СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХОЛОДНОГО ГАЗОВОГО НАПЫЛЕНИЯ ЧАСТИЦ РАЗНОЙ ТВЕРДОСТИ И/ИЛИ ВЯЗКОСТИ
METHOD AND DEVICE FOR COLD GAS DEPOSITION OF DIFFERENT-HARDNESS OR DUCTILITY PARTICLES

Изобретение относится к способу холодного газового напыления, при котором частицы первого рода вместе с частицами второго рода вводятся в стагнационную камеру и вместе с газом-носителем ускоряются через установленное за ней сопло на покрываемую подложку. При этом частицы первого рода деформируются и прилипают к подложке с образованием слоя, а частицы второго рода, обладающие большей прочностью и/или меньшей вязкостью, чем частицы первого рода, внедряются в этот слой.
Описанный выше способ известен, например, из US 2003/0126800 А1. В этом способе частицы твердого сплава вместе с частицами металлического материала осаждаются на поверхности турбинных лопаток. При этом часть твердосплавных частиц от 15 до 20% внедряется в образующуюся при холодном газовом напылении матрицу металлического материала. Благодаря своей высокой прочности и низкой вязкости твердосплавные частицы остаются в матрице без изменений. Этим объясняется также тот факт, что степень внедрения твердых сплавов с долей более 20% невозможна. Твердосплавные частицы пристают к поверхности покрываемой подложки несамостоятельно, поскольку для этого кинетической энергии холодного газового напыления недостаточно, а частицы не обладают достаточной вязкостью. Напротив, частицы твердого сплава заодно внедряются в образующуюся матрицу металлического материала, что обеспечивает адгезию косвенно за счет компонента меньшей прочности или более высокой вязкости.
Задачей изобретения является создание способа холодного газового напыления, который при использовании частиц разного рода обеспечивал бы внедрение в слой частиц большей прочности и/или низкой вязкости со сравнительно высокой долей слоя.
Эта задача решается, согласно изобретению, за счет того, что частицы первого рода вводятся в первой зоне стагнационной камеры, лежащей ближе к соплу, чем зона, в которой вводятся частицы второго рода. За счет этого предпочтительно достигается то, что частицы второго рода, которые из-за большей прочности и/или меньшей вязкости проблематичны в отношении осаждения с высокими долями, испытывают более сильный ввод энергии в стагнационной камере. Этот ввод энергии вызван, в первую очередь, подогретой струей газа-носителя. Между его молекулами и молекулами, находящимися в стагнационной камере частиц, происходит выравнивание температуры. Оно тем сильнее, чем дольше частицы остаются в стагнационной камере. Поскольку вторая зона, в которой вводятся частицы второго рода, в направлении течения газа-носителя удалена дальше от сопла, ввод энергии в них больше. За счет этого предпочтительно улучшаются условия осаждения частиц второго рода.
Как оказалось, дополнительный нагрев более твердых или менее вязких частиц может по-разному влиять на процесс нанесения покрытия. В одном варианте осуществления изобретения частицы второго рода изготавливаются их хрупкого материала, в частности керамического. В качестве керамического материала рассматривается, в частности, карбид вольфрама, причем он может осаждаться предпочтительно на лопатке компрессора или турбины для повышения ее стойкости.
В результате дополнительного нагрева хрупкого материала в стагнационной камере их основные свойства изменяются непринципиально. Тем не менее, оказалось, что нагретые частицы обеспечивают более высокие степени внедрения в вязкую матрицу. Это объясняется тем, что частицы второго рода используются в качестве аккумуляторов термической энергии, причем эта термическая энергия в момент внедрения хрупких частиц в вязкую матрицу улучшает взаимодействие между частицами первого и второго родов. Введенная в хрупкие частицы энергия косвенно служит для образования слоя с вязкими частицами.
В другом варианте осуществления изобретения частицы второго рода изготавливаются из металла или металлического сплава, который выше температуры перехода вязкий, а ниже этой температуры хрупкий, причем частицы второго рода нагреваются в стагнационной камере до тех пор, пока они будут вязкими. Если удастся за счет подогрева частиц второго рода сделать их также вязкими, то возможно предпочтительно осаждение этих частиц без необходимости их внедрения в матрицу другого материала. Благодаря этому долю хрупкого материала можно произвольно повышать, поскольку в окружающей эти частицы матрице другого компонента слоя больше нет необходимости. Это приводит предпочтительно к тому, что с помощью холодного газового напыления можно осаждать сплавы с составами более широкого диапазона.
