяние льда в Арктике и Антарктике создали беспрецедентную угрозу для Мирового океана. Об этом говорится в докладе генерального секретаря ООН Антониу Гутерриша. Мировой океан - это «легкие» ...

Холодное газодинамическое напыление – альтернатива газотермическому напылению

КОСАРЕВ В.Ф., д.ф.­м.н., ИТПМ СО РАН, г. Новосибирск

КЛИНКОВ С.В., д.ф.­м.н., ИТПМ СО РАН, г. Новосибирск

ХОЛОДНОЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ НАПЫЛЕНИЕ – АЛЬТЕРНАТИВА ГАЗОТЕРМИЧЕСКОМУ НАПЫЛЕНИЮ

Явление ХГН было впервые обнаружено в Институте Теоретической и Прикладной Механики им. С.А. Христиановича Сибирского Отделения РАН (ИТПМ СО РАН)
в начале 80ых годов прошлого века при изучении обтекания затупленных тел сверхзвуковым гетерогенным низкотемпературным потоком (с температурой торможения 0 – 20°С). Отсутствие высоких температур, характерных для газотермических методов напыления, позволяет говорить, что в данном случае был реализован новый метод нанесения покрытия, который былназван авторами методом «холодного» газодинамического напыления (ХГН).

Сравнение основных параметров двухфазного потока при ХГН с параметрами, присущими традиционным методам напыления (плазменному, газопламенному, детонационному и т.п.) показывает (рис. 1), что они существенно различаются. Главное отличие состоит в том, что основным энергетическим источником в процессе формирования покрытий ХГН является кинетическая энергия частиц. Основным физическим механизмом ХГН является высокоскоростная деформация напыляемых частиц при ударе, приводящая к интенсивным сдвиговым течениям материала по границам контакта, и образованию адгезионно-когезионных связей. Умеренный уровень температур при ХГН минимизирует тепловое взаимодействие частиц с ускоряющим их газом и окружающей атмосферой, а это открывает широкие возможности для создания новых технологий и новой техники для напыления.

Дальнейшие исследования показали определяющую роль величины скорости частиц. Для металлических частиц с размером (dp   50 мкм     ) существуют критические скорости взаимодействия их с подложкой (ucr1 = 500   600 м/с). То есть, при взаимодействии с подложкой твердых металлических частиц наблюдается классический процесс эрозии, если скорость частиц меньше критической. При скоростях больше критической процесс эрозии переходит в процесс напыления, причем в зависимости от скорости частиц в очень широких пределах изменяются и свойства покрытий, такие как адгезия, пористость, микротвердость и т.д.

Метод ХГН обеспечивает получение различных металлических покрытий, свойства которых, изменяя режим напыления, можно регулировать в достаточно широких пределах, например, пористость (от величины 1 % до величины 15 %), толщину слоя (от нескольких десятков микрометров до нескольких миллиметров) и др. При этом характерное значение адгезии составляет 20 – 80 МПа, а коэффициент использования порошков достигает 50 – 80 %. Метод ХГН позволяет проводить сбор порошка и повторное его использование, что обеспечивает экологическую чистоту, увеличивает коэффициент использования до 90 – 95 %, снижает эксплуатационные затраты.

Отсутствие высокотемпературных струй позволяет существенно 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, 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 существенного термического воздействия на изделие, что позволяет наносить покрытия на подложки из нетермостойких материалов;

простота технической реализации, высокий ресурс оборудования и безопасность работ в связи с отсутствием высокотемпературных струй, а также огне- и взрывоопасных газов.

Метод ХГН может найти широкое применение для получения антикоррозионных, упрочняющих, электропроводящих и других покрытий отдельных деталей и конструкций особенно из материалов и на материалы, допускающие ограниченное термическое воздействие, а также может быть использован для получения компактных порошковых материалов. Дальнейшие исследования могут значительно расширить возможности этого метода и позволят перейти к созданию целого ряда новых технологий.

В ИТПМ СО РАН в результате исследований уже найден ряд новых технических решений, запатентованных в России и за рубежом [например, 1 – 5]. Основные результаты исследований ИТПМ СО РАН в области ХГН опубликованы в монографиях [6, 7]. Соединение вместе результатов, находящихся на стыке различных научных направлений, позволило создать научные основы технологических процессов, проектирования и изготовления оборудования ХГН.

