способ получения композиционных материалов и покрытий из порошков и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения композиционных материалов и покрытий из порошков, включающий приготовление экзотермического состава из порошковых компонентов, его газотранспортный перенос на подложку и инициирование на ней химического взаимодействия порошковых компонентов в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), отличающийся тем, что приготовление экзотермического состава осуществляют путем подачи каждого из порошковых компонентов в индивидуальные потоки транспортирующего их сжатого газа с образованием газовзвеси и последующим ее вводом и смешиванием в потоке ускоряющего газа-носителя, перенос порошковых компонентов на подложку проводят газовым потоком ускоряющего их газа-носителя путем подачи потока газовзвеси к оси входной дозвуковой части сверхзвукового сопла и последующего их ускорения в разгонном сверхзвуковом сопле, а инициирование химического взаимодействия порошковых компонентов экзотермического состава в режиме СВС осуществляют воздействием на подложку высокоскоростного потока порошковых компонентов в газе.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем что при приготовлении экзотермического состава вводят добавки для получения материалов различного химического состава, а также для регулирования скорости и температуры протекания реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

3. Способ по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что в качестве транспортирующего газа используют газ или смесь газов из группы: воздух, азот, углекислый газ, аргон.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в качестве ускоряющего газа-носителя используют газ или смесь газов из группы: воздух, азот, углекислый газ, аргон, гелии.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что ускорение потока газовзвеси проводят в разгонном сверхзвуковом сопле с удлиненной частью критического сечения.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что подачу потока газовзвеси к оси входной дозвуковой части разгонного сверхзвукового сопла осуществляют по патрубку с каналами, имеющими косые срезы.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что подачу каждого из порошковых компонентов в поток транспортирующего их газа проводят из индивидуальных питателей-дозаторов.

8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что инициирование химического взаимодействия в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза проводят в газошумоизолирующей камере в газовой среде натекающего газа до заданного давления.

9. Устройство для получения композиционных материалов и покрытий из порошков, включающее средство подачи потока ускоряющего сжатого газа-носителя, средство подачи потока транспортирующего порошковые компоненты сжатого газа, систему запорно-регулирующей аппаратуры управления процессом подачи газопорошковой взвеси, нагреватель ускоряющего газа-носителя, камеру выравнивания газовых потоков, соединенный с ней узел размещения и подачи порошковых компонентов, разгонное сверхзвуковое сопло и узел размещения подложки, отличающееся тем, что оно снабжено системой регулирования концентрации порошковых компонентов в потоке транспортирующего газа, узел размещения и подачи порошковых компонентов выполнен в виде отдельных, по меньшей мере, двух питателей-дозаторов из материала, не взаимодействующего с порошковыми компонентами, и соединен с системой регулирования концентрации последних, камера выравнивания газовых потоков снабжена установленным на ее входе многоканальным штуцером с многоканальным патрубком подачи газопорошковой взвеси, размещенным внутри камеры и имеющим каналы с косым срезом для направления потока газовзвеси к оси входной дозвуковой части разгонного сверхзвукового сопла, узел размещения подложки снабжен газошумоизолирующей камерой, а разгонное сверхзвуковое сопло выполнено с удлиненной частью критического сечения.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что удлиненная часть критического сечения сопла выполнена в соответствии с соотношением L/d_кр2.

11. Устройство по любому из пп. 9-10, отличающееся тем, что внутренняя поверхность питателей-дозаторов и многоканального патрубка подачи газовзвеси выполнены с покрытием из материала, не взаимодействующего с порошковыми компонентами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области порошковой металлургии и получению покрытий из порошковых материалов и может быть использовано при получении новых различных композиционных материалов и покрытий из них с уникальными свойствами, а также в различных отраслях промышленности для повышения технологических и физико-химических свойств изделий и придания им специфических свойств.

Известен способ получения тугоплавких твердых сплавов со связкой из группы железа с использованием самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) путем компактирования продуктов СВС динамическим давлением, генерируемым детонацией взрывчатых веществ [1].

Этот способ не требует дорогостоящего оборудования и позволяет получать высокоплотные композиты и интерметаллиды.

