СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2002 года по МПК C23C24/04 C23C4/12 

Изобретение относится к технологии получения покрытий на поверхности изделий, а именно к способам получения покрытий с использованием неорганического порошка, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, в частности при изготовлении и ремонте изделий, требующих герметичности, повышенной коррозионной стойкости, жаростойкости и других качеств.

В настоящее время широкое распространение получила технология газодинамического нанесения металлических покрытий из порошковых материалов, основанная на формировании в сверхзвуковом сопле высокоскоростного газового потока, ускорение этим газовым потоком порошкового материала и нанесение его на поверхность изделия.

Известен способ получения покрытий, включающий ускорение частиц порошка металла размером 1-200 мкм неподогреваемым газовым потоком, до скоростей не менее 650 м/с [авт. свид. 1618778, кл. С 23 С 4/00, 1986].

Основным недостатком этого способа является то, что для получения таких скоростей необходимо использовать такие газы, как гелий или его смеси с воздухом, скорость звука в которых существенно больше, чем в воздухе. Это значительно ограничивает возможности промышленной реализации этой технологии в силу его экономической неэффективности.

Известны также способ и устройства для напыления металлопорошковых покрытий, в которых сжатый газ подогревается перед подачей в сверхзвуковое сопло [патент РФ 1773072, кл. С 23 С 4/00, 1987, патент РФ 1603581, кл. В 05 В 7/20, 1987, патент РФ 1674585, кл. С 23 С 20/00, 1989]. Это обеспечивает увеличение скорости звука в газе, а значит и увеличение скорости газового потока в сопле.

Однако при использовании в качестве рабочего газа сжатого воздуха достигаемые скорости частиц напыляемого порошка металла остаются по-прежнему невысокими и не всегда обеспечивают условия для эффективной пластической деформации напыляемых частиц металла при взаимодействии их с поверхностью подложки. В силу этого качество получаемых покрытий, в частности прочность их сцепления с подложкой и пористость, не всегда бывают удовлетворительными.

Известен способ получения покрытия, в котором предварительно нагретым воздухом в сверхзвуковом сопле ускоряют порошкообразный материал, в качестве которого используют порошки, представляющие собой смесь, содержащую по крайней мере два компонента: пластичные металлы и материалы, твердость которых больше твердости включенных в порошкообразный материал металлов [патент РФ 2038411, кл. С 23 С 4/00, 1993].

Этот способ за счет присутствия в порошке твердых частиц обеспечивает получение покрытий с высокой прочностью сцепления с подложкой и низкой пористостью при относительно невысоких затратах и позволяет расширить ассортимент эффективно наносимых металлических материалов, а следовательно, и разнообразие создаваемых покрытий.

Однако при реализации этого способа с помощью вышеупомянутых устройств [патент РФ 1603581, кл. В 05 В 7/20, 1987, патент РФ 1674585, кл. С 23 С 20/00, 1989] происходит очень быстрый износ рабочим порошком, содержащим твердые частицы, стенок сверхзвукового сопла в его критическом сечении. Это вызывает быстрое и значительное изменение режима работы устройства в целом.

Известен способ получения покрытий, который реализован в устройстве [патент РФ 2100474, кл. С 23 С 4/00, 1996], включающий нагрев сжатого воздуха, подачу его в сверхзвуковое сопло и формирование сверхзвукового воздушного потока, ускорение этим потоком частиц порошкового материала, который вводят в сверхзвуковую часть сопла непосредственно в сверхзвуковой поток воздуха, после чего ускоренные частицы направляют на обрабатываемую поверхность. В этом случае рабочий порошок не проходит через критическое сечение сверхзвукового сопла, в наибольшей степени определяющее режим работы устройства, и стенки сопла в этом месте не изнашиваются.

Использование этой технологии позволяет получить качественное покрытие с высокой прочностью сцепления с подложкой и низкой пористостью.

Основным недостатком этого способа является недостаточно высокий коэффициент напыления (коэффициент полезного использования) порошкового материала.

Это связано с тем, что взаимодействие с воздушным потоком частиц напыляемого металла (ускорение и нагрев) в сопле происходит только на сверхзвуковом участке сопла и частицы не успевают достигнуть максимально возможной скорости и температуры, имеющих важное значение для закрепления их на подложке.

