DOI: https://doi.org/10.30977/BUL.2219-5548.2018.81.0.62

ХОЛОДНЕ ГАЗОДИНАМІЧНЕ НАПИЛЮВАННЯ МЕТАЛЕВИХ ПОКРИТТІВ НА КОМПОЗИЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ ТА ПЛАСТИКИ: ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

O. V. Shorinov, A. O. Volkov, S. Ye. Markovych

Анотація


З огляду на недостатність інформації про механізм утворення металевих покриттів на неметалевих підкладках і вивчення властивостей таких покриттів був проведений аналіз сучасного стану питання в галузі холодного газодинамічного напилення (ХГН) металевих покриттів на композиційні матеріали (КМ) з можливістю подальшого використання накопиченого досвіду для проведення подальших досліджень у цій сфері. У наш час композиційні матеріали на основі надтонких вуглецевих, скляних, органічних та інших типів волокон в поєднанні з полімерними сполучними матеріалами досить широко застосовуються в різних галузях техніки. Разом з відмінними властивостями КМ і пластиків існують і недоліки: низька ерозійна стійкість, електропровідність і невисокі робочі температури. Для усунення перерахованих вище недоліків застосовують металеві покриття, що дозволяє забезпечити задані властивості поверхонь і розширити галузі застосування неметалічних матеріалів. У наш час для металізації пластиків і КМ з полімерною матрицею використовують лише кілька методів, а саме: фізичне і хімічне осадження з парової фази, гальванізацію, гальвано­пластику і газотермічне напилення. Але ці методи мають недоліки: висока вартість обладнання і процесу металізації, обмеження за розміром зразків і площею металізації, низька адгезійна міцність покриттів, забруднення навколишнього середовища і загроза здоров’ю персоналу і т.д. Зростаючий попит на низькоенергетичні, екологічно безпечні, ефективні і недорогі процеси нанесення покриттів стимулюють пошук і розробку нових альтернативних методів, одним з яких є ХГН. Проведений аналіз сучасного стану питання в галузі формування металевих покриттів на неметалевих поверхнях ХГН показав, що дана технологія є перспективною для формування покриттів на неметалах і може бути успішно використана для забезпечення електропровідності та інших властивостей КМ і пластиків.

Ключові слова


холодне газодинамічне напилювання; композиційні матеріали; покриття; властивості покриттів

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 [in Russian].

Dykhuizen, R.C., Smith, M.F. (1998). Gas Dynamic Principles of Cold Spray. J. Therm. Spray Technol, 7, 205-212.

Alhimov, A.P., Kosarev, V. F., Klinkov, S. V. (2001). The Features of Cold Spray Nozzle Design. J. Therm. Spray Technol., 10, 375-381.

Sakaki, K., Shimizu, Y. (2001). Effect of the Increase in the Entrance Convergent Section Length of the Gun Nozzle on the High-Velocity Oxygen Fuel and Cold Spray Process. J. Therm. Spray Technol., 10, 487-496.

Sakaki, K., Huruhashi, N., Tamaki, K., Shimizu, Y. (2002). Effect of Nozzle Geometry on Cold Spray Process. International Thermal Spray Conference.(pp. 385-389). Germany: DVS Deutscher Verband für Schweißen.

Stoltenhoff, T., Voyer, J., Kreye, H. (2002) Cold Spraying–State of the Art and Applicability. International Thermal Spray Conference. 366-374. Germany: DVS Deutscher Verband für Schweißen.

Zhang, D., Shipway, P.H., McCartney, D.G. (2002). The Effect of Processing Variables on Deposition Characteristics of Aluminum by Cold Gas Dynamic Spraying. Proc. Third Int. Conf. Surface Eng. 105-110. Chengdu: Southwest Jiaotong Univ. Press.

Bhagat, R.B., Amateau, M.F., Papyrin, A., Conway Jr., J.C., Stutzman, B., Jones, B. (1997). Deposition of Nickel-Aluminum Bronze Powder by Cold Gas-Dynamic Spray Method on 2618 Al for Developing Wear Resistant Coatings Thermal Spray. A United Forum for Scientific and Technological Advances: ASM International, 361-367.

Stoltenhoff, T., Kreye, H., Richter, H.J., Assadi, H. (2001). Optimization of the Cold Spray Process. Thermal Spray 2001: New Surfaces for a New Millennium: ASM International, 409-416.

Vicek, J., Huber, H., Voggenreiter, H., Fischer, A., Lugscheider, E., Hallén, H. et al. (2001). Kinetic Powder Compaction Applying the Cold Spray Process: A Study on Parameters. Thermal Spray 2001: New Surfaces for a New Millennium: ASM International, 417-422.

