УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
DEVICE FOR APPLYING COATINGS ON POWDER MATERIALS

Изобретение относится к области нанесения покрытий из сплавов, металлов, неметаллов и их соединений, в том числе, многокомпонентных, на порошковые материалы, а также для обработки порошковых материалов в плазме. Изобретение может найти применение в порошковой металлургии, в частности для металлизации порошковых материалов различных размеров, конфигурации поверхности, природы частиц и их степени дисперсности, для создания композиционных материалов с повышенными прочностными и коррозионостойкими свойствами. Актуальность изобретения определяется высокими темпами роста и замещения классических методов производства новыми технологиями с применением микро или нано дисперсных порошковых материалов: аддитивные технологии (SLM, DMD методы), технологии порошкового спекания (HIP, MIM), газотермическое напыление, химические технологии (катализаторы), применение порошковых модификаторов (добавок) при производстве материалов с инновационными свойствами.
Известно устройство для нанесения покрытий на порошковые материалы (патент РФ на полезную модель №139352, опубл. 20.04.2014, МПК B22F 1/02, C23C 14/34), содержащее вакуумную камеру с системой откачки, расположенный в ней генератор потока частиц напыляемого материала покрытия, направленного сверху вниз, и установленный под ним виброперемешиватель-держатель порошка, выполненный в виде цилиндрической чаши, токопроводяший гибкий вал, связанный с приводом вращения и источником опорного напряжения. Виброперемешиватель-держатель порошка посредством токопроводящего гибкого вала кинематически связан с приводом вращения, установлен на платформу, обеспечивающую его установку на угол, равный 0÷45°, относительно вертикальной оси, и выполнен в виде цилиндрической чаши с коническим дном, оснащенной лопатками с выступами, в основании которой имеется зубчатое колесо, к зубьям которого при помощи пружин прижат кулачек, на боковой стенке вакуумной камеры установлен нагреватель и трубопровод с форсункой, подведенный к лопаткам виброперемешивателя-держателя порошка.
Недостатком известного устройства является существенное превышение размера зоны осаждения над зоной расположения порошка, поскольку осаждение происходит на площадь в форме круга, а порошок в наклонной чаше располагается в форме полумесяца. Отсутствуют механизмы деагломерации порошка, связанные с ультразвуковым воздействием, что ограничивает минимальный размер обрабатываемого порошка. Перемешивание порошка за счет турбулентности струи подаваемого газа малоэффективно, поскольку процесс нанесения покрытия происходит при молекулярном режиме течения газов, расход газа, лимитируемый системой откачки и максимально возможным давлением технологического процесса, за время нанесения покрытия существенно меньше веса порошка, а вес отдельной частицы порошка, даже для наноразмерных порошков, на порядки превышает вес молекулы аргона. Также, существенным недостатком является отсутствие возможности нанесения покрытия на порошок при свободном падении порошка, что затрудняет использование CVD- технологий нанесения покрытий и технологий обработки порошка в плазме.
Известно устройство для нанесения металлических покрытий на порошок с использованием распыления мишени (патентная заявка KR20140120558A, опубл. 14.10.2014 г.) содержащее вакуумную камеру, снабженную системой откачки, расположенный в ней технологический источник (генератор потока напыляемых частиц материала покрытия), направленный сверху вниз на порошок, находящийся на дне барабана. Технологический источник расположен внутри барабана и может быть, в том числе и протяженным (линейным). При вращении барабана происходит перемешивание порошка во время нанесения покрытия.
Недостатком данного устройства является плохое качество перемешивания порошка, отсутствие каких-либо устройств для разрушения агломератов (перемешивающие ребра, сита, виброустройства). Также, существенным недостатком является отсутствие возможности нанесения покрытия на порошок при свободном падении порошка, что затрудняет использование CVD-технологий нанесения покрытий и технологий обработки порошка в плазме.
