РАЗРАБОТКА НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНЫХ ПОКРЫТИЙ И УСТАНОВКИ ДЛЯ ЕЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

В настоящее время во многих странах наноматериалам обращают повышенное внимание. Это связано с тем, что эти материалы по сравнению с традиционными материалами обладают повышенными свойствами. В частности наноматериалы дают повышение твердости в 2-7 раз, предела прочности в 1,5-8 раз [1, 2]. Учитывая это, в последние годы наноматериалы стали и использовать и для получения защитных и упрочняющих покрытий. Использование наноструктурированных материалов для создания покрытий позволяет существенно повысить защитные и прочностные свойства покрытий, в частности сопротивляемость износу и разрушению под воздействием циклических напряжений и агрессивных сред. В этой связи создание эффективных технологий получения наноструктурных защитных и упрочняющих покрытий и оборудования для реализации этих технологий является очень актуальной задачей.

Наноструктурные защитные и упрочняющие покрытия получают в основном методом вакуумного ионно-плазменного напыления [3]. Однако этот метод применяется для обработки сравнительно небольших деталей, используемых в медицине, электронике, авиации. Для нанесения покрытий на большие детали и изделия этот метод мало приемлем. Кроме того оборудование, осуществляющее этот метод очень дорогостоящее.

Другим направлением получения наноструктурных покрытий является использование нанопорошков. При этом покрытие получают различными методами. В частности, на поверхность детали наносят слой нанокомпозиционного состава, а затем этот слой подвергают воздействию электромагнитного поля высокой частоты [4]. В другом варианте исполнения нанопорошок наносят на поверхность детали в виде пасты, а затем слой пасты сушат и подвергают расплавлению [5]. Недостатком этих и других способов получения наноструктурных покрытий, основанных на использовании нанопорошков, является сложность технологии получения самих нанопорошков. Чтобы устранить эти проблемы, в качестве источника наночастиц используют топливо, осуществляя при этом получение покрытия методом газотермического напыления. В частности, такое топливо представляет собой истинный или коллоидный раствор органических или неорганических соединений в растворителе, например в керосине или в спирте [6, 7]. При сгорании такого топлива из него выделяются наночастицы, которые затем, оседая на поверхности детали, образуют наноструктурное покрытие. Однако получение истинного или коллоидного раствора материала для покрытия в растворителе усложняет технологический процесс получения покрытий, что значительно повышает себестоимость его получения.

Анализ существующих способов получения наноструктурных защитных и упрочняющих покрытий показал, что цена получаемых покрытий чрезмерно высока вследствие низкой экономичности используемых технологий либо высокой цены используемых исходных материалов. Поэтому эти покрытия применяются в основном в высокотехнологичных отраслях производства. Для широкого применения наноструктурных покрытий в машиностроении необходимо существенно снизить себестоимость их получения. В этой связи создание эффективных технологий получения наноструктурных покрытий является актуальной задачей.

Целью данной работы является разработка новой технологии получения защитных наноструктурных покрытий, обеспечивающей существенное снижение себестоимости их получения.

Для достижения этой цели нами разработаны новый способ получения наноструктурных покрытий и устройство для его осуществления [8]. Сущность этого способа заключается в следующем: порошковый материал, служащий для образования покрытия, подают в высокотемпературный газовый поток в направлении его движения, причем скорость порошка значительно превышает скорость газового потока. При этом частицы порошка под воздействием высокотемпературного газа расплавляются в виде мельчайших капель, которые частично испаряются. Затем газовый поток подвергают интенсивному охлаждению, в результате чего из упомянутых капель и их паров образуются наночастицы. Покрытие получается высокоскоростным потоком наночастиц, направляемых на поверхность обрабатываемой детали.

Образование наночастиц из порошкового материала пояснено на рис.1. На нем показано движение одной и той же частицы 1 в различные моменты времени. Под воздействием встречного потока газа наиболее интенсивно нагревается лобовая часть 2 частицы 1. Поэтому эта часть расплавляется, и от нее под действием газового потока отрываются капли 3 расплава. Благодаря этому по мере движения частицы 1 ее диаметр непрерывно уменьшается. Наряду с этим из-за испарения расплава непрерывно уменьшается и диаметр капель 3, срывающихся с поверхности частицы. Благодаря этому из порошка напыляемого материала образуются наночастицы, и формируется газовый поток с наночастицами. Эти наночастицы, осаждаясь на подложке, образуют наноструктурное покрытие.

Предлагаемая технология получения наноструктурных покрытий осуществляется при помощи установки газопламенного напыления, схематически показанной на рис.1. Установка имеет высокоскоростной распылитель, содержащий корпус 1, в котором размещены камера сгорания 2, выходное сопло 3 и конус 4 с отверстиями 5. На корпусе 1 установлена свеча зажигания 6 и штуцеры 7 и 8. Между торцом корпуса 1 и конусом 4 расположена полость 9, служащая для образования топливной смеси. В центре торца корпуса 1 выполнено коническое отверстие 10. На торце корпуса 1 закреплен корпус форкамеры 11, в котором размещены форкамера 12, диск 13 со сквозными отверстиями и полость 14. На корпусе форкамеры 11 установлены свеча зажигания 12, штуцеры 16, 17 и трубка 18.