Dykhuizen, R.C., Smith, M.F., Gilmore, D.L., Neiser, R.A., Jiang, X., Sampath, S. (1999). Impact of High Velocity Cold Spray Particles. J. Therm. Spray Technol., 8, 559-564.

Purgina, S.M., Smovzjuk, L.V., Shestakov, P.V., Stavichenko, V.G., Shorinov, A.V. (2017). Analiz problemy sozdanija i primenenija kompozitov s povyshennoj jelektroprovodimost'ju [Analysis of the problem of producing and application of composites with increased electrical conductivity]. Technologicheskiye sistemy -Technological systems, 78, 52-57 [in Russian].

Papyrin, A.N., Kosarev, V.F., Klinkov, S.V., Alhimov, A.P. (2002). On the Interaction of High Speed Particles with a Substrate under the Cold Spraying. International Thermal Spray Conference. 380-384. Germany: DVS Deutscher Verband für Schweißen.

Champagne, V. K. (2007). The cold spray materials deposition process: fundamentals and applications. Cambridge: CRC Press.

Stoltenhoff, T., Kreye, H., Richter, H.J. (2002). An analysis of the cold spray process and its coatings. J. Therm. Spray Technol., 11, 542-550.

Robitaille, F., Yandouzi, M., Hind, S., Jodoin, B. (2009). Metallic coating of aerospace carbon/epoxy composites by the pulsed gas dynamic spraying process. Surf. Coat. Technol., 203, 2954-2960.

Lupoi, R., O'Neill, W. (2010). Deposition of metallic coatings on polymer surfaces using cold spray. Surf. Coat. Technol., 205, 2167-2173.

Affi, J., Okazaki, H., Yamada, M., Fukumoto, M. (2011). Fabrication of Aluminum Coating onto CFRP Substrate by Cold Spray. Mater. Trans., 52, 1759-1763.

Zhang, D., Shipway, P.H., McCartney, D.G. (2005). Cold gas dynamic spraying of aluminum: The role of substrate characteristics in deposit formation. J. Therm. Spray Technol., 14, 109-116.

Zhou, X.L., Chen, A.F., Liu, J.C., Wu, X.K., Zhang, J.S. (2011). Preparation of metallic coatings on polymer matrix composites by cold spray. Surf. Coat. Technol., 206, 132-136.

Ganesan, A., Affi, J., Yamada, M., Fukumoto, M. (2012). Bonding behavior studies of cold sprayed copper coating on the PVC polymer substrate. Surf. Coat. Technol., 207, 262-269.

Ganesan, A., Yamada, M., Fukumoto, M. (2013). Cold spray coating deposition mechanism on the thermoplastic and thermosetting polymer substrates. J. Therm. Spray Technol., 22, 1275-1282.

Ye, H., Wang, J. (2014). Preparation of aluminum coating on Lexan by cold spray. Mater. Lett., 137, 2-–24.

Giraud, D., Borit, F., Guipont, V., Jeandin, M., Malhaire, J.M. (2012). Metallization of a Polymer Using Cold Spray: Application to Aluminum Coating of Polyamide 66. Proceedings of the ITSC. 265-270. Houston: ASM.

Barletta, M., Gisario, A., Tagliaferri, V. (2006). Electrostatic spray deposition (ESD) of polymeric powders on thermoplastic (PA66) substrate. Surf. Coat. Technol., 201, 296=308.

Assadi, H., Irkhin, I., Gutzmann, H., Gärtner, F., Schulze, M., Villa Vidaller, M. et al. (2015). Determination of plastic constitutive properties of microparticles through single particle compression. Adv. Powder Technol., 26, 1544-1554.

Beydon, R., Bernhart, G., Segui, Y. (2000). Measurement of metallic coatings adhesion to fibre reinforced plastic materials. Surface and Coatings Technology, 126, 39-47.

Chen, C., Xie, X., Xie, Y., Yan, X., Huang, C., Deng, S. et al. (2018). Metallization of polyether ether ketone (PEEK) by copper coating via cold spray. Surf. Coat. Technol., 342, 209-219.

Decla, F., Leroux, S., Bernhart, G., Levaillant, C., Frety, N. (1998). Plasma sprayed electrical conductive coating on CFRP materials: microstructure and electrical properties. Surface Modification Technologies XI, 293-299.

Schmidt, T., Gartner, F., Assadi, H., Kreye, H. (2006) Development of a generalized parameter window for cold spray deposition. Acta Mater., 54, 729.

Che, H., Chu, X., Vo, P., Yue, S. (2017). Cold spray of mixed metal powders on carbon fibre reinforced polymers. Surface & Coatings Technology, 329, 232-243.

Małachowska, A., Winnicki, M., Stachowicz, M., Korzeniowski, М. (2017). Metallisation of poly-carbonates using a low pressure cold spray method. Surface Engineering, 251-258.

