Способ получения наноструктурированного покрытия и устройство для его реализации
Изобретение относится к способу и устройству газопламенного напыления наноструктурированных покрытий. Распылитель содержит форкамеру. В качестве исходного материала используют порошковый материал. Одновременно с формированием в камере сгорания распылителя высокотемпературного газового потока в упомянутой форкамере устанавливают давление выше, чем давление в камере сгорания, и формируют высокотемпературный газовый поток, в который подают порошковый материал с образованием газопорошковой струи, которую подают в камеру сгорания со скоростью, большей скорости высокотемпературного газового потока. Осуществляют перенос высокотемпературным газовым потоком наночастиц, полученных из исходного материала, и осаждение их на подложке. В результате получают качественное покрытие из порошкового материала. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Предлагаемое изобретение относится к способам и устройствам получения наноструктурированных покрытий поверхности изделий с использованием методов газотермического напыления.
Наноструктурированные покрытия позволяют существенно повысить прочностные и антикоррозионные свойства поверхности изделий, что обеспечивает увеличение их эксплуатационного ресурса. Использование наноструктурированых покрытий дает также возможность производить многослойные нанокомпозиционные материалы.
Известны различные способы газотермического напыления. В частности, известно газопламенное напыление, при котором на поверхность детали непрерывно подается напыляемый материал в виде порошка при помощи газопламенной горелки (см., например, патент РФ №2432416 C1, МПК C23C 4/12). Порошок под действием потока горячего газа разгоняется и, нагреваясь, расплавляется. При соударении с поверхностью детали расплавленные капли растекаются и застывают, образуя защитное покрытие. Однако газопламенное напыление не обеспечивает получения наноструктурированного покрытия.
Известен также способ детонационного напыления, при котором нагрев и транспортирование частиц порошкообразного материала на поверхность детали осуществляется путем использования энергии детонации газовой смеси (см., например, книгу: Газотермическое напыление: учебное пособие / Кол. авторов; под общей редакцией Л.Х. Балдаева. - М.: Маркет ДС, 2007. С.116-121). Детонационное напыление обеспечивает высокую скорость подлета частиц порошка к поверхности детали, что существенно повышает сцепление образующегося покрытия с поверхностью детали. Однако детонационное напыление также не обеспечивает получения наноструктурированного покрытия.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности признаков является способ получения наноструктурированного покрытия, заключающийся в формировании в камере сгорания высокоскоростного распылителя высокотемпературного газового потока путем сжигания топлива в окислителе, в подаче в камеру сгорания высокоскоростного распылителя жидкого исходного материала, являющегося источником образования наночастиц, в образовании, разогреве и переносе высокотемпературным газовым потоком наночастиц и осаждении их на подложке, причем жидкий исходный материал, являющийся источником образования наночастиц, одновременно используют в качестве топлива для формирования высокотемпературного газового потока, при этом сам материал представляет собой истинный или коллоидный раствор органических и/или неорганических соединений в органическом растворителе или смеси нескольких растворителей (патент РФ №2394937 C1, МПК C23C 4/10, B82B 3/00). Данный способ реализуется при помощи установки газопламенного напыления, содержащей высокоскоростной распылитель с камерой сгорания, имеющей выходное сопло, и устройства для подачи в камеру сгорания топлива, окислителя и исходного материала для покрытия (патент РФ №2407700 C2, МПК B82B 3/00, C23C 4/24, В05D 1/08).
Недостатком известного способа и устройства является использование в качестве исходного материала истинного или коллоидного раствора органических и неорганических соединений в органическом растворителе, служащем в качестве топлива. С одной стороны, получение такого раствора в целом усложняет и удорожает технологический процесс нанесения покрытия. С другой стороны, не всякий материал, используемый для нанесения покрытия, растворяется в органическом растворителе, служащем в качестве топлива. Это ограничивает технологические возможности данного способа.
Задачей изобретения является разработка универсального способа получения наноструктурированных покрытий, позволяющего использовать имеющиеся порошковые материалы, широко применяемые на практике, в частности в порошковой металлургии, для нанесения наноструктурированных покрытий.
