Воздух, скорость и металл

Группа ученых Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН получила коллективную государственную премию Правительства РФ за разработку технологии холодного газодинамического напыления.

В числе лауреатов – директор ИТПМ СО РАН академик Василий Фомин и научные сотрудники института: доктора наук Анатолий Алхимов, Владимир Косарев, Анатолий Папырин и к.ф.-м.н. Сергей Клинков. Хотя самой технологии уже 30 лет, в результате совместных работ с другими научными российскими институтами она была усовершенствована, получила широкое распространение и стала широко востребована промышленностью всего мира. Сегодня ее использует целый ряд производственных предприятий в России и за рубежом.

В БОЛЬШОМ ДВОРЦЕ И В АТОМНОМ РЕАКТОРЕ

Холодное газодинамическое напыление (ХГН) – это закрепление частиц металла или металокомпозита размером от 5 до 50 микрон на поверхности преграды, стоящей на пути потока этих частиц. Правда, по общечеловеческим понятиям назвать этот метод холодным можно с трудом, ведь поверхность, о которую ударяются частицы, нагревается до 100-150 °С, а температура воздушной струи еще выше – от 250 до 500 °С. Про нагрев подложки физики с улыбкой добавили бы: «всего лишь до ста пятидесяти градусов», – поскольку это и вправду на несколько порядков ниже температуры плавления частиц напыляемых порошков. Таким способом возможно нанести покрытие из металлов, интерметаллидов, керамики и их смесей, а напыляют порошки сверхзвуковым потоком воздуха – его скорость от 500 до 1000 м/с.

Одно из наиболее распространенных применений ХГН –защита поверхностей от коррозии. Конечно, металл можно просто покрасить, но такой слой продержится немногим больше года. Лучше произвести горячее оцинкование, но это дорогая и экологически опасная технология – штрафы за неправильное захоронение отходов порой соизмеримы с доходами производства. Холодное напыление алюминиевого порошка создает практически вечную пленку на защищаемой поверхности.

Этот метод широко используется в машиностроении для очистки и «залечивания» трещин и коррозий, для герметизации микротечей, восстановления исходных размеров покрытия деталей, в том числе и со сложным рельефом. Его часто применяют в электротехнике, нефте- и газодобыче, в авиа- и судостроении, в атомной энергетике. Незаменим он и при ремонте автомобильной, дорожной и специальной техники и даже в декоративно-прикладном искусстве. Последнее особенно ценно, например, для реставрации старинных памятников с использованием ультра- и нанодисперсных частиц. Именно так была восстановлена люстра в Таврическом зале Большого дворца в музее «Царицыно» в Санкт-Петербурге.

ЦЕЛЬНОМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ОБОЛОЧКА

Как происходит процесс ХГН? При соударении летящего металлического порошка (ускоренного сверхзвуковым газовым потоком до сотни метров в секунду) с поверхностью обрабатываемой детали частицы деформируются, их кинетическая энергия преобразуется в тепло, и они сплавляются с подложкой. В результате на поверхности формируется сплошной металлический слой. По сути, кроме электроэнергии для сжатия и ускорения воздушного потока, этой технологии ничего не требуется. Она позволяет создавать алюминиевые, медные, цинковые, оловянные, свинцовые, никелевые и другие металлические покрытия, а в качестве керамической примеси обычно используется оксид алюминия, хотя можно применять и другие материалы с высокой твердостью и температурой плавления. Поверхностью для напыления могут служить металлы, стекло, керамика, гранит, бетон.

Опасность термических методов напыления, таких как плазменный или детонационно-газовый, состоит в том, что при высоких температурах мелкие частицы образуют различные токсичные соединения. Необходима защита персонала, что вдобавок к дорогостоящему оборудованию делает производство еще более затратным. Особенность метода холодного газодинамического напыления заключается в отсутствии необходимости нагрева поверхности до высоких температур. Это исключает ее деформацию, а главное – окисление, что дает возможность напылять токопроводящие, допустим, медные покрытия.

Во всем мире активно развивается силовая электроника – на керамику наносят металлические покрытия именно с помощью метода, впервые разработанного в Сибирском отделении РАН. В Новосибирске нанесением медного слоя на керамику занимается компания «Сибирская керамика» совместно с предприятием «НЭВЗ-Союз» (Новосибирский электровакуумный завод). На сегодняшний день они еще используют дорогостоящую и небезопасную технологию, но внедрение методики ИТПМ СО РАН уже ведется.

ОБЛАКО В ШТАТАХ

Нанесение различных покрытий – не единственное применение разработанной сибиряками методики. В частности, таким способом получен новый конструкционный материал – медно-тефлоновое покрытие с электропроводностью почти как у меди и коэффициентом трения, как у тефлона. Такая технология может стать настоящей панацеей в решении проблемы истирания электрических контактов пантографов на электровозах и поездах метро. Сегодня, чтобы обеспечить их бесперебойную работу, приходится регулярно обновлять скользящие и легко истирающиеся электрические контакты. При использовании медно-тефлонового покрытия электропроводность падает всего на 5%, зато коэффициент трения снижается в десятки раз.

Крайне редко по-настоящему крупные открытия делаются по заказу. Явление холодного напыления тоже было обнаружено в лаборатории ИТПМ СО РАН в начале 80-х годов почти случайно, при изучении механизмов обтекания летящих объектов сверхзвуковыми потоками в запыленной атмосфере. Изначально цели, как и у многих других научных исследований тех лет, были исключительно военными – для обезвреживания только что появившихся в США крылатых ракет сибиряки разработали уникальный метод. Навстречу американской ракете должна была вылететь другая, которая разрывалась в воздухе, создавая облако мелких металлических частиц. При вхождении в это облако ракета противника подвергалась сильной эрозии, в результате чего нарушалась симметрия атомного заряда. Тротил взрывался, а из-за отсутствия одномоментного сжатия со всех сторон ядерная реакция не начиналась. Но в ходе экспериментов ученые обнаружили, что частицы облака при определенных условиях прочно «прилипают» к поверхности летящей ракеты. Эта находка в дальнейшем и стала основой для целого спектра мирных применений.

Метод, разработанный в ИТПМ СО РАН, сегодня используется в Новосибирске в СибНИА им. Чаплыгина, на заводе им.  Кузьмина и в НИИ водного транспорта Минречфлота РФ, а также на Западно-Сибирском металлургическом комбинате в Новокузнецке. За рубежом он реализован в Институте механики жидкостей германского авиационно-космического центра, Институте исследования металлов (Китай) и Международном исследовательском центре порошковой металлургии и новых материалов (Индия).

Мария ШКОЛЬНИК

Фото Ю. Плотникова