СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ В КАЖДОМ СЛОЕ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1995 года по МПК B22F7/04 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к образованию капиллярно-пористых покрытий из металлических порошков на металлических трубах путем напыления порошка с последующим его спеканием, используемых, например, в теплообменной аппаратуре нефтехимической промышленности.

Известны способы формования многослойных покрытий.

Известен способ напыления путем испарения внутри трубы, при котором источник вещества, предназначенный для напыления, нагревают в атмосфере контролируемого состава и перемещают внутри трубы в аксиальном направлении, что обеспечивает образование на внутренней поверхности трубы покрытия равномерной толщины. Нагрев наносимого материала и создание условий напыления его на поверхность подложки по известным способам предлагается осуществлять различными методами. Например, с помощью "тлеющего разряда", дуговой плавки, плазмы, ионного осаждения и т.д.

Перечисленные способы обладают общим существенным недостатком. Их реализация в случае образования покрытий на внутренних поверхностях длинномерных изделий малого диаметра, например труб, конструктивно и технологически чрезвычайно сложна или вообще невозможна.

Известны также способы образования покрытия путем нанесения порошка с применением внешних силовых факторов и последующим спеканием.

Так, предлагаются напрессовка порошка с последующим электроконтактным спеканием, напрессовка порошка с усилием 3,5-4,5 т/см² и жидкофазное спекание, формирование наносимого слоя путем введения внутрь трубы формирующего элемента, помещение наносимого порошкового материала между внутренней поверхностью трубы и формирующим элементом до или после установки этого элемента, приложения давления к наносимому порошковому материалу, последующее удаление формирующего элемента и спекание сформованного слоя.

Описанные способы кроме значительной сложности их реализации при образовании покрытий на внутренней поверхности длинномерных изделий малого диаметра имеют тот недостаток, что они предусматривают приложение к порошку значительных давлений, которые вызывают пластическую деформацию его частиц, нарушающую требуемую капиллярно-пористую структуру покрытия.

Известны также способы образования покрытий путем центробежного в различных вариантах формования пористого слоя и его последующее спекание.

Недостатком данного способа во всех его вариантах является необходимость сообщения обрабатываемому изделию вращения с большой угловой скоростью, что вызывает значительные технические трудности, усиливающиеся для длинномерных труб малого диаметра.

Все перечисленные выше способы обладают, кроме указанных, еще одним общим недостатком. Они не обеспечивают возможность образования капиллярно-пористых покрытий, в том числе многослойных, из материалов, температуры плавления которых намного отличаются от температуры плавления материала предыдущего слоя.

Известны способы нанесения покрытий, в состав которых входят стеклянные порошки или полимеры, которые в процессе термообработки плавятся и затем затвердевают, связывая между собой частицы нанесенного порошка и образуя прочное покрытие.

Таким способом можно получать покрытия однослойные и многослойные из порошков любого материала независимо от материала подложки.

Однако эти способы не предусматривают удаления связующего вещества из порового пространства в образуемом покрытии даже в результате термообработки, что не позволяет создать в этом покрытии капиллярно-пористую структуру.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ нанесения толстых металлических покрытий. Он заключается в том, что на подложку сначала наносят слой из отверждающегося клея, затем до отверждения клея наносят первый слой металлического покрытия, который не имеет пор, после этого проводят отверждение этого слоя и наносят второй слой, толщина которого превышает толщину первого слоя.

Основным недостатком этого способа является невозможность получения покрытия с капиллярно-пористой структурой.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа образования капиллярно-пористых покрытий на поверхностях различных изделий, в том числе на внешних и внутренних поверхностях длинномерных (в несколько метров) с малым диаметром (до нескольких милиметров) отверстий, для случаев, когда температуры плавления материалов изделия и наносимого порошка значительно разнятся, а также для создания многослойных покрытий из различных в каждом слое порошковых материалов.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что при проведении известных операций по известному способу, заключающихся в нанесении на подложку клеющего вещества, напылении на это клеющее вещество до его высыхания порошка, образующего данный слой, отверждении этого слоя и повторении описанных операций, для каждого последующего слоя используют порошок из материала, температура плавления которого составляет 0,65-0,95 температуры плавления материала порошка предыдущего слоя или подложки для первого слоя, а клеющее вещество выбирают из условия его полного выгорания в процессе последующего спекания при температурах и в течение времени, обеспечивающих параллельное прохождение диффузионных процессов между частицами порошков и в случае первого слоя подложки сообщающих первоначальную прочность слою, определяющую отсутствие его саморазрушения при выгорании клеющего вещества. После нанесения каждого слоя проводят его отверждение путем спекания напыленного порошка. Режимы спекания по предлагаемому способу в соответствии с вышесказанным для каждого слоя выбирают из условия параллельного протекания процессов диффузии между частицами, образующими слой, и выгорания клеющего вещества при соответствующих температурах в течение времени, достаточного для придания спекаемому слою первоначальной прочности, исключающей его самопроизвольное разрушение.

