Наноструктурированные покрытия

Нанопокрытие – новый этап в развитии функциональных покрытий. Оно наносится методом газотермического напыления.

Наноструктурированные покрытия

Наноструктурированные покрытия

Использование нанопокрытий позволяет значительно снизить коэффициент трения при сохранении износостойкости, повысить вязкость покрытий при сохранении антикоррозионных свойств и увеличения температуры эксплуатации на 50°C. Все это особо актуально в области машиностроения. В процессе создания нанопокрытия мы не стали снижать толщину покрытия, ведь большинство машиностроительных задач решается при соответствующей величине в десятки и сотни микрон.

Для создания нанопокрытий используются наноструктурированные материалы, суспензии, золь-гнели. В покрытия внедряются специальные добавки, которые модифицируют их структуру и обеспечивают получение необходимых свойств.

Работа по разработке нанопокрытий ведется в опытном режиме, однако покрытия уже широко используются в нефтедобывающей и аэрокосмической отрасли, а также в атомной промышленности. Работы выполняются молодыми учеными-практиками на собственном оборудовании, а также в сотрудничестве с ГК «Роснанотех». Команда наших специалистов с интересом проводит опытно-конструкторские и научно-исследовательские мероприятия. В результате, сотрудники ЗАО «Плакарт» разработали способ нанесения покрытий, структура которых целиком или частично формируется из наночастиц.

Наноструктурированные покрытия

Наноструктурированные покрытия

За счет изменения температуры и варьирования скорости газовой струи, взаимодействующей с частицами материала можно добиться оптимального уровня адгезионных и когезионных характеристик, а также обеспечить более высокую плотность покрытий.

Преимуществом высокоростного напыления является возможность создания тонких, но в тоже время прочных наноструктурированных покрытий.

В таблице 1 представлены основные коммерчески значимые методы газотермического напыления и их характеристики.

 

Методы напыления Применяемые материалы Источник образования тепла (рабочие газы) Адгезия, МПа Пористость, %
Электродуговая металлизация Проволоки сплошного сечения и композиты Электрическая дуга (воздух или другие газы) 20…50 5…25
Газопламенное напыление Порошки и проволоки, шнуровые и стержневые материалы Горение газообразных углеводородов в среде кислорода или воздуха (продукты сгорания) 20…50 3…15
Плазменное напыление Порошки и проволоки Прямая или косвенная электрическая дуга (ионизированный газ) 30…60 0, 5…10
Высокоскоростные методы напыления (HVOF, HVAF, Детонация, Cold Spray) Порошки Горение углеводородов (в том числе жидких) или водорода в среде кислорода или воздуха (продукты сгорания) 45…80 и более 0, 1…2
Высокоскоростные методы напыления наноструктурированных покрытий Порошки, коллоидные растворы, истинные растворы Горение углеводородов (в том числе жидких) кислорода или воздуха (продукты сгорания) 60…100 и более <0, 1 несквозная

 

Примечание. Значения даны для стандартных процессов, когда при напылении не преследуется цель получения покрытия со специальными свойствами.

При нанесении нанопокрытий методом газотермического напыления с применением нанодисперсионных частиц или их агломератов (порошки, прутки и др.) возникают следующие проблемы:

  • необходимо создание специального дозатора наночастиц;
  • возможность сплавления частиц в случае использования палазменного или электродугового метода напыления;
  • высокая стоимость материалов.

Немаловажной проблемой, с которой можно столкнуться при нанесении покрытий с использованием нанопорошков, прутков и др., является возможность потери агломератами наночастиц своей структуры.

Большинство зарубежных вариантов нанесения нанопокрытий основано на использовании плазменного напыления суспензии, так как энергии плазы достаточно для того чтобы растворитель испарился. В тоже время проблема потери наноструктуры остается актуальной.

Для нанесения наноструктурированных покрытий специалисты ЗАО «Плакарт» применяют разработанную ими установку и технологию с использованием коммерчески доступного оборудования для высокоскоростного газотермического напыления ТСЗП-HVOF-C2.

Технология заключается в высокоскоростном газопламенном покрытии материала, когда напыление подается в камеру сгорания вместе с топливом в виде суспензии или раствора (рисунок 1). При этом используется исходный раствор, являющийся прекурсором наночастиц, в виде присадки к жидкому углеводородному топливу для HVOF-горелки, т.е. керосину.

