Natryskiwanie na zimno

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Schemat metody Cold Spray

Natryskiwanie na zimno (z ang. Cold spraying) – zostało wprowadzone na rynek w latach 90. Metoda została pierwotnie opracowana w Związku Radzieckim: podczas eksperymentów w tunelu aerodynamicznym z erozją celu, który był wystawiony na dwuazowy przepływ z dużą prędkością drobnego proszku, naukowcy zaobserwowali przypadkowe szybkie tworzenie się powłok[1].

Natryskiwanie dynamiczne zimnym gazem (natryskiwanie na zimno) – proces polegający na rozpędzeniu stałych cząstek materiału natryskiwanego do prędkości naddźwiękowych przy pomocy dysza de Lavala, które po uderzeniu w podłoże tworzą spójną powłokę. Dysza o zbieżno-rozbieżnej geometrii umożliwia osiągnięcie przez podgrzany i sprężony strumień gazu prędkości od 300 do 1200 m/s. Proces natryskiwania zachodzi jednak przy ustalonej prędkości progowej ustalonej dla konkretnego materiału nanoszonego. Temperatura gazu nośnego jest niższa niż temperatura materiału wsadowego i mieści się w zakresie 0-800 °C, powłoka nanoszona w stanie stałym. Jako gaz procesowy stosuje się najczęściej hel i azot. Do rozpędzonego strumienia gazu podawany jest proszek mający utworzyć powłokę o wielkości cząstek w granicach 5-150 μm. W pierwszej fazie nanoszenia warstwy metalu dochodzi do tzw. aktywacji powierzchni, gdzie usuwane są warstwy tlenków, a podłoże zostaje kraterowane. W następnej fazie dochodzi do powstania właściwej powłoki dzięki obecności mechanicznego zakleszczenia oraz zjawiska adiabatycznego ścinania[2][3].

Wysokociśnieniowe i niskociśnieniowe natryskiwanie na zimno[edytuj | edytuj kod]

Dzięki technologii Cold Spray można nanosić różnorodne materiały, co powoduje konieczność możliwości rozpędzania gazu nośnego wraz z proszkiem do różnych prędkości progowych. Prędkości te mieszczą się w granicach 300-1200 m/s, co powoduje podział technologii na 2 odmiany: wysoko- i niskociśnieniową. Głównymi różnicami między nimi są: budowa dyszy służącej do natryskiwania, sposób podawania proszku, możliwość osiągania innych prędkości gazu roboczego, czy też stosowanie różnych ciśnień.

Wysokociśnieniowe natryskiwanie na zimno (z ang. HPCS - High Pressure Cold Spray) – w tej metodzie cząstki stałe o średnicy w zakresie 5-100 μm przyspieszane są w naddźwiękowym strumieniu ogrzanego gazu do dużych prędkości (600-1200 m/s). Gaz nośny pod wysokim ciśnieniem (w zakresie 1-5 MPa) przepuszczony zostaje przez zbieżno-rozbieżną część dyszy de Lavala. Strumień gazu po przejściu do rozbieżnej części dyszy zaczyna się rozszerzać, jego gęstość maleje, a temperatura spada, a także przyspiesza do prędkości naddźwiękowych. W odmianie wysokociśnieniowej Cold Spray jako gaz procesowy stosowany jest głównie hel oraz mieszaniny helu z azotem i helu z powietrzem. Możliwe jest nanoszenie takich materiałów jak: Ti, Si, Ta, Ag, stali stopowych oraz niestopowych, niemożliwych lub utrudnionych do stosowania w odmianie niskociśnieniowej.

Niskociśnieniowe natryskiwanie na zimno (z ang. LPCS - Low Pressure Cold Spray) – w tej metodzie gaz roboczy przy ciśnieniu rzędu 0,5 do 1 MPa zostaje podgrzewany do temperatury nie wyższej niż 550 °C, a następnie przepuszczany przez zbieżno-rozbieżną dyszę de Lavala. Gazem roboczym jest powietrze (rzadziej hel), a osiągana prędkość stanowi zakres około 650 m/s. Najczęściej stosowane są proszki metali miękkich: Cu, Al, Ni, Zn, Sn, bądź ich mieszanin z Al2O3 i materiałami typowymi dla HPCS.[4][5]

Materiały proszków w metodzie Cold Spray[edytuj | edytuj kod]

Energia kinetyczna cząstek jest silnie uzależniona od granulacji proszków, duże cząstki mają także dużą masę, to uniemożliwia im otrzymać pożądanej prędkości, dlatego preferuje się proszki o małej granulacji. Zalecana wielkość to poniżej 50 m. Większa powierzchnia proszku wpływa także na zwiększanie się utleniania, jest to zjawisko niekorzystnie wpływające na proces. Duże cząstki zmniejszają także wydajność procesu, gdyż to one zazwyczaj odbijają się od powierzchni podłoża [5] Istotne jest również to, że zachowanie równomiernego i niewielkiego rozkład wielkości cząstek, pozwala na osiąganie przez nie równomiernej prędkości krytycznej, a także na ogrzewanie cząstek do tej samej temperatury w podobnym czasie. Wpływa to na otrzymanie jednolitej jakości powlekania. Najłatwiej jest uzyskać powłoki o dobrych właściwościach dla proszków sferycznych, mają one bowiem przewidywalne i porównywalne opory.

