Способ получения наноструктурированного покрытия



Способ получения наноструктурированного покрытия
Способ получения наноструктурированного покрытия

 


Владельцы патента RU 2542218:

Боташев Анвар Юсуфович (RU)

Изобретение относится к способу получения наноструктурированных покрытий для защиты поверхностей изделий. Способ включает формирование в камере сгорания распылителя высокотемпературного газового потока путем сжигания топлива в окислителе, подачу в камеру сгорания исходного материала, являющегося источником образования наночастиц, образование и перенос высокотемпературным газовым потоком наночастиц и осаждение их на подложке. При этом в камере сгорания воздействием высокотемпературного газового потока исходный материал переводят в газообразное состояние. Затем газовый поток после выхода из камеры сгорания резко охлаждают до температуры ниже температуры плавления исходного материала. Охлаждение газового потока возможно осуществлять путем смешения с холодным потоком инертного газа. Технический результат заключается в получении наноструктурированных покрытий высокого качества с использованием порошковых материалов металлургической промышленности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

 

Предлагаемое изобретение относится к способам 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 наноструктурированных 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 получение 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 получение 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).

Недостатком известного способа 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, в камере сгорания воздействием высокотемпературного газового потока исходный материал переводят в газообразное состояние, а затем газовый поток после выхода из камеры сгорания резко охлаждают до достижения температуры ниже температуры плавления исходного материала. В частности, охлаждение упомянутого газового потока осуществляют путем его смешения с холодным потоком инертного газа.

В предлагаемом способе в качестве исходного материала для образования наночастиц используются порошковые материалы, выпускаемые промышленностью. В камере сгорания под воздействием высокотемпературного газового потока порошок расплавляется и испаряется. После выхода газового потока из камеры сгорания при резком его охлаждении пары исходного материала, минуя жидкое состояние, переходят в твердое состояние. Так в газовом потоке образуются наночастицы. При оседании этих частиц на подложке образуется наноструктурированное покрытие.

Предлагаемый способ реализуется в устройстве высокоскоростного напыления, схематически представленном на фиг.1. Устройство содержит камеру сгорания 1, соединенную с соплом 2. В камеру сгорания 1 подается горючее 3, окислитель 4 и порошок 5 исходного материала, служащего источником наночастиц. В качестве горючего используется природный газ или пропан-бутан, либо ацетилен, а в качестве окислителя - сжатый воздух или кислород. При необходимости вместе с порошком в камеру сгорания 1 может также подаваться азот. В результате сгорания топливной смеси в камере сгорания образуется высокотемпературный газовый поток. Под воздействием этого потока порошок исходного материала расплавляется, испаряется и смешивается с газовым потоком. Длина камеры сгорания 1 и параметры газового потока подбираются таким образом, чтобы в камере сгорания 1 порошок исходного материала успел испариться. Газовый поток после выхода из камеры сгорания 1 ускоряется в сопле 2. При этом температура газового потока интенсивно падает. Длина сопла 2 выбирается таким образом, чтобы до достижения выходного среза сопла температура газового потока стала ниже температуры плавления исходного материала. При этом из-за быстротечности процесса пары исходного материала, минуя жидкое состояние, переходят в твердое состояние. Благодаря этому из сопла выходит газовый поток с наночастицами, которые, оседая на подложке, образуют наноструктурированное покрытие 6.

На фиг.2 схематично представлен другой вариант реализации предлагаемого способа. Устройство, осуществляющее способ, содержит камеру сгорания 1 с коническим соплом 2, в которую подаются горючее 3, окислитель 4 и порошковый материал 5. К корпусу камеры сгорания 1 присоединено дополнительное сопло 6, охватывающее сопло 2 камеры сгорания. В сопло 6 подается инертный газ 7, например азот, благодаря чему в пространстве 8 между соплами 2 и 6 формируется холодный поток инертного газа. В камере сгорания 1 из продуктов сгорания формируется поток высокотемпературного газа. Под его воздействием частицы порошка испаряются и смешиваются с потоком. В сопле 2 поток высокотемпературного газа ускоряется, при этом его температура интенсивно снижается. После выхода из сопла 2 поток высокотемпературного газа, смешиваясь с холодным потоком инертного газа, интенсивно охлаждается. При уменьшении его температуры ниже температуры плавления исходного материала из паров исходного материала образуются наночастицы, из этих частиц на подложке образуется наноструктурированное покрытие 9.

Примеры осуществления предлагаемого способа

Пример 1. Создание антикоррозионного покрытия использованием хрома. Температура плавления хрома составляет 2130K, а температура кипения - 2945K. Следовательно, для испарения частичек порошка хрома температура газового потока должна быть порядка 2700…2900K. Следует отметить, что, так как парциальное давление паров хрома в газовом потоке будет невелико, температура газового потока может быть ниже температуры кипения хрома. Поэтому при температуре 2700…2800K частички хрома могут полностью испариться. Таким образом, газовый поток с парами хрома при выходе из камеры сгорания будет иметь температуру порядка 2700…2800K. В сопле температура газового потока должна быть снижена примерно до 2050…2150K, т.е. в 1,3…1,4 раза. Это достигается соответствующим подбором параметров сопла. Создание покрытия осуществляется при помощи устройства, представленного на фиг.1. В камеру сгорания подается природный газ, кислород и порошок хрома.

Пример 2. Создание антикоррозионного покрытия на основе алюминия. Температура плавления алюминия составляет 933K, а температура кипения 2673K. В данном случае температура кипения почти в 3 раза превышает температуру плавления. Поэтому для реализации предлагаемого способа целесообразнее использовать устройство, представленное на фиг.2. Для испарения частичек порошка алюминия вполне достаточна температура 2000…2100K, поэтому в качестве окислителя может быть использован сжатый воздух. В камеру сгорания подается природный газ, сжатый воздух и порошок алюминия, а в пространство 8 между соплами 2 и 6 подается азот. Газовый поток с парами алюминия при выходе из камеры сгорания будет иметь температуру порядка 2000…2100K. При прохождении потока через сопло его температура снижается. После выхода из сопла поток высокотемпературного газа смешивается с потоком азота, и его температура снижается до 850…900K.

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. Данный способ позволяет также производить многослойные нанокомпозиционные материалы.

1. Способ получения наноструктурированного покрытия, включающий формирование в камере сгорания распылителя высокотемпературного газового потока путем сжигания топлива в окислителе, подачу в камеру сгорания исходного материала, являющегося источником образования наночастиц, образование наночастиц, перенос высокотемпературным газовым потоком наночастиц и осаждение их на подложке, отличающийся тем, что используют исходный материала в виде порошка в камере сгорания, длину которой выбирают из условия обеспечения испарения порошка исходного материала путем воздействия высокотемпературным газовым потоком, причем порошок исходного материала переводят в газообразное состояние, полученный газовый поток после выхода из камеры сгорания ускоряют в сопле и охлаждают с образованием наночастиц, причем используют сопло, длину которого выбирают из условия охлаждения газового потока до температуры ниже температуры плавления исходного материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение газового потока осуществляют путем смешения с холодным потоком инертного газа.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к технологии получения покрытий и может быть использовано в различных отраслях машиностроения при изготовлении или восстановлении деталей для придания поверхности повышенных характеристик сопротивления коррозии.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для получения материалов с заданным уровнем физико-механических характеристик. Способ включает разгон легирующего порошка энергией взрыва зарядом бризантного взрывчатого вещества.
Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам получения антифрикционных восстановительных покрытий методом газодинамического напыления на стальных изделиях, используемых в технологических процессах восстановления деталей в узлах машин и в авиационной технике.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к покрытиям для восстановления и упрочнения запорной и регулирующей арматуры. Покрытие для нанесения на приводные элементы запорной и регулирующей арматуры представляет собой двухслойную систему, состоящую из подслоя и основного слоя.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к чистовой упрочняющей безабразивной обработке поверхностей деталей из конструкционных сталей. На поверхности дорожки качения подшипника размещают порошок графита или дисульфида молибдена и через слой порошка к поверхности вращающейся детали прижимают индентор, совершающий ультразвуковые механические колебания.

Изобретение относится к способу получения магнитотвердого покрытия из сплава самария с кобальтом и может использоваться при изготовлении постоянных магнитов, используемых в конструкциях малогабаритных двигателей постоянного тока, бортовой измерительной аппаратуре, а также различных устройствах, предназначенных для исследования космического пространства.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения теплозащитных износостойких покрытий на деталях из чугуна или стали. Проводят абразивно-струйную обработку карбидом кремния с размером частиц 1,5 мм, осуществляют плазменное напыление подслоя состава Co-Cr-Al-Y и последующее напыление керметной композиции из порошковой смеси, содержащей компоненты, при следующем соотношении, вес.%: нихром 10-20, диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, 30-20, никельалюминий 30-40, никельтитан 20-10, карбид хрома 5, карбид вольфрама 5.
Изобретение относится к способу получения адгезионно-прочных медных покрытий на керамической поверхности с использованием газодинамического напыления. Проводят предварительное напыление подслоя из оксида меди (1) с последующим напылением медного покрытия и термическую обработку покрытия.

Изобретение относится к устройству газодинамического нанесения покрытий на внешние цилиндрические поверхности изделий и может быть использовано в машиностроении и других областях хозяйства.

Изобретение относится к устройствам газодинамического нанесения покрытий на внутреннюю цилиндрическую поверхность изделий и может быть использовано в машиностроении, в автомобильной промышленности, энергетике, строительстве и нефтегазовой отрасли промышленности.

Изобретение относится к вакуумно-плазменной обработке композитов. Установка для обработки нанокомпозитов в водородной плазме содержит СВЧ-печь, установленный внутри печи кварцевый реактор для размещения в нем нанокомпозитов, состоящий из корпуса в виде полого цилиндра из кварцевого стекла и установленных на его торцах с использованием вакуумного уплотнения диэлектрических фланцев с хвостовиками для соединения с вакуумными шлангами, один из которых предназначен для подачи водорода и снабжен натекателем, а другой - для вакуумирования СВЧ-печи и реактора при помощи механического насоса.

Изобретение относится к режущему инструменту с покрытием и способу нанесения на основу инструмента покрытия. Покрытие включает, по меньшей мере, один мультинанослой, имеющий нанокомпозитный нанослой, образованный кристаллическим (TixAlyCrz)N и аморфным Si3N4, при этом 0,25≤x≤0,75, 0,25≤y<0,75, 0,05≤z≤0,2, 0,85≤x+y+z≤0,97.

Изобретение относится к технологии производства сорбентов, иммобилизованных на полимерных волокнистых носителях, и может быть использовано для термической и термохимической обработки листовых материалов в различных отраслях промышленности.

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Способ включает извлечение полезного продукта, преимущественно растворимых биоусвояемых сахаров, и последующую утилизацию лигноцеллюлозных отходов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных средств. Датчик содержит корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента - мембраны с жестким центром, с периферийным основанием в виде оболочки вращения, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой сформированы контактные площадки, первые радиальные тензорезисторы из одинаковых тензоэлементов, расположенных по одной окружности мембраны, и вторые радиальные тензорезисторы из одинаковых тензоэлементов, расположенных по другой окружности на мембране, соединенные перемычками, включенные в измерительный мост.

Использование: для изготовления сверхпроводниковых туннельных или джозефсоновских переходов. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления сверхпроводящих наноэлементов с туннельными или джозефсоновскими переходами включает формирование нанопроводов из веществ, обладающих сверхпроводящими свойствами, и преобразование их в несверхпроводящие в выбранных разделительных участках заданной ширины за счет селективного изменения атомного состава путем воздействия пучком ускоренных частиц через защитную маску с заданным рельефом.

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии в тепловую посредством дугового разряда в генераторе низкотемпературной плазмы (плазмотроне) и может быть использовано в энергетике для розжига и подсветки пылеугольного факела в топочных устройствах, в металлургической и химической промышленности, для получения ультрадисперсной сажи, которая является сырьем для получения наноструктурированного технического углерода.

Группа изобретений относится к области нанотехнологий, в частности к технологиям получения углеродных наноструктур и наноматериалов для применения в качестве подложек для нанесенных катализаторов, высокопрочных наполнителей, и касается полых углеродных наночастиц, углеродного наноматериала и способа его получения.

Автоматизированная технологическая линия для поверхностной модификации наночастицами серебра полимерного волокнистого материала предназначена для получения антибактериального фильтровального материала.

Изобретение относится к способу получения биосовместимых высокодисперсных полилактидных частиц для in situ изготовления диагностических средств для позитронно-эмиссионной томографии посредством объединения указанных частиц с раствором, содержащим катионы галлия-68 (III).

Изобретение относится к установке для газопламенного напыления наноструктурированного покрытия и может быть использовано для упрочнения поверхностей изделий. .
Наверх