Недостатком способа являются его ограниченные технологические возможности и достаточно высокие энергозатраты. Кроме этого, способ не обеспечивает высокую чистоту конечного продукта ввиду возможного загрязнения последнего продуктами детонации и не предусматривает возможность формирования композиционного материала в виде покрытия.

Известен способ получения керамических покрытий на трубах с помощью термитных реакций, который позволяет формировать материал покрытия без применения сложного дорогостоящего оборудования [2]. Способ позволяет получать покрытия значительной толщины, однако не исключает недостатков предыдущего способа.

Направление в технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза имеет дело с новыми процессами, в которых может быть осуществлено нанесение и формирование покрытий на поверхности материала подложки, сопровождающееся одновременно получением на ней композиционных материалов, интерметаллидов и различного рода соединений.

Известен способ получения композиционных материалов из порошковых компонентов, включающий приготовление экзотермического состава из порошковых материалов, введение газотранспортных добавок и покрываемых деталей, инициирование на них химического взаимодействия порошковых компонентов в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. В ходе процесса осуществляется газотранспортный перенос реагентов к поверхности деталей, на которой происходит химическая реакция с образованием СВС продукта в виде покрытия. Совмещая различные носители, регулируя состав, стадийность процесса возможно в одном технологическом процессе получать сложные многокомпонентные материалы и покрытия, в том числе и многослойные из боридов, силицидов, интерметаллидов. Толщина покрытия может изменяться в пределах 5-150 мкм. Однородность материала обусловлена участием газовой фазы [3]. Процесс получения материалов и покрытий из них с помощью газотранспортных СВС реакций на подложке является, по существу, промежуточным между газофазным осаждением и диффузионным насыщением [4].

Недостатками способа являются ограниченные технологические возможности, низкая эффективность и экономичность процесса, связанная с высоким расходом порошковых материалов и высокими энергозатратами. Кроме того, описываемый способ не позволяет использовать его при формировании композиционных покрытий на длинномерных крупногабаритных изделиях и конструкциях, например в нестационарных полевых условиях при строительстве, ремонте и эксплуатации трубопроводов и других протяженных систем.

Известно устройство для получения композиционных материалов из порошковых компонентов, которое позволяет получать эти материалы на поверхностях изделий в виде покрытий на них. Устройство включает средство подачи ускоряющего газа-носителя, систему управления рабочим процессом подачи ускоряющего потока газа-носителя и порошкового материала, узел загрузки и подачи порошкового материала, содержащий питатель-дозатор, распыливающий узел с камерой выравнивания газового потока и разгонным сверхзвуковым соплом [5].

Устройство позволяет получать композиционные материалы газодинамическим методом в виде покрытия на поверхности подложки, в качестве которой может быть какое-либо изделие или деталь, за счет высокой кинетической энергии частиц порошковых компонентов исходного материала, приобретаемой ими при взаимодействии с ускоряющим их сверхзвуковым потоком газа-носителя. Формирование покрытий и материалов из механических смесей газодинамическим методом позволяет получать композиционные материалы с различными физико-химическими и механическими свойствами.

Недостатком этого устройства являются ограниченные технологические возможности при использовании порошковых материалов экзотермического состава. В случае использования такого типа порошковых материалов возникает возможность инициирования СВС реакции в объеме бункера питателя-дозатора по трактам подачи порошкового материала и сопловом распыляющем узле, что приводит к выходу из строя устройства и возможности возникновения неконтролируемой ситуации.

Известно устройство для получения композиционных материалов из порошковых компонентов, предусматривающее формирование материала газодинамическим методом на подложке, в качестве которой может быть поверхность материала различных изделий или конструкций. Устройство включает средство подачи потока ускоряющего сжатого газа-носителя, систему запорно-регулирующей аппаратуры управления рабочим процессом подачи потока ускоряющего сжатого газа-носителя, средство подачи транспортирующего порошковые компоненты сжатого газа, систему запорно-регулирующей аппаратуры управления процессом газопорошковой взвеси, камеру выравнивания газового потока, соединенный с ней узел размещения и подачи порошковых компонентов, разгонное сверхзвуковое сопло и узел размещения подложки [6].

