Способ детонационного нанесения покрытий

Описание изобретения

Номер патента: 2383655

Класс(ы) патента: C23C4/12

Номер заявки: 2007148060/02

Дата подачи заявки: 21.12.2007

Дата публикации: 27.06.2009

Автор(ы): Калашников Владимир Васильевич, Ненашев Максим Владимирович

Патентообладатель(и): Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет"

Изобретение относится к области нанесения покрытий детонационным способом и может быть использовано для упрочнения деталей, работающих в условиях повышенного коррозионного, эрозионного и абразивного воздействия, с целью придания деталям заданных свойств. Способ включает нагрев напыляемого порошка и напыление его на подложку ударной волной при детонации газовой смеси. При этом перед нагревом напыляемый порошок предварительно смешивают с порошком конденсированного взрывчатого вещества фракции 80 мкм в соотношении по объему, %: 97-3 или 95-5, или 93-7, или 92-8. Технический результат - повышение безопасности, повышения качества получаемого покрытия, придание ему заданных свойств.

Изобретение относится к области нанесения покрытий детонационным способом и может быть использовано для упрочнения деталей, работающих в условиях повышенного коррозионного, эрозионного и абразивного воздействия в различных отраслях промышленности.

Известен способ нанесения покрытий из различных материалов, заключающийся в нагреве и разгоне частиц порошка в закрытой с одного конца трубке смесью детонирующих газов, например ацетилена и кислорода, и напылении их на различные детали подложки. Детонационное напыление - это процесс, при котором для разогрева и разгона твердого порошкообразного материала используется энергия газового взрыва. В пушку, заполненную газовой смесью ацетилена и кислорода, впрыскивается напыляемый порошок и электрической искрой возбуждается детонация. При температуре в зоне взрыва около от 2000 К до 4000 К, со скоростью более 100 м/сек, разогретые до плавления частицы порошка попадают на поверхность армированной детали. При этом происходит микросварка и порошок на молекулярном уровне соединяется с деталью, образуя слой толщиной 8...10 мкм. Необходимое увеличение толщины слоя армирования достигается серией пушечных выстрелов (Ав. св. № 666912 от 22.10.1979, М. кл. С23С 4/00, С23С 234/04, В05В 7/00).

Данный способ осуществляется устройством для детонационного напыления, включающим ствол с присоединенными к нему блоками подачи газов, напыляемого порошка и инициирования детонации.

Однако в этом случае используется смесь взрывоопасных газов, способная детонировать. Следовательно, повышается опасность процесса, кроме того, применяемые при детонационном напылении газы, обычно это смесь ацетилена с кислородом, являются достаточно дорогими. Кроме того, ацетилен может детонировать даже без доступа кислорода.

Недостатком данного способа является взрывоопасность, параметры детонационной волны можно варьировать в узких пределах, что ограничивает технологические возможности способа, а также невозможность получения покрытия из материалов с температурой плавления выше 3500 К, низкая производительность. Скорость частиц напыляемого порошка недостаточно высока, что приводит к ухудшению качества покрытия.

Известен "Способ нанесения покрытий и устройство для его осуществления" патент RU №780281, МПК В05В 7/20; С23С 4/00, заключающийся в подаче напыляемого материала и разгоне частиц порошка смесью детонирующих газов в стволе, инициируют дополнительную детонационную волну, направленную навстречу основной. Детонационные волны, распространяясь по стволу, сталкиваются друг с другом. При этом развивается давление, приблизительно в два раза превышающее максимальное давление в детонационной волне, а температура превышает максимальную в 1,5 раза. После столкновения большая часть тепловой энергии выделяется в зоне ~6 диаметров ствола пушки, (10...30) % энергии идет на нагревание порошка, что позволяет увеличить количество порошка в (5...10) раз. Благодаря этому температура и скорость частиц на выходе из ствола не ниже, чем при использовании известных способов. Данный способ позволяет получить детонационное покрытие из вольфрама (температура плавления 3500 К), но при этом также используется смесь кислорода и ацетилена.

Взрывоопасность существенно ограничивает возможность процесса, требует применения целевого комплекса мер безопасности, специального оборудования для осуществления способа, что приводит к значительному увеличению стоимости покрытия.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является "Способ нанесения покрытий и устройство для его осуществления", патент RU №915485, МПК В05В 7/20; С23С 4/00, включающий нагрев порошка и нанесение его на подложку ударной волной, последнюю инициируют созданием в реакционном пространстве зон низкого и высокого давления, причем порошкообразный материал помещают в зону наиболее низкого давления, расположенную в непосредственной близости от подложки. Задавая различный перепад давления, можно получить в месте, где размещен поток, температуру в интервале от 2000 К до 4500 К. В данном способе состав газа может быть любой, можно изменять и состав покрытия. Так, используя азот, получают покрытия из алюминия, кислород - покрытия из окиси алюминия.