В одном особенном варианте осуществления изобретения газ-носитель нагревается в стагнационной камере. Для этого в ней может быть предусмотрена, например, обогреваемая наружная стенка. За счет дополнительного нагрева газа-носителя в стагнационной камере можно, по меньшей мере, частично заменить количество энергии, вводимой в частицы второго рода, перед расширением газа-носителя в сопле. Также можно достичь определенного ввода энергии от нагрева в сами частицы второго рода.
Изобретение относится также к устройству для холодного газового напыления. Подобные устройства общеизвестны. Такое устройство описано, например, в US 2004/0037954 А1. Оно содержит стагнационную камеру с отверстием для подачи газа-носителя и первой питающей линией для предназначенных для нанесения покрытия частиц, причем эти частицы называются далее первыми частицами. Кроме того, за стагнационной камерой в направлении течения газа-носителя установлено сопло, через которое газ-носитель с частицами расширяется в направлении покрываемой подложки. При этом газ-носитель адиабатически охлаждается, а высвобождающееся в результате этого количество энергии преобразуется в ускорение газа-носителя и предназначенных для нанесения покрытия частиц.
Как уже сказано, осаждение частиц разной твердости и/или вязкости возможно лишь с ограничениями.
Задачей изобретения является также создание устройства для холодного газового напыления, позволяющего изготавливать слои, в которые можно внедрять сравнительно высокую долю частиц большей прочности и/или более низкой вязкости, чем частицы первого рода (далее называются частицами второго рода).
Эта задача решается, согласно изобретению, за счет того, что в стагнационной камере предусмотрена вторая питающая линия, причем первая питающая линия впадает в первую зону стагнационной камеры, лежащую ближе к соплу, чем вторая зона, в которую впадает вторая питающая линия. Это устройство подходит для работы по описанному подробно выше способу, поскольку оно содержит две питающие линии, и, таким образом, частицы второго рода могут пройти больший путь через стагнационную камеру, чем частицы первого рода. Это позволяет достичь подогрева частиц второго рода с названными выше преимуществами.
В другом варианте осуществления изобретения устройство снабжено нагревательным устройством, размещенным на стагнационной камере. Это позволяет непосредственно нагревать ее стенку или внутреннее пространство, благодаря чему в частицы второго рода или в газ-носитель можно вводить дополнительное количество энергии.
В другом варианте осуществления изобретения нагревательное устройство встроено в стенку стагнационной камеры. Это имеет то преимущество, что условия течения внутри стагнационной камеры не нарушаются, а, с другой стороны, обеспечен короткий путь теплопереноса от нагревательного устройства к стенке стагнационной камеры.
Один особенный вариант осуществления изобретения состоит в том, что первая и/или вторая питающая линия могут перемещаться в устройстве с возможностью изменения расстояния от первой и/или второй зоны до сопла. Это имеет то преимущество, что передаваемым газом-носителем количеством тепла можно управлять с возможностью изменения мест ввода частиц в направлении потока газа-носителя. Они влияют непосредственно на длину пути, которые частицы должны пройти через стагнационную камеру к соплу, причем этот путь является решающим для переносимого количества тепла.
Другие подробности изобретения описаны ниже со ссылкой на чертежи, на которых
фиг. 1: схематичное сечение примера выполнения устройства для холодного газового напыления;
фиг. 2: диаграмма работы ударной вязкости в зависимости от температуры у металлов, имеющих температуру перехода.
Пистолет 11 в качестве устройства для холодного газового напыления представляет собой основу устройства для термического напыления, описанного, например, в US 2004/00347954 А1. Пистолет 11 состоит, в основном, из корпуса 13, в котором выполнены сопло Лаваля 14 и стагнационная камера 15. В зоне стагнационной камеры 15 в стенку корпуса 13 помещена нагревательная спираль 16, которая вызывает нагрев газа-носителя, подаваемого через подающее отверстие 17 в стагнационную камеру 15.