Надо отметить, что разработка метода ХГН в настоящее время осуществляется не только в России, но и за ее пределами. За рубежом организованы специализированные лаборатории, которые помимо проведения научных исследований занимаются также выпуском оборудования для ХГН и необходимых для него порошков. Авиационные и морские корпорации были одними из первых, кто заинтересовался ХГН (в международной литературе и интернете метод называется cold spray, kinetic spray, kinetic metallization). Предварительная информация о возможностях компаний, предлагающих свои услуги в области ХГН, предоставляется в свободном доступе в интернете. Далее приведены только некоторые разработки, сделанные в ИТПМ СО РАН, которые служат лишь примером, характеризующим возможности метода.

Оборудование и основы технологий

Экспериментальное оборудование ХГН

В ИТПМ СО РАН разработаны опытные образцы установок ХГН (рис. 2). Основными элементами установки ХГН являются: устройство напыления, состоящее из сверхзвукового сопла, форкамеры и омического нагревателя газа; дозатор порошка; источник сжатого газа (баллоны или компрессор); пульт управления и контроля (давление газа в форкамере и дозаторе, температура газа в форкамере). Для напыления используются такие газы как воздух, азот, гелий с расходом до 2 м3/мин. Дополнительно для выполнения работ требуются: камера напыления с системой пылеотсоса и сбора ненапыленного порошка; манипулятор для перемещения напыляемой детали или самого устройства напыления. Омический нагреватель газа может быть выполнен в двух вариантах. В первом варианте (более массивном, рис. 2а, требующем для питания источник питания с напряжением 40 – 60 В) нагревательным элементом служит завитая в спираль трубка из нержавеющей стали, внутри которой движется нагреваемый газ, а по стенкам течет нагревающий электрический ток. Во втором варианте (более легком и компактном, рис. 2b, требующем для питания напряжение 220 В) нагревательным элементом служит проволочная спираль из сплавов высокого сопротивления, по которой движется нагревающий электрический ток, а снаружи спираль обдувается нагреваемым газом. В этом варианте напыляющее устройство получается достаточно легким и компактным, что позволяет манипулировать им в ручную (оператор при этом использует индивидуальные средства защиты – очки, наушники, респиратор).

Для создания необходимой формы пятна напыления применяются сверхзвуковые сопла разной геометрии. В основном используются сопла круглого и прямоугольного сечения (рис. 3).

В традиционном виде для подачи порошка из дозатора в форкамеру сопла требуется, чтобы давление газа в дозаторе было выше (на 0,1 – 0,2 МПа) давления в форкамере сопла. Соответственно, дозатор должен выдерживать внутри себя рабочее давление газа (типичный диапазон рабочих давлений газа составляет 0,8 – 4,0 МПа). Чтобы снять это ограничение были разработаны эжектроные сопла, засасывающие порошок из дозатора. Это позволяет работать при атмосферном давлении в дозаторе без крышки и в случае необходимости досыпать порошок в бункер дозатора, не останавливая процесс напыления. Остановимся более подробно на описании возможности применения метода ХГН для нанесения антикоррозионных покрытий на внешнюю и внутреннюю поверхность труб.

Оборудование для нанесения антикоррозионных покрытий на трубы

Повышение коррозионной стойкости металлических изделий остается одной из актуальнейших научно-технических и экономических проблем современности. Одним из распространенных направлений защиты от коррозии является нанесение покрытий различными методами – химическим и электрохимическим осаждением, газотермическим напылением и т.п. Наиболее производительной является технология горячего цинкования внешней поверхности стальных труб. Существенные ее недостатки (ограничения) связаны со сложностью и высокими требованиями к процессам подготовки поверхности (включая химическое травление), ограничениями в возможности изменять толщину покрытий, а также огромными затратами для обеспечения экологичности процессов. Технология ХГН позволяет исключить эти недостатки и ограничения.

Напыление на внешнюю поверхность. Ниже представлена схема установки газодинамического нанесения защитных покрытий на внешнюю поверхность длинномерных труб и ее фотография (рис. 4).

Установка работает следующим образом – труба укладывается на рольганг и с пульта управления ей сообщается вращательное и одновременно поступательное движение через камеры очистки и напыления. В камере очистки поверхность трубы очищается. Частицы, образующиеся при обработке поверхности, утилизируются. После камеры очистки труба поступает в камеру напыления, где и происходит процесс напыления на поверхность трубы. Частицы порошка, не напыленные на поверхность трубы, утилизируются пылеотсасывающей установкой с последующим возвратом в бункер дозатора.

Представленный вариант установки с проходными камерами, обеспечивает минимальную задержку между процессами подготовки поверхности и нанесения покрытия и тем самым обеспечивается высокая адгезионная прочность. Унифицированные узлы установки позволяют проводить ее модернизацию с увеличением диаметров обрабатываемых труб до ~ 1 м, а также возможностью использования проходных камер термической (обжига для ликвидации жировых пленок и нагрева труб) и пневмообразивной обработки. Кроме того, установки ХГН может быть вписана в имеющиеся заводские линии на различных их участках, что позволяет эффективно использовать тепловую энергию и наносить покрытия на уже нагретые трубы при различных температурах их поверхности.

