Установка для получения наноструктурированных покрытий из материала с эффектом памяти формы на поверхности детали
APPARATUS FOR OBTAINING NANOSTRUCTURED COATINGS FROM MATERIALS WITH SHAPE MEMORY EFFECT ON SURFACES OF DETAILS

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, и может быть использовано для получения наноструктурированных покрытий из материалов с эффектом памяти формы на поверхности детали.
Аналогом является установка для получения наноструктурированных покрытий деталей с цилиндрической поверхностью с эффектом памяти формы (патент №2402628). Установка для получения наноструктурированных покрытий из материала с эффектом памяти формы на цилиндрической поверхности деталей, содержит раму, размещенные на раме механизмы закрепления и вращения детали и плазмотрон, установленный на механизме его продольного перемещения, механизм подачи порошкового материала с эффектом памяти формы, пирометр для измерения температуры детали перед фронтом плазменной дуги и управляющее устройство, связанное с механизмами подачи порошкового материала и перемещения плазмотрона и пирометром, при этом установка содержит приспособление для поверхностно-пластического деформирования детали для формирования наноструктурированного слоя, установленное на механизме продольного перемещения плазмотрона, второй пирометр, установленный в зоне поверхностно-пластического деформирования и связанный с управляющим устройством, понижающий трансформатор, соединенный с приспособлением для поверхностно-пластического деформирования для дополнительного нагрева поверхности детали, и устройство для охлаждения поверхности детали, связанное с устройством перемещения плазмотрона, причем плазмотрон установлен на механизме продольного перемещения под углом 46-50° к поверхности детали.
Недостатком данной установки является то, что напыление происходит на открытом пространстве (воздухе) содержащем кислород, который интенсивно окисляет содержащиеся в струе частицы напыляемого порошкового материала, такие как титан, никель цирконий и др., при этом покрытие, получаемое на поверхности детали, содержит огромное число окислов, что в свою очередь приводит к значительному снижению, а также, в ряде случаев, и к потере уникальных свойств материалов с эффектом памяти формы. Также недостатком является большой расход порошкового материала при напылении, связанный с расширением газовой струи по мере удаления от торцовой плоскости сопла и большому разлету частиц порошкового материала, тем самым теряется эффективность напыления, часть разлетающихся частиц имеет низкую скорость (кинетическую энергию) и при попадании на поверхность детали налипают, тем самым снижая адгезию и повышая пористость.
В качестве прототипа взята вакуумная установка для получения наноструктурированных покрытий из материала с эффектом памяти формы на поверхности детали (патент №2502829). Вакуумная установка для получения наноструктурированных покрытий из материала с эффектом памяти формы на поверхности детали, содержащая раму с установленной на ней вакуумной камерой, соединенной с вакуумным насосом, механизм закрепления детали, газопламенную горелку для высокоскоростного газодинамического напыления, установленную под углом 45° к поверхности детали, механизм подачи порошкового материала с эффектом памяти формы в газопламенную горелку, пирометр для измерения температуры обрабатываемой детали, технологический модуль для ионной очистки обрабатываемой детали, приспособление для поверхностно-пластического деформирования детали для формирования наноструктурированного слоя, понижающий трансформатор для дополнительного нагрева поверхности детали, устройство для охлаждения поверхности детали для отрицательного интервала температур мартенситного превращения при поверхностно-пластическом деформировании и управляющее устройство, при этом она дополнительно содержит два магнетрона и источник для ионной имплантации металлов, закрепленные в корпусе вакуумной камеры с возможностью направления на обрабатываемую деталь, при этом приспособление для поверхностно-пластического деформирования выполнено в виде пресса с верхней неподвижной и нижней подвижной траверсами, расположенными в вакуумной камере, причем на нижней подвижной траверсе установлены зажимной механизм закрепления детали и упомянутое устройство для охлаждения поверхности детали, а газопламенная горелка жестко закреплена в корпусе вакуумной камеры.
Недостатком этой установки является необходимость постоянного откачивания продуктов сгорания, выбрасываемых в камеру, которые содержат частицы напыляемого порошка, что в свою очередь приводит к преждевременному выходу из строя вакуумного насоса, что сокращает срок службы насоса и всей установки. Также из-за вакуума (высокой разряженности) внутри камеры, как следствие низкого давления, газовая струя с частицами порошка, выходящая из сопла резко расширяется и происходит распыление по всей камере, тем самым теряется эффективность напыления, падает скорость частиц и, как следствие, покрытие имеет низкую адгезию и высокую пористость.
Задачей изобретения является увеличение срока службы установки, эффективность напыления и уменьшение расхода порошкового материала.
Техническим результатом является уменьшение степени рассеивания порошкового материала с эффектом памяти формы.
