DOI: https://doi.org/10.30977/AT.2219-8342.2019.45.0.91

Огляд холодного газодинамічного напилювання: проблеми і перспективи

Andrej Volkov

Анотація


З огляду на недостатність інформації про можливості впливу на кількісні та якісні показники утворюваних захисних та відновлювальних покриттів і вивчення властивостей таких покриттів був проведений аналіз сучасного стану питання в галузі холодного газодинамічного напилення низького тиску (ХГННТ) з можливістю подальшого використання накопиченого досвіду для проведення досліджень у даній сфері. В наш час метод холодного газодинамічного напилення для нанесення захисних та відновлювальних покриттів досить широко застосовується в аерокосмічній, автомобільній та інших галузях техніки. Разом з відмінними експлуатаційними, властивостями обладнання для методу ХГННТ існують і недоліки: низький коефіцієнт використання матеріалу, можлива пористість, що призводить до зниження міцності та погіршення корозійної стійкості. Для усунення перерахованих вище недоліків застосовують обладнання високого тиску, що дозволяє забезпечити задані властивості поверхонь і розширити галузі застосування методу холодного газодинамічного напилення; разом з тим на кілька рівнів зростають витрати на обладнання та супутні витрати. В наш час холодне газодинамічне напилення високого тиску має показники коефіцієнта використання матеріалу близько 85–90 відсотків. Але цей метод має недоліки: висока вартість обладнання і процесу напилення, низька мобільність обладнання, загроза здоров'ю персоналу і т.д. Зростаючий попит на низькоенергетичні, екологічно безпечні, ефективні й недорогі процеси нанесення покриттів стимулюють пошук і розробку нових альтернативних методів, одним з яких є ХГННТ. Проведений аналіз сучасного стану питання в галузі впливу на кількісні та якісні показники утворюваних захисних та відновлювальних покриттів і вивчення властивостей таких покриттів, отриманих методом ХГННТ, показали, що необхідне більш глибоке вивчення впливу на температурно-швидкісні параметри часток напилюваного матеріалу газодинамічних та сторонніх процесів.


Ключові слова


холодне газодинамічне напилювання; покриття; підкладка; властивості покриттів; ефективність

Повний текст:

PDF (Русский)

Посилання


Alhimov A.P., Klinkov S. V., Kosarev V. F., Fomin V. M. (2010) Holodnoe gazodinamicheskoe napylenie. Teorija i praktika (Gas dynamic cold spray. Theory and practice).Moscow, Fizmatlit, 2010. [In Russian].

Li W. Y., Li W. Y. Optimal Design of a Novel Cold Spray Gun Nozzle at a Limited Space. J.Thermal Spray Technol., 2005. 14(3), 391–396.

Li W.Y., Liao H., Wang H.T., Li C.J., Zhang G., Coddet C. Optimal design of a convergent-barrel cold spray nozzle by numerical method. Applied Surface Science, 2006. 253 (15), 708–713.

Fukanuma H., Huang N. R. Development of High Temperature Gas Heater in the Cold Spray Coating System. Proceedings of the International Thermal Spray Conference. 2009, Seattle, Washington, USA, 267–272.

Zahiri S. H., Yang W., Jahedi M. Characterization of cold spray titanium supersonic jet. Journal of Thermal Spray Technology, 2009. 110–117.

Wong W., Irissou Е., Ryabinin. A.N., Lеgoux J.G. Influence of helium and nitrogen gases on the properties of cold gas dynamic sprayed pure titanium coatings. J. Therm. Spray Technol, 2011. 20 (1-2), 213–226.

Klinkov S. V., Kosarev V. F., Sova N. C., Rjashin A. A. (2012) Nanesenie submikrostrukturirovannyh pokrytij metodom HGN [Application of submicrostructured coatings using the CS method]. XXIII seminar po strujnym, otryvnym i nestacionarnym techenijam (s mezhdunarodnym uchastiem): sbornik trudov [proc.:seminar on jet, separated and non-stationary flows (with international participation)]. Tomsk, 2012, 187-189. [In Russian].