При создании данной методики использовались исследования, проводимые специалистами по авиационным газотурбинным двигателям, относительно термодинамики и химических процессов, происходящих с частицами исходного раствора наноматериалов при их попадании в высокоскоростной тракт сверхзвуковой газовой струи.

Основным отличием от существующих систем подачи низкого давления является подача в камеру сгорания исходного раствора, смешанного с топливом под большим (до 15 Бар) давлением. Устройство и способ нанесения наноструктурированных покрытий защищены патентами.

Рисунок 1. Схема подачи раствора или суспензии в горелку HVOF

Рисунок 1. Схема подачи раствора или суспензии в горелку HVOF

 

В основе высокоскоростного газопламенного метода напыления лежит принцип придания мелкодисперсным частицам напыляемого материала, введенным в газовую струю, максимально возможной кинетической энергии. Применение технологии высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF) позволяет не доводить наночастицы или их агломераты до расплавления или сплавления, как это происходит во многих других методах газотермической обработки — плазменных, низкоскоростных газопламенных. Жидкие капельки могут быть введены аксиально в пламя и ускорены до очень высоких скоростей. По сравнению с методом плазменного напыления, пламя HVOF характеризуется более высокой скоростью (800 против 400 м/с), но более низкой температурой (3000 против 10000 K). Это обуславливает режим обработки, отличный от режима в плазменной струе. Так, высокая начальная разница скоростей между введенными капельками и пламенем HVOF, так же, как присутствие «ударных алмазов» создает условия, способствующие дисперсии капельки и генерации более малых по размеру капелек.

Технология высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF) наноструктурированных покрытий, разработанная сотрудниками ЗАО «Плакарт», за счет большой кинетической энергии частиц позволяет получать покрытия, в которых:

  • изменения гранулометрического и фазового состава исходного материала минимальны,
  • пористость структуры снижена настолько, что приближается к компактному состоянию исходного материала,
  • прочностные характеристики покрытий значительно выше по сравнению с характеристиками покрытий, получаемых стандартными методами газотермического напыления.

В результате применения вихревого инжектора, обеспечивается образование капель жидкости с размерами порядка 3 Нм. Посредством теплового воздействия обеспечивается ускоренное протекание физико-химического преобразования исходного раствора в агломерированные наноструктуры, внедряющиеся в напыляемое покрытие со скоростью порядка 800 м/c. При правильно подобранных параметрах горения в камере сгорания и газодинамических характеристик (энтальпия, температура, скорость) газовой струи, транспортирующей наночастицы, наноразмерные частицы напыляемого материала будут образовывать слой покрытия, приближающийся по прочности и плотности к материалу в компактном состоянии.

В соответствии с технологией, разработанной сотрудниками ЗАО «Плакарт», одновременно с подачей микроструктурированного или наноструктурированного порошка в камеру сгорания подается распылением суспензия или раствор солей композиционной добавки, из которых впоследствии осаждаются либо синтезируются (соответствено) в потоке на частицах порошка нанокристаллы композиционной добавки. Износостойкость покрытия обеспечивается частицами твердого сплава, а функциональные свойства, такие как жаростойкость, теплопроводность, коррозионная стойкость, антифрикционность, обеспечиваются нанокристаллами композиционной добавки или связкой, формируемой, главным образом, из раствора.

На рисунках 2-4 представлены фотографии, сделанные с помощью растровой и просвечивающей электронной микроскопии, образцов с различными составами покрытий.

Рисунок 2. Наноструктурированное покрытие на основе твердого сплава с антифрикционной керамической матрицей (WC-TiO2). Размер зерна 10-50 нм.

Рисунок 2. Наноструктурированное покрытие на основе твердого сплава с антифрикционной керамической матрицей (WC-TiO2). Размер зерна 10-50 нм.

Рисунок 3. Наноструктурированное покрытие на основе твердого сплава с износостойкой керамической матрицей (WC-Al2O3). Размер зерна 5-50 нм.

Рисунок 3. Наноструктурированное покрытие на основе твердого сплава с износостойкой керамической матрицей (WC-Al2O3). Размер зерна 5-50 нм.

 

Рисунок 4. Наноструктурированный сплав на основе железа. Размер зерна 50-70 нм.

Рисунок 4. Наноструктурированный сплав на основе железа. Размер зерна 50-70 нм.