Плазменное напыление как способ защиты изделий диффузной металлизацией

Плазменное напыление металлов

Напыление плазменное, которое иногда называют диффузионной металлизацией, образуется вследствие термического диссоциации атомов металла под воздействием высокотемпературной плазмы с последующим осаждением и диффундированием внутрь заготовки. Это простой и дешёвый способ формирования покрытий.

Особенности и назначение плазменного напыления

Особенность покрытия — пластинчатая зернистая структура, возникающая в результате термической диффузии мелких частиц.

Стадии плазменного напыления металла:

  1. Ионизация частиц.
  2. Распыление.
  3. Осаждение.
  4. Затвердевание.

На каждом из этапов необходимо проводить контроль температуры и скорости движения напыляемых частиц.

Осаждение представляет собой совокупность двух, одновременно протекающих процессов – химической связи, которая активируется вследствие высоких температур в зоне обработки, и механических взаимодействий, обусловленных повышенной кинетической энергией частиц напыляемого металла. Дополнительным интенсифицирующим фактором считается наличие промежуточной среды – газа/жидкости — молекулы которой ускоряют и стабилизируют процесс металлизации. При этом образуются дополнительные соединения, улучшающие качество напылённого слоя. Например, азот формирует высокотвёрдые нитриды металлов, гелий предотвращает окисление поверхности, а медь улучшает условия трения.

Процесс используется для формирования оптимальных характеристик поверхностного слоя, а также как метод восстановления изношенных стальных деталей.

Технология процесса напыления

Исходный материал подается в столб плазмы в форме порошка или проволоки. Ионизированные газы высвобождают активные молекулы газов, некоторые из которых (например, водород) дополнительно поднимают температуру внутри плазменного столба, ускоряя процесс превращения молекул исходной заготовки в парообразное состояние. В результате ускоряется оседание движущихся частиц на подложку. Ионизация возможна не только из газа, но и из жидкости, испаряющейся в столбе дуги.

Напыляющие порошки разнообразят состав и свойства покрытий, поскольку в мелкодисперсное состояние может быть переработан широкий спектр металлов.

Плазменное напыление осуществляется в результате:

  • Инициализации плазмы высоковольтным разрядом, который образует электрическую дугу постоянного тока, образующуюся между двумя электродами — медным анодом и металлическим катодом (чаще – вольфрамовым). Электроды должны постоянно охлаждаться;
  • Генерирования потока высокотемпературного ионизированного плазменного газа, который обычно состоит из аргона/водорода или аргона/гелия;
  • Нагрева газа, с последующим ускорением его движения через сужающееся сопло;
  • Переноса мелкодисперсного порошка в плазменной струе на подложку.

Высококачественное покрытие образуется вследствие сочетания высокой температуры (до 15000°C), концентрированной тепловой энергии плазменной струи, инертной среды распыления и скоростей частиц, достигающих 300 м/с.

Последующая обработка покрытия

Процесс распыления в потоке плазмы ограничен материалами, которые имеют более высокую температуру плавления, чем пламя. При более низких температурах и скоростях (до 40 м/с), энергетические характеристики движущихся частиц уменьшаются, что приводит к окислообразованию, пористости и наличием различных включений в готовом покрытии. Снижается прочность сцепления и адгезии между покрытием и подложкой. Такие покрытия подвергают шлифовке или полированию. В обоснованных случаях предусматривается термическая обработка – закалка, отпуск, нормализация.

Оборудование плазменного напыления

Для диффузионной металлизации производят три вида устройств – со сжиганием кислородной смеси, с подачей инертного газа и с термическим разложением жидкости. Толщина покрытия достигает 100…120 мкм.

Установки плазменного напыления, использующие энергию высокоскоростной кислородной плазмы, работают при гиперзвуковых скоростях газа, достигающих 1600…1800 м/с в момент удара струи по подложке. Так производят плазменное напыление износостойкими карбидами металлов, когда не требуется полного расплавления ионизированных частиц.

Оборудование, где поток плазмы формируется в струе инертного газа, используется для производства покрытий, требующих сочетания хорошей износостойкости и ударопрочности. Нагрев приводит к тому, что газ достигает экстремальных температур, диссоциирует и ионизируется.

Установки третьего типа выполняют металлизацию в конечный момент формообразования поверхности или полости электродуговым разрядом, сжатым поперечным потоком рабочей среды. Такие установки наиболее производительны. В качестве примера рассмотрим станок типа «Дуга-8М», состоящий из следующих узлов:

  1. Инструментальной головки с электрододержателем.
  2. Герметизированной рабочей камеры.
  3. Насосной станции.
  4. Резервуара с диэлектриком.
  5. Генератора плазмы.
  6. Узлов контроля и слежения.

Диффузионная металлизация происходит так. Исходное изделие фиксируется в рабочей камере и герметизируется. Электрододержатель с электродом (имеющим сквозное отверстие) устанавливается над заготовкой, после чего через зону обработки производится прокачка среды под высоким давлением. Включается генератор плазмы, и производится перемещение электрода до момента пробоя межэлектродного промежутка. Высокая концентрация тепловой мощности в дуге приводит к размерному испарению материалов электрода и рабочей среды. В результате одновременно происходит съём металла и насыщение поверхности атомами элементов.

Читайте также:
Краска с эффект ржавчины: средства и способы имитации коррозии

Оборудование для плазменного напыления своими руками изготовить крайне сложно, поскольку кроме мощных источников питания, необходимых для создания дугового разряда, необходимы высокоточные узлы подачи рабочей среды к плазменному столбу.

Расходные материалы

Выбор исходных материалов определяется свойствами покрытия и стоимостью его получения.

Металлы. Предпочтение отдают интерметаллидам алюминия, железа, титана, никеля и кобальта, потому что они имеют высокие температуры плавления и сравнительно невысокие плотности, что уменьшает энергоёмкость плазменного напыления.

Самофлюсующиеся порошки. Используются порошки самофлюсующихся сплавов (типа бор-кремний). В процессе обработки расплавы порошков образуют металлургические соединения, устойчивые к коррозии и износу.

Минералокерамика. Для плазменного напыления используют исходные материалы, содержащие алюминий и кремний: они не дают трещин или отслаиваний. Добавка железа, марганца, меди, цинка и магния приводит к улучшению свойств покрытия.

Металлоорганические соединения. Используются преимущественно неполярные жидкости, которые хорошо растворяются в минеральных и синтетических маслах малой вязкости.

Расскажем, как и зачем проводится плазменное напыление

Свойства плазменного напыления

Работая с металлоконструкцией, порой надобно дополнить ее дополнительными свойствами, чтоб можно было использовать в любой сфере.

Таким образом поверхность станет еще больше резистентной к влаге, высокой температуре и химии.

