Использование металлопорошковых композиций для устранения дефектов деталей из сплава ВАС-1 методом холодного газодинамического напыления

Введение

В настоящее время в машиностроении предъявляют повышенные требования к свойствам материалов, используемых для изготовления деталей и конструкций с целью повышения их ресурса изделий.

В основу инновационной модернизации производства авиационной техники положено создание не только современных материалов, но и технологий их обработки и защиты от воздействия окружающей среды.

Широкое использование в машиностроении алюминиевых сплавов приводит к необходимости разработки способов их защиты от коррозии и поиска метода локального восстановления деталей, уже поврежденных коррозией и эксплуатационными нагрузками. По экспертной оценке, в XXI в. более 80 % приоритетных разработок объектов новой техники будет определяться созданием новых материалов и высоких технологий.

С учетом современных темпов развития техники конструкторы выдвигают новые требования к повышению удельных характеристик материалов, в частности к алюминиевым сплавам. Для получения ответственных, высоконагруженных деталей требуются материалы, обладающие повышенной прочностью и высокой технологичностью при печати, поскольку данные сплавы имеют средний уровень прочности [1–5].

Для реализации изготовления деталей методом аддитивных технологий необходимы литейные сплавы с повышенной способностью к деформации. Этим условиям удовлетворяют сплавы систем алюминий–кремний и алюминий–магний. Среди них наиболее технологичными и распространенными являются порошки из сплава состава AlSi10Mg (ВАС-1) [6, 7].

Однако при конструировании и эксплуатации сложнонагруженных деталей и узлов авиационной техники возможно образование различных дефектов (трещин, сколов), приводящих к разрушению всей конструкции [8–10]. Замена поврежденной детали – дорогостоящий и длительный процесс. Поэтому в настоящее время актуальной задачей является локальное устранение дефектов деталей, по возможности без демонтажа всей конструкции [11–13].

Основными покрытиями, применяемыми для защиты от коррозии стальных деталей в изделиях авиационной техники, являются кадмиевое и цинковое, которые наносят гальваническим способом. Ремонт таких покрытий достаточно трудоемок в связи с тем, что необходимо полностью разобрать узел с деталью, удалить старое покрытие, нанести новое и провести операцию обезводороживания.

Метод холодного газодинамического напыления (ХГН) благодаря компактности установки и доступности расходных порошковых материалов позволяет проводить ремонт элементов авиационной техники непосредственно на изделии в условиях ремонтных ангаров или крытых помещений [14, 15].

Основной проблемой этого метода является частичное окисление металлических частиц в процессе нахождения в воздушном потоке при дополнительном внешнем нагреве. Решение данной проблемы – снижение температуры газового потока и, как следствие, снижение температуры проведения процесса, а также увеличение скорости напыления для наращивания большей кинетической энергии частиц при их неизменных массе и дисперсном составе.

Материалы и методы

Для проведения исследований использовали алюминиевый сплав состава AlSi10Mg (ВАС-1), легированный медью, цирконием и церием в количестве не более 1 % (по массе) для каждого компонента. Изготовление металлопорошковой композиции для последующего сплавления проводили методом газовой атомизации на установке Hermiga 10/100 VI (Англия) с последующим отделением фракции размером ˂10 мкм при помощи газодинамической сепарации.

Исследования микроструктуры защитных покрытий проводили на металлографическом микроскопе Olympus GX 51 с цифровой системой обработки изображения при увеличении ×500.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Газодинамический способ восстановления дефектов деталей основан на пластической деформации частиц при соударении с металлической подложкой детали и создании адгезионной связи за счет кинетической энергии напыляемых частиц [16].

В установке Димет-405 в качестве рабочей среды для ускорения частиц применяется сжатый воздух, который подается под давлением на вход сверхзвукового сопла Лаваля. Для повышения эффективности напыления за счет увеличения скорости воздушного потока, в напылительном блоке установлены нагревательные элементы до температур в пределах 300 °С. Проходя через них, воздушный поток разогревается до температур ~(80–130) °С. Вблизи выхода из сопла предусмотрено отверстие для подачи порошкового материала, который в результате созданного разряжения поднимается в сопло и захватывается потоком воздуха. Скорость потока придает значительную кинетическую энергию частицам порошка, несмотря на их малый размер. Благодаря этой энергии и происходит не только пластическая деформация металлических порошковых материалов, но и их внедрение в структуру детали. При ХГН наблюдается локальное воздействие на определенный участок поверхности, что позволяет визуально контролировать геометрические размеры детали и способствует сохранению структуры материала [17].