Задачей заявляемого решения является повышение коэффициента напыления при сохранении качества наносимого покрытия.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе нанесения покрытий из порошковых материалов, включающем нагрев сжатого воздуха, подачу его в сверхзвуковое сопло, введение в сверхзвуковой поток воздуха порошкового материала, ускорение этим потоком частиц порошкового материала в сопле и направление их на обрабатываемую поверхность, в поток воздуха одновременно вводят два разных порошковых материала, первый из которых вводят в поток до критического сечения сопла, а второй - после критического сечения сопла, при этом в качестве второго порошкового материала используют порошки, содержащие более твердые вещества, чем содержащиеся в первом порошковом материале.

Наиболее целесообразно в качестве первого порошкового материала использовать металлы или сплавы без примесей неметаллических частиц, например порошки алюминия, меди, никеля, цинка и/или их смеси и/ или их сплавы. В качестве второго порошка эффективно использовать, в частности, керамические материалы, например порошок корунда или карбида кремния, или смесь порошков керамических материалов и порошков металлов, в которой содержание керамических частиц составляет не менее 20%.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что заявляемое решение отличается от прототипа тем, что в поток воздуха вводят одновременно два разных по составу порошковых материала, один из которых подают в поток до критического сечения сопла, а другой - после критического сечения сопла, что позволяет сделать заключение о соответствии критерию "новизна".

Сущность изобретения заключается в следующем.

В процессе формирования покрытия ускоренные воздушным потоком и имеющие высокую скорость частицы наносимого на поверхность изделия порошка ударяются о подложку или о предыдущий слой покрытия. Частицы металлического порошка, находясь в твердом состоянии, тем не менее частично деформируются и закрепляются на подложке или на предыдущем слое покрытия.

При этом присутствие в потоке ускоренных частиц твердых частиц, в частности керамических, приводит к нескольким последствиям.

На начальной стадии формирования покрытия твердые частицы очищают поверхность подложки от загрязнений, создают на ней микрорельеф и активируют ее. Это способствует существенному увеличению прочности сцепления покрытия с подложкой.

Затем при формировании толщи покрытия ускоренные твердые частицы в процессе ударов сами не деформируются, а почти полностью передают свою энергию нижележащему слою металлических частиц, способствуя его уплотнению и уменьшению пористости. Кроме того, при соударениях с предыдущим слоем покрытия они за счет эрозионного эффекта срезают плохо закрепившиеся металлические частицы, что дополнительно увеличивает качество получаемого покрытия.

Таким образом, присутствие в потоке ускоренных частиц твердых, например керамических, частиц способствует улучшению качества покрытия (прочность сцепления с подложкой, пористость), но уменьшает коэффициент напыления порошкового материала. Соотношение этих эффектов определяется, в первую очередь, скоростью частиц. Так, непрерывное увеличение скорости твердых частиц уже не будет снижать уже достаточно низкую (близкую к нулю) пористость покрытия, но будет увеличивать эрозионный эффект, снижающий коэффициент напыления. При этом непринципиальной является и температура твердых, особенно керамических, частиц, так как за счет кратковременности процесса индивидуального соударения такой частицы с предыдущим слоем покрытия эта частица успевает передать этому слою только запасенную в ней кинетическую энергию, поскольку передача тепловой энергии связана с более медленным процессом теплопередачи.

В свою очередь, коэффициент напыления порошкового материала зависит главным образом от прочности закрепления на поверхности каждой металлической частицы из потока ускоренных частиц. Эта прочность сцепления, естественно, зависит от характера процессов, протекающих прежде всего в контактной зоне налетающей частицы с подложкой. Интенсивность же химических и физических процессов в контактной зоне в основном зависят от температуры этой зоны. При соударении металлической частицы с подложкой именно эта зона подвергается наиболее интенсивной пластической деформации, и именно в ней происходит преобразование кинетической энергии частицы в тепловую и выделение этой тепловой энергии. В итоге, прочность сцепления (закрепления) металлической частицы на поверхность существенным образом зависит от ее скорости и температуры.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, чтобы увеличить коэффициент напыления путем повышения скорости и температуры напыляемых частиц металла, сохранив при этом качество (прочность сцепления и пористость) формируемого покрытия, которое в большой степени зависит от присутствия в напыляемом потоке твердых, в частности керамических, частиц.

Это достигается за счет того, что в отличие от всех ранее использовавшихся способов и устройств, в предлагаемом способе частицы более мягкого металла (первый порошковый материал) вводятся в ускоряющий их поток отдельно от более твердых частиц (второй порошковый материал).

В этом случае их наиболее целесообразно вводить в поток воздуха до критического сечения сопла, тем самым максимально увеличивая время взаимодействия этих частиц с воздушным потоком и обеспечивая таким образом достижение максимально возможной скорости и температуры металлических частиц. Поскольку эти частицы обладают сравнительно невысокой твердостью, износ стенок сопла в его критическом сечении может быть вполне приемлемым.