Напыление на внутреннюю поверхность. Имеющиеся к настоящему времени разработки, основанные на газопламенном, металлизационном, плазменном и подобных методах не позволяют наносить металлические покрытия на внутреннюю поверхность длинномерных труб малого диаметра (< 250 мм). Для других методов (электростатическое осаждение, гальваника, погружение в расплав др.) требуется крупногабаритное, дорогостоящее оборудование и значительные затраты для удовлетворения экологическим требованиям.

Метод ХГН позволяет реализовать процесс нанесения покрытий из алюминия, цинка и их механических смесей, обладающий экономичностью, экологической чистотой и широкими технологическими возможностями [8]. Схематическое изображение общего вида установки показано на рис. 5.

Установка состоит из устройства напыления, на котором смонтированы сборочные элементы, обеспечивающие взаимное перемещение напыляемой трубы 1 и соплового блока, пульта управления 2, источника питания 3 нагревателя газа и агрегата отсоса и сбора неиспользованного порошка 4. Сопловой узел установлен на концевой части штанги 8, входящей внутрь напыляемой трубы.

Штанга (см. рис. 5b) состоит из корпуса 11, внутри которого смонтирован трубчатый омический подогреватель газа 12 и шаровая опора 13, соплового узла, состоящего из форкамеры 14 и плоского сверхзвукового сопла 15.

Использование описанной выше установки позволяет получать антикоррозионные покрытия из алюминия и цинка толщиной 100 – 300 мкм на внутренней поверхности длинномерных труб с необходимыми свойствами. Коэффициент использования порошка находится в пределах 50 – 80%,
а при повторном использовании собранного системой отсоса порошка может достигать 90 – 95%. При этом адгезия напыленного слоя к поверхности трубы составляет 20 – 40 МПа, что является достаточным во многих практических случаях. Пористость (закрытая, открытая пористость практически отсутствует) получаемых покрытий в зависимости от режима напыления 1 – 10 % и это является одним из факторов, определяющих высокие защитные свойства таких покрытий.

Напыление на внутреннюю поверхность труб с помощью радиального сопла.
На основании проведенного обзора известных технических решений для напыления на внутреннюю поверхность цилиндрических труб можно выделить два подхода. Первый заключается в использовании одиночного сопла (см. выше) и в этом случае требуется вращение трубы. Второй заключается в использовании радиального сопла (представляющего собой два соосных диска, отстоящих друг от друга на некотором расстоянии), что позволяет избавиться от вращения трубы. В этом устройстве [9] газ с частицами подается из приосевой зоны и, радиально растекаясь в зазоре между дисками, ускоряется до сверхзвуковых скоростей, придавая высокую скорость частицам.

Показана возможность применения радиального сверхзвукового сопла для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность цилиндрических труб методом ХГН, с целью исключить вращение трубы, определены минимальный и максимальный диаметры труб, а также приемлемый диапазон массо- и энергорасходных характеристик радиальных сопел для возможности внедрения метода ХГН в технологическую цепочку производства труб.

Схема напыления трубы радиальным сверхзвуковым соплом с обозначениями основных геометрических размеров представлена на рис. 6. Основные обозначения показаны на рисунке.

Необходимо отметить, что максимальная длина напыляемой трубы ограничена длиной штанги (с каналами подвода рабочего газа и газопорошковой смеси внутри) на которой закреплен узел напыления и может составлять несколько метров.

Для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность труб изготовлены два сопловых блока различных размеров: 1 – с диаметром выходного сечения dex = 72 мм (остальные размеры:
dcr = 18 мм, длина сверхзвукового участка Ln = 27 мм, ширина сопла         0,5 – 2 мм); 2 – с диаметром выходного сечения dex = 40 мм (dcr = 10 мм, Ln = 15 мм,             0,5 – 2 мм).

Эксперименты по нанесению покрытий на внутреннюю поверхность труб проводились на установке ХГН, содержащей узел с радиальным соплом присоединенный с помощью штанги к подогревателю рабочего газа и дозатору порошка. Нагреватель с сопловым узлом закреплялись на роботе KUKA KR 16-2 (KUKA Roboter GmbH, Германия).

Для нанесения покрытий использовались порошки алюминия (АСД-1, сферический, средний размер 36 мкм) и меди (ПМС-1, дендрид, электролитический, средний размер 64 мкм). При нанесении покрытия из алюминия температура воздуха в форкамере устанавливалась 500 K, меди – 700 K. Давление в форкамере выбиралось в диапазоне 1,5 – 2,0 МПа.

