СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОИСТЫХ СОТОВЫХ СТРУКТУР И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК C23C4/00 B32B15/04 

Изобретение относится к областям техники, занимающимися разработкой и производством слоистых изделий или материалов из слоев с прерывистостью, а если конкретно слоев сотовых макро- и микроструктур из частиц порошкообразных материалов.

Сотовые структуры как тонкостенные пространственные системы являются распространенной конструктивной формой современных машин и сооружений. Они применяются в трехслойных и многослойных конструкциях в качестве заполнителя там, где требуется значительное снижение материалоемкости конструкции при сохранении высокой жесткости в авиации, космонавтике, судостроении. Сотовые структуры применяются как насадки (заполнители) для теплообменных устройств теплоизоляционных экранов и т.п. эффективность работы которых определяется поверхностью единицы объема, т.е. компактностью , требуемая величина которой равна тысячам и десяткам тысяч единиц.

Известны два основных процесса производства сотовых структур: процесс растяжения: предварительно соединенный по исходным линиям пакет из листов материала для ячеек растягивается, одновременно образуя ячеистую структуру; процесс рифления: листы исходного материала предварительно подвергаются рифлению. Это могут быть листовые металлы, пластики, бумага, армированные пластики и т.д. Некоторые материалы термофиксируются, а затем склеиваются, свариваются или соединяются другим способом.

Изготавливаются сотовые структуры также методом объемного ткачества, заключающемся в их производстве на модернизированных челночных ткацких станках.

Недостатком перечисленных технологий, включающих множество операций, является использование сложного дорогостоящего специализированного оборудования. При склеивании, пайке или сварке сотовые структуры превращаются в конструкцию, состоящую по всему объему из различных материалов клеи, припои, электроды могут искажать форму ячеек.

Кроме того, существующие технологии ограничивают нижний предел размера ячейки сотовой структуры до нескольких миллиметров (т.е. нельзя получать сотовые микроструктуры), что сужает область применения этих структур и снижает их удельные характеристики, например поверхность единицы объема.

Существуют устройства (теплообменные, фильтрующие, звукоизолирующие и др. ), для которых важно как можно больше развить поверхность насадки при минимальных ее объемах, не увеличивая гидравлического сопротивления.

Сотовые структуры с минимальным размером ячейки, находящимся в диапазоне от нескольких миллиметров до десятков микрон, являются идеальной пористой средой. Это сплошной непроницаемый материал, пронизанный в направлении фильтрации системой параллельных каналов одного поперечного размера.

Близким к таким структурам является пористый сетчатый материал (ПСМ). Сначала подготавливают металлические сетки, собирают брикет сеток и помещают его в металлический конверт. После вакуумирования герметично заваренный конверт подается на участок прокатки, где нагревается и прокатывается. Затем конверт охлаждается на воздухе и вскрывается на гильотинных ножницах.

Способ получения ПСМ трудоемок, дорог, длителен и не позволяет получить идеальную сотовую структуру (идеальную пористую среду).

Сотовые структуры (в том числе из тугоплавких металлов и жаропрочных сплавов) изготавливают также способом горячего изостатического формования порошковых материалов. Изготовление сотовых структур методом горячего изостатического формования выполняют на установке, включающей баллоны со сжатым газом (гелий, аргон и др); фильтр, компрессор, холодильник; линии подачи газа в рабочую камеру и выпуска его из нее; нагреватель; рабочую камеру (высокопрочный сосуд высокого давления); порошковый питатель.

Процесс получения сотовой структуры (прессовки) складывается из следующих основных операций.

1. Изготовление капсулы. В специальный контейнер устанавливают и центрируют в определенном порядке стержни, форма и размер которых соответствуют форме и размеру ячейки сотовой структуры.

2. Заполнение капсулы порошком. С помощью порошкового питателя и вибратора заполняют капсулу порошком металла, сплава и т.д. Вибрирование капсулы при заполнении ее порошком приводит к перераспределению частиц, их более плотной укладке, разрушению арок с целью дальнейшего получения максимальной равноплотности прессовки.

3. Горячее изостатическое прессование. Заполняют рабочую камеру газом; cоздают необходимое давление в рабочей камере с помощью компрессора и нагревателя; по окончании выдержки под давлением газ возвращают в баллоны.

4. Выщелачивание стержней.

