Способ получения покрытий из порошковых материалов

 

Способ получения покрытий из порошковых материалов включает формирование потока газа-носителя, введение в него частиц порошкового материала покрытия, их смешение с газом-носителем, подачу полученной газопорошковой смеси в ускоряющее сверхзвуковое сопло и нанесение порошкового материала на поверхность изделия газовым потоком, причем перед введением частиц порошкового материала покрытия газ-носитель подогревают и подвергают пульсирующему воздействию, частицы порошкового материала покрытия смешивают с пульсирующим потоком газа-носителя, а нанесение порошкового материала покрытия на поверхность изделия производят в пульсирующем режиме при частоте пульсаций сверхзвуковой газопорошковой струи 2-50 Гц. Способ позволяет снизить энергозатраты, получать покрытия с высокими физико-химическими свойствами, обеспечивает высокий коэффициент использования материала покрытия. 1 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области получения покрытий из порошковых материалов, преимущественно из мелкодисперсных порошков, и может быть использовано в машиностроительной, станкостроительной, судоремонтной, радиоэлектронной отраслях промышленности и порошковой металлургии.

Известны газотермические способы получения покрытий напылением порошковых материалов на поверхности изделий [1, 2].

Недостатками способов являются: наличие физико-химических реакций между газом-носителем и частицами материала покрытия; пониженная прочность сцепления частиц между собою и материалом изделия; достаточно высокая пористость покрытия; малая производительность; малый коэффициент использования материала покрытия; достаточно высокая энергоемкость; повышенная взрывоопасность производства; использование сложного дорогостоящего оборудования.

Известен способ получения покрытий из порошковых материалов, включающий формирование потока газа-носителя, введение в него частиц порошкового материала покрытия, их смешение с газом-носителем, подачу полученной газопорошковой смеси в ускоряющее сверхзвуковое сопло и нанесение порошкового материала покрытия на поверхность изделия газовым потоком [3]. Способ предусматривает использование неподогретого газа, что требует высоких энергозатрат на создание высокоскоростной газовой струи для формирования покрытий на изделиях.

Этот способ является наиболее близким аналогом предлагаемого способа по технической сути и достигаемому результату. Недостатками способа являются достаточно высокие энергозатраты (давление газа более 15 · 10⁵ Н/м², скорость газопорошковой смеси M ≥ 2,5), недостаточная плотность, адгезия и когезия сформированного покрытия, которые зависят от скорости соударения частиц наносимого покрытия с поверхностью обрабатываемого изделия.

При реализации этого способа имеет место существенная потеря кинетической энергии частицами материала покрытия в пристеночном слое сжатого газа в момент соударения с поверхностью изделия. Это вызвано значительным торможением частиц материала покрытия в сжатом пристеночном слое газа, образованном непрерывно натекающим на поверхность изделия сверхзвуковым потоком газа-носителя. Количество потерянной частицами энергии при торможении в сжатом пристеночном слое газа зависит от плотности и толщины этого слоя, а также от плотности, размера и формы частиц [4].

Способ, изложенный в источнике информации [3], является наиболее близким аналогом предлагаемого способа.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что при получении покрытий из порошковых материалов, включающем в себя формирование потока газа-носителя, введение в него частиц порошкового материала покрытия, их смешение с газом-носителем, подачу полученной газопорошковой смеси в ускоряющее сверхзвуковое сопло и нанесение порошкового материала покрытия на поверхность изделия газовым потоком, согласно изобретению перед введением частиц порошкового материала покрытия газ-носитель подогревают и подвергают пульсирующему воздействию, частицы порошкового покрытия смешивают с пульсирующим потоком газа-носителя, а нанесение порошкового материала покрытия на поверхность изделия производят в пульсирующем режиме при частоте пульсаций газопорошковой струи 2 - 50 Гц. Подогрев газа-носителя производят до температуры, определяемой теплофизическими и механическими свойствами порошкового материала покрытия и материала изделия.

Технический результат от реализации предлагаемого способа заключается в снижении энергозатрат, в обеспечении высокого коэффициента использования материала покрытия, в получении покрытий с более высокими физико-химическими свойствами, в расширении технологических возможностей нанесения покрытий.

Способ осуществляется следующим образом.

Порошки различных материалов с дисперсностью частиц 5 - 50 мкм засыпают в питатель-дозатор частиц. Газ под давлением от источника давления газа поступает в устройства регулирования параметрами, где давление понижается до необходимого, и дросселируется по трубопроводам в нагреватель газа. Пульсатор подачи газа в это время находится в открытом состоянии, свободно пропуская газ-носитель из нагревателя газа в камеру смешения компонентов с ускоряющим сверхзвуковым соплом. При достижении газом-носителем необходимых параметров (давления, температуры, скорости истечения) приводят в действие пульсатор подачи газа и питатель-дозатор частиц. Под действием переменного давления пульсирующий подогретый поток газа-носителя поступает в камеру смешения компонентов, где смешивается с поступающим из питателя-дозатора порошком наносимого материала покрытия. Приготовленную таким образом смесь частиц материала покрытия и пульсирующего подогретого до определенной температуры газа-носителя направляют в сверхзвуковое сопло для ускорения до скоростей, необходимых для нанесения и формирования покрытий на поверхности обрабатываемого изделия.

Пример 1 (металлы).