Технический результат достигается тем, что предложенная у становка для получения наноструктурированных покрытий из материала с эффектом памяти формы на поверхности детали путем высокоскоростного газопламенного напыления, содержащая раму с установленной на ней вакуумной камерой, соединенной с вакуумным насосом, два магнетрона и источник для ионной имплантации металлов, закрепленные в корпусе вакуумной камеры и направленные на обрабатываемую деталь, газопламенную горелку, установленную под углом 45° к поверхности детали и жестко закрепленную в корпусе вакуумной камеры, механизм подачи порошкового материала с эффектом памяти формы в газопламенную горелку, пирометр для измерения температуры обрабатываемой детали, технологический модуль для ионной очистки обрабатываемой детали, понижающий трансформатор, управляющее устройство, пресс для поверхностно пластического деформирования, выполненный с верхней неподвижной траверсой и нижней подвижной траверсой, на которой установлены зажимной механизм закрепления детали, устройство для охлаждения поверхности детали и газовый баллон с инертным газом для создания инертной атмосферы в вакуумной камере, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью достижения в вакуумной камере давления 2-4 бар, при этом снабжена дополнительным газовым баллоном с инертным газом с редуктором, штуцером для подачи инертного газа в камеру, гибким шлангом и регулируемым вентиляционным отводом и манометром, при этом упомянутый штуцер для подачи инертного газа установлен в нижней части вакуумной камеры и соединен посредством гибкого шланга через редуктор с упомянутым дополнительным газовым баллоном инертного газа, а в верхней части вакуумной камеры установлены упомянутые регулируемый вентиляционный отвод и манометр. Дополнительный газовый баллон содержит аргон.
Уменьшение степени рассеивания порошкового материала с эффектом памяти формы достигается за счет дополнительно установленного штуцера, через который происходит заполнение вакуумной камеры инертным газом и созданием в вакуумной камеры атмосферы с задаваемым давлением. Штуцер соединен с газовым баллоном, содержащим инертный газ, через редуктор и гибкий шланг, который создает внутри вакуумной камеры защитную атмосферу с повышенным давлением. Установленный регулируемый вентиляционный отвод в верхней части вакуумной камеры позволяет выводить из зоны напыления продукты сгорания, а также обеспечивать постоянное атмосферное давление внутри вакуумной камеры, которое контролируется установленным в вакуумную камеру манометром. В случае возрастания давления внутри вакуумной камеры регулируемый вентиляционный отвод открывается сильнее увеличивая объем продуктов сгорания выводимых из зоны напыления и, наоборот, в случае понижения давления в вакуумной камере регулируемый вентиляционный отвод прикрывается сильнее уменьшая объем продуктов сгорания выводимых из зоны напыления. Давление в вакуумной камере создается в диапазоне 2÷4 бар и зависит от режима напыления. При создании давления ниже 2 бар происходит значительное рассеивание частиц порошкового материала, что отрицательно влияет на качество наносимого покрытия и на эффективность напыления. Превышение давления внутри вакуумной камеры 4 бар приводит к угнетению газовой струи, что также отрицательно отражается на качестве наносимого покрытия и на эффективности напыления.
На фиг. 1 представлена установка для получения наноструктурированных покрытий из материала с эффектом памяти формы на поверхности детали. Установка для получения наноструктурированных покрытий из материала с эффектом памяти формы на поверхности детали состоит из следующих конструктивных элементов: блока управления 1, магнетронов 2 для магнетронного напыления металлов, расположенных на вакуумной камере 3, источника ионной имплантации металлов 4, расположенного на вакуумной камере 3, источника питания 5 для магнетронов 2, блока питания 6 для источника ионной имплантации 4, газопламенной горелки 7 для высокоскоростного газодинамического напыления, установленной под углом 45° к поверхности детали, закрепленной в корпусе вакуумной камеры 3, источника питания 8 для высокоскоростного газодинамического напыления, пресса 9 с нижней траверсой 10, на которой закрепляется обрабатываемая деталь 11 и верхней траверсой 12 для поверхностно-пластического деформирования полученного покрытия с получением наноструктурированного слоя с эффектом памяти формы, устройства 13 для охлаждения обрабатываемой детали 11, выполненного в виде двух емкостей заполненных жидким азотом, порошкового дозатора 14, пирометра 15 для измерения температуры обрабатываемой детали 11, газовых баллонов 16, рамы 17, вакуумного насоса 18, технологического модуля 19 для ионной очистки поверхностей обрабатываемой детали 11, понижающего трансформатора 20 подключенного к зажимному устройству 21 обрабатываемой детали 11, линии 22 транспортировки порошка с ЭПФ из порошкового дозатора 14, штуцера 23, установленного в вакуумной камере 3 подсоединенного к штуцеру 23 гибкого шланга 24 с редуктором 25 установленного на газовый баллон 26 с аргоном, в верхней части вакуумной камеры 3 также установлен регулируемый вентиляционный отвод 27 и манометр 28.