При применении данного способа используется лишь ~2% энергии детонирующей газовой смеси. Это объясняется тем, что время взаимодействия продуктов детонации с напыляемыми частицами, следующими за ударной волной и имеющими температуру 4500 К, очень мало (~10^-4 с). Частицы нагреваются и ускоряются в течение <10^-2 с расширяющимися продуктами детонации, имеющими температуру <3500 К.

В отличие от вышеперечисленных аналогов данный способ-прототип обладает повышенной безопасностью, но не позволяет получить покрытия из материалов, имеющих температуру плавления выше 3500 К, низкой производительностью процесса.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение безопасности процесса, улучшение качества наносимого покрытия, придание деталям заданных свойств и снижение себестоимости процесса нанесения покрытий.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе детонационного нанесения покрытий, включающем нагрев порошка и нанесение его на подложку ударной волной при детонации газовой смеси, перед нагревом напыляемый порошок предварительно смешивают с порошком конденсированного взрывчатого вещества фракции 80 мкм в соотношении по объему, %: 97-3, или 95-5, или 93-7, или 92-8.

С целью повышения безопасности процесса нанесения покрытия можно было бы заменить ацетилен пропан-бутановой смесью, которая имеет меньшую чувствительность к инициированию детонации, но при этом и более низкие детонационные характеристики. Поэтому в результате проведенных исследований было предложено компенсировать потерю мощности газовой детонации пропан-кислородной смеси введением в нее конденсированного ВВ (гексогена). Введение конденсированной фазы осуществляется путем предварительного механического перемешивания напыляемого материала и порошкового ВВ в определенном соотношении по объему.

За счет введения конденсированного ВВ в газовую смесь пропан-воздух повышается температура детонации до 5700°С (при детонации обычной газовой смеси воздух-пропан она составляет 2400°С).

Описание способа

В пушку, заполненную газовой смесью пропана и воздуха, впрыскивается напыляемый порошок и электрической искрой возбуждается детонация.

Предварительно напыляемый порошок смешивается с порошком ВВ (в нашем случае был выбран гексоген) в определенном соотношении по объему

- 5% гексогена - 95 ВК-12,

- 7% гексогена 93% ВК-25,

- 8% гексогена - 92% Al₂O₃ (корунд),

- 3% гексогена - 97% ПМС-1 (медный порошок).

Равномерная подачи смеси осуществляется за счет подбора режима подачи воздушного потока через стандартную конструкцию дозатора. Это позволило добиться оптимальных характеристик получаемых покрытий. За счет введения конденсированного ВВ в газовую смесь удалось значительно повысить температуру детонации до 5700°С (обычная смесь воздух - пропан имеет температуру 2400°С, ацетилен-кислород 4000°С). При этом необходимо отметить, что безопасность самого процесса нанесения покрытий повысилась.

Стоимость ацетилена в 6 раз выше стоимости пропана. Стоимость кислорода исключается за счет использования воздуха, который подается компрессорной установкой.

Безопасность процесса детонационного напыления увеличивается, т.к. взрывная концентрация для ацетилена нижний предел - 3,5%, верхний - 92%. Для смеси (пропан + кислород) нижний предел 5,5%, верхний предел - 16%.

В качестве наносимых защитных материалов применяются все карбиды хрома, титана, вольфрама и др., медь, оксид алюминия (корунд), при этом защитное покрытие имеет высокую адгезию (до 50 кг/мм²), твердость, равную или превышающую твердость закаленного цементированного слоя (HRc≥58). Коэффициент использования напыляемых материалов при применении данного способа достигает (0,6...0,7).

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. Изготовление биметаллических пластин (медь, алюминий, сталь, никель), оксид алюминия (Al₂O₃) - изоляторы.

Для напыления использовали: порошок меди грануляцией 50 мкм в количестве 0,2 г на выстрел. Температура плавления меди 1350 К, температура кипения 2700 К.

Порошок гексогена в количестве 5% по объему, фракция 80 мкм предварительно тщательно перемешивали в смесителе.

Результат: Пористость медного напыления уменьшилась с 2% (при стандартном напылении) до 0,5%. Переходное сопротивление между покрытием и подложкой из алюминия уменьшилось с 10 мОм до 3 мОм. Твердость покрытия увеличилась на 15%.

Пример 2. При изготовлении электроизоляторов из оксида алюминия использовался (Al₂O₃), фракция 5 мкм; гексоген 5% по объему Al₂O₃, фракции 80 мкм.

Тщательно перемешивался.