При этом второй порошковый материал, содержащий более твердые частицы, вводится в воздушный поток после критического сечения сопла. Это дает возможность сохранить от эрозионного износа критическое сечение сопла. В свою очередь, как было показано выше, для получения качественных покрытий нет необходимости дополнительно увеличивать скорость и температуру твердых частиц (в отличие от частиц напыляемого металла).

Для специальных применений в предлагаемом способе в качестве второго порошкового материала может использоваться порошок, представляющий собой смесь твердых частиц, например керамических, и более пластичных металлических частиц.

В предлагаемом способе осуществляется введение на сверхзвуковом участке сопла в сверхзвуковой поток воздуха, уже содержащего частицы первого порошкового материала, дополнительных частиц второго порошкового материала. Поскольку сверхзвуковое течение газа всегда сильно подвержено влиянию различных возмущений, то до проведения специальных экспериментов было заранее не очевидно, что предлагаемый способ не нарушит полностью структуру сверхзвукового потока и естественно не приведет к прекращению (или резкому ухудшению) процесса напыления в целом.

Были проведены сравнительные эксперименты, некоторые результаты которых приведены в таблице, где ПМ1 - это первый порошковый материал, вводимый в поток воздуха до критического сечения сопла, а ПМ2 - второй порошковый материал, вводимый в поток воздуха после критического сечения.

Во всех случаях напыления покрытий суммарное содержание керамики в использовавшихся порошковых материалах (ПМ) составляло 50% по весу.

Результаты проведенных сравнительных экспериментов показали, что при напылении покрытий на стальные и алюминиевые подложки предлагаемым способом коэффициент напыления порошкового материала увеличивается с 10-30 до 30-60%, при этом пористость получаемых покрытий во всех случаях составляет единицы процентов. В экспериментах в качестве первого порошкового материала использовались порошки различных металлов (в частности, алюминия, цинка, меди, никеля, их смеси и сплавы), а в качестве второго порошкового материала - порошки, содержащие керамические частицы (в частности, корунда и карбида кремния). В случаях, когда в качестве второго порошкового материала использовались смеси порошков из керамических частиц и более пластичных металлических частиц, было обнаружено, что при содержании в порошке керамических частиц в количестве менее 20% по весу начинает значительно увеличиваться пористость получаемых покрытий.

Таким образом, как показали эксперименты, одновременный ввод в поток воздуха до критического и после критического сечения двух разных по составу порошковых материалов позволяет значительно повысить коэффициент напыления, сохранив при этом качество покрытия.

Изобретение относится к технологии получения покрытий на поверхности изделий, а именно к способам получения покрытий с использованием неорганического порошка, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, в частности при изготовлении и ремонте изделий, требующих герметичности, повышенной коррозионной стойкости, жаростойкости. Сущность способа заключается в том, что в сверхзвуковое сопло подают нагретый поток сжатого воздуха, в который одновременно вводят два разных порошковых материала, первый из которых вводят в поток до критического сечения сопла, а второй - после критического сечения сопла. Такая технология позволяет значительно повысить коэффициент напыления, не ухудшая при этом качества наносимого покрытия. 11 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ нанесения покрытий из порошковых материалов, включающий в себя нагрев сжатого воздуха, подачу его в сверхзвуковое сопло, введение в сверхзвуковой поток воздуха порошкового материала, ускорение этим потоком частиц порошкового материала в сопле и направление их на обрабатываемую поверхность, отличающийся тем, что в поток воздуха одновременно вводят два разных порошковых материала, первый из которых вводят в поток до критического сечения сопла, а второй - после критического сечения сопла, при этом в качестве второго порошкового материала используют порошки, содержащие более твердые вещества, чем содержащиеся в первом порошковом материале. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве первого порошкового материала используют металлы или сплавы. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве первого порошкового материала используют порошок алюминия. 4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве первого порошкового материала используют порошок меди. 5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве первого порошкового материала используют порошок никеля. 6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве первого порошкового материала используют порошок цинка. 7. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве первого порошкового материала используют смеси порошков металлов, указанных в пп. 3-6. 8. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве первого порошкового материала используют порошки сплавов металлов, указанных в пп. 3-6. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве второго порошкового материала используют порошки керамических материалов. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что в качестве керамического материала используют порошок корунда. 11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что в качестве керамического материала используют порошок карбида кремния. 12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве второго порошкового материала используют смесь металлических и керамических порошков при содержании керамического порошка не менее 20% по весу.