Поставленная задача достигается тем, что в способе получения наноструктурированного покрытия, заключающемся в формировании в камере сгорания высокоскоростного распылителя высокотемпературного газового потока путем сжигания топлива в окислителе, в подаче в камеру сгорания исходного материала, являющегося источником образования наночастиц, в образовании и переносе высокотемпературным газовым потоком наночастиц и осаждении их на подложке, исходный материал подают в камеру сгорания со скоростью, большей скорости высокотемпературного газового потока.
Для реализации способа используют устройство для газопламенного напыления наноструктурированного покрытия, содержащее высокоскоростной распылитель с камерой сгорания и выходным соплом и устройства для подачи в камеру сгорания горючего и окислителя, а также форкамеру, снабженную устройствами для подачи горючего, окислителя и исходного материала для покрытия, причем форкамера расположена со стороны торца камеры сгорания и соединена с ней.
Преимущество предложенного способа заключается в том, что в качестве исходного материала для получения наноструктурированного покрытия используются порошковые материалы, выпускаемые промышленностью. Это существенно расширяет технологические возможности данного способа, так как дает возможность получать наноструктурированные покрытия из различных материалов.
Предлагаемый способ и устройство для его реализации показаны на фиг.1, 2, 3: на фиг.1 схематично представлено устройство газопламенного напыления; на фиг.2 показана схема расплавления частички порошка в распылителе; на фиг.3 показан характер течения порошка напыляемого материала в распылителе. Устройство газопламенного напыления имеет высокоскоростной распылитель, содержащий корпус 1, в котором размещены камера сгорания 2, выходное сопло 3 и конус 4 с отверстиями 5. На корпусе 1 установлена свеча зажигания 6 и штуцеры 7 и 8. Между торцом корпуса 1 и конусом 4 расположена полость 9, служащая для образования топливной смеси. В центре торца корпуса 1 выполнено коническое отверстие 10. На торце корпуса 1 закреплен корпус форкамеры 11, в котором размещены форкамера 12, диск 13 со сквозными отверстиями и полость 14. На корпусе форкамеры 11 установлены свеча зажигания 12, штуцеры 16, 17 и трубка 18.
Устройство для напыления кроме распылителя содержит также системы для подачи компонентов топливной смеси и порошка исходного материала для покрытия. Система топливоподачи включает в себя баллон 19 с горючим газом, например пропан-бутаном, воздушный компрессор 20, баллон 21 с кислородом, регуляторы давления 22, 23, 24, 25, 26, дроссели 27, 28, 29, 30, 31 и вентили 32, 33. Газовый баллон 19 трубопроводом через регулятор давления 22 и дроссель 27 соединен со штуцером 16, а через регулятор давления 23 и дроссель 28 соединен со штуцером 7. Воздушный компрессор 20 через регулятор давления 24 и дроссель 29 соединен со штуцером 17, а через регулятор 25, дроссель 30 и вентиль 33 - со штуцером 8. Кислородный баллон через регулятор давления 26, дроссель 31 и вентиль 32 соединен со штуцером 8. В форкамере 12 в качестве окислителя используется сжатый воздух. В камере сгорания 2 в качестве окислителя используется сжатый воздух либо кислород. При использовании кислорода вентиль 32 находится в открытом положении, а вентиль 33 - в закрытом положении. Если же используется в качестве окислителя воздух, то вентиль 33 находится в открытом положении, а вентиль 32 - в закрытом положении. Необходимое соотношение между горючим газом и окислителем в форкамере 12 обеспечивается соответствующим подбором проходных сечений дросселей 27 и 29, а в камере сгорания 12 это обеспечивается подбором проходных сечений дросселей 28 и 30 или дросселей 28 и 31.