Małachowska, А., Winnicki, M., Konat, Ł., Piwowarczyk, T., Pawłowski, L., Ambro- ziak, A. et al. (2017). Possibility of spraying of copper coatings on polyamide 6 with low pressure cold spray method. Surface & Coatings Technology, 318, 82-89


Пристатейна бібліографія ГОСТ


1. Алхимов А.П. Холодное газодинамическое напыление. Теория и практика / А.П. Ал¬химов, С.В. Клинков, В.Ф. Косарев и др. – М.: Физматлит, 2010. – 536 с.

2. Dykhuizen R.C. Gas Dynamic Principles of Cold Spray/ R.C. Dykhuizen, M.F. Smith // J. Therm. Spray Technol. – 1998. – Vol. 7. – Р. 205–212.

3. Alkhimov A.P. The Features of Cold Spray Nozzle Design / A.P. Alkhimov, V.F. Ko¬sarev, S.V. Klinkov // J. Therm. Spray Technol. – 2001. – Vol 10. – Р. 375–381.

4. Sakaki K. Effect of the Increase in the Entrance Convergent Section Length of the Gun Nozzle on the High-Velocity Oxygen Fuel and Cold Spray Process / K. Sakaki, Y. Shimizu // J. Therm. Spray Technol. – 2001. – Vol. 10. – Р. 487–496.

5. Sakaki K. Effect of Nozzle Geometry on Cold Spray Process / K. Sakaki, N. Huruhashi, K. Tamaki, Y. Shimizu // International Thermal Spray Conference: DVS Deutscher Verband für Schweißen. – Germany. – 2002. – Р. 385–389.

6. Stoltenhoff T. Cold Spraying – State of the Art and Applicability / T. Stoltenhoff, J. Voyer, H. Kreye // International Thermal Spray Conference: DVS Deutscher Verband für Schweißen. – Germany. – 2002. – Р. 366–374.

7. Zhang D. The Effect of Processing Variables on Deposition Characteristics of Aluminum by Cold Gas Dynamic Spraying / D. Zhang, P.H. Shipway, D.G. McCartney // Proc. Third Int. Conf. Surface Eng: Southwest Jiaotong Univ. Press. – Chengdu. – China. – 2002 . – Р. 105–110.

8. Bhagat R.B. Deposition of Nickel-Aluminum Bronze Powder by Cold Gas-Dynamic Spray Method on 2618 Al for Developing Wear Resistant Coatings / R.B. Bhagat, M.F. Amateau, A. Papyrin, J.C. Conway Jr., B. Stutzman, B. Jones // Thermal Spray: A United Forum for Scientific and Technological Advances: ASM International. – 1997. – Р. 361–367.

9. Stoltenhoff T. Optimization of the Cold Spray Process / T. Stoltenhoff, H. Kreye, H.J. Richter, H. Assadi // Thermal Spray 2001: New Surfaces for a New Millen-nium: ASM International. – 2001. – Р. 409–416.

10. Vicek J. Kinetic Powder Compaction Applying the Cold Spray Process: A Study on Parameters / J. Vicek, H. Huber, H. Voggenreiter, A. Fischer, E. Lugscheider, H. Hallén et al.// Thermal Spray 2001: New Surfaces for a New Mille¬nnium: ASM International. – 2001. –
Р. 417–422.

11. Dykhuizen R.C. Impact of High Velocity Cold Spray Particles / R.C. Dykhuizen, M.F. Smith, D.L. Gilmore, R.A. Neiser, X. Jiang, S. Sampath, // J. Therm. Spray Technol. – 1999. – Vol. 8.– Р. 559–564.

12. Пургина С.М. Анализ проблемы создания и применения композитов с повышенной электропроводимостью / С.М. Пургина, Л.В. Смовзюк, В.Г. Ставиченко и др. // Технологические системы. – 2017. – Т. 78, №1. – С. 52–57.

13. Papyrin A.N. On the Interaction of High Speed Particles with a Substrate under the Cold Spraying / A.N. Papyrin, V.F. Ko¬sarev, S.V. Klinkov, A.P. Alkhimov // International Thermal Spray Conference: DVS Deutscher Verband für Schweißen. – Germany. – 2002. – Р. 380–384.

14. Champagne V.K. The cold spray materials deposition process: fundamentals and applications / V.K. Champagne. – CRC Press. – Cambridge: Woodhead. – 2007. – 362 p.

15. Stoltenhoff T. An analysis of the cold spray process and its coatings / T. Stoltenhoff, H. Kreye, H.J. Richter // J. Therm. Spray Technol. – 2002. – Vol. 11(4). – Р. 542–550.