Диффузная металлизация обладает многими особенностями, которые делают ее уникальной среди других видов обработки металла.

  1. В силу воздействия высоких температур (пять-шесть тысяч градусов) в разы ускоряется процедура обработки поверхности. Сам процесс происходит за доли секунд, и получается отличный результат.
  2. В результате получается комбинированный шар. Наносить можно не только элементы металла, то и газовые частицы из струи плазмы. Таким образом металлическая поверхность покрывается атомами определенных элементов металла.
  3. Если проводить классическое металлическое напыление, то нанесение происходит неравномерно, весьма долго и с окислительными процессами. А вот с помощью горячей плазмы получается правильная температура и давление, из-за которых формируется высококачественное покрытие.
  4. Плазменная струя переносит частицы металла и газов со скоростью света, что вы даже ничего не поймете. Так, происходит сварка с порошками, стержнями, прутками и проволоками. После образуется слой в несколько микрон-одного миллиметра на основании конструкции.

«Для совершения диффузной металлизации, применяется сложная аппаратура, в отличие от газоплазменного оборудования. Чтоб провести плазменную металлизацию, надобно использовать газовое и электроприспособление.»

Рис. 3. Микрофотография плазменного покрытия.

Плазменное напыление является одним из способов газотермического нанесения покрытий. В основе этого процесса лежит нагрев напыляемого материала до жидкого или пластического состояния, перенос его высокотемпературной плазменной струей к подложке с последующим образованием слоя покрытия.

При плазменном напылении в качестве напыляющих материалов применяют порошки, проволоки, прутки. Наиболее широко распространено напыление порошками. Схема плазменного напыления с использованием порошковых материалов показана на рис. 1. В плазмотроне, состоящем из водоохлаждаемого катодного узла (катод 2 и корпус 3) и анодного узла, с помощью источника 9 постоянного сварочного тока возбуждается плазменная дуга 8, которая стабилизируется стенками канала сопла и плазмообразуюшим газом, поступающим через подвод 1. Порошок подают из порошкового питателя 6 с помощью газа, который поступает по подводу 7.

Температура плазменной струи достигает 5000-55000 °С, а скорость истечения — 1000-3000 м/с. В плазменной струе частицы порошка расплавляются и приобретают скорость 50-500 м/с. Скорость полета частиц порошка зависит от их размера, плотности материала, силы сварочного тока дуги, природы и расхода плазмообразующего газа, конструкции плазмотрона. Порошок вводят в плазменную струю ниже среза сопла, на срез сопла или непосредственно в сопло. Нагрев напыляемых деталей не превышает 100-200 °С.

Рис. 1. Схема плазменного напыления порошком:

1 — подвод плазмообразующего газа; 2 — катод плазмотрона; 3 — корпус катода; 4 — изолятор; 5 — корпус анода; 6 — порошковый питатель; 7 — подвод газа, транспортирующего порошок; 8 — плазменная дуга; 9 — источник питания.

К преимуществам способа плазменного напыления относят возможность получения покрытий из большинства материалов, плавящихся без разложения и ограничения по температуре плавления. Производительность плазменного напыления достаточно высока: 3-20 кг/ч для плазмотронов с мощностью 30-40 кВт и 50-80 кг/ч для плазмотронов мощностью 150-200 кВт.

Плазменным напылением наносят покрытия как на плоские поверхности, так и на тела вращения и криволинейные поверхности. Для покрытия характерна слоистая структура с высокой неоднородностью физических и механических свойств (рис. 2). Тип связей между покрытием и деталью (подложкой), а также между частицами покрытия обычно смешанный — механическое сцепление, сила физического и химического взаимодействий. Прочность сцепления покрытия с подложкой обычно составляет 10-50 МПа при испытаниях на нормальный отрыв.

Читайте также:
Масло-воск для дерева: преимущества, способы изготовления и технология нанесения

Физические особенности формирования покрытий обуславливают появление открытой и закрытой пористостей. По мере увеличения толщины наносимого слоя открытые поры перекрываются, и пористость покрытия снижается. Поэтому плотность плазменных покрытий отличается от плотности материала и колеблется в пределах 80-97%. Обычно пористость плазменных покрытий составляет 10-15%.

Толщина покрытия практически не ограничена возможностями самого способа. Однако в силу физических особенностей процесса образования покрытий с увеличением толщины наносимого слоя в нем возрастают внутренние напряжения, которые стремятся оторвать покрытие от подложки. Поэтому обычно толщина покрытия не превышает 1 мм. Конструктивную нагрузку несет материал детали, а материал покрытия придает поверхности детали такие свойства, как твердость, износостойкость и т. п.

В качестве плазмообразующих газов применяют аргон, азот высокой чистоты, водород, гелий, а также смеси этих и других газов. В последние десятилетия успешно развиваются процессы плазменного напыления с использованием в качестве плазмообразующего газа смеси воздуха с горючим углеводородным газом (метаном, пропан-бутаном).

Рис. 2. Схема структуры плазменного покрытия:

1 — граница между частицами напыленного материала;

2 — граница между слоями;

3 — граница между покрытием и деталью;

4 — частица напыленного материала;

5 — поверхность детали.

Для генерирования плазмы используют различные плазмотроны. Реализуемые в конкретной конструкции диапазон и уровень удельных мощностей характеризуют эффективность преобразования электрической энергии дуги в тепловую плазменной струи, а также технологические возможности плазмотрона.

Задача разработки технологического плазмотрона всегда сводится к созданию относительно простой, ремонтопригодной конструкции, обеспечивающей стабильную длительную работу в широком диапазоне изменения сварочного тока дуги, расхода и состава плазмообразующего газа, а также генерирование плазменной струи с воспроизводимыми параметрами, что позволяет эффективно обрабатывать материалы с различными свойствами.

В практике напыления применяют как однородные порошки различных материалов (металлов, сплавов, оксидов, бескислородных тугоплавких соединений), так и композиционные, а также механические смеси указанных материалов.

Наиболее распространены следующие порошковые материалы:

металлы — Ni, Al, Mo, Ti, Cr, Cu;

сплавы — легированныестали, чугун, никелевые, медные, кобальтовые, титановые, в том числе самофлюсующиеся сплавы (Ni-Cr-B-Si, Ni-B-Si, Co-Ni-Cr-B-Si, Ni-Cu-B-Si);

оксиды Al, Ti, Cr, Zr и других металлов и их композиции;

бескислородные тугоплавкие соединения и твердые сплавы — карбиды Cr, Ti, W и др. и их композиции с Со и Ni;

композиционные плакированные порошки — Ni-графит, Ni-Аl и др.;

композиционные конгломерированные порошки— Ni-Al, NiCrBSi-Al и др.;

механические смеси — Cr3C2+NiCr, NiCrBSi+Cr3C2 и др.