Raja jayasingh T., Raja jeyaseelan T., Kannan C., Ganesh M. Numerical (CFD) Analysis of Thermal Spray Coating Process. Karthikeyan International Journal of Modern Engineering Research, 2014. 4 (3), 46–62.

Fuknuma H., Ohno N., Son B., Huang R. The Influence of particle Morphology on In-Fright Particle Velocity in Cold Spray. Plasma Giken Co., LTD, Toda City, Saitama, Japan, 2006.

Champagne V. K. The Repair of Magnesium Rotorcraft Components by Cold Spray. ASME, 2008, 164–175.

Jodoin В. Cold Spray Nozzle Mach Number Limitation. J.Thermal Spray Technol., 2002. 11, 496–507.

Alhulaifi A. Numerical and Experimental Investigation of Cold Spray Gas Dynamics Effects for Polymer Coating. MS/ME Thesis Defense, South Dakota School of Mines & Technology, 2008.

Fukanuma H., Huang R. Simulation of Cold Spray Nozzle Accompanying a Water-cooling Adjustment. Plasma Giken Co., Saitama, Japan, 2011.

Jen T. C., Pan L., Li L., Chen Q., Cui W. The acceleration of charged nano-particles in gas stream of supersonic de-Laval-type nozzle coupled with static electric field. Applied Thermal Engineering, 2006. 26, 5–6. 613–621.

Takana H., Ogawa K., Shoji T., Nishiyama H. Computational simulation of cold spray process assisted by electrostatic force. Powder Technology, 2008.Vol 185, 2. 116–123.

Kuznecov, P.A. (2015) Additivnye tehnologii v mashinostroenii. [Additive technologies in mechanical engineering] Retrived from: https://docplayer.ru/51171950-Prometeykuznecov-pavel-alekseevich.html (accessed:15.03.2018) [In Russian].

Van Steenkiste T H., Smith J. R., Teets R. E. Kinetic Spray Coatings. Surface and Coatings Technology, 1999. 111, 62–71.

Dobrotvors'kij S. S., Gnuchіh S. S., Dobrovol's'ka L. G. Modeljuvannja procesu visokoshvidkіsnogo zіtknennja dispersnih kompozitіv zі sferichnim tіlom.[Simulation of the process of high-speed contact of dispersed composites with a spherical body] Vіsnik NTU «HPІ». Serіja: Tehnologії v mashinobuduvannі. 2016. no. 33 (1205). pp. 24–28.(In Ukrainian).

Prisco U. Size-Dependent Distributions of Particle Velocity and Temperature at Impact in the Cold-Gas Dynamic-Spray Process. Journal of Materials Processing Technology, 2015. Vol. 216. рр. 302–314.

Shorinov A. V., Markovich S. E. Upravlenie jeffektivnost'ju processa holodnogo napyle-nija zashhitno-vosstanovitel'nyh pokrytij na magnievye splavy. [Cold spray deposition efficiency control of protective and restorative coatings on magnesium alloys] Aviacionno-kosmicheskaja tehnika i tehnologija. 2018. no. 8 (152). pp. 66–73. [In Russian].

Cold Spraying: A Materials Perspective / H. Assadi et al. Acta Materialia, 2016. Vol. 116. рр. 382–407.

Kay C. M, Karthikeyan J. High Pressure Cold Spray – Principles and Applications. Novelty : ASM International, 2016. 338 р.

Schmidt T., Gartner F., Assadi H., Kreye H. Development of a generalized parameter window for cold spray deposition. Helmut Schmidt University, University of the Federal Armed Forces Hamburg, Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg, Germany, 2005.

Champagne V., Helfritch D. The Unique Abilities of Cold Spray Deposition. International Materials Reviews, 2016. Vol. 61, iss. 7. рр. 437–455.

