Способ нанесения покрытий


 


Владельцы патента RU 2436862:

Государственный научный центр Российской Федерации - Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша" (ФГУП "Центр Келдыша") (RU)

Изобретение относится к способам нанесения покрытий из наночастиц и может быть использовано в плазмометаллургии, плазмохимии и машиностроительной промышленности. Технический результат - повышение рабочих характеристик покрытий, упрощение технологии, повышение ее экологичности. Способ включает установку плазмотрона в камеру с пониженным давлением, поддержание динамического вакуума в камере, подачу плазмообразующего газа и порошка напыляемого материала в плазмотрон и распыление материала сверхзвуковым потоком плазмы в камере с образованием паровой фазы распыляемого материала. При этом в камере у выходного сечения плазмотрона устанавливают стенку в форме тупого угла АСВ таким образом, что упомянутый угол является внешним по отношению к углу отклонения части СВ стенки от оси плазменной струи, составляющему не менее 10 градусов. Распыление осуществляют с обеспечением расширения подаваемого газового потока при обтекании плазменной струи упомянутой стенки и образования веера волн разрежения в ее угловой точке (С), с конденсацией наночастиц из паровой фазы напыляемого материала в плазмообразующем газе и их выпадением на подложке с образованием покрытия, состоящего из наночастиц. 1 ил.

 

Изобретение относится к области нанотехнологий, используемых для получения наночастиц с последующим нанесением покрытий, и может найти применение в плазмометаллургии, плазмохимии и машиностроительной промышленности.

Известен способ нанесения покрытий [1], в котором при помощи плазменного распыления порошков материалов микронных размеров сверхзвуковыми потоками плазмы в камерах с пониженным давлением наносятся покрытия на подложку. Во время нанесения покрытия в камере поддерживается динамический вакуум, т.е. процесс происходит в камере, в которую, с одной стороны, из плазмотрона поступает плазма, а с другой стороны, постоянно ведется откачка атмосферы камеры вакуумными насосами. Недостатком данного способа является то, что напыление на подложку происходит смесью как мелких (0,5-1 мкм), так и крупных (1-5 мкм) частиц напыляемого вещества, что затрудняет обеспечение как высокой адгезионной прочности сцепления покрытия с подложкой, так и высокой прочности всего покрытия в целом.

Задачей предлагаемого изобретения является существенное улучшение рабочих характеристик покрытий за счет нанесения их наночастицами, получающихся экологически безопасным способом из порошков различных материалов микронного уровня в едином производственном цикле.

Для достижения этого технического результата в предлагаемом способе нанесения покрытий, включающем установку плазмотрона в камеру с пониженным давлением, поддержание динамического вакуума в камере, подачу плазмообразующего газа и порошка напыляемого материала в плазмотрон и распыление материала сверхзвуковым потоком плазмы в камере с образованием паровой фазы распыляемого материала, в камере у выходного сечения плазмотрона устанавливают стенку в форме тупого угла АСВ таким образом, что упомянутый угол является внешним по отношению к углу отклонения части СВ стенки от оси плазменной струи, составляющему не менее 10 градусов, а распыление осуществляют с обеспечением расширения подаваемого газового потока при обтекании плазменной струи упомянутой стенки и образования веера волн разрежения в угловой точке (С), с конденсацией наночастиц из паровой фазы напыляемого материала в плазмообразующем газе и их выпадением на подложке с образованием покрытия, состоящего из наночастиц.

На чертеже схематично представлен плазмотрон, с помощью которого может быть осуществлен предлагаемый способ. Для осуществления способа используется течение Прандтля-Майера [2], которое реализуется при сверхзвуковом обтекании внешнего тупого угла с образованием в угловой точке веера волн разряжения. В вакуумную камеру помещается плазмотрон [3], в плазмообразующий газ которого добавляется порошок материала, из которого необходимо получить наночастицы. Струя плазмы, содержащая плазмообразующий газ и материал в паровой фазе, в которую он перешел в плазмотроне и в сверхзвуковом сопле 1 плазмотрона (см. чертеж), истекает в область динамического вакуума. В недорасширенной струе плазмы при этом возникает висячий скачок уплотнения 2, внутри которого реализуется сверхзвуковое течение, совпадающее с истечением струи в вакуум [4].

Вблизи выходного сечения сопла плазмотрона, внутри висячего скачка уплотнения, устанавливается стенка в форме внешнего тупого угла 3 с углом отклонения от оси плазменной струи не менее 10 градусов. Истекающая из сопла плазмотрона с числом Маха Ма струя разгоняется внутри висячего скачка уплотнения до еще большего числа Маха Мк перед угловой точкой С. В точке С стенка поворачивает, образуя с первоначальным направлением угол β0. При сверхзвуковом обтекании тупого угла АВС газ расширяется (см. чертеж), ибо область, занятая газом, увеличивается; при этом расширении плазма доразгоняется до числа Маха ML>MK. В угловой точке С при этом образуется веер волн разряжения, в котором сверхзвуковой поток меняет направление с АС на СВ и значительно ускоряется.

При ускорении плазмы в окрестности точки С от МК до ML происходит резкое падение статической температуры и статического давления потока. Плазма, находящаяся на линии тока 4 до угловой точки С, при развороте на угол β0 переходит на линии тока 5, которые характеризуют сверхзвуковое течение плазмы над стенкой СВ. Расчеты отрицательных величин градиентов температуры и давления, которые при этом реализуются в окрестности точки С при β0~10÷20° показали, что они достигают очень больших величин: ~108 [К/с] и ~108 [Па/с], соответственно.