В случае применения композиционных порошков в технологии газотермического напыления преследуют следующие цели:

использование экзотермического эффекта взаимодействия компонентов (Ni-Al, Ni-Ti и т. п.);

равномерное распределение компонентов в объеме покрытия, например, типа керметов (Ni-Al203 и т. п.);

защита материала ядра частицы от окисления или разложения при напылении (Co-WC, Ni-TiC и т. п.):

формирование покрытия с участием материала, самостоятельно не образующего покрытия при газотермическом напылении (Ni-графит и т. п.);

улучшение условий формирования покрытий за счет увеличения средней плотности частиц, введение компонентов с высокой энтальпией.

Применяемые для напыления порошки не должны разлагаться или возгоняться в процессе напыления, а должны иметь достаточную разницу между температурами плавления и кипения (не менее 200 °С).

При выборе порошковых материалов для получения различных плазменных покрытий необходимо учитывать следующие положения.

Гранулометрический состав применяемых порошковых материалов имеет первостепенное значение, так как от него зависят производительность и коэффициент использования, а также свойства покрытий. Размер частиц порошка выбирают в зависимости от характеристик источника тепловой энергии, теплофизических свойств напыляемого материала и его плотности.

Обычно при напылении мелкодисперсного порошка получают более плотное покрытие, хотя в нем содержится большое количество оксидов, возникающих в результате нагрева частиц и их взаимодействия с высокотемпературным потоком плазмы. Чрезмерно крупные частицы не успевают прогреться, поэтому не образуют достаточно прочной связи с поверхностью и между собой или просто отскакивают при ударе. При напылении порошка, состоящего из смеси частиц разных диаметров, более мелкие частицы расплавляются в непосредственной близости от места их подачи в сопло, заплавляют отверстие и образуют наплывы, которые время от времени отрываются и в виде больших капель попадают на напыляемое покрытие, ухудшая его качество. Поэтому напыление предпочтительно следует производить порошками одной фракции, а все порошки перед напылением подвергать рассеиванию (классификации).

Читайте также:
Как сделать имитацию коры дерева своими руками: пошаговая инструкция

Для керамических материалов оптимальный размер частиц порошка 50-70 мкм, а для металлов — около 100 мкм. Порошки, предназначенные для напыления, должны иметь сферическую форму. Они обладают хорошей сыпучестью, что облегчает их транспортировку к плазмотрону.

Почти все порошки гигроскопичны и могут окисляться, поэтому их хранят в закрытой таре. Порошки, находившиеся некоторое время в открытой таре, перед напылением прокаливают в сушильном шкафу из нержавеющей стали слоем 5-10 мм при температуре 120-130 °С в течение 1,5-2 ч.

Порошок для напыления выбирают с учетом условий эксплуатации напыляемых деталей.

Возможными дефектами плазменно-дугового способа нанесения покрытий является отслоение напыленного слоя, растрескивание покрытия, появление на поверхности крупных капель материала покрытия, капель меди, а также разнотолщинность покрытия (выше допустимой).

С целью повышения адгезионной и когезионной прочностей и других качественных характеристик плазменные покрытия подвергают дополнительной обработке различными способами: обкатка роликами под током, очистка напыляемых поверхностей от окалины и удаление слабо сцепленных с основой или с предыдущим слоем частиц металлическими щетками в процессе самого напыления, струйно-абразивная и ультразвуковая обработка и др.

Одним из наиболее распространенных способов улучшения качества покрытий из самофлюсующихся сплавов является их оплавление. Для оплавления используют индукционный или печной нагрев, нагрев в расплавах солей или металлов, плазменный, газопламенный, лазерный и др. В большинстве случаев предпочтение отдают нагреву в индукторах токами высокой частоты (ТВЧ). Напыленные покрытия системы Ni-Cr-B-Si-C подвергают оплавлению при 920-1200 0С с целью уменьшения исходной пористости, повышения твердости и прочности сцепления с металлом — основой.

Технологический процесс плазменного напыления состоит из предварительной очистки (любым известным методом), активационной обработки (например, абразивно-струйной) и непосредственно нанесения покрытия путем перемещения изделия относительно плазмотрона или наоборот.

Лащенко Г.И. Плазменное упрочнение и напыление. – К.: «Екотехнологiя», 2003 – 64 с.

Вас также может заинтересовать:

  • Гальваническое покрытие
  • Плазменное упрочнение
  • Сверхзвуковое напыление
  • Холодное газодинамическое напыление
  • Анодирование металлов

Какое оснащение применяется для диффузного напыления

Для совершения напыления ионами металла используется техническая плазма высокой температуры – совокупность множества квантовых частиц света, положительных ионов, нейтральных элементов, электронного газа.

В силу высокой температуры электрические газовые разряды создают сильную термоионизацию элементов, которые соединяются между собой и внешней средой. Потому существует простая плазма, слабо, умеренно и сильно ионизированная (в свою очередь делится на низкотемпературную и высокотемпературную).

Для того, чтоб совершить плазменную ионизацию металлоконструкции, применяется специфическое оснащение – плазменная аппаратура.

Как правило, применяется дуговой, импульсный либо искровой электрический разряд.

Чтоб все это реализовать, вам надобно воспользоваться:

  • Высокочастотным генератором (или сварочным модификатором) для создания разряда.
  • Герметизированной камерой (в ней вмещаются элементы для обработки основания диффузионным напылением).
  • Емкостью для газа. Под влиянием электроразряда происходит ионизация элементов.
  • Аппаратом для давления газа (годится вакуумное или насосное оборудование).
  • Системой для изменения тока, давления, напряжения и увеличения или уменьшения толщины поверхности металла.

Порядок плазменной ионизации происходит в следующем порядке:

  1. Фиксация детали в герметизированной камере, и формирование электрического разряда.
  2. Рабочая атмосфера накачивается давлением и частицами порошка (получается плазма высокой температуры, переносящая порошковые элементы на основание обрабатываемого изделия).
  3. При вакуумном напылении, в условии инертного газа или низком давлении возможно ускорение движения элементов, вследствие чего получается более плотное и с хорошей сцепляемостью покрытие.

Назначение

Изготовление деталей и изделий с функциональными свойствами поверхности, например, износостойкостью (за исключением деталей, испытывающих ударно-абразивное изнашивание), антифрикционностью, коррозионностойкостью, жаростойкостью, кавитационностойкостью, эрозионностойкостью, электроизоляцией, стойкостью против фреттинг-коррозии, декоративными характеристиками и др. Использование для восстановления размеров изношенных и бракованных поверхностей, нанесения ретенционных покрытий в стоматологии.