Система подачи порошка исходного материала для покрытия включает в себя баллон 34 с газом, например азотом, регулятор давления 35 и емкость 36 с трубкой 37, соединенной трубопроводом с трубкой 18. В емкости 36 помещен порошок 38 исходного материала для покрытия. Трубка 37 и полость емкости 36 соединены трубопроводами с регулятором давления 35.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. В камере сгорания за счет сгорания горючего в окислителе формируют высокотемпературный газовый поток. Одновременно в камеру сгорания подают порошок напыляемого материала со скоростью, значительно превышающей скорость высокотемпературного газового потока. Из-за разности скоростей частицы порошка обтекаются потоком горячего газа. При этом они интенсивно нагреваются. На фиг.2 показано движение одной и той же частицы 1 в различные моменты времени. Под воздействием встречного потока газа наиболее интенсивно нагревается лобовая часть 2 частицы 1, поэтому по мере движения частицы 1 ее диаметр непрерывно уменьшается. Наряду с этим непрерывно уменьшается и диаметр капель расплава, срывающихся с поверхности частицы. Благодаря этому из порошка напыляемого материала образуются наночастицы и на выходе из камеры сгорания формируется газовый поток с наночастицами. Далее поток с наночастицами в сопле ускоряется. На выходе из сопла эти наночастицы, осаждаясь на подложке, образуют наноструктурированное покрытие.
Работа устройства, реализующего данный способ, осуществляется следующим образом. В полость 9 через штуцеры 7 и 8 подаются горючий газ и сжатый воздух или кислород. Горючий газ поступает из баллона 19 через регулятор давления 23 и дроссель 28, а сжатый воздух из компрессора 20 через регулятор давления 25, дроссель 30 и вентиль 33. Если в качестве окислителя используется кислород, то его подача осуществляется из баллона 21 через регулятор давления 26, дроссель 31 и вентиль 32. В полости 9 образуется газообразная топливная смесь, которая поджигается при помощи свечи 6. В дальнейшем свеча 6 не используется, процесс горения топливной смеси поддерживается автоматически. Продукты сгорания и частично топливная смесь поступают в камеру сгорания 2 через отверстия 5 конуса 4. В результате сгорания топливной смеси в камере сгорания 2 формируется высокотемпературный газовый поток. Наряду с этим горючий газ и сжатый воздух подаются также в полость 14. Горючий газ поступает из баллона 19 через регулятор давления 22, дроссель 27 и штуцер 16, а сжатый воздух - из компрессора 20 через регулятор давления 24, дроссель 29 и штуцер 17. Благодаря этому в полсти 16 образуется топливная смесь, которая поджигается свечей 15. Продукты сгорания и частично топливная смесь поступают полость 12 форкамеры 11. Окончательное сгорание топливной смеси происходит в полости 12. Одновременно с этим в полость 12 через трубку 18 подается порошок исходного материала для покрытия из емкости 36. Это производится под действием инертного газа, который при истечении из трубки 37 емкости 36 увлекает с собой частички порошка 38. Настройкой регуляторов давления 22, 23, 24, 25, 26 давление в форкамере 12 устанавливается в 1,1…1,4 раза выше, чем в камере сгорания 2. Благодаря этому в результате сгорания топливной смеси в форкамере 12 формируется высокотемпературный газовый поток, который интенсивно ускоряет частички порошка. Благодаря разности давлений между форкамерой 12 и камерой сгорания 2 образующаяся газопорошковая струя с большой скоростью поступает в камеру сгорания 2. На фиг.3 схематично показан характер течения газопорошковой струи. В камере сгорания газопорошковая струя расходится в форме конуса. При этом скорость частиц порошка значительно выше скорости высокотемпературного потока, созданного в камере сгорания 2. Вследствие этого частицы порошка обдуваются встречным потоком горячего газа, интенсивно нагреваются и, постепенно расплавляясь, раздробляются на множество мелких частей. Благодаря этому на выходе из камеры сгорания 2 в газовом потоке образуются наночастицы исходного материала для покрытия. В сопле 3 газовый поток вместе с наночастицами интенсивно ускоряется. После выхода газового потока из сопла 3 эти наночастицы, оседая на поверхность подложки, образуют наноструктурированное покрытие 39.