Известно устройство для нанесения металлических покрытий на порошок барабанного типа с магнетронным напылением (патент CN101805893B, опубл. 16.05.2012), содержащее вакуумную камеру, снабженную системой откачки, расположенный в ней технологический источник (генератор потока напыляемых частиц материала покрытия), барабан (грохот) и вибросито. Между барабаном и приводом барабана находится вибрационный механизм. Порошок из вибрирующего барабана с помощью продольных наклонных ребер поднимается наверх и падает через вибросетку вниз. Во время падения на порошок осаждаются частицы материала, распыленные с мишени магнетрона, расположенного с торца барабана.
Недостатком данного устройства является малая скорость осаждения, поскольку размеры технологического источника существенно меньше габаритов барабана. Нанесение покрытия производится только с одной стороны, что ухудшает равномерность покрытия на порошке. Толщина слоя падающего порошка большая, поэтому качество покрытия на частицах порошка, падающих ближе или дальше от мишени магнетрона, будет разное. Невозможно наносить соединения металлов с использованием реакционно-способных газов в силу вышеуказанной причины, а также вследствие неоднородности газовых потоков в разных сечениях потока падающего порошка. Недостатком данного устройства является также неравномерность потока порошка, падающего мимо магнетрона, вследствие отсутствия бункера-накопителя.
Наиболее близким решением (принято за прототип) является система покрытия под низким давлением и способ нанесения покрытия на отдельные порошки или волокна посредством физического или химического осаждения из паровой фазы (международная заявка WO202163998 A1, опубл. 08.04.2021г) содержащая вакуумную камеру, снабженную системой откачки, расположенный в ней технологический источник (генератор потока напыляемых частиц материала покрытия), барабан (грохот) и бункер-накопитель (вибросито). Вал привода барабана может быть подключен к ультразвуковому генератору с целью деагломерации порошка. Порошок из вибрирующего барабана с помощью продольных наклонных ребер поднимается наверх и падает через бункер-накопитель вниз. Бункер накопитель может содержать одно или более последовательно расположенных сит с различной перфорацией, причем, площадь отверстий уменьшается от верхнего сита к нижнему. Во время падения на порошок осаждаются частицы материала, распыленные с мишени магнетрона, расположенного с торца барабана. По второму варианту порошок может из бункера накопителя ссыпаться на наклонный экран с ультразвуковым возбуждением, где и происходит нанесение покрытия.
Недостатком данного устройства является малая скорость осаждения, поскольку размеры технологического источника существенно меньше габаритов барабана. Нанесение покрытия производится только с одной стороны, что ухудшает равномерность покрытия на порошке. Толщина слоя падающего порошка большая, поэтому качество покрытия на частицах порошка, падающих ближе или дальше от мишени магнетрона, будет разное. Невозможно наносить соединения металлов с использованием реакционно-способных газов в силу вышеуказанной причины, а также вследствие неоднородности газовых потоков в разных сечениях потока падающего порошка. Недостатком данного устройства является неэффективная деагломерация порошка в барабане при ультразвуковом возбуждении вдоль оси барабана. При нанесении покрытия на порошок на поверхности наклонного экрана, на экране также формируется покрытие, которое со временем отслаивается и подмешивается в порошок с покрытием. Существенным недостатком является невозможность подачи напряжения смещения на барабан, что ограничивает технологические возможности устройства.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание универсального оборудования, позволяющего использовать различные технологии нанесения покрытий и обработки поверхностей, в том числе, в одном вакуумном цикле, для порошковых материалов с размером частиц от нескольких микрон до нескольких миллиметров с различной конфигурацией поверхности, природы частиц и их степени дисперсности.
Технический результат: предлагаемое устройство позволяет наносить различные покрытия, в т.ч. многокомпонентные, высокого качества и высокой степени однородности, на порошковые материалы с размером частиц от нескольких микрон до нескольких миллиметров с различной конфигурацией поверхности, природы частиц и их степени дисперсности.
Технический результат достигается тем, что устройство для нанесения покрытий на порошковые материалы содержит вакуумную камеру, снабженную системой откачки, по меньшей мере два технологических источника потока напыляемых частиц, систему перемещения порошка, включающую барабан, при этом технологические источники потока напыляемых частиц, установлены на поворотных портах, размещенных по всей длине барабана, при этом поворотные порты установлены на поворотном фланце, установленном на крышке вакуумной камеры, а система перемещения порошка дополнительно включает загрузочную тележку с опорными роликами, на которые установлен барабан, внутренняя поверхность которого снабжена перемешивающими выступами или ребрами.
