Способ нанесения теплозащитного наноструктурированного покрытия плазменным распылением порошка



Способ нанесения теплозащитного наноструктурированного покрытия плазменным распылением порошка
Способ нанесения теплозащитного наноструктурированного покрытия плазменным распылением порошка
Способ нанесения теплозащитного наноструктурированного покрытия плазменным распылением порошка
Способ нанесения теплозащитного наноструктурированного покрытия плазменным распылением порошка
Способ нанесения теплозащитного наноструктурированного покрытия плазменным распылением порошка
Способ нанесения теплозащитного наноструктурированного покрытия плазменным распылением порошка
Способ нанесения теплозащитного наноструктурированного покрытия плазменным распылением порошка

 


Владельцы патента RU 2483140:

Полянский Михаил Николаевич (RU)

Изобретение относится к области нанотехнологий, используемых для нанесения покрытий, и может найти применение в ракетостроении, авиационной и машиностроительной промышленности. Осуществляют поддержание динамического вакуума в камере для нанесения покрытия и проводят поочередное напыление слоя покрытия пористостью 0,1-0,2% из мелкодисперсных частиц и наночастиц порошка с использованием недорасширенной струи плазмы при поддержании в камере динамического вакуума с давлением, меньшим статического давления в струе плазмы с распыляемым порошком на входе в камеру, а затем напыление слоя покрытия пористостью 3,5-5,0% из пластифицированных частиц порошка с использованием перерасширенной струи плазмы при поддержании в камере динамического вакуума с давлением, большим статического давления в струе плазмы с распыляемым порошком на входе в камеру. Поочередное напыление осуществляют до получения требуемого покрытия. Получается наноструктурированное теплозащитное покрытие с пониженными напряжениями и повышенной устойчивостью к воздействию термоциклических нагрузок. 7 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к области нанотехнологий, используемых для нанесения покрытий, и может найти применение в ракетостроении, авиационной 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. При этом осуществляется истечение в камеру недорасширенной струи плазмы с частицами напыляемого вещества. 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. Получающиеся при помощи плазменного напыления в динамическом вакууме покрытия обладают хорошей адгезией (65-70, МПа) и максимальной плотностью (пористость 0,1-0,2%). Это объясняется тем, что в этом случае происходит дополнительное диспергирование и частичное испарение напыляемого вещества, в результате чего напыление производится мелкими частицами, которые скрепляются друг с другом дополнительно при помощи наночастиц, образующихся из паровой фазы.

Недостатком данного способа является то, что в покрытии при этом остается достаточно высокий уровень напряжений. Одним из способов снижения уровня напряжений является увеличение пористости покрытия до ~ 3,5-5%, который реализуется при плазменном напылении на воздухе, но в этом случае, к сожалению, имеется относительно низкий уровень адгезии (25-35 МПа) [2].

Задачей предлагаемого изобретения является существенное улучшение рабочих характеристик покрытия (например, теплозащитных) за счет создания наноструктурированного в поперечном направлении покрытия, в этом случае происходит совмещение положительных свойств покрытий, получающихся при плазменном напылении в динамическом вакууме и при плазменном напылении на воздухе.

Технический результат достигается заявляемым способом нанесения теплозащитного наноструктурированного покрытия плазменным распылением порошка, который включает поддержание динамического вакуума в камере для нанесения покрытия и напыление слоя покрытия, отличающимся тем, что осуществляют поочередное напыление слоя покрытия пористостью 0,1-0,2% из мелкодисперсных частиц и наночастиц порошка с использованием недорасширенной струи плазмы при поддержании в камере динамического вакуума с давлением, меньшим статического давления в струе плазмы с распыляемым порошком на входе в камеру, а затем напыление слоя покрытия пористостью 3,5-5,0% из пластифицированных частиц порошка с использованием перерасширенной струи плазмы при поддержании в камере динамического вакуума с давлением, большим статического давления в струе плазмы с распыляемым порошком на входе в камеру, при этом поочередное напыление осуществляют до получения требуемого покрытия.

Газодинамические отличия в недорасширенных и перерасширенных струях приведены в [3].

Изобретение поясняется фигурами.

На фиг.1 представлена фотография, соответствующая истечению воздушной струи из сопла с числом Маха, равным 3, в воздушное пространство на режиме недорасширения.

На фиг.2 представлена фотография, соответствующая истечению воздушной струи из сопла с числом Маха, равным 3, в воздушное пространство на режиме перерасширения.