Резкое охлаждение и резкое падение давления в плазме, содержащей парообразную фазу материала, приводит к осуществлению в окрестности точки С в области KCL конденсации с образованием наночастиц 6 из порошка материала, помещенного в плазмообразующий газ плазмотрона. Образующиеся наночастицы способны частично выпадать на стенку СВ, но основное их количество располагается на линиях тока 5, находясь в сверхзвуковом потоке при числе Маха ML; абсолютная величина скорости, которую наночастицы достигают в области LCB, ~2 км/с. Размещая в этой области подложку 7, можно в непрерывном производственном цикле получать на ней покрытие из наночастиц, которое будут обладать более высокими рабочими характеристиками, чем покрытие из частиц микронного уровня, а расплавленные частицы порошка не выпадают на подложку, так как в веере волн разряжения они не отклоняются от своего первоначального направления вдоль оси плазменной струи.

Предлагаемое техническое решение позволяет достаточно просто получать наночастицы из любых веществ: металлов, оксидов, карбидов, нитридов, боридов и т.п. и затем в непрерывном производственном цикле получать из них покрытия; при этом способ нанесения покрытий с помощью наночастиц является экологически безопасным, т.к. весь процесс, начиная от формирования наночастиц до нанесения покрытий, происходит в замкнутом объеме вакуумной камеры, полностью изолированной от обслуживающего персонала.

Способ нанесения покрытий, включающий установку плазмотрона в камеру с пониженным давлением, поддержание динамического вакуума в камере, подачу плазмообразующего газа и порошка напыляемого материала в плазмотрон и распыление материала сверхзвуковым потоком плазмы в камере с образованием паровой фазы распыляемого материала, отличающийся тем, что в камере у выходного сечения плазмотрона устанавливают стенку в форме тупого угла АСВ таким образом, что упомянутый угол является внешним по отношению к углу отклонения части СВ стенки от оси плазменной струи, составляющему не менее 10°, а распыление осуществляют с обеспечением расширения подаваемого газового потока при обтекании плазменной струи упомянутой стенки и образования веера волн разрежения в угловой точке (С), с конденсацией наночастиц из паровой фазы напыляемого материала в плазмообразующем газе и их выпадением на подложке с образованием покрытия, состоящего из наночастиц.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам формирования напылением аморфного пленочного покрытия. .

Изобретение относится к нанесению покрытий, которые содержат небольшие количества газообразных примесей, в частности кислорода, и предназначены для защиты от коррозии, от износа или для применения в системах управления температурой.
Изобретение относится к технологии получения покрытий на поверхности деталей, в частности к способам нанесения защитных покрытий из порошковых материалов газотермическим напылением на поверхности деталей, и может быть использовано в авиадвигателестроении, энергетике, машиностроении при изготовлении и ремонте деталей, например корпусных деталей, валов, рабочих и направляющих лопаток газовых турбин.
Изобретение относится к получению износостойких покрытий методом детонационного напыления. .
Изобретение относится к нанесению покрытий, а именно к способу металлизации детонационным напылением детали из полимерного материала, и может быть использовано для металлизации термопластов, в особенности инертных пластиков, таких как фторопласт, полиэтилен, полипропилен.

Изобретение относится к технологиям модификации металлических поверхностей, например к технологиям азотирования, цементации, легирования и др. .
Изобретение относится к способам напыления композиционных пористых покрытий и может быть использовано для формирования покрытий на поверхности внутрикостных имплантатов, фильтрующих покрытий, носителей катализаторов.

Изобретение относится к многослойному покрытию, представляющему собой термический барьер, а также к детали с таким покрытием. .

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий, в частности к импульсному электровзрывному нанесению покрытий с применением в качестве фольг различных металлов, и может быть использовано в электротехнике для формирования контактных поверхностей с высокой электрической проводимостью.

Изобретение относится к технологиям получения высокотвердых защитных и функциональных покрытий и может быть использовано для покрытия поверхностей деталей машин и механизмов, трубопроводов и насосов, элементов корпусов, функциональных и несущих металлоконструкций.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при получении заготовок многогранной или круглой форм с высоким уровнем физико-механических свойств.
Изобретение относится к нанокомпозитному материалу на основе минерального вяжущего и может найти применение в качестве строительного материала при возведении зданий и сооружений, в том числе объектов транспортного и гидротехнического строительства.

Изобретение относится к технологии получения нанокристаллических пленок рутила и может быть использовано при создании полупроводниковых приборов, а также при получении защитных и других функциональных покрытий.
Изобретение относится к области химической промышленности и металлургии и может применяться для получения суспензий наноразмерных частиц элементов и их соединений.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению изделий из композиционных материалов на основе медных матриц, используемых в качестве антифрикционных элементов подшипников скольжения.
Изобретение относится к изготовлению сверхпроводящей ленты на основе соединения Nb3Sn и может быть использовано при изготовлении сверхпроводящих магнитных систем различного назначения.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, нанотехнологий в оптике, в частности к области микроскопических исследований и получению цифровых изображений биологических объектов.

Изобретение относится к способу лазерной абляции для нанесения покрытия на изделие, имеющее одну или более поверхностей, и к изделию с покрытием. .

Изобретение относится к технологии изготовления кремниевых микро- и наноэлектронных устройств. .

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения нанопорошков систем элемент-углерод, т.е. .

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано в технологии изготовления металлических, полупроводниковых и диэлектрических материалов и приборов, в частности для нанесения многослойных нанокристаллических тонких пленок этих материалов химическим способом
Наверх