Устройство для нанесения покрытий на порошковые материалы согласно настоящему изобретению включает вакуумную камеру с системой откачки, систему технологических источников потока напыляемых частиц, подачи реактивных газов и/или прекурсоров, или создания плазменного разряда, размещенную внутри барабана, и систему перемещения порошка с возможностью подключения напряжения смещения.
Вакуумная камера представляет собой горизонтальную цилиндрическую обечайку с двумя противолежащими плоскими крышками. На одной крышке выполнен поворотный фланец для обеспечения возможности позиционирования всей технологической системы относительно барабана с загрузкой и универсальные поворотные порты с поворотными фланцами для монтажа технологических источников, источника ионов. Поворотные порты обеспечивают возможность поворота каждого технологического источника в отдельности относительно своей оси. Количество портов составляет не менее 2, преимущественно 4. Другая крышка вакуумной камеры служит для загрузки-выгрузки барабана. На обечайке вакуумной камеры дополнительно может быть установлен нагреватель для предварительного нагрева барабана с загруженным продуктом.
Низковакуумная магистраль системы откачки снабжена дросселирующим клапаном для предотвращения уноса порошка.
Технологические источники расположены на универсальных поворотных портах что, совместно с поворотом поворотного фланца, позволяет устанавливать протяженные (линейные) технологические источники под необходимым углом относительно барабана и друг друга. В качестве технологических источников для нанесения покрытий могут быть использованы магнетронные, дуговые распылители, ионно-лучевые, катодные распылители или газораспределительные устройства для CVD-процессов. Количество технологических источников составляет не менее 2.
На одном из поворотных портов системы технологических источников могут быть установлены для плазменной обработки порошка источники ионов различного типа или электродные системы для ВЧ-разряда, низко и среднечастотного разряда или разряда на постоянном токе.
Система перемещения порошка включает в себя загрузочную тележку, размещенную в вакуумной камере, и барабан, устанавливаемый на опорные ролики загрузочной тележки.
Вращение барабана на тележке с приводом осуществляется за счет вращения опорных роликов, обеспечиваемого приводом с регулируемой частотой вращения.
Дополнительно система перемещения порошка может включать по меньшей мере 2 съемных опорных кольца, устанавливаемых на барабан и имеющих небольшие выступы по всей поверхности, за счет которых при вращении барабана совместно с опорными кольцами возникает вибрация, разрушающая агломераты. В зависимости от количества выступов и скорости вращения барабана частота вибрации может быть задана в диапазоне 1-10 Гц. Амплитуда вибрации определяется высотой выступов. Опорные кольца барабана могут быть установлены со смещением на 0,5 шага между выступами. В этом случае частота вибрации барабана удваивается и, помимо радиальной вибрации, появляется осевая. Выступы на опорных кольцах могут быть выполнены со смещением в шахматном порядке, что позволяет усилить амплитуду вибрации вдоль оси барабана.
Барабан на внутренней поверхности выполнен с перемешивающими выступами или ребрами различной конфигурации, обеспечивающими эффективное перемешивание порошка и разрушение агломератов. Выступы могут быть выполнены круглой, овальной, линейной формы и быть выдавлены непосредственно на поверхности барабана. Ребра на поверхности барабана могут быть выполнены ковшеобразной, и линейной формы под углом к поверхности барабана с целью создания равномерного перемешиваемого слоя порошка в зоне нанесения покрытия на внутренней поверхности барабана. Дополнительно на поверхности ребер могут быть выполнены отверстия различной конфигурации, обеспечивающими лучшее пересыпание продукта и разрушение агломератов.
При выполнении поверхности барабана с ковшевыми ребрами, система перемещения порошка дополнительно может содержать внутри барабана бункер с щелевым отверстием, закрепленный на одном из поворотных портов. При вращении барабана порошок пересыпается в бункер со щелевым отверстием и затем из бункера под действием силы тяжести в виде квазисплошной ленты на дно барабана.