Сферы применения диффузионной металлизации

В силу того, что плазменному напылению может быть подвержен любой металл или металлический сплав, такой вид диффузионной обработки используется в промышленных масштабах, а также для реставрационных работ.

Металл в порошковом виде переносится в плазменное оборудование, в котором в силу воздействия плазмы высокой температуры он расплавляется и абсорбируется в металл тонким шаром.

Читайте также:
Синева на древесине — от чего возникает, чем грозит и как от него избавиться

Далее рассмотрим, где применяется распыление:

  • производство самолетов, космических и ракетных установок;
  • машиностроительство и энергетика;
  • металлургии и производстве химии;
  • отрасли нефтедобычи, нефтепереработки и добычи угля;
  • в сфере транспорта и производстве аппаратуры;
  • в сфере реставрации машин, установок и устаревших элементов.

После прохождения плазменно-порошковой струи по электродуге, и ее оседания на основании, оно обогащается следующими свойствами:

  • устойчивости к повышенным температурам;
  • резистентности к коррозии;
  • электроизоляции;
  • теплоизоляции;
  • устойчивость к эрозии;
  • кавитационной защиты;
  • магнитного притяжения;
  • полупроводимости.

«Наполнение плазменных порошков производится с помощью плазмообразующего либо транспортируемого газа. В силу металлизации получаются различные покрытия, независимо от температуры плавления (металл, комбинированный сплав, карбид, оксид, борид, нитрид, композит). После обработки материал внешне ни капли не пострадает, а наоборот обогатится дополнительными свойствами. Напылению подвергаются твердые и мягкие шары, тугоплавкие материалы, и средства любой плотности.»

Общий вид

«Плазмацентр» предлагает

  • услуги по восстановлению размеров и нанесению функциональных покрытий;
  • поставка оборудования и материалов для процессов сварки, пайки, наплавки, напыления, осаждения, аддитивных технологий (например, газопламенного, плазменного, высокоскоростного и детонационного напыления, плазменной наплавки, электроискрового легирования, порошковые дозаторы, приборы контроля);
  • проведение НИОКР в области инженерии поверхности, трибологии покрытий, плазменных методов обработки, выбора оптимальных покрытий и методов их нанесения;
  • обучение, консалтинг в области наплавки, напыления, упрочнения, модификации, закалки.

Свяжитесь с нами по телефонам: +7 (812) 679-46-74, +7 (921) 973-46-74, или напишите нам на почту
Наши менеджеры подробно расскажут об имеющихся у нас технологиях нанесения покрытий, упрочнения, восстановления, придания свойств поверхности, а также о стоимости услуг компании.

Особенности выполнения плазменного напыления — характеристика и задачи диффузной металлизации

Производство металлических изделий модернизируется по мере развития передовых технологий. Металл в большей степени подвержен воздействию влаги, поэтому для обеспечения высокого срока эксплуатации и придания деталям, рабочим механизмам и поверхностям требуемых свойств, в современной промышленности широко используют напыление металлов. Технология порошковой обработки заключается в нанесении на базовую металлическую основу защитного слоя, обеспечивающего высокие антикоррозийные характеристики напыляемых изделий.

Отличительные особенности диффузного напыления

При работе с металлическими поверхностями часто возникает необходимость придать конечному продукту дополнительные характеристики, чтобы расширить область применения детали. Можно защитить металлическую поверхность от воздействия влаги, высокой температуры и агрессивной химической среды. Плазменное напыление имеет ряд особенностей, которые отличают процесс металлизации от других вариантов обработки металлических поверхностей:

  1. Ускоренный процесс нанесения покрытий благодаря высокотемпературному воздействию на обрабатываемую поверхность – порядка 5000-6000° C. Технологически напыление может длиться доли секунд для получения необходимого результата.
  2. Плазменная обработка металлов позволяет создать на поверхности комбинированный слой. Диффундировать можно не только металлические частицы, но и элементы газа из плазменной струи. В итоге металл насыщается атомами нужных химических элементов.
  3. Традиционная металлизация протекает неравномерно и характеризуется длительностью технологического процесса и возможными окислительными реакциями. Струя высокотемпературной плазмы создает равномерную температуру и давление, обеспечивая высокое качество финальных покрытий.
  4. При помощи плазменной струи перенос частиц металла и атомов газа происходит мгновенно. Процесс относится к области сварки с применением порошков, стержней, прутков и проволоки. Перенесенные частицы образуют слой толщиной от нескольких микрон до миллиметров на поверхности твердого тела.

Современная диффузная металлизация предполагает использование более сложного оборудования, чем в случаях, когда применяют газоплазменное оборудование. Для организации процесса диффузной обработки требуется одновременно наличие газовой и электрической аппаратуры.

Оборудование для холодного напыления

Существует два варианта защиты металлов от негативного воздействия внешних и рабочих факторов – легирование и напыление с вакуумным оборудованием. То есть, в сплав добавляют атомы химических элементов, придающих изделиям требуемые характеристики, или наносят на базовую поверхность защитное покрытие.

Чаще всего в отрасли металлизации используют технологию нанесения гальванических покрытий, применяют методы погружения деталей в расплав, задействуют в процессах обработки вакуумную среду, пользуются магнетронным оборудованием.

Иногда используют детонационно-газовое напыление, которое разгоняет частицы до невероятных скоростей. Широко применяют плазмотроны, электродуговую металлизацию, газопламенную обработку, ионное напыление. Задачи промышленности диктуют свои условия, и перед инженерами возникла необходимость создать недорогое, простое в обращении оборудование, для которого можно использовать свойства нагретого сжатого воздуха.

Появилось понятие порошковой металлизации с добавлением в металлический порошок мелкодисперсионной керамики либо частиц твердого металла. Используется для работы с алюминием, никелем, медью.

Результат экспериментов превзошел ожидания, позволив решить следующие задачи:

  • Нагревание сжатого воздуха в камере приводит к повышению давления, что вызывает увеличение скорости вытекания наплава из сопла в установках.
  • При наборе металлическими частицами в газовой среде высокой скорости они ударяются о подложку, размягчаются и прикипают к ней. А керамические частицы уплотняют образовавшийся слой.
  • Использование порошковой технологии подходит для металлизации пластичных металлов – медь, алюминий, никель, цинк. После напыления изделия можно поддавать механической обработке.
Читайте также:
Анодирование в домашних условиях - способы и технология

Благодаря успешной работе инженеров удалось создать переносной аппарат, позволяющий выполнять металлизацию покрытий на всех промышленных предприятиях и в домашних условиях. Требования для успешной работы оборудования – наличие компрессорной установки (или воздушной сети) с давлением сжатого воздуха в пять-шесть атмосфер и электропитание.