Установка для напыления кроме распылителя содержит также системы для подачи компонентов топливной смеси и порошка исходного материала для покрытия. Система топливоподачи включает в себя баллон 19 с горючим газом, например пропан-бутаном, воздушный компрессор 20, баллон 21 с кислородом, регуляторы давления 22, 23, 24, 25, 26, дроссели 27, 28, 29, 30,

31 и вентили 32, 33. Газовый баллон 19 трубопроводом через регулятор давления 22 и дроссель 27 соединен со штуцером 16, а через регулятор давления 23 и дроссель 28 соединен со штуцером 7. Воздушный компрессор 20 через регулятор давления 24 и дроссель 29 соединен со штуцером 17, а через регулятор 25, дроссель 30 и вентиль 33 – со штуцером 8. Кислородный баллон через регулятор давления 26, дроссель 31 и вентиль 32 соединен со штуцером 8. В форкамере 12 в качестве окислителя используется сжатый воздух. В камере сгорания 2 в качестве окислителя используется сжатый воздух либо кислород. При использовании кислорода вентиль 32 находится в открытом положении, а вентиль 33 – в закрытом положении. Если же используется в качестве окислителя воздух, то вентиль 33 находится в открытом положении, а вентиль 32 – в закрытом положении. Необходимое соотношение между горючим газом и окислителем в форкамере 12 обеспечивается соответствующим подбором проходных

 
сечений дросселей 27 и 29, а в камере сгорания 12 это обеспечивается подбором проходных сечений дросселей 28 и 30, или дросселей 28 и 31.

Система подачи порошка исходного материала для покрытия включает в себя баллон 34 с газом, например азотом, регулятор давления 35, и емкость 36 с трубкой 37, соединенной трубопроводом с трубкой 18. В емкости 36 помещен порошок 38 исходного материала для покрытия. Трубка 37 и полость емкости 36 соединены трубопроводами с регулятором давления 35.

Работа  устройства,  реализующего  данный  способ,  осуществляется следующим образом. В полость 9 через штуцеры 7 и 8 подаются горючий газ и сжатый воздух или кислород. Горючий газ поступает из баллона 19 через регулятор давления 23 и дроссель 28, а сжатый воздух из компрессора 20 через регулятор давления 25, дроссель 30 и вентиль 33. Если в качестве окислителя используется кислород, то его подача осуществляется из баллона

21 через регулятор давления 26, дроссель 31 и вентиль 32. В полости 9 образуется газообразная топливная смесь, которая поджигается при помощи свечи 6. В дальнейшем свеча 6 не используется, процесс горения топливной смеси поддерживается автоматически. Продукты сгорания и частично топливная смесь поступают в камеру сгорания 2 через отверстия 5 конуса 4. В результате сгорания топливной смеси в камере сгорания 2 формируется высокотемпературный газовый поток. Наряду с этим горючий газ и сжатый воздух подаются также в полость 14. Горючий газ поступает из баллона 19 через регулятор давления 22, дроссель 27 и штуцер 16, а сжатый воздух – из компрессора 20 через регулятор давления 24, дроссель 29 и штуцер 17. Благодаря этому в полсти 16 образуется топливная смесь, которая поджигается свечей 15. Продукты сгорания и частично топливная смесь поступают полость 12 форкамеры 11. Окончательное сгорание топливной смеси происходит в полости 12. Одновременно с этим в полость 12 через трубку 18 подается порошок исходного материала для покрытия из емкости

36. Это производится под действием инертного газа, который при истечении из трубки 37 емкости 36 увлекает с собой частички порошка 38. Настройкой регуляторов давления 22, 23, 24, 25, 26 давление в форкамере 12 устанавливается в 1,1…1,4 раза выше, чем в камере сгорания 2. Благодаря этому в результате сгорания топливной смеси в форкамере 12 формируется высокотемпературный газовый поток, который интенсивно ускоряет частички порошка. Благодаря разности давлений между форкамерой 12 и камерой сгорания 2 образующаяся газопорошковая струя с большой скоростью поступает в камеру сгорания 2. На фиг.3 схематично показан характер течения газопорошковой струи. В камере сгорания газопорошковая струя расходится в форме конуса. При этом скорость частиц порошка значительно выше скорости высокотемпературного потока, созданного в камере сгорания 2. Вследствие этого частицы порошка обдуваются встречным потоком горячего газа, интенсивно нагреваются и, постепенно расплавляясь, раздробляются на множество мелких частей. Благодаря этому на выходе из камеры сгорания 2 в газовом потоке образуются наночастицы исходного материала для покрытия. В сопле 3 газовый поток вместе с наночастицами интенсивно ускоряется, при этом его температура снижается. После выхода газового потока из сопла 3 эти наночастицы, оседая на поверхность подложки, образуют наноструктурированное покрытие 39.