Степень загрузки щелевого бункера контролируется датчиком уровня и регулируется частотой вращения барабана. Дополнительно щелевой бункер может содержать одну или более поперечно расположенных перфорированных перегородок для разрушения агломератов. Перегородки выполнены сменными с перфорацией в виде круглых или щелевых отверстий разного диаметра. Например, в верхней части бункера может быть выполнена перегородка с большим размером отверстий, и далее к нижней части бункера последовательно устанавливают перегородки с уменьшающимся размером отверстий, это обеспечивает эффективное просеивание порошка и разрушение агломератов. Дополнительно, для разрушения агломератов к торцу щелевого бункера прикреплен волновод генератора колебаний. В зависимости от размеров частиц порошка и их склонности к агломерации, частота генератора колебаний может меняться от 50 Гц до 1 мГц. В этом случае щелевой бункер выполняет также функцию вибросита.
Осуществление изобретения:
Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг.1 - схема устройства с барабаном, снабженным наклонными ребрами, щелевым бункером и двумя технологическими источниками;
Фиг.2 - вид сверху на устройство, представленное на фиг.1 в сечении;
Фиг.3 - схема устройства с барабаном, снабженным ребрами перпендикулярными поверхности барабана, двумя технологическими источниками и источником ионов;
Фиг.4 - вид сверху на устройство, представленное на фиг.3 в сечении;
Фиг.5 - схема устройства с барабаном, снабженным выступами на поверхности, двумя технологическими источниками и источником ионов.
На фиг.1 и фиг.2 представлено устройство для нанесения покрытий на порошковые материалы, включающее вакуумную камеру 1 с системой откачки 2, систему технологических источников 3 для распыления материала покрытия или создания плазменного разряда, и систему перемещения порошка, содержащую загрузочную тележку 4, оснащенную опорными роликами 5 и устанавливаемый на них барабан 6, с установленным в его полости щелевым бункером 7. На внутренней поверхности барабана выполнены наклонные ребра 8. Вакуумная камера выполнена в виде цилиндрической обечайки с крышками. Крышка 9 служит для загрузки/выгрузки барабана с помещенным в него порошком 11 . На крышке с противоположной стороны барабана установлен поворотный фланец 10, на котором установлены поворотные порты 12 для установки технологических источников 3. Трубки 13 служат для подвода охлаждающей воды и подвода питания.
Щелевой бункер 7 соединен с генератором колебаний 14, обеспечивающим разрушение агломератов порошка.
На фиг.3 и фиг.4 представлен другой вариант реализации устройства для нанесения покрытий на порошковые материалы, содержащий в качестве технологических источников два источника нанесения покрытия 3, а также источник ионов 15 для плазменной обработки порошка 11.
На фиг. 5 представлен третий вариант реализации изобретения. Устройство для нанесения покрытий на порошковые материалы содержит в качестве технологических источников два источника нанесения покрытия 3, а также источник ионов 15 для плазменной обработки порошка 11, при этом барабан установлен на опорных роликах 5 через опорные кольца 16, имеющие снаружи выступы для создания вибрации. Внутренняя поверхность барабана оснащена выступами 8.
Представленные чертежи предназначены для иллюстрации изобретения и не ограничивают все возможные варианты реализации изобретения.
Загрузка порошка 11 в барабан 6 осуществляется в вытяжном шкафу при соблюдении техники безопасности. Далее барабан 6 устанавливается на опорные ролики 5 загрузочной тележки 4, после чего осуществляется герметизация вакуумной камеры крышкой 9, при этом поворотом фланца 10 и портов 12 обеспечивается необходимое размещение системы технологических источников 3 и щелевого бункера 7 или источника ионов 15 относительно барабана 6, фланец 10 и порты 12 закрепляется в необходимом угловом положении прижимными замками. Аналогичным образом поворотом портов 12 осуществляется настройка положения технологических источников 3 друг относительно друга и относительно барабана 6. Технологические источники 3 могут быть обращены в сторону внутренней поверхности барабана (фиг. 3, фиг.5) или направлены друг на друга (face-to-face) (фиг.1). Выбор типа технологических источников 3 зависит от природы частиц и степени их дисперсности, а также материала покрытия. Положение источников определяется размером, структурой обрабатываемого порошка, а также способом нанесения покрытия и соответственно выбором типов технологических источников. Наличие по меньшей мере двух технологических источников с возможностью их поворота под необходимым углом позволяет обеспечить равномерное нанесение покрытие.