В таблице ниже приведены данные для хромирования алюминия в домашних условиях. Перед нанесением гальванического покрытия требуется «положить» на деталь промежуточный металлический слой, а потом выполнять напыление алюминия.

Таблица 1. Хромирование алюминия

Использование передового оборудования для металлизации изделий позволяет решить технические вопросы, связанные с повышением антикоррозийных, прочностных, эксплуатационных характеристик, а также приданием машинам, деталям и механизмам требуемых свойств для работы в сложных эксплуатационных условиях.

Лазерная сварка (2 видео)


Металлизация – надежная защита поверхностей различных изделий

Под металлизацией понимают процесс нанесения специального слоя металла на металлические, бетонные, стеклянные и пластмассовые поверхности для придания им высокой жаро-, износо- и коррозионной стойкости, а также повышения декоративных качеств изделий.

1 Диффузионное насыщение стальных поверхностей – каким оно бывает?

Диффузионная металлизация – это метод насыщения изделий из сталей алюминием (алитирование, алюминирование), цинком (цинкование), бором (борирование), хромом (хромирование) или кремнием (силицирование). Такое нанесение повышает механические качества материалов, из которых изготовлены обрабатываемые детали – в частности, упрочняет их. Также описываемая методика подходит для восстановления деталей металлизацией.

Диффузионная металлизация может быть:

  • жидкой – изделие погружается в расплав металла;
  • твердой – используется ферросплав, содержащий хлористый аммоний;
  • газовой – выполняется в газовых атмосферах, в которых присутствуют галогенные комбинации диффундирующего компонента.

Диффузионная металлизация придает деталям из углеродистой стали высокую жаростойкость (для этих целей применяется силицирование или алюминирование (алитирование)), стойкость к абразивному износу и повышенный показатель твердости. Изделия после алитирования стали становятся более качественными, их можно эксплуатировать в средах, где всегда имеется повышенная температура (вплоть до 1100 °С).

Диффузионная металлизация имеет несколько недостатков:

  • малая скорость диффузии (алитирование, силицирование – это достаточно длительная процедура);
  • тонкие слои, которые по своим защитным свойствам в несколько сотен раз менее эффективны, нежели покрытия, получаемые, например, при цементации стали.

Эти недостатки существенно ограничивают применение диффузионной технологии на промпредприятиях.

2 Алюминирование и силицирование – информация о методиках

Алюминирование (оно же алитирование) производится в тех случаях, когда деталям и механизмам машин требуется придать высокие антикоррозионные свойства при повышенных (до 900 °С) температурах. Чаще всего такое напыление используется для упрочнения конструкций из жаропрочных сталей и аустенитных сплавов с малым содержанием углерода.

Алитирование считается незаменимой методикой при изготовлении оборудования для крекинга газа и нефти, компонентов газовых турбин и двигателей автотранспортных средств, печной арматуры, элементов паронагревательной аппаратуры. Алюминирование нередко выполняется вместо горячего цинкования деталей трубных изделий, проволоки, стальных листов, а также в строительной отрасли.

Технология метода сравнительно проста. Алитирование осуществляется в смесях порошкообразного вида, состоящих из ферроалюминия, алюминия и его окислов. Напыление длится около восьми часов, ведется при температуре порядка 1000 °С. При таких условиях алюминирование позволяет получать на поверхности металлических изделий защитный слой толщиной около половины миллиметра (действительно качественное напыление с превосходным защитным потенциалом).

Кроме того, алитирование (алюминирование) иногда производится следующими способами:

  • нанесением на изделия слоя специальной алюминиевой краски с их последующим отжигом (диффузионным) в защитной среде;
  • нанесением порошка, содержащего алюминий, с обязательным отжигом детали после обработки изоляционной обмазкой;
  • погружением заготовки в расплав (жидкое алитирование) при температуре около 750 °С.
Читайте также:
Декоративные пропитки для дерева - виды, свойства и характеристики

Алюминирование небольших по геометрическим размерам деталей и печатных плат обычно выполняют посредством газотермического напыления.

Силицирование осуществляется в жидких либо газообразных средах. При этом разрешается применять и безэлектролизный, и классический электролизный способ обработки изделий. Силицирование обеспечивает конструкциям, функционирующим в различных кислотах или в соленой воде, уникальную стойкость против коррозии. Современная технология напыления металла кремнием позволяет получать оборудование и устройства для нефтяной, бумажной и химической промышленности с высокотвердыми слоями толщиной до 1000 микрометров.

3 Особенности электродуговой обработки стальных поверхностей

Электродуговая металлизация – нанесение защитного покрытия посредством расплавления электродугой проволочных электродов и последующего распыления (в сжатой струе воздуха) металла, выполняющего роль протектора. В результате подобного процесса (требуется специальное оборудование) на поверхность стальных изделий наносятся мелкие частицы, которые формируют покрытие сплошного типа.

Электродуговая металлизация характеризуется рядом достоинств:

  • большая (до 15 мм) толщина получаемого защитного слоя;
  • недорогое оборудование и сравнительно простая технология процесса;
  • возможность внедрения в производство специальных линий, автоматизирующих проведение операции;
  • отличная производительность.

Кроме того, электродуговая металлизация гарантирует рациональный расход распыляемых металлов, малые затраты (энергетические) на получение покрытия с заданными параметрами, высокую производительность. Да и оборудование для нее отличается повышенной надежностью.

Не лишена электродуговая металлизация и недостатков. Во-первых, ее технология не всегда обеспечивает хорошую прочность сцепления стальной основы с наносимым покрытием. Во-вторых, выполнять данное напыление не рекомендуется для обработки изделий, работающих в коррозионных средах.

4 Другие способы металлизации стальных деталей – вакуумное и плазменное напыление

Широкое распространение получила вакуумная металлизация и напыление конструкций из стекла, металла, керамики, пластмасс и пластика. Ее используют для улучшения декоративных характеристик:

  • сварных конструкций;
  • решеток, светильников, элементов экстерьера и интерьера;
  • разной по назначению фурнитуры;
  • сувениров;
  • аксессуаров транспортных средств.

Чтобы качественно выполнить подобное напыление, требуются специальные устройства и дорогое оборудование – магнетронные системы, дуговые и ионные источники. Вакуумная металлизация подходит для защиты стеклянных, металлических, пластиковых и керамических изделий. Для процесса необходимо особое оборудование, поэтому выполнить его в домашних условиях невозможно.

Еще одна сложная методика защиты поверхности – плазменная металлизация. Она также требует применения специального оборудования, позволяющего получать ионизированный газ (техническую плазму). Такой вид обработки производят при помощи порошковых материалов, дополнительно используют металлические прутки и проволоку.

