СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
COATING METHOD AND DEVICE

Изобретение относится к области технологии обработки материалов путем нанесения покрытия в виде мелкодисперсных частиц или молекул на твердые или эластичные изделия. Данный способ и устройство на его основе предназначены для нанесения разнородных покрытий механическим путем: частиц металла, пластмассы, керамики, газов на внутреннюю цилиндрическую поверхность труб, отдельные плоские изделия, изделия другой формы. Изобретение предназначено для использования в машиностроении, строительстве, ремонтно-технических предприятиях и других областях промышленности.
Известен способ нанесения цементно-песчаного покрытия на внутреннюю поверхность трубы (патент РФ №2255816, 2003 г., B05D 7/22), при котором покрытие наносят с помощью вращающейся центробежной головки, в которой смесь из корпуса-емкости с цементно-песчаной смесью выдавливается через отверстия в стенке емкости по трубкам наружу.
Известна приводная центробежная разбрызгивающая головка для нанесения защитного покрытия из цементно-песчаной смеси на внутреннюю поверхность стенки трубы (патент РФ 2272682, 2003 г., B05C 7/02).
Данный способ и устройство используют разгон потока массы центробежными силами, возникающими при вращении центрального корпуса-емкости и каналов подачи покрытия, для нанесения покрытий.
С помощью данного устройства и аналогичных других средств невозможно получить потоки частиц или молекул высокой скорости (до нескольких сотен метров в секунду).
Известен способ получения композиционных материалов и покрытий из порошков и устройство для его осуществления (патент РФ 2181788, 2000 г., МПК-7, C23C 24/04, 4/00, B05D 7/24). В этом изобретении высокоскоростной поток частиц организован газодинамическим методом для получения композиционных материалов из порошковых компонентов на поверхности подложки. При газодинамическом воздействии ускоренного в сопле газопорошкового потока на подложку осуществляют инициирование химического взаимодействия порошковых компонентов экзотермического состава, в результате которого получают композиционный материал, который может быть отделен от подложки или сохранен в покрытии.
Известна установка для газодинамического нанесения покрытия из порошковых материалов (патент РФ №2181390, 2002 г.). Изобретение направлено на получение покрытий методом газодинамического напыления на изделиях любой геометрической формы и размеров из различных порошковых материалов: металлов и их сплавов, керамики, пластмассы.
Недостатком данного способа и устройства является сложная конструкция и сложная система управления, требующая высокой квалификации обслуживания. Этот способ и устройство экологически опасны, энергозатратны, используют высокое давление, предназначены для работы с порошками, а не с газами.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению является устройство для нанесения покрытий (патент РФ №2156170, 1996 г., B05B 7/22), основанное на механическом формировании потока материальных частиц. Устройство содержит разгонные каналы, которые могут быть расположены в теле турбинного диска, защитный кожух и сборник технологически не использованных частиц. Разгонные каналы расположены на валу привода устройства. В средней части разгонных каналов выполнено отверстие для подачи мелкодисперсных частиц наносимого материала. С отверстием последовательно совмещены дозатор и бункер. Вдоль периметра вращения разгонных каналов установлены изделия, детали и пр., на которые наносят слой или слои материала: упрочняющего, антикоррозийного, абразивного и т.п.
Таким образом, в данном устройстве центробежными силами может быть сформирован высокоскоростной поток мелкодисперсных частиц для нанесения покрытия из металла, сплавов, керамики, пластмассы на металлические поверхности, поверхности из сплавов.
В данном устройстве для разгона частиц до нужной скорости требуется много времени и энергетических затрат. Прочность устройства недостаточна при больших скоростях вращения.
Задачей заявляемого изобретения является уменьшение времени разгона турбинного диска до требуемых оборотов, уменьшение энергозатрат для разгона материала до скоростей выше 500 м/с для нанесения покрытий на поверхности из металлов, сплавов, керамики и пластмассы. Также задачей данного изобретения является его применение для разгона газов с атомным весом, большим атомного веса фосфора.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для нанесения покрытий, в котором центробежными силами механическим образом получают высокоскоростной поток материала, сечение разгонных каналов уменьшается от центра к периферии. Это позволяет сосредоточить основную массу разгонных каналов или турбинного диска в их центре, что уменьшает время разгона разгонных каналов до нужных скоростей, уменьшает энергетические затраты для разгона и увеличивает прочность устройства.
Стенки разгонных каналов в продольном сечении могут иметь форму гиперболы.
Если разгонные каналы расположены в теле турбинного диска, то поперечное сечение турбинного диска уменьшается от центра к периферии.
Материал поверхности изделия для нанесения покрытия при напылении газов рекомендуется выбирать таким, чтобы межатомные расстояния в нем были больше размеров атомов или молекул напыляемого газа.
