Устройство для газотермического оксидирования изделий из титана и титаносодержащих сплавов

Полезная модель относится к оборудованию для газотермической обработки (оксидирования) изделий из титана и титаносодержащих сплавов, применяемых в приборостроении, судостроении, ракетостроении, машиностроении, имплантационной медицине с целью повышения прочностных характеристик и защитных свойств поверхности.
Термооксидные покрытия на изделиях из титана и титаносодержащих сплавов получают с использованием газовых сред, преимущественно не содержащих воздух, что позволяет минимизировать образование в оксидном слое нежелательных титанонитридных соединений, ухудшающих качество оксидированной поверхности. Однако большинство известных устройств для газотермического оксидирования не имеют технической возможности для подачи в камеру оксидирования порошковых материалов, содержащих также фракции наночастиц для дополнительного модифицирования поверхности и придания ей различных функциональных свойств и эксплуатационных характеристик.
Известна конструкция устройства для паротермического оксидирования металлов и сплавов [патент SU 498363, МПК: C23F 7/04, опубликован 05.01.1976], которая состоит из паровой камеры, емкости с жидкой парообразующей средой, нагревателя жидкой и парогазовой среды. Данное устройство позволяет пассивировать изделия из титана и титаносодержащих сплавов с формированием защитных оксидных покрытий с невысокими коррозионной стойкостью и механической прочностью.
Недостатком данного устройства является сложность и громоздкость конструкции, а также отсутствие системы одновременной дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды в камеру оксидирования устройства для дополнительного модифицирования оксидированной поверхности частицами порошковых материалов.
Известна конструкция устройства для оксидирования металлов и сплавов [патент РФ №2189400, МПК: С23С 008/16, С23С 008/18, опубликован 20.09.2002], включающее камеру оксидирования (паровую камеру), систему циркуляции паровоздушной смеси, емкость с жидкой средой, конденсатор пара и сборник конденсата, систему нагрева камеры оксидирования, узел для подачи газовой смеси в камеру.
Недостатком данной конструкции является сложность и громоздкость конструкции. Изделия из титана и его сплавов оксидируются в данном устройстве с образованием в оксидном слое хрупких титанонитридных соединений из-за отсутствия в устройстве технической возможности для охлаждения изделий в защитном газе, а также отсутствие системы одновременной дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды в камеру оксидирования устройства для дополнительного модифицирования оксидированной поверхности частицами порошковых материалов.
Наиболее близким к предлагаемому решению является конструкция устройства для газотермического оксидирования изделий из титана и титаносодержащих сплавов [патент РФ №2369663, МПК: С23С 8/10, F27D 17/00, опубликован 10.10.2009], содержащая камеру оксидирования, снабженную системой охлаждения и имеющую систему нагрева, узел подачи газовой смеси в камеру оксидирования, узел для отвода из камеры газовой смеси, камеру охлаждения оксидированных изделий, имеющую узлы для проточной подачи в нее охлаждающей инертной газовой среды и ее отвода. Камера охлаждения соединена с камерой оксидирования посредством шлюзового затвора, изготовленного с двумя запорными полусферическими элементами, выполненными с возможностью открывать и закрывать сквозное отверстие в шлюзовом затворе для соединения или разделения объемов обеих камер. Созданное устройство позволяет получать на изделиях оксидные покрытия, обладающие повышенной коррозионной стойкостью без образования хрупких титанонитридных соединений.
Недостатком данной конструкции является отсутствие системы одновременной дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды в камеру оксидирования устройства для дополнительного модифицирования оксидированной поверхности частицами порошкового материала.
Задачей полезной модели является создание конструкции устройства для газотермического оксидирования с системой одновременной дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды в камеру оксидирования устройства с целью дополнительного модифицирования оксидированной поверхности частицами порошковых материалов и при экономическом использовании порошковых материалов.
Технический результат полезной модели заключается в придании поверхности изделий из титана и титаносодержащих сплавов широкого спектра функциональных свойств и эксплуатационных характеристик за счет получения термооксидных покрытий, модифицированных частицами различных порошковых материалов, а также в снижении расхода порошковых материалов за счет обеспечения их дозированной подачи.
Поставленная задача решается следующим образом. Предложенное устройство для газотермического оксидирования изделий из титана и титаносодержащих сплавов содержит камеру оксидирования, соединенную с нагревательным элементом, газоподводящим штуцером для подачи газовой смеси в камеру оксидирования и газоотводящим штуцером для отвода из упомянутой камеры газовой смеси, при этом камера оксидирования снабжена крышкой, в которую вмонтирован газоподводящий штуцер, и системой охлаждения, и камеру охлаждения оксидированных изделий, имеющую крышку, снабженную защелкой, и штуцеры для проточной подачи в нее охлаждающей инертной газовой среды и ее отвода, при этом упомянутая камера охлаждения соединена с камерой оксидирования посредством шлюзового затвора в виде двух запорных полусферических элементов, выполненных с возможностью открывать и закрывать сквозное отверстие в шлюзовом затворе для соединения или разделения объемов обеих камер, при этом система охлаждения камеры оксидирования выполнена в виде циркуляционных контуров с охлаждающей жидкой средой, расположенных на равном расстоянии от нагревательного элемента, размещенного на корпусе камеры оксидирования и закрытого с внешней стороны кожухом. Заявленное устройство также содержит воронку для подачи порошковых материалов и камеру смешивания с дозатором для дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды, соединенные с камерой оксидирования через газоподводящий штуцер, который выполнен с возможностью одновременной дозированной подачи в камеру окислительной газовой среды и порошковых материалов.
