Кандидати фізико-математичних наук О. Клюєв і А. Каширин.
Коли тільки з'явилися перші металеві знаряддя праці, з'ясувалося, що, тверді і міцні, вони часто-густо псувалися під впливом вологи. Йшов час, люди створювали механізми і машини, і чим більш досконалими вони ставали, тим в більш важких умовах доводилося працювати їх металевим деталям. Вібрації і знакозмінні навантаження, величезні температури, радіоактивне опромінення, агресивні хімічні середовища - ось далеко не повний перелік "випробувань", яким вони піддаються. Cо часом люди навчилися захищати метал від корозії, зносу та інших явищ, які скорочують термін служби деталей. По суті, є два підходу до забезпечення такого захисту: або в основний метал додають легуючі елементи, які надають сплаву шукані властивості, або на поверхню наносять захисне покриття. Умови роботи деталей машин диктують властивості, якими повинні володіти покриття. Технології їх нанесення різноманітні: є поширені і щодо нескладні, є дуже тонкі, що дозволяють створювати покриття з унікальними властивостями. А невгамовні інженери продовжують винаходити все нові покриття і придумувати способи їх отримання. Доля цих винаходів може стати щасливою, якщо покриття набагато перевершує своїх попередників по корисним властивостям або якщо технологія дає суттєвий економічний ефект. У розробці фізиків з Обнінська з'єдналися обидві ці умови.
Температура плюс швидкість
Зі способів металізації поверхонь в сучасній техніці найчастіше користуються гальванічним нанесенням і зануренням в розплав. Рідше використовують вакуумне напилення, осадження з парової фази і пр. Найближче до розробки Обнінський фізиків знаходиться газотермічне металізація, коли наноситься метал плавлять, розпилюють на дрібні краплі і струменем газу переносять їх на підкладку.
Метал плавлять газовими пальниками, електричною дугою, низькотемпературної плазмою, індукторами і навіть вибуховими речовинами. Відповідно методи металізації називають газополуменевим напиленням, електродугов
ої і високочастотної металізацією, плазмовим і детонаційному-газовим напиленням.
У процесі газопламенного напилення металевий пруток, дріт або порошок плавлять і розпилюють в полум'ї пальника, що працює на суміші кисню з горючим газом. При електродугової металізації матеріал плавиться електричної дугою. В обох випадках крапельки металу переміщуються до напилюваної підкладці потоком повітря. При плазмовому напиленні для нагрівання і розпилення матеріалу використовується струмінь плазми, сформована плазматрона різних конструкцій. Детонаційному-газове напилення відбувається в результаті вибуху, що розгониться металеві частинки до величезних швидкостей.
У всіх випадках частки напилюваного матеріалу отримують два види енергії: теплову - від джерела нагрівання і кінетичну - від газового потоку. Обидва ці види енергії беруть участь у формуванні покриття і визначають його властивості і структуру. Кінетична енергія часток (за винятком детонаційному-газового методу) невелика в порівнянні з тепловою, і характер їх з'єднання з підкладкою і між собою визначається термічними процесами: плавленням, кристалізацією, дифузією, фазовими перетвореннями і т.д. Покриття зазвичай характеризуються хорошою міцністю зчеплення з підкладкою (адгезію) і, на жаль, низькою однорідністю, оскільки великий розкид параметрів по перерізу потоку газу.
покриття, які створюють газотермічних методами, властивий ряд недоліків. До них відносяться, перш за все, висока пористість, якщо, зрозуміло, не стоїть мета спеціально зробити покриття пористим, як у деяких деталях радіоламп. Крім того, через швидке охолодження металу на поверхні підкладки в покритті виникають високі внутрішні напруги. Оброблювана деталь неминуче нагрівається, і якщо вона має складну форму, то її може "повісті". Нарешті, використання горючих газів і високі температури в робочій зоні ускладнюють заходи щодо забезпечення безпеки персоналу.
