Высокоскоростное газопламенное напыление

Будь то скальпель хирурга, ножницы парикмахера или детали автомобильного двигателя – поверхность любого инструмента, любого комплектующего изделия имеет, как правило, специальное покрытие. Эти покрытия могут защитить от коррозии, повысить термостойкость, увеличить сопротивление механическому износу, придать изделию какие-то иные строго определённые физические или химические свойства. Даже на поверхность болтов и шурупов нередко наносится специальное покрытие. Недавно учёные факультета материаловедения Рейнско-Вестфальской высшей технической школы в Ахене разработали для этих целей новую технологию. Формально она именуется «высокоскоростным газопламенным напылением», но сами разработчики чаще называют её «сверхзвуковым спреем». Один из авторов – инженер Йохен Цвик (Jochen Zwick) – демонстрирует опытную установку:

Цвик: На манипуляторе робота закреплён пистолет-распылитель, к нему сзади по шлангам подаются газ под давлением и подлежащий распылению порошок.

Вся опытная установка выглядит довольно просто: пара невзрачных шлангов, ничем не примечательная насадка-распылитель, перед ней укреплён лист жести. В ходе эксперимента на этот кусок листовой стали предстоит нанести покрытие из титана. Арне Фишер (Arne Fischer), научный руководитель рабочей группы «Термическое напыление», поясняет:

Фишер: Мы используем газ под давлением в 35 бар, он слегка нагревается, а затем распыляется через насадку. И к этому высокоскоростному потоку газа примешивается порошок из материала, который требуется нанести на поверхность детали. Речь идёт об очень мелком, тонкодисперсном порошке – диаметр частиц не превышает 0,02 миллиметра. Вместе с потоком газа частицы разгоняются до очень высокой скорости. При столкновении с поверхностью обрабатываемой детали они деформируются, в месте удара происходит точечная микросварка, и частицы как бы прилипают, образуя тонкий ровный слой.

В качестве рабочей среды ахенские специалисты используют азот или гелий. В данном эксперименте титановую пыль будет разгонять азот. Пока же газ нужно нагреть до температуры в 300 градусов Цельсия – это немного для технологии металлообработки, то есть детище ахенских инженеров считается одной из технологий «холодной сварки». Когда давление и температура газа достигают заданных номинальных значений, оператор приводит робота в движение, и процесс напыления начинается. Между роботом и оператором установлено мощное звукопоглощающее ограждение, поскольку по уровню производимого ею шума установка вполне может соперничать со стартующим пассажирским авиалайнером. Арно Фишер комментирует происходящее:

Фишер: Если посмотреть сбоку, то хорошо видно, где проходит граница между уже обработанной частью детали и ещё нетронутой поверхностью. Титановое покрытие заметно светлее стальной подложки, это позволяет издали следить за ходом процесса напыления. Для получения покрытия достаточной толщины необходимо несколько прогонов, поскольку слой, образующийся за один прогон, слишком тонок. Зато такое многослойное покрытие однороднее и прочнее.

Разработанная ахенскими инженерами технология позволяет получать покрытия толщиной от 10-ти микрометров до нескольких миллиметров – в зависимости от материала и от потребности. Подчиняясь командам компьютера, манипулятор робота быстро и равномерно поводит насадкой-распылителем возле самой поверхности обрабатываемой детали. Арно Фишер говорит:

Фишер: Струя газа имеет диаметр 3-4 миллиметра, частицы летят со скоростью до тысячи метров в секунду – это намного выше, чем всё, с чем мы обычно имеем дело в металлообработке, да и вообще в технической сфере. А поскольку частицы холодные, то и свечения не происходит. Поэтому наблюдать за ходом технологического процесса мы можем только косвенно, по его результатам: наши глаза реагируют недостаточно быстро и не в состоянии непосредственно уследить за потоком частиц.

Главное преимущество новой технологии состоит в том, что обрабатываемые детали практически избавлены от воздействия высоких температур. Таким образом, эта технология может быть с успехом использована, например, для металлизации поверхности изделий из пластмасс, в том числе весьма термочувствительных. К наиболее перспективным сферам применения высокоскоростного газопламенного напыления следует отнести самолёто-, вертолёто- и автомобилестроение, космическую промышленность, а также энергетику. Арно Фишер говорит:

Фишер: Такие покрытия могут иметь высокую электропроводность, или высокую термостойкость, или, скажем, обладать какими-то уникальными механическими свойствами, причём вовсе не обязательно связанными с прочностью на истирание или с сопротивлением коррозии. А благодаря тому, что наша технология применима к очень широкому спектру материалов, мы имеем массу возможностей варьировать, придавая таким покрытиям чуть ли не любые заданные свойства.