Klinkov S.V., Kosarev V.F., Zhelnina A.S. Nanesenie metodom holodnogo gazodinamicheskogo napylenija kompozicionnyh (metall – metall) pokritij. [ Application of composite (metal - metal) coatings by cold gas-dynamic spraying] Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politehnicheskogo universiteta. Ser. Ajerokosmicheskaja tehnika. 2016. no. 47. pp. 135–153. [In Russian].

LI C. J. Effect of Spray Angle on Deposition Characteristics in Cold Spraying. ITSC 2003 Advancing the Science & Applying the Technology, Ohio, USA, 2003, 91–96.

Jevans A., Raff A, Viderhorn S. Mehanizmy jerozii metallov pri udarnom vzaimodejstvii chastic pyli.[ Mechanisms of metal erosion during impact interaction of dust particles] TOIR, 1970. no. 3.

Van Steenkiste T. H., Smith J. R., Teets R. E. Aluminium coatings via kinetic spray with relatively large powder particles. Surface and Coatings Technology, 2002. 154, 237–252.

Price T. S., Shipway P. H., McCartney D. G. Effect of Cold Spray Deposition of a Titanium Coating on Fatigue Behavior of a Titanium Alloy.Journal of Thermal Spray Technology, 2006. 15,507–512.

Villafuerte J. Modern Cold Spray: Materials,Process, and Applications. Switzerland: Springer,2015. 435 p.