Основные недостатки метода горячего изостатического формования сотовых структур вытекают из сущности процесса прессования, которая заключается в деформировании некоторого объема сыпучего порошкового тела обжатием всесторонним и равномерным во всех направлениях для изостатического метода), при котором происходит уменьшение первоначального объема и формирование прессовки заданных форм, размеров и свойств. Объем порошкового тела при прессовании изменяется в результате смещения отдельных частиц, заполняющих пустоты между ними, и деформации частиц.

Поскольку прессуется одновременно весь засыпанный объем частиц, то даже для изостатического формования (характерного равномерной во всех направлениях конечной плотностью) простых сферических и цилиндрических форм во внутренних областях плотность и пористость отличаются от их значений на периферии из-за наличия в порошковом теле арок, которые не полностью передают давление его внутренним областям.

Поскольку при изостатическом прессовании сотовых структур объем, занятый порошком, чередуется с объемом, занятым стержнями, то неоднородность распределения плотности по объему прессовки может быть также вызвана взаимодействием частиц порошка с поверхностями стержней.

Кроме этого, к недостаткам процессов горячего изостатического прессования (ГИП) следует отнести трудности обеспечения точных размеров изделий, что особенно характерно может быть при изготовлении сотовых микроструктур с толщиной перемычек порядка десятков микрон.

К недостаткам горячего изостатического формования сотовых структур следует отнести большие затраты на капсулирование. Как сам способ, так и устройство для его реализации, которые мешают их широкому промышленному использованию. Это сложное в эксплуатации и дорогое оборудование, оснастка и невысокая производительность процесса.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для холодного газодинамического напыления, принятое в качестве прототипа.

Устройство включает в себя источник сжатого газа, форкамеру, сопловой узел, пылеизолирующую рабочую камеру, дозатор-смеситель, подогреватель газа. Частицы порошка в сверхзвуковом прямоугольном сопле устройства разгоняются до высоких скоростей (порядка 400 м/с и более) подогретым газом и покрывают слой за слоем напылемый объект-подложку, повторяя рельеф ее поверхности. При холодном газодинамическом напылении "холодные" частицы или частицы, незначительно подогретые (на 100 200^оС), формируют покрытие за счет эффекта "несамостоятельного" прилипания, связанного с наличием двойных ударов: частица закрепляется на подложке в том случае, если во время контакта с подложкой в нее ударяется другая частица, препятствующая отскоку, а также за счет самостоятельного прилипания.

Устройство не позволяет получать сотовые макро- и микроструктуры на плоских и криволинейных поверхностях из-за отсутствия соответствующей оснастки рабочей камеры.

Целью изобретения является создание простого, экономичного, технологичного и высокопроизводительного способа изготовления однослойных и многослойных прерывистых сотовых макро- и микроструктур, наклонных сотовых микроструктур методом послойного газодинамического напыления и устройства для реализации этого способа.

Для достижения этой цели сначала подбирают порошок, основную и вспомогательную подложки с необходимым диапазоном размером в соответствии с требованиями на изделие. Причем размер частиц порошка может быть на порядок меньше размера ячейки сетки или перфорации в подложке. За сеткой или перфорированной подложкой по потоку напыления устанавливают на определенном расстоянии (через кольцевую, например, проставку) вспомогательную подложку с минимальной адгезией к частицам напыляемого порошка (пластмасса, стекло и т. п. ). Полость Т между подложками служит для формирования потока в области подложек.

Высокоскоростной поток частиц порошка и газа из сопла направляют на плоскую или криволинейную подложку из тканей сетки или пластины, фольги, перфорированных путем применения например, фотолитографического процесса.

Частицы напыляются только на проволоку сетки, повторяя ее в каждом последующем слое и формируя, таким образом, сотовую структуру. Толщина каждого слоя при этом имеет величину порядка размера частиц порошка. При таком послойном формовании сотовых структур (за счет адгезии и когезии порошка с подложкой и друг с другом) обеспечивается равномерная плотность и точность тела перемычек сотовых структур в том числе сотовых микроструктур. Многослойность сотовой структуры реализуется поочередным напылением частиц порошка из различных материалов.

Признаком слоя может быть также угол наклона очередного слоя сот по отношению к предыдущему.