Примеры осуществления предлагаемого способа
Пример 1. Создание покрытия медью. Температура плавления меди составляет 1083°C. В данном случае в качестве окислителя целесообразно использовать сжатый воздух. При сгорании газовоздушной смеси в камере сгорания формируется газовый поток с температурой порядка 1400…1600°C. Скорость газового потока составляет 30…50 м/с. В зависимости от диаметра частиц порошка в камеру сгорания порошок меди подают со скоростью 250…350 м/с. Для этого давление в форкамере устанавливают в 1,1…1,2 раза больше давления в камере сгорания. При этом скорость частиц порошка относительно газового потока составляет 200…300 м/с. Благодаря этой скорости частицы порошка в процессе движения в камере сгорания полностью расплавляются и раздробляются, образуя в газовом потоке наночастицы. Из-за нагрева и расплавления частиц порошка температура газового потока уменьшается. После выхода из камеры сгорания газовый поток с наночастицами интенсивно ускоряется в сопле. При этом температура газового потока снижается. В зависимости от параметров сопла температура газового потока на выходе из сопла составляет порядка 850…1000°C. При этом наночастицы могут находиться в твердом либо в жидком состоянии. На поверхности подложки из этих наночастиц образуется наноструктурированное покрытие.
Пример 2. Создание покрытия хромом.
Температура плавления хрома составляет 1890°C. В данном случае в качестве окислителя целесообразно использовать кислород. При сгорании смеси горючего газа с кислородом в камере сгорания формируется газовый поток с температурой порядка 2100…2500°C. Скорость газового потока в передней части камеры сгорания составляет 50…100 м/с. В камеру сгорания порошок храма подают со скоростью 300…450 м/с в зависимости от диаметра частиц порошка. Для этого давление в форкамере устанавливают в 1,15…1,25 раза больше давления в камере сгорания. При этом скорость частиц порошка хрома относительно газового потока составляет 250…350 м/с, что достаточно для образования в газовом потоке наночастиц хрома. В сопле скорость газового потока с наночастицами интенсивно повышается, при этом его температура снижается. На выходе из сопла температура газового потока составляет порядка 1700…1900°C. При этом наночастицы находятся преимущественно в твердом состоянии. Оседая на поверхность подложки, они образуют наноструктурированное покрытие.
В предлагаемом способе для получения наноструктурированного покрытия в качестве исходного материала используются порошковые материалы, широко используемые в промышленности. Это существенно упрощает и удешевляет получение наноструктурированных покрытий, что дает возможность широко применять такие покрытия.
1. Способ газопламенного напыления наноструктурированного покрытия, включающий формирование в камере сгорания распылителя высокотемпературного газового потока путем сжигания топлива в окислителе, подачу в камеру сгорания исходного материала, образование и перенос высокотемпературным газовым потоком наночастиц, полученных из исходного материала, и осаждение их на подложке, отличающийся тем, что распылитель снабжают форкамерой, а в качестве исходного материала используют порошковый материал, при этом одновременно с формированием в камере сгорания распылителя высокотемпературного газового потока в упомянутой форкамере устанавливают давление выше, чем давление в камере сгорания, и формируют высокотемпературный газовый поток, в который подают порошковый материал с образованием газопорошковой струи, которую подают в камеру сгорания со скоростью, большей скорости высокотемпературного газового потока.
2. Устройство для газопламенного напыления наноструктурированного покрытия, содержащее распылитель с камерой сгорания со штуцерами для подачи компонентов топливной смеси и выходным соплом, системы для подачи компонентов топливной смеси, соединенные с соответствующими штуцерами камеры сгорания, и систему для подачи исходного материала покрытия, отличающееся тем, что распылитель снабжен форкамерой со штуцерами для подачи компонентов топливной смеси, соединенными с соответствующими системами для подачи компонентов топливной смеси, и с трубкой для исходного материала покрытия, соединенной с системой для подачи исходного материала в виде порошка, при этом форкамера расположена со стороны торца камеры сгорания и соединена с ней.