На фиг.3 представлена схема расположения плазмотрона 1 и подложки 2, на которую наносится покрытие (режим недорасширения плазменной струи).

На фиг.4 представлена фотография покрытия, полученного под воздействием недорасширенной плазменной струи.

На фиг.5 представлена схема расположения плазмотрона 1 и подложки 2, на которую наносится покрытие (режим перерасширения плазменной струи).

На фиг.6 представлена фотография покрытия, полученного под воздействием перерасширенной плазменной струи.

В недорасширенной струе (фиг.1) происходит сильное расширение плазмы, истекающей из сопла. При этом внутри струи зарождается висячий скачок уплотнения, имеющий бочкообразную форму. Важно иметь в виду, что область течения сильно недорасширенной струи, ограниченная висячим скачком уплотнения, имеет такое же распределение параметров, которое реализовывалось бы на этом участке при истечении плазмы в вакуум с теми же условиями на срезе сопла [3]. Это приводит к тому, что внутри висячего скачка газ непрерывно разгоняется до скоростей ~ 2 км/с; статическое давление на линиях тока при этом сильно падает, что приводит к конденсации паровой фазы напыляемого вещества с образованием наночастиц.

Сильно недорасширенная струя плазмы, определяемая низким уровнем динамического вакуума в камере (~ 0,5-1,0 Торр), содержащая плазмообразующий газ, расплавленные частицы порошка и материал в паровой фазе, в которую он частично перешел в плазмотроне и сверхзвуковом сопле плазмотрона 3, истекает в камеру с образованием висячего скачка уплотнения 4, внутри которого реализуется сверхзвуковое течение плазмы. Покрытие в этом случае состоит из мелких частиц 5, диспергированных из исходного расплавленного материала, скрепленных друг с другом наночастицами 6, образованными из конденсированной паровой фазы напыляемого вещества (фиг.3).

Пример 1.

Данный пример относится к получению покрытия, состоящего из мелкодисперсных частиц и наночастиц оксида циркония. В этом примере использовался плазмотрон (мощность 10 кВт), число Маха на срезе сопла - 3.8, диаметр выходного сечения сопла - 18 мм, напыляемый материал - порошок оксида циркония с размерами частиц 5-10 мкм. Давление в вакуумной камере поддерживалось на уровне - 0.5 Торр, статическое давление на срезе сопла плазмотрона - 25 Торр. Результат напыления на пластину, помещенную в вакуумной камере, приведен на фиг.4. Диагностика покрытия на растровом электронном микроскопе показала, что напыленный слой состоит из мелкодисперсных частиц и наночастиц, размер которых значительно меньше исходных частиц порошка.

На фиг.5 представлена схема, аналогичная представленной на фиг.3, но для случая истечения в камеру струи плазмы на перерасширенном режиме, определяемом повышенным, относительно первого случая, уровнем динамического вакуума в камере (~50-100 Торр). В случае истечения струи плазмы в вакуумную камеру в перерасширенном режиме (фиг.2), висячий скачок уплотнения вырождается из бочкообразной формы в изобарическую область 7 (фиг.5), внутри которой частицы не разгоняются и статическое давление на линиях тока не падает. В этом случае покрытие образуется из более крупных частиц, т.к. в струе в этом случае не происходит диспергирование расплавленных частиц в достаточно большом объеме по сравнению с первым случаем. Покрытие в этом случае имеет большую пористость, чем в первом случае.

Пример 2.

В данном примере параметры плазмотрона остаются теми же, что и в примере 1, но давление в вакуумной камере поддерживалось на уровне 50 Торр, что дает перерасширенный режим течения в плазме, истекающей в вакуумную камеру. Результат напыления оксида циркония на пластину, расположенную в вакуумной камере, приведен на фиг.6. Из фотографии, изображенной на фиг.6, видно, что покрытие состоит из крупных, пластифицированных при ударе о поверхность частиц, гораздо больших по размеру, чем в примере 1.

Меняя уровни давления в камере можно, не открывая камеру, поочередно наносить слои из мелкодисперсных частиц и наночастиц (адгезия 65-70 МПа, пористость 0,1-0,2%) и слои из крупных пластифицированных частиц (адгезия 25-35 МПа, пористость 3,5-5,0%) одним и тем же порошком напыляемого вещества (см. фиг.7). Таким образом наносится требуемое число слоев для выполнения защитных функций покрытия, которое, обладая на интерфейсах с подложкой и между слоями хорошей когезией, имеет при этом низкий уровень напряжений в нем.

Предлагаемое техническое решение позволяет достаточно просто получать наноструктурированное в поперечном направлении покрытие, полученное при напылении одним и тем же порошком в одной и той же камере, которое обладает низким уровнем напряжений в нем и повышенной устойчивостью к воздействию на него, например, многоразовых термоциклических нагрузок.

Использованные источники

1. В.В.Кудинов, Г.В.Бобров. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. - М.: «Металлургия», 1992, стр.144-148.

2. Л.Х.Болдеев, Б.М.Захаров, В.М.Иванов и др. «Увеличение термостойкости газотермического теплозащитного покрытия». Металловедение и термическая обработка металлов, 2002, №3, с.32-36.

3. B.C.Авдуевский, Э.А.Ашратов, А.В.Иванов, У.Г.Пирумов. Газодинамика сверхзвуковых неизобарических струй. - М.: Машиностроение, 1989.

Способ нанесения теплозащитного наноструктурированного покрытия плазменным распылением порошка, включающий поддержание динамического вакуума в камере для нанесения покрытия и напыление слоя покрытия, отличающийся тем, что осуществляют поочередное напыление слоя покрытия пористостью 0,1-0,2% из мелкодисперсных частиц и наночастиц порошка с использованием недорасширенной струи плазмы при поддержании в камере динамического вакуума с давлением, меньшим статического давления в струе плазмы с распыляемым порошком на входе в камеру, а затем напыление слоя покрытия пористостью 3,5-5,0% из пластифицированных частиц порошка с использованием перерасширенной струи плазмы при поддержании в камере динамического вакуума с давлением, большим статического давления в струе плазмы с распыляемым порошком на входе в камеру, при этом поочередное напыление осуществляют до получения требуемого покрытия.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к формированию (восстановлению) кромок деталей машин, и может быть использовано, например, для восстановления кромок гидродинамических турбин.

Изобретение относится к композициям для поверхностного упрочнения буровых инструментов. .
Изобретение относится к машиностроению, в частности к способу формирования покрытия на трущихся поверхностях, и может быть использовано для формирования прочного износостойкого покрытия в узлах трения гидравлических, прецизионных, механических систем, зубчатых и цепных передач, систем с циркуляционной смазкой, применяемых в автомобильной и в других отраслях промышленности.
Изобретение относится к способам обработки узлов трения. .

Изобретение относится к области нанесения металлических покрытий путем переноса материала покрытия посредством цилиндрической щетки с металлическим ворсом. .
Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам плакирования щеткой, и может быть использовано для нанесения металла или сплава на твердую поверхность.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для обработки внутренних поверхностей деталей пластическим деформированием с одновременным нанесением покрытия.

Изобретение относится к устройствам для обработки материалов методом поверхностного пластического деформирования с одновременным нанесением покрытий из металлических материалов.

Изобретение относится к способу и устройству для нанесения покрытия на детали и может найти применение при нанесении покрытия на плоскостные детали, в частности на лицевые поверхности мебели, с помощью пленки.

Изобретение относится к детонационному синтезу наноструктурированных графитовых образований, в частности алмазов, предназначенных для использования в химической, электрохимической промышленности, в фармакологии, при проведении биомедицинских исследований, для получения катализаторов роста, алмазных и алмазоподобных пленок, в качестве основы оптических затворов - ограничителей интенсивности лазерного излучения, в качестве присадок для ракетных топлив, смазочного материала; наномодификатора для бетона, антифрикционной добавки к конструкционным материалам и смазкам, элемента холодных катодов, элемента нелинейно-оптических систем, в том числе широко полостных ограничителей лазерного излучения.

Изобретение относится к плазменному синтезу наноматериалов. .

Изобретение относится к области гетерогенного катализа, в частности к способу получения катализатора для изотопного обмена протия-дейтерия и орто-пара конверсии протия.

Изобретение относится к медицине, конкретно к неврологии и кардиологии, а именно к получению лекарственного средства в виде биологически активного нанопрепарата, обладающего антигипоксической и антиоксидантной активностью.

Изобретение относится к технологии опто- и микроэлектроники и может быть использовано для получения опалоподобных структур. .

Изобретение относится к области химии. .

Изобретение относится к нанотехнологии. .

Изобретение относится к способу получения высокочистого и бездефектного кварцевого стекла по золь-гель технологии. .

Изобретение относится к технологиям получения печатных видов бумаги и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности
Наверх