Результат: После напыления пористость электроизоляционного слоя составила 0,5%, при традиционном детонационном напылении только (2...3)%; твердость 1900 кгс/мм2; соответственно напряжение на пробой составило при толщине покрытия 0,1 мм 5 кВ, при стандартном напылении 1 кВ.

Достоинством этого метода является отсутствие возможности перегрева деталей. Детонационное нанесение покрытий позволяет решить задачи:

- увеличения твердости поверхности детали (например, твердость венцов и зубковых поверхностей с HRc 38 до HRc 88), т.е. до твердости твердосплавных зубков, что практически уравнивает их стойкость в условиях абразивного износа;

- повышения твердости, что обеспечивает надежную защиту от эрозионного износа поверхности зубков, приводящего, как было сказано выше, к увеличению величины выступания рабочей головки зубков над корпусом шарошки, а также исключает повышение консольного изгиба и возможность поломок при перекатывании зубков под нагрузкой по забою. При отработке опытных образцов буровых долот предлагаемым способом с микротвердостью нанесения покрытия Н=1500 кгс/мм² и более показали резкое увеличение стойкости и проходки;

- придания деталям заданных свойств (электропроводность,термостойкость, диэлектрические свойства).

Формула изобретения

Способ детонационного нанесения покрытий, включающий нагрев напыляемого порошка и напыление его на подложку ударной волной при детонации газовой смеси, отличающийся тем, что перед нагревом напыляемый порошок предварительно смешивают с порошком конденсированного взрывчатого вещества фракции 80 мкм в соотношении по объему, %: 97-3 или 95-5, или 93-7, или 92-8.[3]

Анализ изобретения

Производимый процесс нанесения покрытий детонационным способом может быть использован для упрочнения деталей, работающих в условиях повышенного коррозионного, эрозионного и абразивного воздействия, с целью придания деталям заданных свойств. Способ включает нагрев напыляемого порошка и напыление его на подложку ударной волной при детонации газовой смеси. При этом перед нагревом напыляемый порошок предварительно смешивают с порошком конденсированного взрывчатого вещества фракции 80 мкм в соотношении по объему, %: 97-3 или 95-5, или 93-7, или 92-8. Технический результат - повышение безопасности, повышения качества получаемого покрытия, придание ему заданных свойств.

Известен способ нанесения покрытий из различных материалов, заключающийся в нагреве и разгоне частиц порошка в закрытой с одного конца трубке смесью детонирующих газов, например ацетилена и кислорода, и напылении их на различные детали подложки.

Известен "Способ нанесения покрытий и устройство для его осуществления" патент RU №780281, МПК В05В 7/20; С23С 4/00, заключающийся в подаче напыляемого материала и разгоне частиц порошка смесью детонирующих газов в стволе, инициируют дополнительную детонационную волну, направленную навстречу основной. Детонационные волны, распространяясь по стволу, сталкиваются друг с другом. При этом развивается давление, приблизительно в два раза превышающее максимальное давление в детонационной волне, а температура превышает максимальную в 1,5 раза. После столкновения большая часть тепловой энергии выделяется в зоне ~6 диаметров ствола пушки, (10...30) % энергии идет на нагревание порошка, что позволяет увеличить количество порошка в (5...10) раз. Благодаря этому температура и скорость частиц на выходе из ствола не ниже, чем при использовании известных способов. Данный способ позволяет получить детонационное покрытие из вольфрама (температура плавления 3500 К), но при этом также используется смесь кислорода и ацетилена.

Таким образом можно сформулировать следующее физическое противоречие.

Физическое противоречие - Увеличивается безопасность процесса детонационного напыления, т.к. взрывная концентрация для ацетилена нижний предел - 3,5%, верхний - 92%, для смеси (пропан + кислород) нижний предел 5,5%, верхний предел - 16%, уменьшается производительность процесса.

При анализе данного изобретения технических противоречий не выявлено.

Авторы данного изобретения решили эту проблему использовав прием «изменения физико-химических параметров объекта». Эта задача решается за счет того, что в способе детонационного нанесения покрытий, включающем нагрев порошка и нанесение его на подложку ударной волной при детонации газовой смеси, перед нагревом напыляемый порошок предварительно смешивают с порошком конденсированного взрывчатого вещества фракции 80 мкм в соотношении по объему, %: 97-3, или 95-5, или 93-7, или 92-8.

С целью повышения безопасности процесса нанесения покрытия можно было бы заменить ацетилен пропан-бутановой смесью, которая имеет меньшую чувствительность к инициированию детонации, но при этом и более низкие детонационные характеристики. Поэтому в результате проведенных исследований было предложено компенсировать потерю мощности газовой детонации пропан-кислородной смеси введением в нее конденсированного ВВ (гексогена). Введение конденсированной фазы осуществляется путем предварительного механического перемешивания напыляемого материала и порошкового ВВ в определенном соотношении по объему.