Сколтех адаптировал метод холодного газодинамического напыления низкого давления для нанесения композитных латунных покрытий

Учёные из Сколтеха (группа ВЭБ.РФ) впервые нанесли композитное покрытие на основе латуни с упрочняющими частицами оксида алюминия на стальную деталь методом холодного газодинамического напыления низкого давления. Исследование опубликовано в журнале Results in Engineering (Elsevier). Первый автор — Ирина Тумбусова, аспирант программы «Математика и механика» Сколтеха. Полное название работы — «Low-pressure cold spray deposition of mechanically alloyed brass – Al₂O₃ composite coatings: Microstructure, mechanical properties, and tribological performance». DOI: 10.1016/j.rineng.2026.110676.

Контекст: латунные покрытия и существующие методы их нанесения

Латунные покрытия применяются для повышения износостойкости, антифрикционной защиты и коррозионной стойкости металлических деталей в авиации, морской технике, железнодорожном транспорте, при соединении сегментов буровых колонн, трубопроводов, рельсов, а также в промышленных станках — для защиты направляющих и других подверженных трению поверхностей.

Традиционно для нанесения латунных покрытий применяются два метода:

— Гальваническое осаждение. Требует крупного стационарного оборудования для электрохимического осаждения, образует сточные воды с тяжёлыми металлами и высокотоксичные отходы.

— Холодное газодинамическое напыление высокого давления (high-pressure cold spray). Технически требовательный метод: при высоких температурах и давлениях частицы металла на сверхзвуковой скорости ударяются о поверхность детали и привариваются к ней за счёт пластической деформации. Сопутствующий нагрев создаёт риск нежелательного воздействия на стальную подложку и окисления формируемого латунного покрытия.

Холодное напыление низкого давления: ранее недоступная ниша

Холодное газодинамическое напыление низкого давления лишено указанных недостатков высокотемпературных методов. Однако до настоящего времени этот метод не применялся для нанесения композитных латунных покрытий: при использовании раздельных порошков меди и цинка не удавалось обеспечить однородность состава — на отдельных участках поверхности преобладала медь, на других — цинк. В результате формировалась медно-цинковая смесь, а не латунный сплав, что негативно отражалось на эксплуатационных характеристиках покрытия.

Решение: механическое легирование порошков до напыления

Ключевое технологическое решение, предложенное командой Сколтеха, — предварительная обработка сырья методом механического легирования до начала напыления. По описанию Ирины Тумбусовой, в традиционной схеме холодного напыления используются три отдельных порошка — медь, цинк и упрочняющая добавка (в данном случае — корунд, Al₂O₃). В работе Сколтеха порошки меди и цинка прошли стадию механического легирования, в результате чего латунный сплав сформировался ещё до начала напыления.

Механическое легирование — это метод получения сплава без плавления в печи. Порошки длительно и интенсивно перемалываются в высокоэнергетической мельнице; за счёт многократных ударов частицы деформируются, дробятся, «свариваются» друг с другом и постепенно приобретают однородный состав.

Проведённые испытания

Авторы провели характеризацию полученного покрытия:

— Сканирующая электронная микроскопия (SEM) и энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX) — для подтверждения равномерного распределения меди и цинка в покрытии;

— Трибологические испытания на износостойкость с формированием колеи;

— Анализ микроструктуры, механических свойств и трибологических характеристик.

Результаты испытаний на износ показали формирование уплотнённого слоя под колеёй и повышенную концентрацию кислорода в этой зоне — эффект, способствующий снижению коэффициента трения.

Преимущества метода

Адаптированный метод холодного напыления низкого давления, по описанию авторов, обеспечивает совокупность преимуществ:

— Снижение экологической нагрузки — отсутствие токсичных сточных вод и тяжёлых отходов по сравнению с гальваническим методом;

— Снижение риска перегрева стальной подложки и окисления латунного покрытия — за счёт более низкой рабочей температуры по сравнению с холодным напылением высокого давления;

— Экономическая эффективность — использование более простого и компактного оборудования;

— Мобильность — компактность оборудования позволяет проводить ремонт силами выездной бригады непосредственно на промышленных и инфраструктурных объектах, без транспортировки повреждённой детали в стационарные условия.

Значение для индустрии защитных покрытий

Хотя латунные покрытия не относятся к лакокрасочным материалам в классическом понимании, они входят в более широкую категорию защитных покрытий для металлов наряду с системами антикоррозионной защиты по ISO 12944 и термонапылительными покрытиями. В сегментах нефтегазового, бурового, морского и авиационного оборудования металлические покрытия и лакокрасочные системы часто работают комплементарно — металлизация как подслой или альтернатива в зонах высокого механического износа, ЛКМ-системы как финишная защита от коррозии и атмосферного воздействия.

Разработка Сколтеха расширяет инструментарий российских предприятий, работающих с защитой металлоконструкций в указанных сегментах, и открывает возможность мобильного ремонта изношенных деталей без замены — направление, актуальное для эксплуатации удалённой и труднодоступной инфраструктуры.