1. Впервые предложено газодинамическое конструирование трехмерных пространственных структур с помощью холодного газодинамического напыления (ХГН).
Формирование трехмерных пространственных структур осуществляется с помощью создания устойчивых вихревых образований в сверхзвуковой части сопла, которые изменяют распределение концентрации дисперсной фазы в двухфазном потоке по сечению сопла и, тем самым, обеспечивают заданную форму напыляемого пятна на подложке до получения требуемой трехмерной структуры. Вихревые образования внутри сопла могут создаваться с помощью воздействия на поток как раздельно, так и совместно различных возмущающих газодинамических факторов: закрутка потока на входе в сопло, вдув в сопло через пористый насадок на срезе сопла или через продольные щели (пропилы) вблизи среза сопла и др.
Показано, что вихревые структуры при натекании на напыляемую поверхность, способствуют разрушению ударной волны (сжатого слоя) и, следовательно, улучшают процесс напыления.
Примеры получения некоторых трехмерных структур при ХГН с вариацией возмущающих факторов и, соответственно, вихревых образований в сопле (напылялся медный порошок на стальную подложку) представлены на фотографиях.
2. Для нанесения многокомпонентных покрытий в оптимальном режиме для всех компонентов смеси впервые разработана и реализована схема соплового узла, позволяющая формировать металлокерамические смеси непосредственно в тракте сопла.
Как правило, композитные покрытия наносятся путем напыления заранее приготовленных смесей. В этом случае частицы всех компонентов смеси достигают скоростей и температур, которые могут являться эффективными для напыления одного компонента смеси, но неэффективными для напыления другого. Наиболее эффективным будет являться способ нанесения многокомпонентных покрытий, в котором удастся реализовать нагрев и ускорение каждого компонента смеси в диапазоне необходимых ему температур и скоростей. Один из вариантов реализации такого способа – раздельное инжектирование каждого компонента смеси в разные области потока газа. Схема соплового узла, позволяющего реализовать раздельное инжектирование компонентов смеси представлена на рисунке.
Схема соплового узла с двумя точками ввода порошка
В случае инжекции порошка меди в первую (дозвуковая область), а алюминия во вторую точку ввода (сверхзвуковая область), их параметры при вылете из сопла отличаются друг от друга и являются оптимальными для каждого компонента.
Данный сопловой узел позволяет также наносить металлокерамические покрытия. В этом случае в первую точку ввода инжектируются частицы металла, а во вторую точку ввода – порошок керамики. Такой ввод керамики в сверхзвуковую область за критическим сечением позволяет избежать эрозии стенок сопла в критическом сечении.
3. В результате проведенного численного и экспериментального моделирования сварки взрывом предложено одно из возможных объяснений проблемы волнообразования при сварке взрывом металлических пластин, поставленной М.А. Лаврентьевым еще в 60-х годах прошлого века. Показано, что образование волн происходит в окрестности точки контакта пластин в области повышенного давления и обусловлено автоколебаниями точек приложения сил от верхней и нижней пластины при их соударении. Результат получен совместно с ИМ СО РАН и ИГиЛ СО РАН.
На приведенных рисунках представлены картины косого соударения металлических пластин. Зарождение волн происходит в области повышенного давления в окрестности точки контакта и связано со смещением точек приложения сил, совпадающих с точками растекания струй (в выделенной области металл ведет себя как вязкая жидкость). В дальнейшем эти точки периодически меняются местами, создавая волны, которые «замораживаются» после выхода из выделенной области, где материал ведет себя уже упругим образом.
Косое соударение металлических пластин. Результаты полученные: а - в численном расчете методом Годунова по релаксационной модели Максвелла, б - методом молекулярной динамики на основе многочастичного ЕАМ потенциала, в - в эксперименте – методом импульсной рентгенографии.
На рисунке г штриховой линией выделена точка контакта.
4. Впервые для высокопроизводительного нанесения защитного покрытия методом холодного газодинамического напыления на внутреннюю поверхность цилиндрических труб предложено радиальное сверхзвуковое сопло, позволяющее исключить вращение трубы.
Расчет скорости соударения частиц алюминия различного диаметра при использовании такого сопла показал, что оптимальный размер частиц, при котором удается получить максимальную скорость удара и, соответственно, эффективность напыления, находится в диапазоне 5 – 10 мкм.
На рисунке показан экспериментальный образец, полученный при использовании радиального
сопла с диаметром критического сечения 18 мм, диаметром выходного 72 мм,
длиной сверхзвукового участка 27 мм. Порошок алюминия (10 – 40 мкм) напылялся на внутреннюю поверхность трубы при использовании закрученного течения.
5. Методом ХГН получены и изучены свойства пористых каталитических покрытий на основе оксида алюминия.
6. Изучены закономерности формирования ХГН покрытий за маской в виде отдельной стальной нити диаметром от 1 до 0.3 мм. Показано, что на процесс влияет распределение частиц по углу в струе, а также эффект задержки напыления.
7. На примере получения методом ХГН композитных покрытий из смеси порошков алюминия и меди показано, что в присутствии частиц алюминия коэффициент напыления частиц меди увеличивается даже в условиях напыления (температуре и давлении торможения воздуха), когда при отсутствии частиц алюминия он близок к нулю.
8. Экспериментально показана возможность восстановления элементов конструкции планера воздушных судов при коррозионных повреждениях путем наращивания алюминиевого покрытия на местах повреждения методом ХГН.
9. Отработаны режимы нанесения алюминиевых покрытий методом ХГН на поверхности материалов с низкой эрозионной стойкостью (кирпич, бетон и др.) Показано, что для этого необходимо уменьшать скорость удара частиц (путем уменьшения давления торможения воздуха и применения специализированных сопловых узлов) в противоположность сложившемуся мнению, что для успешного получения покрытий методом ХГН необходимо увеличивать скорость частиц.
10. Показана возможность создания гетерогенных материалов на основе порошков карбида бора и никеля методом ХГН с последующей обработкой методом лазерной наплавки.
11. Разработана технология получения толстых слоев меди на керамические материалы из оксида и нитрида алюминия для создания плат силовой электроники (получен патент).
12. Изучено влияние скорости перемещения сопла и расхода порошка на массу покрытия и коэффициент напыления при ХГН. Показано, что имеется оптимальная скорость перемещения, при которой коэффициент напыления максимален, а при ее увеличении или уменьшении он падает.
13. Построена модель формирования покрытия методом ХГН с учетом изменения угла удара частиц. С ее помощью подтверждены экспериментальные факты, что профиль одиночной дорожки покрытия с увеличением его толщины принимает треугольную форму, что препятствует дальнейшему его наращиванию. Также подтверждено, что изменяя угол установки сопла можно наращивать покрытие в высоту практически не меняя его ширину.