Далее при необходимости осуществляют нагрев барабана, например посредством ТЭН, установленного на внутренней поверхности вакуумной камеры 1.
Откачку воздуха осуществляют посредством системы откачки 2, содержащей линию низкого вакуума, линию высокого вакуума и линию соединения с атмосферой для подачи атмосферного воздуха. Обеспечение системы откачки 2 дросселирующим клапаном предупреждает унос порошка из барабана при откачке воздуха.
Вращение барабана 6 на загрузочной тележке 4 осуществляется за счет вращения опорных роликов 5, обеспечиваемого приводом с регулируемой частотой вращения. Барабан электрически изолирован от корпуса камеры и привода барабана.
На барабан 6, а также на щелевой бункер от источника напряжения дополнительно может быть подано напряжение смещения, обеспечивающее ускорение высокоэнергетических ионов напыляемого материала покрытия, тем самым обеспечивая его высокое качество.
Поскольку тонкодисперсные порошки имеют склонность к агломерации в процессе нанесения покрытия, может быть обеспечено вибрационное разрушение агломератов порошка, реализованное в виде направленного ультразвукового воздействия от ультразвукового генератора 14, жестко соединённого со щелевым бункером 7 и/или с использованием опорных колец 16 с выступами на внешней поверхности.
Таким образом, при вращении барабана осуществляется перемешивание порошка, разрушение агломератов и нанесения покрытия выбранным методом в зависимости от выбранного технологического источника 3.
При использовании щелевого бункера 7 (фиг.1, 2) технологические источники размещают по направлению друг к другу (face-to-face), при этом порошок пересыпается по поверхности барабана и посредством ребер 8 поступает в щелевой бункер 7, откуда порошок квазисплошной лентой вновь ссыпается на поверхность барабана. При этом технологические источники, направленные на ленту порошка обеспечивают его обработку с двух сторон, что повышает равномерность покрытия. В этом случае создаются равновесные условия по газовой динамике, появляется возможность проведения реактивных процессов, cvd-процессов и обработки порошка в плазме.
По окончании процесса нанесения покрытия осуществляют напуск воздуха в вакуумную камеру и извлечение барабана 6 из вакуумной камеры. Разгрузка барабана также осуществляется в вытяжном шкафу.
Преимущества заявляемого изобретения:
Предложено использование сменного барабана с различными вариантами проработки внутренней поверхности, обеспечивающее возможность работы с различными порошками, как по степени дисперсности, так и природе и структуре поверхности, эффективное их перемешивание и деагломерацию;
Применение не менее двух технологических источников позволяет добиться высокой скорости осаждения покрытия и высокой степени равномерности покрытия порошка;
Применение поворотного фланца и универсальных поворотных портов для установки различных технологических источников обеспечивает возможность нанесения различных покрытий с использованием различных методов напыления, в т. ч с использованием CVD- технологий и технологий обработки порошка в плазме. При этом поддерживается возможность подбора оптимального размещения технологических источников, что упрощает обработку порошков разной степени дисперсности и природы, а также повышает равномерность покрытия;
Создание вибрации на барабане с частотой 1-10 Гц за счет опорных колец с выступами без использования жесткого волновода от внешнего источника вибрации к барабану позволяет сделать электрическую развязку между приводом барабана и барабаном (также и по загрузочной тележке) и подавать на барабан и на щелевой бункер потенциал электрического смещения;
Наличие средств разрушения агломератов (УЗ генератор, опорные кольца с выступами, перфорированные перегородки, перфорированные ребра) упрощает процесс обработки порошка и улучшает равномерность его обработки;
Выполнение технологических источников протяженными по всей длине барабана позволяет значительно увеличить площадь обработки;
Применение сменного барабана позволяет упростить процесс загрузки-выгрузки порошка из барабана и использовать сменные барабаны с различной конфигурацией перемешивающих ребер и/или опорных колец.