С применением предлагаемой системы можно обрабатывать такие материалы как титан, титаносодержащие сплавы, а также цирконий, медь, алюминий и их сплавы, широко применяемые в приборостроении, судостроении, ракетостроении, машиностроении, медицинской технике. В качестве порошковых материалов для дополнительного модифицирования в процессе оксидирования могут быть использованы наноразмерные и ультрамелкодисперсные фракции карбида титана, оксида титана, оксида циркония, оксида тантала, оксида алюминия.
Описание конструкции.
Предложенное устройство (фиг.) состоит из цилиндрической двухкамерной конструкции и содержит камеру оксидирования 1 и камеру охлаждения 2. Камеры 1 и 2 соединены между собой посредством шлюзового затвора 3. Устройство закрыто с двух противоположных сторон: со стороны камеры оксидирования 1 и камеры охлаждения 2 крышками 4 и 5 соответственно. Камера оксидирования 1 снабжена системой нагрева в виде расположенного на корпусе камеры оксидирования 1 нагревательного элемента 6, соединенного с токоизолированными электрическими выводами 7 источника питания (на чертеже не показан). С внешней стороны нагревательный элемент 6 закрыт кожухом 8 с прокладками из теплоизолирующего материала. В крышку 4 вмонтирован газоподводящий штуцер 9, а газоотводящий штуцер 10 вмонтирован в корпус камеры оксидирования 1, которая снабжена термопарой 11, размещенной внутри камеры оксидирования 1 и системой охлаждения в виде охлаждающих контуров 12 со штуцерами 20, 21 для обеспечения циркуляции жидкой среды. Охлаждающие контуры 12 расположены на корпусе камеры оксидирования 1 с двух сторон нагревательного элемента 6 на равном от него расстоянии. В корпусе камеры охлаждения 2 вмонтированы штуцеры 13 и 14 для подачи и отвода соответственно охлаждающей инертной газовой среды. Крышки 4 и 5 снабжены уплотнительными кольцами (на чертеже не показано), кроме этого крышка 5 снабжена защелкой 15. Шлюзовой затвор 3 выполнен в виде двух запорных полусферических элементов 22, имеющих возможность открывать и закрывать сквозное отверстие в шлюзовом затворе, при помощи крана 23, тем самым соединяя объемы обеих камер или разделяя их. К камере оксидирования 1 через штуцер 9 подсоединена система одновременной дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды, которая состоит из воронки 16, камеры смешивания 17, штуцера 18 для соединения с газовым баллоном и отвода 19 для соединения со штуцером 9. В камере смешивания 17 имеется дозатор 24 для получения равномерного по толщине модифицированного слоя на поверхности обрабатываемых изделий, размещаемых в камере оксидирования 1 (на чертеже не показаны), и для снижения расхода порошковых материалов.
Устройство работает следующим образом.
При открытой крышке 5 и шлюзового затвора 3 в положении «открыто» через камеру охлаждения 2 производят загрузку обрабатываемых изделий в камеру оксидирования 1. Приведя шлюзовой затвор 3 в положение «закрыто» при помощи крана 23 и запорных полусферических элементов 22, закрыв крышку 5 с помощью защелки 15, с помощью токоизолированных электрических выводов 7, соединенных с источником питания производят включение нагревательного элемента 6, закрытого кожухом 8 с прокладками из теплоизолирующего материала для обеспечения заданной температуры в камере оксидирования 1, используя при этом термопару 11. Через газоподводящий штуцер 9, расположенный на крышке 4, подают в камеру оксидирования 1 смесь окислительной газовой среды и порошкового материала и осуществляют процесс газотермического оксидирования изделий. Через газоотводящий штуцер 10 производят отвод избытка окислительной газовой среды из камеры оксидирования 1.
Порошковый материал засыпают в воронку 16, из которой он поступает в камеру смешивания 17, имеющую дозатор 24 для снижения расхода порошковых материалов. Порционно попадая на лопасти дозатора 24 порошковый материал дозируется, смешивается с окислительной газовой средой, подаваемой через штуцер 18. Увлекая за собой частицы порошкового материала, окислительная газовая среда через отвод 19 и штуцер 9 поступает в камеру оксидирования 1. Нагретые в камере оксидирования 1 частицы порошкового материала осаждаются и закрепляются на термоактивированной поверхности за счет протекания термодиффузионных процессов, в результате чего оксидированная поверхность дополнительно модифицируется и приобретает повышенные физико-механические характеристики и защитные свойства.
После завершения процесса оксидирования нагревательный элемент 6 отключают от источника питания, шлюзовой затвор 3 устанавливают в положение «открыто» при помощи крана 23 и запорных полусферических элементов 22, открывают крышку 5 и обработанные изделия из камеры оксидирования 1 перемещают в камеру охлаждения 2. Крышку 5 закрывают, шлюзовой затвор 3 устанавливают в положение «закрыто». В камеру охлаждения 2 через штуцеры 13 и 14 подают проточно защитный газ, в котором происходит охлаждение изделий. Одновременно с этим осуществляют охлаждение камеры оксидирования 1 до комнатной температуры, производя при этом циркуляцию охлаждающей жидкой среды через штуцеры 20 и 21 контуров 12. После завершения охлаждения оксидированных изделий, открыв крышку 5, их извлекают из камеры охлаждения 2.
Таким образом, предложенное устройство для газотермического оксидирования изделий из титана и титаносодержащих сплавов с наличием системы одновременной дозированной подачи порошковых материалов и окислительной газовой среды в камеру оксидирования позволяет получать оксидные покрытия, не содержащие хрупкие металлонитридные соединения и низкокоррозионностойкие металлооксидные фазы, существенно снижающие прочностные характеристики и защитные свойства поверхности изделий. Получаемое покрытие характеризуется равномерностью по толщине, а сам процесс газотермической обработки - высокоэффективным использованием порошковых материалов за счет обеспечения их дозированной подачи и снижения расхода.