Undersøgelse viser, hvordan man får sprøjtet metalbelægninger til at klæbe

Ved limning af to stykker metal, enten skal metallerne smelte lidt, hvor de mødes, eller også skal der indføres noget smeltet metal mellem stykkerne. En fast binding dannes derefter, når metallet størkner igen. Men forskere ved MIT har fundet ud af, at i nogle situationer, smeltning kan faktisk hæmme metalbinding frem for at fremme det.

Det overraskende og kontraintuitive fund kan have alvorlige konsekvenser for design af visse belægningsprocesser eller for 3D-print, som begge kræver at få materialer til at hænge sammen og blive ved med at være sådan.

Forskningen, udført af postdoktorer Mostafa Hassani-Gangaraj og David Veysset og professorerne Keith Nelson og Christopher Schuh, blev rapporteret i to papirer, i tidsskrifterne Fysisk gennemgangsbreve og Scripta Materialia .

Schuh, hvem er Danae og Vasilis Salapatas professor i metallurgi og leder af Institut for Materialevidenskab og Teknik, forklarer, at et af papirerne beskriver "et revolutionerende fremskridt inden for teknologien" til at observere ekstremt hurtige interaktioner, mens den anden gør brug af denne højhastigheds-billeddannelse for at afsløre, at smeltning forårsaget af påvirkende metalpartikler kan hæmme binding.

Den optiske opsætning, med et højhastighedskamera, der bruger 16 separate billeddannelseschips med ladet koblet enhed (CCD) og kan optage billeder på kun 3 nanosekunder, blev primært udviklet af Veysset. Kameraet er så hurtigt, at det kan spore individuelle partikler, der sprøjtes på en overflade med supersoniske hastigheder, en bedrift, der tidligere ikke var mulig. Holdet brugte dette kamera, som kan skyde op til 300 millioner billeder i sekundet, at observere en spraymaling-lignende proces, der ligner dem, der bruges til at påføre en metallisk belægning på overflader i mange industrier.

Selvom sådanne processer er meget udbredt, indtil nu er deres egenskaber blevet bestemt empirisk, da selve processen er så hurtig "kan du ikke se den, du kan ikke fortælle, hvad der sker, og ingen har nogensinde været i stand til at se det øjeblik, hvor en partikel påvirker og sætter sig fast, "Siger Schuh. Som et resultat, har der været løbende kontroverser om, hvorvidt metalpartiklerne rent faktisk smelter, når de rammer overfladen, der skal belægges. Den nye teknologi betyder, at nu kan forskerne "se, hvad der sker, kan studere det, og kan videnskab, " han siger.

De nye billeder gør det klart, at under visse betingelser, metalpartiklerne, der sprøjtes på en overflade, smelter virkelig overfladen - og det, uventet, forhindrer dem i at klistre. Forskerne fandt ud af, at partiklerne hopper væk på meget kortere tid, end det tager for overfladen at stabilisere sig, så de forlader overfladen, der stadig er smeltet.

Hvis ingeniører finder ud af, at et belægningsmateriale ikke klæber godt, de kan være tilbøjelige til at øge sprøjtehastigheden eller temperaturen for at øge chancerne for at smelte. Imidlertid, de nye resultater viser det modsatte:Smeltning bør undgås.

Det viser sig, at den bedste binding sker, når de påvirkende partikler og påvirkede overflader forbliver i fast tilstand, men "sprøjter" udad på en måde, der ligner væske. Det var "en øjenåbnende observation, "ifølge Schuh. Det fænomen" findes i en række af disse metalbehandlingsmetoder, siger han. Nu, det er klart, at "at klæbe metal til metal, vi skal sprøjte uden væske. Et solidt stænk, og en flydende gør det ikke. "Med den nye evne til at observere processen, Hassani-Gangaraj siger, "ved præcise målinger, vi kunne finde de betingelser, der er nødvendige for at fremkalde dette bånd. "

Resultaterne kan være relevante for processer, der bruges til at belægge motorkomponenter for at genbruge slidte dele frem for at henvise dem til skrotmetalbeholderen. "Med en gammel motor fra en stor jordmaskin, det koster en formue at smide det væk, og det koster en formue at smelte og omstille det, "Siger Schuh." I stedet for du kan rense det og bruge en sprøjteproces til at forny overfladen. "Men det kræver, at den sprøjtede belægning forbliver forsvarligt bundet.

Ud over belægninger, de nye oplysninger kan også hjælpe med at designe nogle metalbaserede additivfremstillingssystemer, kendt som 3D-udskrivning. Der, som med belægninger, Det er vigtigt at sikre, at et lag af udskrivningsmaterialet klæber fast til det forrige lag.

"Hvad dette arbejde lover er en præcis og matematisk tilgang" til at bestemme de optimale betingelser for at sikre en solid binding, Siger Schuh. "Det er matematisk snarere end empirisk."