Пристатейна бібліографія ГОСТ


1. Алхимов А.П., Клинков С. В., Косарев В. Ф., Фомин В. М. Холодное газодинамическое напыление. Теория и практика. Москва: Физматлит, 2010. 536 с.
2. Li W. Y., Li W. Y. Optimal Design of a Novel Cold Spray Gun Nozzle at a Limited Space. J.Thermal Spray Technol., 2005. Vol 14 (3), pp. 391–396.
3. Li W. Y., Liao H., Wang H. T., Li C. J., Zhang G., Coddet C. Optimal design of a convergent-barrel cold spray nozzle by numerical method. Applied Surface Science, 2006. Vol 253, Issue 15, pp. 708–713.
4. Fukanuma H., Huang N. R. Development of High Temperature Gas Heater in the Cold Spray Coating System. Proceedings of the International Thermal Spray Conference. 2009, Seattle, Washington, USA, pp. 267–272.
5. Zahiri S. H., Yang W., Jahedi M. Characterization of cold spray titanium supersonic jet. Journal of Thermal Spray Technology, 2009. pp. 110–117.
6. Wong W., Irissou Е., Ryabinin. A. N., Lеgoux J. G. Influence of helium and nitrogen gases on the properties of cold gas dynamic sprayed pure titanium coatings. J. Therm. Spray Technol, 2011. Vol 20 (1-2), pp. 213–226.
7. Клинков С. В., Косарев В. Ф., Сова Н. C., Ряшин А. А. Нанесение субмикроструктурированных покрытий методом ХГН. XXIII семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям (с международным участием): сборник трудов. Томск, 2012. С. 187–189.
8. Raja jayasingh T., Raja jeyaseelan T., Kannan C., Ganesh M. Numerical (CFD) Analysis of Thermal Spray Coating Process. Karthikeyan International Journal of Modern Engineering Research, 2014. Vol 4 (3), pp 46–62.
9. Fuknuma H., Ohno N., Son B., Huang R. The Influence of particle Morphology on In-Fright Particle Velocity in Cold Spray. Plasma Giken Co., LTD, Toda City, Saitama, Japan, 2006.
10. Champagne V. K. The Repair of Magnesium Rotorcraft Components by Cold Spray. ASME, 2008, pp. 164–175.
11. Jodoin В. Cold Spray Nozzle Mach Number Limitation. J.Thermal Spray Technol., 2002. Vol 11, pp. 496–507.
12. Alhulaifi A. Numerical and Experimental Investigation of Cold Spray Gas Dynamics Effects for Polymer Coating. MS/ME Thesis Defense, South Dakota School of Mines & Technology, 2008. 42 p.
13. Fukanuma H., Huang R. Simulation of Cold Spray Nozzle Accompanying a Water-cooling Adjustment. Plasma Giken Co., Saitama, Japan, 2011.
14. Jen T. C., Pan L., Li L., Chen Q., Cui W. The acceleration of charged nano-particles in gas stream of supersonic de-Laval-type nozzle coupled with static electric field. Applied Thermal Engineering, 2006. Vol 26, Issues 5–6. pp 613–621.
15. Takana H., Ogawa K., Shoji T., Nishiyama H.Computational simulation of cold spray process assisted by electrostatic force. Powder Technology, 2008.Vol 185, Issues 2. pp 116–123.
16. Кузнецов П.А. Аддитивные технологии в машиностроении, 2015. URL: https://docplayer.ru/51171950-Prometey-kuznecovpavel-alekseevich.html (дата обращения:15.03.2018).
17. Van Steenkiste T. H., Smith J. R., Teets R. E. Kinetic Spray Coatings. Surface and Coatings Technology, 1999. Vol 111, pp. 62–71.
18. Добротворський С. С., Гнучіх С. С., Добровольська Л. Г. Моделювання процесу високошвидкісного зіткнення дисперсних композитів зі сферичним тілом. Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Технології в машинобудуванні. 2016. № 33 (1205). С. 24–28.
19. Prisco U. Size-Dependent Distributions of Particle Velocity and Temperature at Impact in the Cold-Gas Dynamic-Spray Process. Journal of Materials Processing Technology, 2015. Vol. 216. рр. 302–314.
20. Шоринов А. В., Маркович С. Е. Управление эффективностью процесса холодного напыления защитно-восстановительных покрытий на магниевые сплавы. Авиационно-космическая техника и технология. 2018. № 8 (152). С. 66–73.
21. Cold Spraying: A Materials Perspective /H. Assadi et al. Acta Materialia, 2016. Vol. 116.рр. 382–407.
22. Kay C. M, Karthikeyan J. High Pressure Cold Spray – Principles and Applications. Novelty:ASM International, 2016. 338 р.
23. Schmidt T., Gartner F., Assadi H., Kreye H. Development of a generalized parameter window for cold spray deposition. Helmut Schmidt University, University of the Federal Armed Forces Hamburg, Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg, Germany, 2005.
24. Champagne V., Helfritch D. The Unique Abilities of Cold Spray Deposition. International Materials Reviews, 2016. Vol. 61, iss. 7. рр. 437–455.
25. Клинков С.В., Косарев В.Ф., Желнина А.С. Нанесение методом холодного газодинамического напыления композиционных (металл – металл) покритий. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Сер. Аэрокосмическая техника. 2016. №47. С. 135–153.
26. LI C. J. Effect of Spray Angle on Deposition Characteristics in Cold Spraying. ITSC 2003 Advancing the Science & Applying the Technology, Ohio, USA, 2003, pp. 91–96.
27. Эванс А., Рафф А, Видерхорн С. Механизмы эрозии металлов при ударном взаимодействии частиц пыли. ТОИР, 1970. №3.
28. Van Steenkiste T. H., Smith J. R., Teets R. E. Aluminium coatings via kinetic spray with relatively large powder particles. Surface and Coatings Technology, 2002. Vol 154, pp. 237–252.
29. Price T. S., Shipway P. H., McCartney D. G. Effect of Cold Spray Deposition of a Titanium Coating on Fatigue Behavior of a Titanium Alloy. Journal of Thermal Spray Technology, 2006. Vol 15, pp. 507–512.
30. Villafuerte J. Modern Cold Spray: Materials, Process, and Applications. Switzerland: Springer, 2015. 435 p.