Сначала газ-носитель попадает в стагнационную камеру 15 через подающее отверстие 17, затем покидает ее через сопло Лаваля 14. При этом газ-носитель может быть нагрет в стагнационной камере 15 до 800°С. По второй 18а и первой 19 питающим линиям вводятся предназначенные для нанесения покрытия частицы. Расширение насыщенного частицами потока газа-носителя через сопло Лаваля 14 вызывает охлаждение потока газа-носителя, который в зоне соплового отверстия имеет температуры ниже 300°С. Это снижение температуры объясняется, в основном, адиабатическим расширением газа-носителя, который имеет в стагнационной камере 15 давление, например 30 бар, и вне соплового отверстия расширяется до атмосферного давления.
Вторая питающая линия 19 впадает в стагнационную камеру 15 в очень близкой к соплу 14 зоне. В качестве сопла в рамках этой заявки рассматривается часть пистолета 11, которая в сечении сначала сужается, а затем снова расширяется (обозначено позицией 14). Зона пистолета 11, которая служит стагнационной камерой, обозначена позицией 15). Из фиг. 1 видно, что примыкающий к цилиндрическому участку стагнационной камеры конический участок можно отнести как к стагнационной камере 15, так и к соплу 14. Условия течения между стагнационной камерой и соплом переходят друг в друга, причем примыкающие к цилиндрическому участку части стенки образуют вначале еще такое большое сечение, что условия течения, скорее, соответствуют условиям течения в стагнационной камере, т.е. значительное ускорение газа-носителя и частиц происходит только на существенно более узком участке. Поэтому вторая питающая линия 19 также впадает в этот конический участок с тем, чтобы введенные частицы ускорялись в действующей в качестве сопла 14 части, по возможности, без задержки.
Первая питающая линия 18а впадает в обращенную от сопла 14 часть стагнационной камеры 15, так что частицы должны пройти всю ее и при этом нагреваются преимущественно газом-носителем. Через оба места ввода питающих линий 18а, 19 возникают первая 20 и вторая 21 зоны питания частиц 22 первого рода и частиц 23 второго рода. В образованной в сопле струе 24 холодного газа частицы 22 первого и частицы 23 второго родов находятся в смешанном состоянии и осаждаются на подложке 25 в виде слоя 26.
В качестве альтернативы первой питающей линии 18а может быть предусмотрена также аксиально перемещающаяся питающая линия 18b. За счет перемещения по двойной стрелке место 21 ввода можно сдвигать к соплу и от сопла. Благодаря этому пистолет 11 можно согласовать с соответствующим случаем применения и необходимым количеством энергии для подогрева частиц 23.
ü
v
ü
На фиг. 2 схематично изображено зависимое от температуры поведение металлов с температурой T перехода. На оси Х нанесена температура Т, а на оси Y - работа A ударной вязкости. Она определяется при так называемом испытании на ударный изгиб, при котором образец с надрезом подвергается ударной нагрузке (например, по DIN EN 10045). Поведение металлов в зависимости от разрушения можно разделить на три области. В области I происходит хрупкое разрушение, поскольку металл теряет свои вязкие свойства при низких температурах. В области III металл имеет вязкое поведение и поэтому проявляет известные для металлов механические свойства. Между областями I и III лежит область II, в которой происходят так называемые смешанные разрушения, обладающие хрупкими и вязкими долями. Как показывают штрихпунктирные линии, в области II наблюдается большой разброс при определении работы ударной вязкости, поскольку условия в структуре хаотические. В областях I и III значения работы ударной вязкости определяются точнее. Поэтому температурой T перехода является значение, которое нельзя определить точно.
Типичными металлами, которые имеют температуру перехода, являются следующие:
- металлы с кубически пространственно-центрированной решеткой (нелегированные и низколегированные стали, хром, молибден);
- металлы с гексагональными решетками (алюминий).
Например, нелегированные стали с долей углерода более 0,6 мас.% уже имеют температуру перехода от 100 до 200°С так, что они предназначены для предложенного способа. Другим примером является получение посредством холодного газового напыления медно-хромового сплава. Кроме того, можно покрывать также турбинные лопатки, причем, например, карбид вольфрама в качестве твердого сплава осаждается вместе с MCrAlY-сплавом.
Перечень ссылочных позиций
11 - частицы 1
12 - частицы 2
14 - сопло
15 - стагнационная камера
16 - нагревательная спираль
17 - подающее отверстие
18а, 18b - питающие линии
19 - питающая линия
20 - 1-я зона
21 - 2-я зона
22 - 1-е частицы
23 - 2-е частицы
25 - подложка
26 - слой