Трохи осібно стоїть детонаційному-газовий метод. При вибуху швидкість частинок досягає 1000-2000 м/с. Тому основним чинником, що визначає якість покриття, стає їх кінетична енергія. Покриття відрізняються високою адгезією і низькою пористістю, але вибуховими процесами вкрай складно управляти, і стабільних результатів у гарантувати вать практично неможливо.
Швидкість плюс температура
Бажання створити більш досконалу технологію виникло давно. Перед інженерами стояла мета - зберегти достоїнства традиційних технологій і позбутися від їх недоліків. Напрям пошуку було більш-менш очевидно: по-перше, покриття повинні формуватися в основному за рахунок кінетичної енергії частинок металу (Не можна допускати плавлення частинок: це запобіжить розігрів деталі і окислення підкладки і часток покриття), і, по-друге, частки повинні здобувати високу швидкість не за рахунок енергії вибуху, як в детонаційному-газовому методі, а в струмені стисненого газу. Такий метод назвали газодинамічні.
Перші розрахунки і експерименти показали, що створювати таким способом покриття з цілком задовільними характеристиками, можна, якщо використовувати в якості робочого газу гелій. Такий вибір пояснювався тим, що швидкість потоку газу в надзвуковому соплепропорціональна швидкості звуку у відповідному газі. У легких газах (водень із-за своєї вибухонебезпечності не розглядалося) швидкість звуку набагато вище, ніж в азоті або повітрі. Саме гелій прискорював б металеві частинки до високих швидкостей, повідомляючи їм кінетичну енергію, достатню для закріплення на мішені. Вважалося, що використання більш важких газів, зокрема повітря, приречене на невдачу.
Робота досвідчених напилювальні установок дала непоганий результат: розігнати в струмені гелію частинки з більшості промислово вживаних металів добре прилипали до підкладки, утворюючи щільні покриття.
Але повного задоволення інженери не відчували. Було зрозуміло, що обладнання на легких газах неминуче буде дорогим і зможе застосовуватися лише на підприємствах, що випускають продукцію високих технологій (тільки там є магістралі зі стисненим гелієм). А магістралі зі стисненим повітрям є практично в кожному цеху, на кожному підприємстві автосервісу, в ремонтних майстернях.
Численні експерименти зі стисненим повітрям начебто підтверджували найгірші очікування розробників. Однак інтенсивний пошук все ж дозволив знайти рішення. Покриття задовільної якості вийшли, коли стиснене повітря в камері перед соплом нагріли, а в металевий порошок стали додавати мілкодисперсну кераміку або порошок твердого металу.
Справа в тому, що при нагріванні тиск повітря в камері відповідно до закону Шарля підвищується, а отже, підвищується і швидкість закінчення з сопла. Частки металу, що набрали в струмені газу величезну швидкість, при ударі об підкладку розм'якшуються і приварюються до неї. Частинки кераміки відіграють роль мікроскопічних кувалд - вони передають свою кінетичну енергію нижележащим верствам, ущільнюють їх, знижуючи пористість покриття.
Деякі керамічні частинки застряють в покритті, інші відскакують від нього. Правда, такий спосіб отримують покриття тільки з відносно пластичних металів - міді, алюмінію, цинку, нікелю та ін Згодом деталь можна піддавати всім відомим способам механічної обробки: свердлити, фрезерувати, точити, шліфувати, полірувати.
Головна умова - простота і надійність
Старання технологів залишаться марно, якщо конструктори не зможуть створити просте, надійне і економічне устаткування, в якому був би реалізований придуманий технологами процес. Основою апарату для напилення металевих порошків стали надзвукове сопло і малогабаритний електричний нагрівач стисненого повітря, здатний доводити температуру потоку до 500-600oС.
Використання в якості робочого газу звичайного повітря дозволило попутно вирішити ще одну проблему, яка стояла перед розробниками систем на лег...