Первое и второе условия определяют требуемую конечную прочность нанесенного покрытия в сочетании с его капиллярно-пористой структурой при правильном выборе режимов спекания слоев.

Третье условие обеспечивает начальную прочность и условие отсутствия саморазрушения слоя в процессе выгорания клеющего вещества. Оно тем более важно, что нанесение слоя по предлагаемому способу происходит без каких-либо деформаций частиц порошка, определяющих самостоятельную без наличия других факторов прочность этого слоя за счет, например, расклинивания частиц, образования напряженных арок, сводов и т.д.

Первоначальная же сырая прочность нанесенного слоя по предлагаемому способу образования покрытий до его спекания определяется только связующими свойствами клеющего вещества.

Поэтому необходимо, чтобы по мере удаления (выгорания) клеющего вещества из слоя при спекании параллельно проходили диффузионные процессы между частицами, обеспечивающими механическую связь частиц и, следовательно, прочность этого слоя.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что его отличие от прототипа заключается в требованиях к свойствам материалов, используемых для реализации поставленной задачи, а именно: для каждого последующего слоя используют порошок из материала, температура плавления которого составляет 0,65-0,95 температуры плавления материала предыдущего слоя, а клеющее вещество выбирается из условия его полного выгорания в процессе спекания при температурах и в течение времени, обеспечивающих первоначальную прочность слоя, определяемую отсутствием возможности саморазрушения слоя.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Критерии "промышленная применимость" для данного предполагаемого изобретения определяется эффективностью применения в теплообменной аппаратуре элементов, в частности труб, с капиллярно-пористым покрытием.

Предлагаемый способ реализовывался, например, при создании внутреннего капиллярно-пористого покрытия из порошка оловянистой бронзы на трубу с внутренним диаметром 16 мм, длиной 150 мм из малоуглеродистой стали. Температура начала оплавления частиц наносимого порошка (815^оС) составляла 0,6 температуры плавления материала трубы (1350^оС). Температуры плавления уточнялись экспериментально.

Непосредственным напылением выбранного порошка на указанную трубу независимо от режимов последующего спекания образования прочного с капиллярно-пористой структурой покрытия получить не удалось.

Образование покрытия проводилось следующим образом. На подготовленную известными способами поверхность подложки (в данном случае внутренняя поверхность выбранной трубы) наносился слой клеющего вещества известного состава и непосредственно за этим наносился слой порошковой меди.

Далее проводилось спекание нанесенного слоя в восстановительной атмосфере по режиму:
Нагрев до 300^оС 1 ч
300-400^оС 1 ч
При 400^оС Выдержка 1 ч
Нагрев до 600^оС 1,5 ч
При 600^оС Выдержка 1 ч
Нагрев до 960^оС 1 ч
Выдержка при 960^оС 2,5 ч
Охлаждение в восстановительной атмосфере естественное. В результате получалось капиллярно-пористое покрытие из медного порошка.

Затем на уже нанесенный слой медного порошка, используя вышеприведенные операции, наносился слой выбранного порошка оловянистой бронзы, который затем спекался по режиму:
Нагрев до 400^оС 1 ч
Выдержка при 400^оC 2 ч
Нагрев до 720^оС 1,5 ч
Выдержка при 720^оС 3 ч
Охлаждение в восстановительной среде естественное.

В результате проведенных операций на внутренней поверхности трубы из малоуглеродистой стали было получено двухслойное покрытие с капиллярно-пористой структурой (проверялось по капиллярному поднятию жидкости) и требуемой прочностью (при механической обработке покрытия открашивания частиц порошка не наблюдалось), температура плавления последнего слоя которого составляет 0,6 температуры плавления трубы.

Область применения: в теплообменных элементах. Сущность изобретения: на поверхность изделия наносят клеящее вещество, выбранное из условия полного выгорания при спекании, на которое до его высыхания напыляют порошковый материал с температурой плавления, составляющей 0,65-0,95 температуры плавления материала предыдущего слоя, полученный слой спекают.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ В КАЖДОМ СЛОЕ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий нанесение на поверхность подложки клеящего вещества, напыление до его высыхания порошка материала покрытия, фиксацию нанесенного слоя за счет высыхания клеящего вещества, напыление до его высыхания порошка материала покрытия, фиксацию нанесенного слоя за счет высыхания клеящего вещества, последующее спекание и повторение операций при нанесении каждого из послующих слоев, отличающийся тем, что для напыления используют порошок материала с температурой плавления, составляющей 0,65 - 0,95 температуры плавления материала предыдущего слоя, клеящее вещество выбирают из условия полного выгорания в процессе спекания, а спекание проводят при температурах и в течение времени, обеспечивающих исключение самопроизвольного разрушения слоя.