На рис. 1 представлен внешний вид экспериментальных образцов кронштейнов из сплава ВАС-1, изготовленных с помощью аддитивной технологии, с дефектами типа «скол» и трещина». В данном случае глубина трещины позволила напылить порошковый алюминий без предварительной обработки фрезерованием. Скол на кромке кронштейна был заполнен алюминием с выравнивающей обработкой фрезерованием и последующей пескоструйной обработкой для уплотнения структуры покрытия.

Рис. 1. Внешний вид деталей из сплава ВАС-1 с устраненными методом холодного газодинамического напыления дефектами

Частицы, образовавшие адгезионную связь на поверхности детали, при напылении подвергаются дальнейшему воздействию – соударению со стороны следом летящих частиц. При этом часть кинетической энергии переходит в тепловую. Однако тепло с поверхности восстанавливаемого участка быстро отводится благодаря высокой теплопроводности большинства металлов, а также при помощи потока воздуха [18].

Повысить однородность напыляемого состава возможно за счет порошковых материалов, представляющих собой пластичную матрицу, содержащую армирующие абразивные частицы (корунд). Данное сочетание способствует существенному повышению прочности напыляемого материала и снижению его пористости. Для предотвращения контактной коррозии (из-за возникновения разности электрохимических потенциалов), а также для устранения дефектов и ремонта деталей из сплава ВАС-1 применяется порошок алюминия 99%-ной чистоты с добавками корунда.

Помимо металлического алюминия, порошковый материал для ХГН-покрытий дополнительно содержит частицы корунда дисперсностью от 30 до 100 мкм (рис. 2).

Рис. 2. Схема напылительного блока (а: восстанавливаемая деталь (1), покрытие (2), нагревательные элементы (3)) для нанесения ХГН-покрытий и структура порошкового материала на основе алюминия (б)

Частицы корунда, необходимые для формирования покрытий методом ХГН, выполняют сразу несколько важных функций:

– создают необходимую шероховатость поверхности детали для увеличения адгезионной прочности покрытий;

– способствуют уплотнению и снижению пористости формируемых ХГН-покрытий, что позволяет повысить их защитную способность и коррозионную стойкость;

– являются абразивным материалом, препятствующим спеканию металлических материалов в сопле при напылении ХГН-покрытий.

Однако частицы корунда не только способствуют уплотнению формируемого ХГН-покрытия, но и приводят к его эрозионному износу. На рис. 3 показана схема возникновения дефекта ХГН-покрытия при заполнении пор в металлических материалах.

Часто размеры или конфигурация дефектов детали не позволяют провести ее качественное восстановление методом ХГН.

На рис. 4 представлен фрагмент кронштейна из сплава ВАС-1, изготовленного методом селективного лазерного сплавления.

Образование «воздушной подушки» на дне трещины не позволит провести качественное заполнение дефекта поверхности. На рис. 5 схематично представлен процесс восстановления детали с подобным дефектом.

Рис. 3. Схема формирования ХГН-покрытия на участке детали с дефектом (а) и микроструктура ХГН-покрытия с участком эрозионного воздействия корунда (б)

Рис. 4. Поэтапное устранение трещины на кронштейне из сплава ВАС-1

Рис. 5. Схема процесса восстановления детали с трещиной при помощи холодного газодинамического напыления

Подготовка поверхности участка детали с дефектом к восстановлению методом ХГН заключается в придании правильной геометрической формы дефекту и удалении следов царапин и сколов с помощью обработки фрезерованием. На этапе фрезерования очень важно максимально внимательно обработать поврежденный участок для предотвращения дальнейшего распространения трещин в структуре детали. Для удаления маслянистых загрязнений целесообразно использовать неполярный растворитель (толуол, бензин), а затем раствор поверхностно-активного вещества. Далее провести промывку водой и сушку. Для придания большей адгезионной прочности и повышения эффективности расходования порошковых материалов при восстановлении детали необходимо на ее поврежденном участке провести пескоструйную обработку корундовым порошком марок F120 или F230 для создания микрошероховатостей и удаления образовавшихся оксидных пленок. Восстановление участка с дефектом следует проводить не позднее, чем через 4 ч после окончания подготовительных операций [19].

Предварительная пескоструйная обработка поверхности основного материала способствует повышению адгезионной прочности ХГН-покрытий вследствие увеличения диффузии атомов, входящих в его структуру. Адгезионную прочность покрытия можно повысить диффузионным прогревом детали, режим которого подбирается для каждого конкретного сплава отдельно [20].