16. Robitaille F. Metallic coating of aerospace carbon/epoxy composites by the pulsed gas dynamic spraying process / F. Robitaille, M. Yandouzi, S. Hind, B. Jodoin // Surf. Coat. Technol. – 2009. – Vol. 203. – Р. 2954–2960.

17. Lupoi R. Deposition of metallic coatings on polymer surfaces using cold spray / R. Lupoi, W. O'Neill // Surf. Coat. Technol. – 2010. – Vol. 205. – Р. 2167–2173.

18. Affi J. Fabrication of Aluminum Coating onto CFRP Substrate by Cold Spray / J. Affi, H. Okazaki, M. Yamada, M. Fukumoto // Mater. Trans. – 2011. – Vol. 52. – Р. 1759–1763.

19. Zhang D. Cold gas dynamic spraying of aluminum: The role of substrate characteristics in deposit formation / D. Zhang, P.H. Shipway, D.G. McCartney // J. Therm. Spray Technol. – 2005. – Vol. 14. – Р.109–116.

20. Zhou X.L. Preparation of metallic coatings on polymer matrix composites by cold spray / X.L. Zhou, A.F. Chen, J.C. Liu, X.K. Wu, J.S. Zhang // Surf. Coat. Technol. – 2011. – Vol. 206. – Р. 132–136.

21. Ganesan A. Bonding behavior studies of cold sprayed copper coating on the PVC polymer substrate / A. Ganesan, J. Affi, M. Yamada, M. Fukumoto // Surf. Coat. Technol. – 2012. – Vol. 207. – Р. 262–269.

22. Ganesan A. Cold spray coating deposition mechanism on the thermoplastic and thermosetting polymer substrates / A. Ganesan, M. Yamada, M. Fukumoto // J. Therm. Spray Technol. – 2013. – Vol. 22. – Р. 1275–1282.

23. Ye H. Preparation of aluminum coating on Lexan by cold spray / H. Ye, J. Wang // Mater. Lett. – 2014. – Vol. 137. – Р.21–24.

24. Giraud D. Metallization of a Polymer Using Cold Spray: Application to Aluminum Coating of Polyamide 66 / D. Giraud, F. Borit, V. Guipont, M. Jeandin, J.M. Malhaire // Proceedings of the ITSC. – Houston: ASM. – 2012. – Р. 265–270.

25. Barletta M. Electrostatic spray deposition (ESD) of polymeric powders on thermoplastic (PA66) substrate / M. Barletta, A. Gisario, V. Tagliaferri // Surf. Coat. Technol. – 2006. – Vol. 201. – Р. 296–308.

26. Assadi H. Determination of plastic constitutive properties of microparticles through single particle compression / H. Assadi, I. Irkhin, H. Gutzmann, F. Gärtner, M. Schulze, M. Villa Vidaller, T. Klassen // Adv. Powder Technol. – 2015. – Vol. 26. – Р. 1544–1554.

27. Beydon R. Measurement of metallic coatings adhesion to fibre reinforced plastic materials / R. Beydon, G. Bernhart, Y. Segui // Surface and Coatings Technology. – 2000. – Vol. 126. – Р. 39–47.

28. Chen C. Metallization of polyether ether ketone (PEEK) by copper coating via cold spray / C. Chen, X. Xie, Y. Xie, X. Yan, C. Huang, S. Deng, Z. Ren, H. Liao // Surf. Coat. Technol. – 2018. – Vol. 342. – Р. 209–219.

29. Decla F. Plasma sprayed electrical conductive coating on CFRP materials: microstructure and electrical properties / F. Decla, S. Leroux, G. Bernhart, C. Levaillant, N. Frety // Surface Modification Technologies XI (UK) . – 1998. – Р. 293–299.

30. Schmidt T. Development of a generalized parameter window for cold spray deposition / T. Schmidt, F. Gartner, H. Assadi, H. Kreye // Acta Mater. – 2006. – Vol. 54. – 729 р.

31. Che H. Cold spray of mixed metal powders on carbon fibre reinforced polymers / H. Che, X. Chu, P. Vo, S. Yue // Surface & Coatings Technology. – 2017. – Vol. 329. – P. 232–243

32. Małachowska A. Metallisation of poly-carbonates using a low pressure cold spray method / А. Małachowska, М. Winnicki , M. Stachowicz, M. Korzeniowski // Surface Engineering . – 2017. – Р. 251–258.

33. Małachowska А. Possibility of spraying of copper coatings on polyamide 6 with low pressure cold spray method / A. Mała¬chowska, M. Winnicki, Ł. Konat, T. Piwo¬warczyk, L. Pawłowski, A.Ambroziak, M. Stachowicz // Surface & Coatings Tech¬nology. – 2017. – Vol. 318. – P. 82–89.