Если для изостатического горячего формования производительность ограничивается длительным сроком закачки газа в рабочую камеру, выдержкой изделия под давлением, выпуском газа из рабочей камеры, длительным остыванием рабочего пространства, то в предлагаемом способе производительность рабочего пространства, то в предлагаемом способе производительность определяется в основном расходом порошка и коэффициентом его использования. Расход может составлять десятки килограммов в час при коэффициенте и использования ≈0,8.

Для реализации способа газодинамического напыления порошков предлагается устройство, которое снабжено размещенной в рабочей части за срезом сопла по его оси державкой в виде пластины с закрепленными на ней основной подложки в виде сетки или перфорированной пластинки и вспомогательной подложки с нулевой адгезией к частицам напыляемого порошка и с кольцевой проставкой, размещенной между этими подложками, а державка в рабочей части снабжена механизмом возвратно-поступательного движения в вертикальной плоскости напротив сопла обдува для обеспечения равномерности и производительности напыления и закреплена в коробчатом корпусе шарнирно с возможностью фиксированного наклона ее к потоку обдува для получения наклонных сотовых структур.

Кроме того, устройство снабжено электромеханизмом вращения с державкой для напыления криволинейных структур. Основная подложка в виде сетчатой цилиндрической оболочки и вспомогательная подложка закреплены на цилиндрическом конце державки и разделены двумя кольцевыми проставками, образуя воздушную полость, обеспечивающую формирование сотовой структуры.

С целью уменьшения тепловых потерь, улучшения управления температурным режимом форкамера, сопло, теплообменник установки размещены в камере подогревателя, а рабочий объем форкамеры и теплообменник разделены проницаемой перегородкой в виде пакета сеток.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 узел I на фиг. 1; на фиг. 3 и 4 разрез А-А на фиг. 1, варианты; на фиг. 5 разрез Б-Б на фиг. 4.

Устройство содержит подогреватель 1, в камере которого расположен регенеративный теплообменник с керамической насадкой 2, соединенный трубопроводной связью 3 через запорно-регулирующие устройства с источником сжатого газа и с питателем 4, заполненным порошком для напыления. Трубопровод 5 подачи воздуха в подогреватель выполнен в виде перфорированной трубы для более плавного натекания воздуха в камеру подогревателя. В камере теплообменника смонтирована форкамера 6 с проницаемой перегородкой в виде пакета сеток и соединенная герметично с помощью трубопровода с питателем 4. Форкамера состыкована со сверхзвуковым прямоугольным соплом 7, выходной конец которого состыкован с пылеизолирующей рабочей камерой 8, в которой размещена в вертикальной плоскости по оси сопла напротив его среза державка 9 с возможностью возвратно-поступательного перемещения благодаря механизму, например пневмоцилиндру 10. Нижний конец державки жестко соединен с коробчатым корпусом 11, в котором шарнирно закреплена пластина 12 с возможностью ее наклона и фиксации относительно оси сопла обдува благодаря тягам 13, валикам 14 и гайкам 15.

На пластине 12 смонтированы и закреплены основная подложка 16 в виде тканой сетки или перфорированной пластинки, кольцевая проставка 17 и вспомогательная подложка 18 с минимальной адгезией к частицам напыляемого порошка.

Кроме того, предлагаемое устройство снабжено механизмом 19 вращения державки 20, на конце которой смонтированы цилиндрические основная 21 и вспомогательная 22 проставки с кольцами 23, причем конец державки размещен напротив сопла обдува.

В соответствии с требованиями на изделие его сотовую структуру, форму и габариты выбирают размеры частиц порошка для напыления, размеры ячеек сетки и толщину ее проволочек, механизм возвратно-поступательного перемещения державки или механизм вращения. Производят обезжиривание сетки или другой основной подложки. На пластине 12 или цилиндрической державке 20 закрепляют вспомогательные подложки 18 или 21, проставку 17 или кольца 23 и основную подложку 16 или 21.

При необходимости получения наклонной структуры подложки 16 и 18 с пластиной 12 наклоняют на требуемый угол к направлению против обдува. Производят обезжиривание сетки или другой основной подложки. Нагревают керамическую насадку теплообменника 2, включают возвратно-поступательного перемещения 10 державки или механизм вращения 19, подают сжатый воздух в камеру теплообменника и по трубопроводу 3 в питатель 4.

Высокоскоростной поток частиц порошка и воздуха (газа) направляется на подложки происходит послойное газодинамическое напыление требуемой толщины.