5 Несколько слов о металлизации печатных плат

Надежность эксплуатации печатных плат напрямую зависит от того, насколько качественно выполнена металлизация сквозных отверстий в них. В ходе процесса в отверстиях осаждается медь. Это, по сути, электрохимическая обработка печатных плат, которая не вызывает особых сложностей у опытных людей.

Метод металлизации сквозных отверстий в печатных платах состоит из двух этапов:

  • сначала происходит активация меди за счет катализирующего воздействия палладия, входящего в состав смеси для обработки печатных плат;
  • затем на центрах активации начинается процесс восстановления меди.

В результате этой двухстадийной операции в отверстиях печатных плат создается сплошное проводящее покрытие. При наличии спецоборудования и некоторых умений несложно выполнить металлизацию отверстий в домашних условиях.

Плазменное напыление металла

Виды и применение процессов плазменного напыления металлов

Плазменное напыление (или, другими словами – диффузионная металлизация) эффективный способ изменения физико-механических свойств, а также структуры основной поверхности. Поэтому он часто используется с декоративными целями, и для увеличения стойкости конечного продукта.

Принцип плазменного напыления

Как и традиционные методы поверхностных покрытий, при диффузионной металлизации происходит осаждение на поверхности металла слоя другого металла или сплава, который обладает необходимыми для последующего применения детали свойствами – нужным цветом, антикоррозионной стойкостью, твёрдостью. Отличия заключаются в следующем:

  1. Высокотемпературная (5000 — 6000 °С) плазма значительно ускоряет процесс нанесения покрытий, который может составлять доли секунд.
  2. При диффузионной металлизации в струе плазмы в поверхностные слои металла могут диффундировать также химические элементы из газа, где проводится обработка. Таким образом, регулируя химический состав газа, можно добиваться комбинированного поверхностного насыщения металла атомами нужных элементов.
  3. Равномерность температуры и давления внутри плазменной струи обеспечивает высокое качество конечных покрытий, чего весьма трудно достичь при традиционных способах металлизации.
  4. Плазменное напыление отличается чрезвычайно малой длительностью процесса. В результате не только повышается производительность, но также исключается перегрев, окисление, прочие нежелательные поверхностные явления.
Читайте также:
Тепловые обои: уникальный отделочный материал, который может менять свой рисунок

Рабочие установки для реализации процесса

Поскольку чаще всего для инициации высокотемпературной плазмы используется электрический разряд – дуговой, искровой или импульсный – то применяемое для такого способа напыления оборудование включает:

  • Источник создания разряда: высокочастотный генератор, либо сварочный преобразователь;
  • Рабочую герметизированную камеру, где размещается подвергаемая металлизации заготовка;
  • Резервуар для газа, в атмосфере которого будет производиться формирование высокотемпературной плазмы;
  • Насосной или вакуумной установки, обеспечивающей необходимое давление для прокачки рабочей среды или для создания требуемого разрежения;
  • Системы управления за ходом протекания процесса.

Работа плазмотрона, выполняющего плазменное напыление, происходит так. В герметизированной камере закрепляется напыляемая деталь, после чего между поверхностями рабочего электрода (в состав которого входят напыляемые элементы) и заготовкой возбуждается электрический разряд. Одновременно через рабочую зону с требуемым давлением прокачивается жидкая или газообразная среда. Её назначение – сжать зону разряда, повысив тем самым объёмную плотность его тепловой мощности. Высококонцентрированная плазма обеспечивает размерное испарение металла электрода и одновременно инициирует пиролиз окружающей заготовку среды. В результате на поверхности образуется слой нужного химического состава. Изменяя характеристики разряда – ток, напряжение, давление – можно управлять толщиной, а также структурой напыляемого покрытия.

Схема плазменного напыления

Аналогично происходит и процесс диффузионной металлизации в вакууме, за исключением того, что сжатие плазмы происходит вследствие разницы давлений внутри и вне её столба.

Технологическая оснастка, расходные материалы

Выбор материала электродов зависит от назначения напыления и вида обрабатываемого металла. Например, для упрочнения штампов наиболее эффективны электроды из железо-никелевых сплавов, которые дополнительно легируются такими элементами, как хром, бор, кремний. Хром повышает износостойкость покрытия, бор – твёрдость, а кремний – плотность финишного покрытия.

При металлизации с декоративными целями, главным критерием выбора металла рабочего электрода является конфигурация напыляемой поверхности, а также её внешний вид. Напыление медью, например, производят электродами из электротехнической меди М1.

Важной структурной составляющей процесса является состав среды. Например, при необходимости получить в напыляемом слое высокостойкие нитриды и карбиды, в газе должны присутствовать органические среды, содержащие углерод или азот.

Последующая обработка готового покрытия

В силу особенностей процесса плотность напылённого слоя и прочность его сцепления с основным металлом не всегда бывают достаточными для обеспечения долговечности покрытия. Поэтому часто после обработки деталь подвергается последующему поверхностному оплавлению с использованием кислородно-ацетиленового пламени, либо в термических печах. Как следствие, плотность покрытия возрастает в несколько раз. После этого продукцию шлифуют и полируют, применяя твердосплавный инструмент.

С учётом последующей доводки изделия, толщину слоя металла после обработки принимают не менее 0,8 — 0,9 мм.

Для придания детали окончательных прочностных свойств её закаливают и отпускают, применяя технологические режимы, рекомендуемые для основного металла.

Плазменное напыление повышает теплостойкость, износостойкость и твёрдость изделий, увеличивает их способность противодействовать коррозионным процессам, а напыление с декоративными целями значительно улучшает внешний вид деталей.

Ограничениями технологии диффузионного плазменного напыления считаются чрезмерная сложность конфигурации заготовки, а также относительная сложность используемых установок.

При невысоких требованиях к равномерности образующегося слоя можно использовать и более простые установки, конструктивно напоминающие сварочные полуавтоматы. В этом случае плазменное напыление производится в воздушном пузыре, который образуется при обдуве зоны обработки компрессором. Электроды, в составе которых имеется напыляемый металл, последовательно перемещаются по контуру изделия. Для улучшения сцепления напыляемого металла с основой внутрь зоны напыления вводится также присадочный материал.

Процесс напыления металлического порошка на токарном станке

ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

Прозрачный алюминий – чудо современной науки

Новость о том, что ученые изобрели «прозрачный алюминий» (Transparent Aluminum Armor), не нова. Однако говорить о том, что много кто знает об этой новости еще рано, поэтому сегодня почитайте об этом интересном и получившем значительное практическое применение открытии. Открытие получило название AION или оксинитрид алюминия и является соединением алюминия, кислорода и азота, представляя собой прозрачную керамическую твердую массу, которая в четыре раза прочнее закаленного стекла. На данный момент выпускается под торговой маркой ALON. Интересно, что кварц-оксинитрид алюминия, призван заменить довольно привычное пуленепробиваемое стекло. Однако на этом его функции не заканчиваются.