В качестве напыляемых использовались отрезки стальных (при нанесении покрытий из алюминия и меди) и алюминиевых (при нанесении покрытия из никеля) труб длиной 15 – 30 см.

Покрытия наносились по следующей схеме. Первый проход при вводе сопла в трубу осуществлялся без подачи порошка. При этом труба, обдуваемая горячим воздухом, предварительно нагревалась. При втором проходе, соответствующем движению сопла из трубы, подавался порошок, и наносилось покрытие.

С использованием сверхзвуковых радиальных сопел выходным диаметром 72 и 40 мм получены ХГН покрытия Al и Cu на внутренней поверхности стальных труб различного диаметра (80 – 100 мм для сопла диаметром 72 мм и 45 – 70 мм для сопла диаметром 40 мм). На рис. 7 и 8 приведены примеры полученных образцов. На рис. 7 показан образец трубы диаметром
100 мм с внутренним покрытием из алюминия, полученный с использованием радиального сопла с выходным диаметром 72 мм.

На рис. 8а показан образец трубы диаметром 80 мм с внутренним покрытием из меди, полученный с использованием радиального сопла с выходным диаметром 72 мм. На рис. 8b показан образец трубы диаметром 45 мм с покрытием из алюминия, полученный с использованием радиального сопла с выходным диаметром 40 мм.

Следует отметить, что алюминиевое покрытие образуется достаточной толщины, примерно 100 – 250 мкм за один проход со скоростью 5 мм/с.

Таким образом, с применением радиальных сверхзвуковых сопел выходного диаметра 40 и 72 мм успешно получены покрытия на внутренней поверхности стальных труб с внутренним диаметром в диапазоне 45 – 100 мм из порошков алюминия и меди и алюминиевой трубы с внутренним диаметром 53 мм из порошка никеля. Определен диапазон массо- и энергорасходных характеристик радиальных сопел для возможности внедрения метода ХГН в технологическую цепочку производства труб.

Заключение

Приведенные в работе примеры свидетельствуют о перспективности применения метода ХГН в различных областях машиностроения при создании энерго- и ресурсосберегающих технологий. Описаны пионерские образцы разработанного в ИТПМ СО РАН оборудования ХГН. Новые технические решения, лежащие в основе этих разработок, защищены отечественными и зарубежными патентами.

По совокупным характеристикам газодинамические покрытия, получаемые на описанных установках с использованием в качестве рабочего газа воздуха, что обуславливает их экономичность, являются весьма перспективными для антикоррозионной защиты труб.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент РФ №1618778. Способ получения покрытия / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И., Папырин А.Н. // БИ. 1991. № 1. С. 77.

2. Патент РФ №1773072. Способ нанесения металопорошковых покрытий / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И., Папырин А.Н. // БИ. 1995. № 7. С. 262.

3. United States Patent № 5,302,414. Gas-dynamic spraying method for applying coating / Alkhimov A.P., Kosarev V.F., Nesterovich N.I., Papyrin A.N., Shushpanov M.M. // Official Gazette. 1994.
Vol. 1161, № 2.

4. European Patent № 0 484 533 A1. Method and device for coating / Alkhimov A.P., Kosarev V.F., Nesterovich N.I., Papyrin A.N., Shushpanov M.M. // Europian Patent Bullitin. 1992. № 20.

5. Патент РФ № 2096877. Электротехническое соединительное изделие / Алхимов А.П., Демчук А.Ф., Косарев В.Ф., Кожевников В.Е. // БИ. 1997. № 32 (II ч). С. 376.

6. A. Papyrin, V. Kosarev, S. Klinkov, A. Alkhimov, V. Fomin Cold Spray Technology / Elsevier Science, 2007. 336 p.

7. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое напыление. Теория и практика / Под. Ред. В.М. Фомина. – М.: Физматлит, 2010. – 536 с.

8. Патент РФ № 2075535. Установка для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубы / Алхимов А.П., Гуляев В. П., Демчук А.Ф., Косарев В.Ф., Ларионов В.П., Спесивцев В.П. // БИ. 1997. № 8. С. 184-185.

9. Патент РФ № 2503745 Устройство газодинамического напыления на внутренние цилиндрические поверхности изделий / Косарев В.Ф., Зайковский В.Н, Клинков С.В. // БИПМ. 10.01.2014. № 1.

NGS3(32) 2018


Категория статьи: Без категории

К содержанию журнала
«Нефть и Газ Сибири» №3(32) 2018 г.
Справочник отраслевых организаций
Яндекс.Метрика