Эксперимент завершён. Йохен Цвик отключает установку:

Цвик: Сначала следует перекрыть подачу титанового порошка, затем отключить нагрев и снизить давление газа. А теперь можно взять в руки опытный образец и посмотреть, что получилось. Что ж, похоже, очень неплохо!

Разработкой специальных технологий для нанесения покрытий на особо гладкие поверхности – будь то стекло, керамика или металлы, – занимаются специалисты Института нанотехнологий при Научно-исследовательском центре в Карлсруэ. Дело в том, что идеально гладкие поверхности обладают во многих отношениях худшими свойствами, нежели мелкоструктурированные. Но получение таких поверхностных наноструктур – дело дорогое и трудоёмкое. Типичный пример – так называемое просветление оптики, то есть увеличение прозрачности стекла и уменьшение отражения света от его поверхности посредством нанесения на эту поверхность тонких прозрачных плёнок с показателем преломления меньшим, чем у стекла. Штефан Вальхайм (Stefan Wahlheim), сотрудник Института нанотехнологий, предложил новый метод просветления оптики, в котором используется дешёвое сырьё и простое оборудование. К тому же вся процедура длится лишь несколько минут, тогда как традиционные процессы весьма сложны и занимают много часов.

Вальхайм: Эти сложные и трудоёмкие процессы предполагают, в частности, нагрев твёрдых компонентов и их выпаривание, причём эти операции должны происходить обязательно в вакууме, чтобы предотвратить окисление. А потом эти пары нужно донести до подлежащей обработке поверхности изделия, что также связано со значительными трудностями.

Поэтому специалисты Научно-исследовательского центра в Карлсруэ взялись за разработку новой технологии просветления. Штефан Вальхайм поясняет:

Вальхайм: Моя технология такова: я получаю специальную жидкость, то есть беру два полимера – оба имеют очень широкое распространение, а потому стоят гроши, – смешиваю их и растворяю. Этот прозрачный раствор я равномерно распределяю с помощью центрифуги на поверхности вращающейся стеклянной пластины. Высыхая, он образует тонкую плёнку. Затем, используя другой растворитель, я перевожу в раствор один из полимерных компонентов и удаляю его. На поверхности пластины остаётся чётко структурированное микропористое покрытие.

Толщина этого покрытия составляет 100 нанометров, а его структура такова, что значительно снижает рассеяние света. Правда, поначалу технология имела один существенный недостаток – покрытию не хватало прочности, его можно было просто соскрести ногтем. Но тем временем и эта проблема решена: теперь плёнку удалить невозможно:

Вальхайм: Потому что она состоит из того же материала, что и само стекло, то есть из оксидов кремния. Иными словами, мы научились наши полимерные покрытия переводить в минеральные.

Новая технология найдёт широкое применение не только в оптике и смежных с ней отраслях. Например, значительно более высокий коэффициент полезного действия имеют обработанные таким образом солнечные батареи.

А специалисты Дрезденского центра нанотехнологий активно работают над созданием зеркал с многослойными покрытиями. Такие зеркала обладают совершенно уникальными свойствами, – говорит доктор Ральф Йекль (Ralf Jaeckl):

Йекль: Зеркала на базе кремниевых структур, на которые наносятся во много слоёв плёнки из никеля и углерода толщиной в 3, 4 или 5 нанометров, могут отклонять рентгеновские лучи. Имеется в виду, что на поверхность зеркала напыляются поочерёдно слой никеля, слой углерода, снова слой никеля, снова слой углерода, и так сто слоёв. Такое покрытие придаёт зеркалам способность отражать и даже фокусировать рентгеновское излучение, которое, как известно, обычно не отражается, а просвечивает материалы, то есть проникает насквозь.

Такие зеркала дадут исследователям возможность изучать мельчайшие порции новых веществ с помощью рентгеновского флуоресцентного анализа. Правда, это дело хоть и не очень далёкого, но будущего. Зато другая разработка Дрезденского центра нанотехнологий уже завершена: здешние специалисты создали технологию нанесения тончайших композитных покрытий на обычную бумагу, что увеличивает её долговечность втрое.

Но нанести покрытие – это ещё не всё, особенно, если оно имеет декоративную функцию. Нужно его сохранить, а для этого одно покрытие защитить другим. Нет, наверное, такой хозяйки, которая не провела бы уйму времени в ванной, пытаясь оттереть, отскрести, отдраить разводы грязи и накипи с хромированной поверхности кранов, смесителей и прочем санитарно-технической арматуры. Несмотря на наличие в продаже массы широко разрекламированных химических средств, занятие это каждый раз оказывается очень трудоёмким, а успех – весьма умеренным. И вот теперь учёные Института производственных технологий и автоматизации имени Фраунгофера в Штутгарте совместно со специалистами фирмы «FEW Chemicals» в Вольфене преложили метод поверхностной обработки хромированных изделий, которая придаёт им практически вечный блеск. Метод основан на использовании специальных высокодисперсных коллоидных систем – золей и гелей. Фридрих Ауэр-Канеллопулос (Friedrich Auer-Kanellopoulos), научный сотрудник фирмы «FEW Chemicals», поясняет:

Ауэр-Канеллопулос: Золево-гелевые покрытия являются в широком смысле слова лаками, обладающими особыми химическими свойствами. В отличие от обычных лаков на базе органических полимеров, наши золи и гели представляют собой смесь органических и неорганических компонентов, причём основу составляют оксиды кремния. Главная трудность заключалась в том, что такие соединения не адсорбируются на хромированных поверхностях. Но нам всё же удалось решить эту задачу, так что теперь мы можем наносить водо-, жиро- и грязеотталкивающие защитные покрытия на хромированную арматуру.

Выглядит такая арматура и впрямь как в рекламном ролике – блестит и сверкает. И обновлять это чудо-покрытие не нужно – оно держится очень долго.

Ауэр-Канеллопулос: Уход за такой арматурой требует гораздо меньше времени и сил. Кроме того, мыть арматуру можно гораздо реже, потому что она дольше сохраняет идеально чистый внешний вид. И, наконец, ещё один немаловажный аспект: резко сокращается расход химических чистящих средств, загрязняющих окружающую среду. На практике такую арматуру достаточно просто ополоснуть тёплой водой и насухо вытереть.

Разработчики метода лишь недавно подали заявку на патент, поэтому вдаваться в детали считают пока преждевременным. Однако Фридрих Ауэр-Канеллопулос согласился изложить принцип в общих чертах:

Ауэр-Канеллопулос: Главная хитрость состоит в специальной предварительной обработке, благодаря которой хромированная поверхность, сама по себе весьма инертная, становится гораздо более активной. Сразу же после такой активации на неё наносится слой защитного золевого покрытия. Вторая хитрость – в том, что этот золь содержит особые химические группы, которые и обеспечивают прочный контакт защитного покрытия с хромовой подложкой.

На практике это означает вот что: после хромирования арматура ещё некоторое время выдерживается, затем погружается в специальный раствор и нагревается, что вызывает значительную, но непродолжительную активацию атомов хрома. За этот краткий промежуток времени на поверхность арматуры наносится золь, одна из дисперсных фаз которого прочно связывается с атомами хрома.

Уже сегодня ясно, что сфера применения новой технологии не ограничится сантехникой. Так, специальные покрытия на зубоврачебных и хирургических инструментах могут сократить время и повысить надёжность процедуры их стерилизации. Да и другие отрасли проявляют интерес. Фридрих Ауэр-Канеллопулос говорит:

Ауэр-Канеллопулос: Например, в полиграфии специалисты очень хотели бы иметь возможность так обрабатывать определённые участки поверхности, чтобы типографская краска с них стекала, не оставляя следов. Это позволит, с одной стороны, повысить качество печати, с другой, гораздо реже мыть оборудование.

Есть и ещё одна весьма перспективная сфера применения технологии нанесения специальных покрытий: защита поверхности зданий и сооружений от граффити – современной наскальной – или, вернее, настенной, – живописи. Кто-то считает её искусством, кто-то – мазнёй и хулиганством. Владельцы разрисованных всеми цветами радуги домов относятся, как правило, ко второй категории. Как бы то ни было, сегодня граффити – это поистине бич любого современного города. На то, чтобы смыть, стереть или закрасить эти художества, уходят многие миллионы долларов. Так не разумнее ли изначально защищать стены зданий такими покрытиями, с которых краска из баллончика стекала бы, не оставляя следов? Применительно к железнодорожным вагонам и вагонам метро такое решение во многих странах давно уже стало реальностью. Но Фридрих Ауэр-Канеллопулос настроен скептически: он считает, что в отношении зданий, туннелей, мостов и прочих инженерно-технических сооружений такой подход вряд ли возможен:

Ауэр-Канеллопулос: Главная трудность заключается в том, что тут мы не имеем возможности, в отличие от процесса промышленного производства, обеспечить тот или иной технологический режим. Ну, скажем, я не могу нагреть стену дома до 100 градусов и поддерживать эту температуру в течение нескольких часов. С арматурой таких проблем не возникает.

Впрочем, на борьбу с граффити можно посмотреть и иначе: в конце концов, для специалистов-материаловедов это ведь просто обратная задача – вместо того, чтобы разрабатывать технологии нанесения покрытий, им предстоит подумать над тем, как наиболее эффективно удалить уже имеющееся ненужное покрытие – слой краски. Решений и тут предложено немало, но об этом мы поговорим как-нибудь в другой раз. А на сегодня я, Владимир Фрадкин, прощаюсь с вами, всего вам доброго, до следующей встречи.