Читайте также:
Каменный шпон из сланца: разновидности, применение и правила монтажа

  • Наша продукция
  • Презентации по направлениям
  • Инжиниринг
  • Консалтинг
  • Металлообработка
  • Моделирование
  • Разработки

Отполировав ALON, из него можно сделать стекло для иллюминатора, более того, его невозможно поцарапать привычными способами, а так же обладает отличной удароустойчивостью.

При всех этих показателях, ALON вдвое легче и тоньше чем обычное бронестекло. Таким образом, ALON буквально ворвался сразу в несколько ниш и с каждым годом улучшает свои позиции.

Важно и то, что процесс производства ALON-а не является технологически «замудренным», что облегчает задачу производителей. Однако и дома его создать не получится, впрочем, что бы вы понимали, как происходит весь процесс создания оксинитрида алюминия, расскажем о нем.

1. Способ получения литого оксинитрида алюминия в режиме горения, включающий приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксид хрома VI, оксид алюминия, алюминий и нитрид алюминия, помещение реакционной смеси в реактор СВС в форме из тугоплавкого материала, выполненной из кварца, графита или нержавеющей стали, воспламенение смеси с последующим реагированием ее компонентов в режиме горения в газовой среде азота, или смеси азота с воздухом, или смеси азота с аргоном под давлением 0,1-10 МПа, после завершения синтеза целевой продукт в виде слитка оксинитрида алюминия отделяют от слитка алюминида хрома, при этом реакционную смесь готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%

  • Оксид хрома VI 37,3-41,0
  • Алюминий 31,0-34,0
  • Оксид алюминия 22,7-25,0
  • Нитрид алюминия до 9,0

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что между реакционной смесью компонентов и стенкой формы помещают функциональный слой из порошка оксинитрида алюминия.

На данный момент ALON начали использовать более многогранно, так, например, компаний Microsoft, занимаясь разработкой «умных часов», в корпусе своей разработки применяет именно оксинитрид алюминия. Так что, кто знает, быть может, даже изготовление алюминиевых конструкций с использованием ALON-а уже не за горами, однако о подобном можно мечтать лишь в случае снижения стоимости материала.

Инженеры из исследовательской лаборатории флота США разработали процесс изготовления прочной и недорогой замены стекла. Прозрачный материал делают при помощи низкотемпературного спекания из искусственно полученных кристаллов шпинели.

Шпинель – это смешанный оксид магния и алюминия, минерал, встречающийся в природе. В естественном виде он бывает разных цветов. Например, красная шпинель неотличима на глаз от рубина, поэтому раньше эти два минерала путали между собой. Одна из знаменитых драгоценностей британской короны, Рубин Чёрного Принца, на самом деле – шпинель.

Этот материал очень твёрдый, он способен сопротивляться ударным нагрузкам и истиранию при воздействии дождя, солёной воды или песка. Кроме того, он пропускает инфракрасное излучение, поэтому может пригодиться при изготовлении различных приборов. В отличие от стекла, материал не трескается по всей поверхности – вместо этого при ударном воздействии от него просто откалывается небольшой кусок. Конечное изделие можно полировать и отшлифовывать.

Ранее инженеры пытались получить этот материал при помощи высоких температур (2000 градусов и более). Но этот процесс был как дорогим из-за энергозатрат, так и неэффективным – необходимость отделять готовый материал от поверхности тигеля приводила к появлениям дефектов. При спекании используется горячий пресс, который делает из порошковой заготовки конечное поликристаллическое изделие.

Попытки изготовить большие панели из шпинели спеканием делались и раньше. Однако материал получался мутным, с небольшими островками прозрачности. Инженерам удалось усовершенствовать качество продукта, добавив в сырьё порядка 1% фторида лития, который, расплавляясь, работает как смазка, и позволяет кристаллам шпинели правильно выстраиваться друг относительно друга.


Сырьё для производства доступно в изобилии, что делает себестоимость изделий минимальной. Благодаря простоте технологии, из материала можно делать изделия любой формы. Возможности использования обширны: изогнутые окна (например, иллюминаторы для самолётов), линзы для приборов, стёкла часов, экраны смартфонов (прочнее, чем gorilla glass), линзы для камер и биноклей. Военные интересуются использованием этого материала в качестве прозрачной брони – по сравнению с современными пуленепробиваемыми стёклами вес готового изделия будет как минимум в 2 раза меньше.

  • Наша продукция
  • Презентации по направлениям
  • Инжиниринг
  • Консалтинг
  • Металлообработка
  • Моделирование
  • Разработки

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Читайте также:
Каменный шпон из сланца: разновидности, применение и правила монтажа

alexandr_palkin

МИРОСТРОИТЕЛЬСТВО

БУДУЩЕЕ РОССИИ РОЖДАЕТСЯ В КАЖДОМ ИЗ НАС

Новость о том, что ученые изобрели «прозрачный алюминий» (Transparent Aluminum Armor), не нова. Однако говорить о том, что много кто знает об этой новости еще рано, поэтому сегодня почитайте об этом интересном и получившем значительное практическое применение открытии.

Открытие получило название AION или оксинитрид алюминия и является соединением алюминия, кислорода и азота, представляя собой прозрачную керамическую твердую массу, которая в четыре раза прочнее закаленного стекла. На данный момент выпускается под торговой маркой ALON.

Интересно, что кварц-оксинитрид алюминия, призван заменить довольно привычное пуленепробиваемое стекло. Однако на этом его функции не заканчиваются. Отполировав ALON, из него можно сделать стекло для иллюминатора, более того, его невозможно поцарапать привычными способами, а так же обладает отличной удароустойчивостью. При всех этих показателях, ALON вдвое легче и тоньше чем обычное бронестекло. Таким образом, ALON буквально ворвался сразу в несколько ниш и с каждым годом улучшает свои позиции.

Важно и то, что процесс производства ALON-а не является технологически «замудренным», что облегчает задачу производителей. Однако и дома его создать не получится, впрочем, что бы вы понимали, как происходит весь процесс создания оксинитрида алюминия, расскажем о нем.

1. Способ получения литого оксинитрида алюминия в режиме горения, включающий приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксид хрома VI, оксид алюминия, алюминий и нитрид алюминия, помещение реакционной смеси в реактор СВС в форме из тугоплавкого материала, выполненной из кварца, графита или нержавеющей стали, воспламенение смеси с последующим реагированием ее компонентов в режиме горения в газовой среде азота, или смеси азота с воздухом, или смеси азота с аргоном под давлением 0,1-10 МПа, после завершения синтеза целевой продукт в виде слитка оксинитрида алюминия отделяют от слитка алюминида хрома, при этом реакционную смесь готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%

  • Оксид хрома VI 37,3-41,0
  • Алюминий 31,0-34,0
  • Оксид алюминия 22,7-25,0
  • Нитрид алюминия до 9,0

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что между реакционной смесью компонентов и стенкой формы помещают функциональный слой из порошка оксинитрида алюминия.