Установка работает следующим образом: обрабатываемая деталь 11 устанавливается на нижней траверсе 10 пресса 9, при помощи зажимного устройства 21. С помощью вакуумного насоса 18 производится откачка воздуха с вакуумной камеры 3 до давления 6,5⋅10-3÷6,8⋅10-3 Па. Далее осуществляют заполнение вакуумной камеры 3 аргоном, от газового баллона 26 с аргоном через редуктор 25, по средствам гибкого шланга 24 и штуцера 23 до достижения в вакуумной камере 3 постоянного давления 2÷4 бар, которое отслеживается при помощи манометра 28. Давления выравнивают регулируемым вентиляционным отводом 27. Далее на технологическом модуле 19 производят ионная очистка обрабатываемой детали 11. После чего при помощи источника питания 8 и блока управления 1 производят включение газопламенной горелки 7 с одновременной подачей порошка с ЭПФ по линии 22 транспортировки из порошкового дозатора 14 в газопламенную струю для газодинамического напыления. Затем при помощи источника питания 5 и блока питания 6 включают магнетроны 2 и источника 4 для ионной имплантации металлов и производят магнетронное напыление металлов с ЭФП и ионную имплантацию металлов. Измерение температуры обрабатываемой детали 11 в зоне обработки производится пирометром 15. Сразу же после высокоскоростного газодинамического напыления, магнетронного напыления, ионной имплантации производят поверхностно-пластическое деформирование. Для этого включают пресс 9 и начинают вертикальное перемещение нижней траверсы 10 вверх до контакта обрабатываемой детали 11 с полученным покрытием с верхней траверсой 12 до достижения заданного давления на поверхности обрабатываемой детали 11 с покрытием до ее деформирования. Поверхностно-пластическое деформирование осуществляют в три этапа при разных температурах. На первом этапе оно производят в интервале температур 300-400°С, на втором в интервале температур 400-500°С, на третьем в интервале температур мартенситных превращений (Ms-Mf). Требуемая температура достигается за счет нагревательного элемента 20, подключенного к зажимному устройству 21 обрабатываемой детали 11. Устройство 13 для охлаждения детали с покрытием с эффектом памяти формы срабатывает в случае отрицательного интервала температур мартенситного превращения при поверхностно-пластическом деформировании.
В результате работы установки для получения наноструктурированных покрытий из материала с эффектом памяти формы на поверхности детали уменьшился расход порошкового материала на 50%, повысилась эффективность напыления, получаемые покрытия имеют ультрамелкозернистую и нано структуру и обладают эффектом памяти формы.
Реферат
Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, и может быть использовано для получения наноструктурированных покрытий из материалов с эффектом памяти формы на поверхности детали.
Технический результат достигается тем, что предложенная становка содержащая раму с установленной на ней вакуумной камерой, соединенной с вакуумным насосом, два магнетрона и источник для ионной имплантации металлов, закрепленные в корпусе вакуумной камеры и направленные на обрабатываемую деталь, газопламенную горелку, установленную под углом 45° к поверхности детали и жестко закрепленную в корпусе вакуумной камеры, механизм подачи порошкового материала с эффектом памяти формы в газопламенную горелку, пирометр для измерения температуры обрабатываемой детали, технологический модуль для ионной очистки обрабатываемой детали, понижающий трансформатор, управляющее устройство, пресс для поверхностно пластического деформирования, выполненный с верхней неподвижной траверсой и нижней подвижной траверсой, на которой установлены зажимной механизм закрепления детали, устройство для охлаждения поверхности детали и газовый баллон с инертным газом для создания инертной атмосферы в вакуумной камере, при этом она выполнена с возможностью достижения в вакуумной камере давления 2÷4 бар, при этом снабжена дополнительным газовым баллоном с инертным газом с редуктором, штуцером для подачи инертного газа в камеру, гибким шлангом и регулируемым вентиляционным отводом и манометром, при этом упомянутый штуцер для подачи инертного газа установлен в нижней части вакуумной камеры и соединен посредством гибкого шланга через редуктор с упомянутым дополнительным газовым баллоном инертного газа, а в верхней части вакуумной камеры установлены упомянутые регулируемый вентиляционный отвод и манометр. Дополнительный газовый баллон содержит аргон.
Техническим результатом является уменьшение степени рассеивания порошкового материала с эффектом памяти формы.