Пескоструйная обработка создает также сжимающие напряжения в покрытии, повышая усталостную долговечность деталей. Поэтому ее целесообразно проводить и после завершения нанесения ХГН-покрытий.

Наиболее эффективное заполнение дефекта порошком на основе алюминия происходит при температуре от 100 до 150 °С и давлении от 4 до 5 бар (0,4–0,5 МПа). При повышении скорости потока наблюдается образование «воздушной подушки» не только в глубине трещины, но и на значительной площади заполняемой полости. Увеличение температуры воздушного потока нецелесообразно, так как способствует размягчению формирующегося покрытия и снижению эффективности напыления за счет уменьшения пластической деформации напыляемых частиц. Происходит образование структуры, состоящей из оплавленных частиц. В этом случае также наблюдается повышенное содержание частиц корунда в структуре покрытий, что может привести к ухудшению механических свойств детали за счет создания многочисленных концентраторов напряжений в покрытии (рис. 6).

Рис. 6. Структура ХГН-покрытий при повышении температуры воздушного потока при напылении: а – микрошлиф покрытия на основе алюминия; б – участок покрытия с включениями корунда

Для наиболее эффективного расходования порошкового материала при ремонте деталей из алюминиевых сплавов, а также создания бездефектных участков покрытий необходимо поэтапное заполнение дефекта порошковым материалом при обязательном фрезеровании с целью устранения возможности дальнейшего роста и распространения трещин в структуре детали.

На рис. 7 представлена схема реализации процесса восстановления дефектов.

Рис. 7. Схема реализации процесса устранения дефекта: начальный (а), второй (б) и завершающий (в) этапы напыления ХГН-покрытия и механическая обработка его участка (г)

При поэтапном заполнении дефекта порошком алюминия также наблюдается зона эрозионного воздействия частиц корунда, в связи с чем заполнение дефекта производят с запасом под механическую обработку фрезерованием с последующей выравнивающей пескоструйной обработкой (рис. 8).

Рис. 8. Внешний вид детали «Кронштейн» из сплава ВАС-1: а – исходное состояние;
б – этапы устранения дефектов

Таким образом, при помощи метода ХГН возможно осуществлять локальное восстановление эксплуатационных дефектов деталей, в частности из алюминиевых сплавов, варьируя направление, скорость и температуру воздушного потока при напылении порошкового материала.

При попадании частиц с высокой кинетической энергией на неровность или выступ поверхности в момент соударения возможно их кратковременное плавление, сопровождающееся микросваркой.

Соприкосновение кристаллических решеток частиц и подложки способствует образованию металлических связей, особенно у однородных металлических материалов, что объясняет высокие значения адгезионной прочности напыляемых ХГН-покрытий.

Заключения

Холодное газодинамическое напыление порошковых материалов можно применять не только как альтернативу гальваническим покрытиям для защиты от коррозии, но и в качестве ремонтной технологии деталей и узлов машин с целью восстановления трещин, сколов и прочих дефектов. Данный метод позволяет формировать многофункциональные и многокомпонентные покрытия, как тонкопленочные, так и покрытия толщиной >1 мм, обладающие высокой адгезией к подложке. Оборудование для реализации метода ХГН может быть существенно модернизировано с целью автоматизации процессов, повышения экологической безопасности и производительности.

При использовании метода селективного лазерного сплавления возможно получение готовых деталей с их последующей минимальной механической обработкой, что значительно повышает прочностные свойства изделия и позволяет существенно экономить металлические материалы. Наибольшие перспективы применения у данной технологии – в аэрокосмической технике, где широкое распространение получили алюминиевые сплавы. В условиях эксплуатации нагруженных деталей возможно возникновение дефектов в виде сколов или трещин. Преимущество технологии восстановления дефектов методом ХГН заключается в отсутствии вредных и агрессивных газов, окисления металлических частиц и подложки, а также в технологической простоте нанесения покрытий за счет компактности установки.

При устранении дефекта отсутствуют влияние высокой температуры на деталь и, как следствие, деформация изделия, а также возникновение внутренних напряжений и структурных превращений металла. Метод может быть использован для локального устранения дефектов деталей из алюминиевых сплавов, в том числе сплавов состава AlSi10Mg для изготовления деталей методом селективного лазерного сплавления.

Работы (исследования) выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки России (Соглашение № 075-11-2021-085).