Применение способа получения слоистых сотовых структур из порошкообразных материалов и устройства для его реализации позволит получить сотовые микроструктуры с размерами ячеек порядка десятков микрон и толщиной слоя до 10 мм. Резко повышаются удельные характеристики сотовых структур, что позволит с их помощью создавать высокоэффективные и малогабаритные устройства, например, комнатные теплообменники, микротеплообменники, фильтрующие системы и т. д. Установка для газодинамического напыления сотовых структур экономична, технологична, высокопроизводительна.

Технологический процесс получения сотовых структур включает в себя практически две операции: подготовка поверхности сетки или другой основной подложки путем ее обезжиривания; собственно напыление сотовой микроструктуры.

Напыление сотовых структур на криволинейную поверхность, в том числе, например, на трубу из сетки позволяет получать легкие, жесткие оболочки с поверхностью из сот.

Предлагаемый способ напыления позволяет, используя переносное сопло, нанести сотовую структуру на деталь в составе машины, агрегата, что невозможно при горячем изостатическом формовании.

Способ получения слоистых сотовых структур включает послойное напыление частиц порошка из сопла на подложку, причем напыление осуществляют газодинамическим методод с нагревом газа, а в качестве подложки для напыления используют сетку или перфорированную пластину плоской или криволинейной формы. За подложкой для напыления устанавливают вспомогательную подложку с воздушной прослойкой между ними. Вспомогательную подложку выполняют из материала с минимальной адгезией к частицам порошка. Размер частиц порошка выбирают меньше размера ячейки сетки или перфорированной пластины. Перед напылением проводят обезжиревание и активацию подложки. Устройство содержит установку газодинамического напыления, оснащенную основной сетчатой или перфорированной подложкой и вспомогательной подложкой, разделенные проставкой и установленные на державке с механизмом возвратно-поступательного и вращательного перемещения. Форкамера с сопловым блоком размещена внутри теплообменника и соединена с ним проницаемой сетчатой перегородкой. Применение предлагаемого способа и устройства позволяет повысить производительность и точность изготовления слоистых сотовых структур. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ получения слоистых сотовых структур, включающий послойное напыление частиц порошка из сопла на подложку, отличающийся тем, что напыление осуществляют газодинамическим методом с нагревом формирующего газа, а в качестве подложки для напыления используют сетку или перфорированную пластину плоской или криволинейной конфигурации и устанавливают ее напротив среза сопла, при этом за сеткой или перфорированной пластиной размещают вспомогательную подложку с воздушной прослойкой между ними и с возможностью возвратно-поступательного или вращательного движения, причем вспомогательную подложку выполняют из материала с минимальной адгезией к частицам порошка, размер частиц порошка для напыления выбирают меньше поперечного размера ячейки сетки или перфорированной пластины, а перед напылением производят обезжиривание и активацию подложки для напыления. 2. Устройство для получения слоистых сотовых структур напылением, содержащее питатель, заполненный порошком, форкамеру со сверхзвуковым прямоугольным соплом, соединенную пневмомагистралями с запорно-регулирующими органами, отличающееся тем, что оно снабжено подогревателем и регенеративным теплообменником с керамической насадкой и рабочей пылеизолирующей камерой, в которой в вертикальной плоскости по оси сопла дополнительно размещена с возможностью возвратно-поступательного перемещения державка, выполненная в виде пластины, на которой напротив среза сопла по потоку обдува закреплены основная подложка в виде сетки или перфорированной пластины, кольцевая проставка и вспомогательная подложка из материала с минимальной адгезией к частицам порошка, причем пластина с подложками и проставкой шарнирно закреплена в корпусе рабочей камеры с возможностью фиксированного наклона ее к оси сопла, а корпус рабочей камеры жестко состыкован с державкой. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что рабочая пылеулавливающая камера оснащена электромеханизмом вращения державки, цилиндрический конец которой, размещенный напротив сопла обдува по его оси, выполнен в виде двух цилиндрических коаксиальных оболочек, разделенных двумя кольцевыми проставками, наружная из которых является основной подложкой из сетки или свернутого перфорированного листа, а внутренняя вспомогательной подложкой с минимальной адгезией к напыляемому порошку. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что форкамера со сверхзвуковым прямоугольным соплом и регенеративный теплообменник с керамической насадкой размещены в камере подогревателя, а рабочий объем форкамеры и теплообменник разделены проницаемой перегородкой в виде пакета сеток.