От плавления к ускорению Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

плавления

к ускорению

Плазменный, детонационный, газопламенный и иные высокотемпературные способы получения многокомпонентных покрытий до недавнего времени считались безальтернативными. Теперь у них появился сильный конкурент

Впервые явление холодного газодинамического напыления было зафиксировано в начале 1980-х годов в Институте теоретической и прикладной механики им. С .А. Христианович СО РАН (Новосибирск) в процессе экспериментального изучения обтекания затупленных тел сверхзвуковым потоком газа, содержащим частицы алюминия, с температурой торможения около 0—20 °С.

Согласно распространенной тогда точке зрения устойчивые покрытия образуются при напылении расплавленных или близких к этому частиц. Однако показав ошибочность такого утверждения, отмеченный эффект дал то.лчок быстрому развитию нового способа получения покрытий, названного холодным газодинамическим напылением, созданию новых технологий и техники.

Суть ХГН - не расплавляем, а ускоряем. Дальнейшие исследования, проведенные по схеме «разгоняемая в сопле сверхзвуковая гетерогенная струя - преграда для напыления», показали определяющую роль скорости частиц. Для металлических частиц с размером

менее 50 мкм существуют критические скорости (500—600 м/с) их взаимодействия с подложкой. При скорости частиц меньше критической наблюдается процесс эрозии. Если скорость частиц превышает критическое значение, происходит процесс напыления. Важно, что свойства получающихся покрытий (адгезия, пористость, микротвердость и т.д.) зависят от скорости напыляемых частиц.

Поскольку при ХГН отсутствует сильное термическое воздействие на частицы, то нет и связанных с ним нежелательных побочных эффектов (к примеру, таких как окисление или фазовые переходы), и жестких ограничений на размер частиц. С учетом того, что размеры сопла пропорциональны размеру частиц, а диаметр сопла может быть уменьшен до 1 мм и менее, здесь просматривается прямой путь к нанотехнологиям.

Способ холодного газодинамического напыления позволяет использовать для получения покрытий не только однокомпонентные порошки, но и их смеси. Поскольку эффективное напыление каждого материала происходит при определенных значениях температуры

Микроструктуры полученных покрытий: медь + керамика (внизу), алюминий + керамика (справа)

Исходные частицы алюминия среднего размера 30 мкм (справа)', частица алюминия, закрепившаяся на полированной поверхности (внизу) (скорость частицы перед ударом около 1100 м/с, температура около

100 °С)

Ключевые слова: гетерогенный поток, холодное газодинамическое напыление, покрытие, адгезия, композиционное покрытие.

Key words: heterogeneous stream, cold gas dynamic spray, coating, adhesion, composite coating

В случае ввода, например, частиц меди (красный цвет) в дозвуковую область, а алюминия (зеленый цвет) -в сверхзвуковую, их параметры при смешивании являются оптимальными для напыления

При металлокерамическом напылении частицы металла инжектируются в форкамеру сверхзвукового сопла, а частицы керамики вводятся при выходе из сопла, что позволяет избежать эрозии стенок сопла в критическом сечении

Схема соплового узла, позволяющего реализовать раздельный ввод в поток компонентов смеси

и скорости его частиц, эти значения могут сильно разниться для различных компонентов смеси (например, при смешивании алюминия с железом или титаном).

Предложена схема соплового узла, позволяющего управлять температурой и скоростью напыляемых частиц не только варьированием параметров газового потока и вводимых компонентов смеси, но и независимой инжекцией этих компонентов в разные области потока для достижения их оптимального напыления. В результате применения этого устройства управление процессом получения качественных покрытий при любом сочетании используемых компонентов становится гибким и контролируемым.

Новым перспективным направлением в развитии ХГН можно считать получение металлокерамических покрытий различного функционального назначения (износостойких, эрозионностойких, фрикционных и др.) . Добавление керамических частиц в металлический порошок позволяет наносить смесевые метал-локерамические покрытия, в которых металлический компонент играет роль матрицы, удерживающей эти частицы. Экспериментально показано, что процесс формирования подобных покрытий имеет ряд особен-

ностей, обусловленных взаимным влиянием керамических и металлических частиц на процесс напыления. В частности, повышается адгезия, прочность покрытия, его износостойкость и т.п.

Способ холодного газодинамического напыления может быть успешно применен как для проведения фундаментальных исследований самого явления ХГН, так и для разработки его приложений с целью получения многообразных перспективных покрытий.

Литература

PapyrinA., Kosarev V., Klinkov S. etal. Cold Spray Technology // Elsevier Science. 2007. 336 p.

Алхимов А. П., Косарев В. Ф., Фомин В.М., Клинков С. В. Холодное газодинамическое напыление. Теория и практика / Издательская фирма «Физико-математическая литература (ООО <<.Физматлит»), 2010.

Д.ф.-м.н. В. Ф. Косарев (Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, Новосибирск)

Глубокая для

переработка сырья

В Институте проблем переработки углеводородов СО РАН (Омск) разработаны новые бицеолитные катализаторы крекинга углеводородного сырья

Н:

!ефтехимическая промыш-енность является одной з важнейших наукоемких отраслей современной промышленности. Стоимость нефтехимической продукции в 7—9 раз превышает стоимость сырой нефти, в то время как стоимость моторных топлив только в 2—3 раза.

Основу нефтехимии составляют процессы получения мономеров (этилен - для полиэтилена, пропилен - для полипропилена, бутиле-ны - для каучуков и т.д.). Основными процессами для получения мономеров являются пиролиз, каталитический крекинг и дегидрирование.

В последнее десятилетие ведущими нефтяными фирмами мира разрабатывается процесс глубокого

каталитического крекинга, являющегося наиболее экономически выгодным процессом получения легких олефинов (в основном пропилена и бутиле-нов) из разнообразного углеводородного сырья. Отличительной чертой данного процесса является применение новых бицеолитных катализаторов крекинга.

Исследования, проведенные в ИППУ СО РАН, позволили разработать номенклатуру бицеолитных катализаторов крекинга, позволяющих в зависимости от задач нефтепереработки получать каталитическим крекингом остаточных нефтяных фракций основные продукты в диапазоне:

- традиционный каталитический крекинг (катализатор внедрен в промышленность): бензин - 56—57%, легкие олефины - 11—12 мас.% ;

- глубокий каталитический крекинг: бензин - 30—35%, легкие олефины - 35— 38 мас.%

Основой данной разработки является применение специальных катион-ных форм цеолитов типа Y и ZSM-5, высокоактивной алюмосиликатной матрицы катализатора для первичного крекинга углеводородных молекул с 30—60 атомами углерода. Цеолиты проводят вторичные реакции крекинга для получения молекул легких олефинов с 2—4 атомами углерода.

Разработка, внедрение и эксплуатация катализаторов для традиционного каталитического крекинга отмечена премией Правительства РФ в области науки и техники. Реализация новой разработки института уже начата в ОАО «Газпромнефть - Омский НПЗ».

Литература

Доронин В. П., Сорокина Т. П. Химический дизайн катализаторов крекинга// Российский химический журнал. 2007. Т. 51, №4. С. 23—29.

Доронин В.П., Сорокина Т.П., Дуплякин В.К. Катализ в промышленности. 2003. №2. С. 37-42.

К.т.н. В. П. Доронин (Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, Омск)

Ключевые слова: нефтехимия, каталитический крекинг, получение легких олефинов. Key words: petrochemistry, catalyst cracking, light olefins production

17

нефтехимии

Наполнитель

Цеолит ZSM-5'

Схема устройства бицеолитного катализатора