Рассмотрим примеры осуществления предлагаемого способа.   

Пример 1. Создание покрытия медью. Температура плавления меди составляет 1083℃.  В данном случае в качестве окислителя целесообразно использовать сжатый воздух. При сгорании газовоздушной смеси в камере сгорания формируется газовый поток с температурой порядка 1400…1600℃.

Скорость газового потока составляет 30…50 м/с. В зависимости от диаметра частиц порошка в камеру сгорания порошок меди подают со скоростью 250…350 м/с. Для этого давление в форкамере устанавливают в 1,1…1,2 раза больше давления в камере сгорания. При этом скорость частиц порошка относительно газового потока составляет 200…300 м/с. Благодаря этой скорости, частицы порошка в процессе движения в камере сгорания полностью расплавляются и раздробляются, образуя в газовом потоке наночастицы. Из-за нагрева и расплавления частиц порошка температура газового потока уменьшается. После выхода из камеры сгорания газовый поток с наночастицами интенсивно ускоряется в сопле. При этом температура газового потока снижается. В зависимости от параметров сопла температура  газового  потока  на  выходе  из  сопла  составляет  порядка 850…1000℃.   При этом наночастицы могут находиться в твердом либо в жидком состоянии. На поверхности подложки из этих наночастиц образуется наноструктурное покрытие. 

Пример 2. Создание покрытия хромом.

Температура плавления хрома составляет 1890℃. В данном случае в качестве  окислителя целесообразно использовать кислород. При сгорании смеси горючего газа, с кислородом в камере сгорания формируется газовый поток с температурой порядка 2100…2500℃. Скорость газового потока в передней части камеры сгорания составляет 50…100 м/с. В камеру сгорания порошок храма подают со скоростью 300…450 м/с в зависимости от диаметра частиц порошка. Для этого давление в форкамере устанавливают в 1,15…1,25 раза больше давления в камере сгорания. При этом скорость частиц порошка хрома относительно газового потока составляет 250…350 м/с, что достаточно для образования в газовом потоке наночастиц хрома. В сопле скорость газового потока с наночастицами интенсивно повышается, при этом его температура снижается. На выходе из сопла температура газового потока составляет порядка 1700…1900℃. При этом наночастицы находятся преимущественно в твердом состоянии. Оседая на поверхность подложки, они образуют наноструктурное покрытие. 

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.

Список литературы

 

 

1.     Быков Ю.А. Конструкционные наноматериалы. Заготовительные производства в машиностроении №4, 2010. С 35-40.

2.     Быков Ю.А. Конструкционные наноматериалы. Заготовительные производства в машиностроении 2010 №5. С 31-36

3.     Газотермическое напыление: учеб. пособие/кол. авторов; под общей ред. Л.Х. Балдаева. – М.:Маркет ДС, 2007. - 344 с.

4.     Нанопокрытие [Электронный ресурс] / ЗАО Плакарт plackart.com — Режим                 доступа:     http://www.plackart.com/coatings/nanopokrytie.html свободный. — Загл. с экрана.

5.     Нанотехнологии и наноматериалы [Электронный ресурс] / Федеральный  интернет-портал portalnano.ru. — Режим доступа: http://www.portalnano.ru/read/prop/pro/materials/functional/4cosmos/gas_thermal свободный. — Загл. с экрана.

6.     Пат. 2428520 Российская Федерация, С2 МПК С 23 С 26/00, B 82 B  1/00. Способ получения поверхностного нанокомпозиционного слоя на деталях               из   металлов  или   сплавов  /      ГОУ   ВПО      «Пензенский государственный университет», Артемов И.И. (RU), Кревчик В.Д. (RU) и др. опубл. 10.09.2011, Бюл. №25.

7.     Пат. 2350441 Российская Федерация, МПК В23К 9/04, С23С 4/12, В23К 35/36. Способ получения методом наплавки металлического покрытия с ультрамелкодисперсной структурой и упрочняющими частицами в наноразмерном диапазоне / Горынин И.В., Рыбин В.В., Баранов А.В. и др.; Опубл. 27.08.2008.

8.     Пат. 2394937 Российская Федерация, С1 МПК С23С 4/10, В82В 3/00. Способ получения наноструктурированного покрытия / Общество с ограниченной ответственностью «Технологические Системы Защитных Покрытий», Балдаев Л.Х., Балдаев С.Л., Гераскин В.В. и др.; опубл. 20.07.2010, Бюл. №20.

9.     Пат. 2407700 Российская Федерация, C2 МПК B 82 B 3/00. Установка для газопламенного напыления наноструктурированного покрытия / Балдаев Л.Х., Балдаев С.Л. и др. Опубл. 27.12.2010 Бюл.№36.

 10. Пат. 2575667 Российская Федерация, МПК В82В 3/00, С23С 4/10, В05В 7/20. Способ получения наноструктурированного покрытия и устройство для его реализации / Боташев А.Ю., Бисилов Н.У., Боташева Х.Ю., Малсугенов Р.С., опубл. 20.02.2016, Бюл. №5.