Jednym ze sposobów wytwarzania proszków jest atomizacja stopionego metalu, wykorzystuje się do tego piec indukcyjny lub łukowy. Po stopieniu materiał jest bardzo gwałtownie przyspieszany, dzięki czemu tworzą się kropelki proszku, następnie szybko zestalają się w wybranym środowisku: powietrzu, wodzie, gazie obojętnym. Istotne jest tutaj kontrolowanie wielkości i kształtu cząstek oraz ich utlenienia. Ostatni z parametrów możemy kontrolować tylko poprzez kontrolę środowiska zestalenia. W zależności od środowiska atomizacji zmienia się kształt cząstek. Atomizacja w wodzie powoduje powstanie kulistego kształtu cząstek, natomiast rozpylane w gazie materiały przybierają nieregularne kształty. Kruszenie proszków stosuje się tylko do materiałów ceramicznych. Proces ten polega na mieszaniu się, potem topieniu i odlewaniu. Następnie po schłodzeniu materiał kruszy się do wielkości oczekiwanej. W celu wytworzenia proszków korzysta się również z procesu mielenia, polega on na zmniejszeniu wielkości cząstek proszku, poprzez wykorzystanie środka mielącego, są nim zazwyczaj kulki stalowe. w celu zmniejszenia strat energii korzysta się także ze środków smarnych. W procesie tym możemy uzyskać proszek o rozmiarach nawet 1nm. Wszystkie parametry mielenia powinny być bardzo skrupulatnie kontrolowane. Wadą tego procesu jest to, że proszki otrzymywane przy jego pomocy są zanieczyszczone, spowodowane jest to degradacją medium mielącego. Powstałe proszki mają również niesferyczny kształt cząstek, to wpływa na zwiększenie oporów przepływu w gazie, a to przyczynia się do ograniczenia w osiąganiu dużych prędkości.

Mechanizm tworzenia się powłoki[edytuj | edytuj kod]

Mimo wielu eksperymentów i tworzenia licznych symulacji, mechanizm tworzenia się powłok nie jest do końca poznany. Najbardziej prawdopodobnym opisem procesu jest mechanizm niestabilnego adiabatycznego ścinania (ang. adiabatic shear instability). Polega on na utracie przez materiał dotychczasowej wytrzymałości na ścinanie, przez co mechanizm deformacji zmienia się z plastycznego w lepki.  Dodając do tego naprężenie ściskające powstałe w wyniku uderzania cząstek z podłożem, możliwe jest tworzenie wiązań metalicznych między cząstkami a podłożem, a także pomiędzy samymi cząstkami. Jednakże założenia tego mechanizmu czasami nie mają pokrycia z przeprowadzanymi eksperymentami.

Proponowany jest 4-etapowy proces formowania się powłoki. Ma on następujący przebieg, opisany poniżej. Jeżeli uzyskana będzie odpowiednia prędkość uderzenia cząstek o podłoże, niektóre z tych etapów mogą zachodzić jednocześnie.

Etap 1: Podłoże jest kraterowane i powstaje pierwsza warstwa cząstek.

Etap 2: Cząstki są odkształcane, obracane i przegrupowywane.

Etap 3: Tworzą się wiązania metaliczne oraz redukuje się pusta przestrzeń pomiędzy cząstkami, co pozwala na tworzenie się grubej i twardej powłok.

Etap 4: Kiedy cząstki proszku nadal się akumulują, naprężenia ściskające powodują dalsze odkształceni plastyczne i utwardzanie warstwy[6].

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. Seiji Kuroda,Jin Kawakita, Makoto Watanabe, and Hiroshi Katanoda: Warm spraying—a novel coating process based on high-velocity impact of solid particles. 2008 Sep 10.
  2. A. Moridi, S. M. Hassani-Gangaraj, M. Guagliano i M. Dao: Cold spray coating: review of material systems and future perspectives. , Surface Engineering, tom 30, nr 5, pp. 369-395, 2014.
  3. A. Małachowska, M. Winnicki i A. Ambroziak: Perspektywy natryskiwania niskociśnieniowego metodą Cold Spray, Przegląd Spawalnictwa, tom 84, nr 10, pp. 2-6. 2012.
  4. A. Moridi, S. M. Hassani-Gangaraj, M. Guagliano i M. Dao: Cold spray coating: review of material systems and future perspectives. , Surface Engineering, tom 30, nr 5, pp. 369-395, 2014.
  5. A. Małachowska, M. Winnicki i A. Ambroziak: Perspektywy natryskiwania niskociśnieniowego metodą Cold Spray, Przegląd Spawalnictwa, tom 84, nr 10, pp. 2-6. 2012.
  6. Pasquale Cavaliere (red.), Cold-Spray Coatings, 2018, DOI10.1007/978-3-319-67183-3 [dostęp 2020-12-13].