Универсальность предложенного способа и устройства определяется достигаемой максимальной скоростью разгона наносимых частиц или молекул газа при минимальных энергетических затратах, минимальном времени разгона и прочностью устройства. Новым предложенным признаком способа является то, что нанесение покрытий на поверхность изделия осуществляют мелкодисперсными частицами или газом с атомным весом, большим, чем атомный вес фосфора, а материал поверхности изделия выбирают таким, чтобы межатомные расстояния в нем были больше размеров атомов или молекул напыляемого газа. Новыми предложенными признаками устройства являются: конструктивное решение разгонных каналов, поперечное сечение которых сужается от оси привода к периферии, при этом продольное сечение канала может быть выполнено по гиперболе, конструктивное решение турбинного диска, поперечное сечение которого уменьшается от оси привода к периферии, вследствие чего основная масса диска расположена в его центральной части.
Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень
На чертежах представлен общий вид устройства для нанесения покрытий для осуществления способа нанесения покрытий.
Фиг.1 - общий структурный вид устройства для нанесения покрытий.
Фиг.2 - разгонный канал с поперечным сечением, выполненным по гиперболе.
Фиг.3 - а) турбинный диск с разгонными каналами, б) поперечное сечение турбинного диска.
Устройство для нанесения покрытий (фиг.1) содержит в качестве главного конструктивного элемента разгонный канал 1. Разгонный канал 1 установлен на оси 2 привода 3 (приведен симметричный вариант) в виде сужающейся к периферии трубы, имеющей на своих открытых концах сопла 4. Ортогонально оси каналов 1 установлены изделия 5, на которые наносится слой покрытия из одного или нескольких материалов. Изделия более или менее плоской формы могут быть размещены по всему периметру. В качестве изделия может быть обрабатываемая внутренняя поверхность трубы.
Над центральным отверстием разгонного канала установлен питатель 6 с напыляемым материалом 7 и дозатор 8.
Разгонный канал 1 и изделия 5 помещены в пылезащищенный кожух 9. В нижней части кожуха 9 расположен сборник 10 неотработанного материала. На оси привода расположен также вентилятор 11 для продувки пылезащитного кожуха.
Продольное сечение разгонного канала 1 может быть выполнено по гиперболе (фиг.2).
Разгонные каналы 1 могут быть расположены в теле турбинного диска 12 (фиг.3, а), поперечное сечение которого (фиг.3, б) уменьшается от оси 2 привода 3 к периферии.
Способ осуществляется следующим образом.
Вблизи периметра движения разгонного канала устанавливают изделия (детали), предназначенные для нанесения на них слоя (слоев) материала, например, инородного сплава на металл. Питатель 6 наполняют соответствующим материалом. Далее запускают высокооборотный привод 3. При этом материал попадает в разгонный канал 1. Центробежным усилием материал разгоняют до расчетной скорости, и он при значительном динамическом давлении входит в контакт с материалом поверхности изделий 5, где и осаждается.
Для разгона газов с атомным весом, большим атомного веса фосфора, технологические узлы установки размещают в вакуумной камере, а материал поверхности изделия для нанесения покрытия выбирают таким, чтобы межатомные расстояния в нем были больше размеров атомов или молекул напыляемого газа.
Тип и качество соединения зависят от скорости разгона частиц, используемых пар материалов и ряда других внешних факторов - наличия окислителей, запыленности.
Вместе с тем, основой качественного нанесения слоев и диапазона пар материалов является скорость частиц на выходе разгонного канала. Центробежный принцип разгона частиц по величинам скоростей аналогичен устройствам газодетонационного нанесения покрытий и газодинамического напыления. При этом частицы в несколько микрон могут быть ускорены до 1000 м/с, а газы до 2000 м/с. Нет ограничений на толщину покрытия - она может иметь наноразмеры, составлять всего несколько атомов.
Для практических целей достаточны скорости разгона материала до 600 м/с. В предложенном устройстве указанные скорости достигаются за малый промежуток времени. Изменение геометрии разгонных каналов позволяет достичь оборотов привода до 100 тыс. об/мин и размеров разгонных каналов от 10 до 30 см. При этом в качестве изделия могут быть использованы чугун, сталь, никель, кобальт, медь, алюминий, всевозможные сплавы.
На различных подложках возможны покрытия из стали, чугуна, никеля, кобальта, меди, алюминия, всевозможных сплавов, бария, хрома, титана, боридов никеля, железа, оксидов циркония и т.д.
Использование заявляемого изобретения позволяет при упрощении конструкции, уменьшении энергозатрат, увеличении прочности устройства вести обработку поверхности высокоскоростным потоком частиц или газа для упрочнения поверхности, нанесения покрытий, изменения свойств приповерхностного слоя.