На данный момент ALON начали использовать более многогранно, так, например, компаний Microsoft, занимаясь разработкой «умных часов», в корпусе своей разработки применяет именно оксинитрид алюминия. Так что, кто знает, быть может, даже изготовление алюминиевых конструкций с использованием ALON-а уже не за горами, однако о подобном можно мечтать лишь в случае снижения стоимости материала.

Инженеры из исследовательской лаборатории флота США разработали процесс изготовления прочной и недорогой замены стекла. Прозрачный материал делают при помощи низкотемпературного спекания из искусственно полученных кристаллов шпинели.

Шпинель – это смешанный оксид магния и алюминия, минерал, встречающийся в природе. В естественном виде он бывает разных цветов. Например, красная шпинель неотличима на глаз от рубина, поэтому раньше эти два минерала путали между собой. Одна из знаменитых драгоценностей британской короны, Рубин Чёрного Принца, на самом деле – шпинель.

Этот материал очень твёрдый, он способен сопротивляться ударным нагрузкам и истиранию при воздействии дождя, солёной воды или песка. Кроме того, он пропускает инфракрасное излучение, поэтому может пригодиться при изготовлении различных приборов. В отличие от стекла, материал не трескается по всей поверхности – вместо этого при ударном воздействии от него просто откалывается небольшой кусок. Конечное изделие можно полировать и отшлифовывать.

Ранее инженеры пытались получить этот материал при помощи высоких температур (2000 градусов и более). Но этот процесс был как дорогим из-за энергозатрат, так и неэффективным – необходимость отделять готовый материал от поверхности тигеля приводила к появлениям дефектов. При спекании используется горячий пресс, который делает из порошковой заготовки конечное поликристаллическое изделие.

Попытки изготовить большие панели из шпинели спеканием делались и раньше. Однако материал получался мутным, с небольшими островками прозрачности. Инженерам удалось усовершенствовать качество продукта, добавив в сырьё порядка 1% фторида лития, который, расплавляясь, работает как смазка, и позволяет кристаллам шпинели правильно выстраиваться друг относительно друга.

Сырьё для производства доступно в изобилии, что делает себестоимость изделий минимальной. Благодаря простоте технологии, из материала можно делать изделия любой формы. Возможности использования обширны: изогнутые окна (например, иллюминаторы для самолётов), линзы для приборов, стёкла часов, экраны смартфонов (прочнее, чем gorilla glass), линзы для камер и биноклей. Военные интересуются использованием этого материала в качестве прозрачной брони – по сравнению с современными пуленепробиваемыми стёклами вес готового изделия будет как минимум в 2 раза меньше.

Читайте также:
Как сделать имитацию коры дерева своими руками: пошаговая инструкция

Еще несколько интересных и необычных технологий: вот например Асфальт без луж. Есть ли перспективы?, а вот как сваривают рельсы железной дороги. Напомню вам, как может работать компьютер в аквариуме и будут ли у нас пластиковые дороги.

Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия – http://infoglaz.ru/?p=84948

Наука. Прозрачный алюминий

Ученые из Оксфордского университета создали прозрачную форму алюминия, бомбардируя металл самым мощным рентгеновским лазером. До сих пор прозрачный алюминий описывался только в научной фантастике.

В реальности же экзотичная форма материала станет подспорьем как для ядерной энергетики, так и для понимания того, что именно происходит в ядрах огромных планет.

Авторы эксперимента взяли кусочек тонкой алюминиевой фольги и направили на него лазер, основная энергия которого генерировалась в рентгеновском диапазоне электромагнитного излучения. Воздействие равнялось приблизительно 10 млн ГВт энергии на квадратный сантиметр и привело к феноменальному результату.

При обычных температуре и давлении алюминий – это решетка атомов с огромным количеством свободных электронов. Краткое пульсирование лазера выбило по электрону из каждого алюминиевого атома, позволив фотонам проходить прямо через материал и сделав алюминий практически невидимым для ультрафиолетового излучения. Хотя металл нагрелся до чрезвычайно высокой температуры, он сохранил свою жесткость: это явление, считают ученые, аналогично тому, что происходит в ядрах гигантских планет вроде Юпитера.

«То, что мы создали, абсолютно новая форма вещества, которую никто еще не видел, – комментирует результат эксперимента один из его авторов, профессор физики Джастин Уорк. – Прозрачный алюминий – это только начало. Физические свойства материала, который мы создали, схожи с условиями внутри больших планет. Мы надеемся, что, изучая его, сможем лучше понять то, что происходит во время возникновения «миниатюрных звезд», созданных мощными лазерными имплозиями (внутренние взрывы). Однажды человек научится использовать энергию от такого процесса здесь, на Земле».

Открытие стало возможным благодаря созданию нового источника излучения, в десять миллиардов раз превосходящего по яркости любой синхротрон в мире (например, такой, как британский «Алмазный источник света», генерирующий лучи света в диапазонах от инфракрасного до рентгеновского). Эта мощная лазерная установка, называемая FLASH laser, располагается в немецком Гамбурге и производит чрезвычайно краткие вспышки мягкого рентгеновского излучения, каждая из которых мощнее электростанции, обеспечивающей электричеством целый город. При поддержке коллег из других стран ученые из Оксфорда сосредоточили всю эту энергию в пятне, диаметр которого тоньше 1/20 ширины человеческого волоса. Именно при такой высокой интенсивности лазерного излучения алюминий и стал прозрачным.

Пока что эффект «невидимости» длился в течение чрезвычайно краткого периода – приблизительно 40 фемтосекунд, однако это демонстрирует, что такое экзотическое состояние вещества в принципе может быть создано на практике.

«Особенно замечательным в нашем эксперименте является то, что мы превратили обычный алюминий в этот экзотический новый материал в один этап, применив для этого очень сильный лазер. В течение краткого периода образец выглядит и ведет себя как совершенно иной материал, как если бы мы трансформировали каждый алюминиевый атом в кремний. Для нас это практически то же самое, как если бы нам удалось при помощи света получить чистое золото», – добавляет профессор Уорк.

Исследователи полагают, что использованный ими подход идеален для создания и изучения экзотических состояний веществ. Его значение многопланово и очень важно для планетарной науки, астрофизики и ядерной энергетики.

Команда исследователей надеется продолжить изучение свойств горячего плотного вещества, планируя в будущем применять для этой цели новые, еще более сильные рентгеновские лазеры.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: