Способ нанесения покрытий и устройство для его осуществления

 

(19)RU(11)780281(13)C(51)  МПК ⁶    _{B05B7/20, C23C4/00}Статус: по данным на 17.12.2012 - прекратил действиеПошлина:

(54) СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к технике детонационного напыления покрытий. Известен способ нанесения покрытий, заключающийся в подаче напыляемого материала и гремучей смеси газов в открытый с одного конца ствол и инициировании детонационной волны. Устройство для осуществления этого способа содержит ствол, открытый с одного конца, блоки подачи в него гремучей смеси газов и напыляемого материала и блок инициирования детонации. Недостатком известного способа соответственно и устройства является невозможность получать покрытия из материалов, имеющих температуру плавления выше 3500 К, и низкая производительность. Так при единичном выстреле не удается получить покрытие толщиной более 15 мкм. Невозможность напыления тугоплавких материалов (с температурой плавления > 3500 К/при использовании известного способа и устройства объясняется тем, что при их использовании время взаимодействия продуктов детонации с напыляемыми частицами следующих за ударной волной и имеющих температуру более 4500 К очень мало ( ≈ 10^-4 с). Частицы нагреваются и ускоряются в течение < 10^-2 с расширяющимися продуктами детонации, имеющими температуру < 3500 К. При применении известных способа и устройства на нагревание и укорение частиц порошка используется лишь ≈ 2% энергии детонирующей газовой смеси. Кроме того, скорость частиц напыляемого порошка недостаточно высока, что приводит к ухудшению качества покрытий. Цель изобретения повышение производительности и качества покрытий при напылении тугоплавких материалов. Поставленная цель достигается тем, что в способе нанесения покрытий, заключающемся в подаче напыляемого материала и гремучей смеси газов в открытый с одного конца ствол и инициировании детонационной волны, согласно изобретению, в стволе инициируют дополнительную детонационную волну, направленную навстречу основной. При этом интервал времени между моментами инициирования детонационных волн равен (l₁ l₂ + 2kd)/D, где l₁ и l₂ расстояния от центра тяжести навески порошка до мест инициирования детонационных волн со стороны открытого и закрытого концов ствола соответственно (м); d диаметр ствола (м); D скорость распространения детонационной (м/сек) волны); k безразмерный коэффициент, равный 1-3. Кроме того, указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем ствол, открытый с одного конца, блоки подачи в него гремучей смеси газов и напыляемого материала и блок инициирования детонации с воспламенителем, согласно изобретению, блок инициирования детонации снабжен дополнительным воспламенителем, причем воспламенители расположены от места ввода порошка на расстояниях, превышающих преддетонационное расстояние. Устройство снабжено блоком задержки подачи высоковольтного импульса на один из воспламенителей. На чертеже изображена схема устройства для осуществления способа нанесения покрытий. Устройство включает открытый с одного конца ствол 1, дозатор 2 с трубкой для ввода напыляемого материала 3, блок подачи газов 4 с трубкой для ввода гремучей смеси газов 5, блок инициирования взрыва 6 с воспламенителями 7 и 8, кожух 9 с охлаждающей жидкостью, блок 10 подачи высоковольтного импульса на воспламенитель 8, подложку 11, на которую производится напыление. Работает устройство следующим образом. В ствол 1 с помощью блока 4 через трубки 5 подают смесь газа-окислителя горючего газа и, если это необходимо, инертного газа-разбавителя. С помощью блока 2 трубку 3 в ствол подают напыляемый порошок. Порошок образует компактное облако в стволе 1 протяженностью 1-3 диаметра ствола. Инициируют взрыв с помощью блока 6 и воспламенителей 7 и 8. Инициирование могут производить не одновременно. Задержка инициирования осуществляется с помощью блока 10, входящего в блок инициирования 6. Детонационные волны, распространяясь по стволу сталкиваются друг с другом на расстоянии k ˙ d от центра тяжести навески порошка (k коэффициент, равный 1-3, d диаметр ствола). При этом развивается давление, приблизительно в два раза превышающее максимальное давление в детонационной волне, а температура превышает максимальную в 1,5 раза. Например, в случае смеси С₂Н₂ + О₂ давление может достигать 100 атм. а температура 6500 К. После столкновения волн большая часть тепловой энергии (≈ 50%) выделяется в зоне протяженностью ≈ 6 d, где d диаметр ствола. При этом 10-30% энергии идет на нагревание порошка, что позволяет увеличить количество порошка, нагреваемого в стволе в 5-15 раз. Непосредственно после столкновения волн газ начнет растекаться от места столкновения, где давление максимально, в обе стороны. Движение в сторону закрытого конца ствола быстро прекращается и сменяется движением в сторону лишь открытого конца. Благодаря высоким значениям давления и температуры, скорость и температура частиц на выходе из ствола, даже при увеличении навески порошка в 5-10 раз, не ниже чем при использовании известных способов. Расплавленные частицы напыляемого порошка ускоренные в стволе, напыляются на подложку, в результате чего формируется слой покрытия. Для получения покрытия заданной толщины напыление повтоpяет необходимое число раз. П р и м е р. Было изготовлено устройство, включающее ствол длиной 200 см и внутренним диаметром 2,5 см, из нержавеющей стали с толщиной стенок 0,5 см. Воспламенители 7, 8 (автомобильные свечи) располагали у открытого конца ствола и на расстоянии 50 см от закрытого конца ствола соответственно. В качестве блока инициирования 6 использовалась система зажигания, применяемая в автомобилях. Трубка 3 для ввода порошка имеет длину 10 см. Она изготавливалась из нержавеющей стали внутренним диаметром 3 мм, толщина стенок 1 мм. Выход трубки был расположен на расстоянии 70 см от открытого конца ствола. Таким образом l₂ 80 см, l₁ 70 см, а k 2. Устройство использовалось для получения покрытий из окиси алюминия и вольфрама. Использовался порошок грануляцией 20 и 5 мм соответственно. Единичная навеска порошка была 1 г и 0,1 г соответственно. В ствол 1 подавали смесь кислорода и ацетилена в соотношении 1,1 к 1 при напылении вольфрама и 2,5 к 1 при напылении окиси алюминия до полного заполнения ствола. С помощью блока 2 через трубку 3 вспрыскивали облако напыляемого порошка. В качестве транспортирующего газа использовали гремучую смесь в количестве около 50 см³ на выстрел. При этом длина порошкового облака в стволе составляла около четырех его диаметров. Инициирование детонации производилось одновременно с помощью воспламенителей 7 и 8. Столкновение детонационных волн осуществлялось посередине между воспламенителями (75 см от открытого конца). Для этого перед напылением производился предварительный эксперимент, который заключался в следующем. В устройство вместо водоохлаждаемого ствола устанавливали неводоохлаждаемый ствол с той же геометрией, что и рабочий, но с толщиной стенок 0,1 см. Производили несколько выстрелов (≈ 10) без порошка. При этом в месте столкновения детонационных волн диаметр ствола увеличивался на 0,1-0,2 мм при каждом выстреле, что фиксировалось штангенциркулем. Изменяя межэлектродное расстояние на одной из свечей добивались перемещения места столкновения в заданную точку. Затем свечи монтировались в рабочий ствол. Условия инициирования задавались строго те же, что и при проведении предварительного эксперимента, что обеспечивало столкновение детонационных волн в заданной точке ствола 1. Порошок разогревается и напыляется на подложку из алюминиевого сплава. При этом на площади около 5 см² формируется покрытие толщиной около 10 мкм при напылении вольфрама и около 70 мкм при напылении Al₂O₃. Операции повторяются до получения покрытия необходимой толщины по всей поверхности детали. Данный способ и устройство для его реализации позволили впервые получить детонационные покрытия из вольфрама (температура плавления 3650 К), что невозможно осуществить с использованием известных способов и устройств. Покрытия по своим свойствам существенно превосходили плазменные вольфрамовые покрытия. В случае напыления Al₂O₃ удалось увеличить производительность приблизительно в 5 раз. Таким образом, совокупность данного способа детонационного напыления и устройства для его реализации позволяют расширить класс напыляемых детонационным методом тугоплавких материалов, за счет материалов, имеющих температуру плавления выше 3500 К и увеличить в 5 раз производительность. В случае получения покрытий из дешевых материалов, например, окиси алюминия, когда их себестоимость в основном определяется стоимостью гремучей смеси, удается снизить себестоимость покрытий при заданных площади и толщине также приблизительно в пять раз.

Формула изобретения

1. Способ нанесения покрытий, заключающий в подаче напыляемого материала и гремучей смеси газов в открытый с одного конца ствол и инициировании детонационной волны, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и качества покрытий при напылении тугоплавких материалов, в стволе инициируют дополнительную волну, направленную навстречу основной. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интервал времени между моментами инициирования детонационных волн равен:
(l₁ l₂ + 2kd)/D,
где l₁ и l₂ расстояния от центра тяжести навески порошка до мест инициирования детонационных волн со стороны открытого и закрытого концов ствола соответственно (м);
d диаметр ствола (м);
D скорость распространения детонационной волны (м/сек);
K безразмерный коэффициент, равный 1 3. 3. Устройство для нанесения покрытий, содержащее ствол, открытый с одного конца, блоки подачи в него гремучей смеси газов и напыляемого материала и блок инициирования детонации с воспламенителем, отличающееся тем, что блок инициирования детонации снабжен дополнительным воспламенителем, причем воспламенители расположены от места ввода порошка на расстояниях, превышающих преддетонационное расстояние. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что оно снабжено блоком задержки подачи высоковольтного импульса на один из воспламенителей.