Порошок алюминия (Al) дисперсностью менее 30 мкм подают из питателя-дозатора в пульсирующий с частотой 40 Гц газ-носитель, воздух, подогретый до температуры 450 K. В камере смешения производят смешивание порошка Al с поступающим из пульсатора газом-носителем. Пульсирующая газопорошковая смесь ускоряется в сверхзвуковом разгонном сопле до скоростей, определяемых числом Maxa M = 1,2. Давление подачи газа-носителя (воздуха) соответствует 5 · 10⁵ Н/м². Пульсирующую с частотой 40 Гц газопорошковую смесь направляют на поверхность изделия, формируя покрытие из Al.

В результате получают покрытие, обладающее следующими свойствами: - микротвердость покрытия Hμ ≥ 550 МПа,
- закрытая пористость менее 2%,
- адгезия к поверхности из Ст3 более 0,8,
- коэффициент использования материала покрытия > 60%.

Пример 2 (интерметаллы).

Механическая смесь порошков железа (Fe) и алюминия (Al) в соотношении 60% Fe + 40% Al.

Газ-носитель (воздух) с температурой T = 520 K.

Давление подачи газа-носителя P = 6 · 10⁵ Н/м².

Скорость истечения газопорошковой смеси M = 1,3.

Сформировано покрытие интерметаллид Fe-Al.

Микротвердость покрытия Hμ = 1800 MПa.
Закрытая пористость менее 1,5%.

Адгезия покрытия к Ст3 более 0,9.

Коэффициент использования материала покрытия ≥ 80%.

Пример 3 (композиты).

Смесь порошков железа (Fe), алюминия (Al) и окиси алюминия (Fe₂O₃) в соотношении 40% Fe + 30% Al + 30% Al₂O₃.

Газ-носитель (воздух) с температурой T = 580 K.

Давление подачи газа носителя P = 6 · 10⁵ Н/м².

Скорость истечения газопорошковой смеси M = 1,5.

Сформировано композитное покрытие Fe-Al-Al₂O₃.

Микротвердость покрытия Hμ = 2100 MПa.
Закрытая пористость менее 1,5%.

Адгезия покрытия к Ст3 более 0,8.

Коэффициент использования материала покрытия ≥ 65%.

В предлагаемом способе взаимодействие пульсирующего двухфазного потока с поверхностью изделия вызывает в импульсе скачкообразное повышение давления на ее поверхности и образование ударной волны. При ее отражении от поверхности происходит обратное движение газа, сопровождающееся изменением давления и как следствие этого - разрушение ударной волны. В результате этого последующий импульс двухфазного сверхзвукового потока при достижении поверхности обрабатываемого изделия не тормозится в сжатом ударном слое газа и достигает поверхности изделия с более высокой скоростью. Таким образом, нанесение частиц материала покрытия происходит практически без изменения их кинетической энергии, которую они приобрели при взаимодействии с ускоряющим их газом-носителем.

Характерное время релаксации параметров газа-носителя и частиц материала покрытия, а также время затухания нестационарной волны имеют порядок τ ≈ 20 миллисекунд. Это обстоятельство предопределяет выбор рабочих частот подачи газа-носителя. При частотах пульсирующего двухфазного потока 2 ≅ f Гц ≅ 50 эффект торможения частиц материала покрытия в пристеночном слое практически отсутствует, что позволяет частицам достигать поверхности изделия с более высокими скоростями. Высокие уровни кинетической энергии и ударно-волновые нагрузки на материал частиц и материал поверхности изделий вызывает активацию физико-химических и фазовых превращений частиц материала покрытия и материала изделия в момент соударения [5].

Таким образом, предлагаемый способ получения покрытий из порошковых материалов позволяет снизить энергозатраты, интенсифицировать процесс нанесения и формирования покрытий и материалов из различных порошков и их смесей при более низких газодинамических параметрах двухфазного потока, обеспечивает высокий коэффициент использования материала покрытия, в качестве рабочего тела (ускоряющего газа) использовать более дешевые и доступные виды газа, улучшить структуру, качество и свойства материала покрытия, расширить технологические и функциональные возможности применения покрытий и материалов.

Источники информации, принятые во внимание:
1. Кулик А. Я., Борисов Ю.С. и др. Газодинамическое напыление композиционных покрытий. -Л.: Машиностроение, 1985.

2. Кречмар Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс. -М.: Машиностроение, 1966.

3. Авторское свидетельство СССР N 1618778, кл. C 23 C 4/00, 1991.

4. Алхимов А.П. и др. Газодинамическое напыление. Исследование плоской сверхзвуковой двухфазной струи. Прикладная механика и техническая физика. Т. 38, N 2, 1997.

5. Шорморов М.Х., Харламов Ю.А. Физико-химические основы детонационно-газового напыления покрытий. -М.: Наука, 1978, с. 78.

Формула изобретения

1. Способ получения покрытий из порошковых материалов, включающий формирование потока газа-носителя, введение в него частиц порошкового материала покрытия, их смешение с газом-носителем, подачу полученной газопорошковой смеси в ускоряющее сверхзвуковое сопло и нанесение порошкового материала на поверхность изделия газовым потоком, отличающийся тем, что перед введением частиц порошкового материала покрытия газ-носитель подогревают и подвергают пульсирующему воздействию, частицы порошкового материала покрытия смешивают с пульсирующим потоком газа-носителя, а нанесение порошкового материала покрытия на поверхность изделия производят в пульсирующем режиме при частоте пульсаций сверхзвуковой газопорошковой струи 2 - 50 Гц.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подогрев газа-носителя производят до температуры, определяемой теплофизическими и механическими свойствами порошкового материала покрытия и материала изделия.