Недостатками устройства также являются его ограниченные возможности и неэффективность при использовании порошковых компонентов, способных в механических смесях взаимодействовать в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в объеме бункера питателя-дозатора, в магистральных системах и распыляющем узле, что также приводит к неконтролируемой опасной ситуации.

Способ по источнику информации [3] и устройство, описанное в источнике информации [6], являются наиболее близкими аналогами описываемого изобретения.

Техническим результатом описываемого изобретения является повышение безопасности, эффективности и экономичности процесса получения композиционных материалов из порошковых компонентов, способных вступать в реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при соударении с поверхностью материала изделия, что позволяет значительно расширить технологические возможности получения композиционных материалов газодинамическим методом на изделиях любой протяженности и формы в стационарных и полевых условиях при сохранении высоких показателей коэффициента использования исходных материалов, невысоких энергетических затратах и экологической чистоте процесса.

Для достижения этого результата предложен способ, сущность которого заключается в приготовлении экзотермического состава путем подачи каждого порошкового компонента в индивидуальные потоки транспортирующего их сжатого газа с образованием газовзвеси и последующим ее вводом и смешиванием в потоке ускоряющего газа-носителя, переносе порошковых компонентов к подложке ускоряющим их газом-носителем путем ввода потоков газовзвеси к оси входной дозвуковой части разгонного сверхзвукового сопла с последующим их ускорением, а инициирование химического взаимодействия порошковых компонентов экзотермического состава осуществляется воздействием на подложку высокоскоростного потока порошковых компонентов в газе при соударении. При приготовлении экзотермического состава могут быть введены добавки для получения материалов различного химического состава, а также для регулирования скорости и температуры протекания самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Подачу газовзвеси во входную дозвуковую часть сверхзвукового разгонного сопла в ядро потока ускоряющего газа-носителя осуществляют по патрубку с каналами, имеющими косые срезы, причем подачу каждого порошкового компонента осуществляют из индивидуальных питателей-дозаторов, а для равномерного перемешивания и ускорения газовзвесь подают в разгонное сверхзвуковое сопло с удлиненной частью критического сечения. В качестве транспортирующего порошковые компоненты газа используют: азот, аргон, воздух, углекислый газ или их смеси, а в качестве газа-носителя используют газ или смесь газов, удовлетворяющих условиям проведения реакции СВС из группы: азот, аргон, гелий, углекислый газ, воздух.

Инициирование химического взаимодействия в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза проводят в газошумоизолирующей камере в газовой среде натекающего газа до заданного давления.

Для осуществления этого способа предусматривается устройство, сущность которого заключается в том, что оно содержит средство подачи ускоряющего сжатого газа-носителя, систему запорно-регулирующей аппаратуры управления рабочим процессом подачи ускоряющего газа-носителя, средство подачи транспортирующего порошковые компоненты сжатого газа, систему запорно-регулирующей аппаратуры управления процессом подачи газопорошковой взвеси, нагреватель ускоряющего газа-носителя, камеру выравнивания газовых потоков, соединенный с ней узел размещения и подачи порошковых компонентов, выполненный в виде индивидуальных, по меньшей мере, двух питателей-дозаторов из материала, не вступающего во взаимодействие с порошковыми компонентами экзотермического состава, и соединенный с системой регулирования концентрацией порошковых компонентов; камера выравнивания снабжена установленным на ее входе многоканальным штуцером с многоканальным патрубком ввода газопорошковой взвеси, размещенным внутри камеры и имеющим каналы с косым срезом для направления потока газовзвеси к оси входной дозвуковой части разгонного сверхзвукового сопла, узел размещения подложки снабжен газошумоизолирующей камерой протекания реакции, а разгонное сверхзвуковое сопло выполнено с удлиненной частью критического сечения исходя из соотношения L/d_кp2. Устройство предусматривает покрытие внутренней поверхности питателей-дозаторов и подводящих трубопроводов материалом, не вступающим во взаимодействие с порошковыми компонентами экзотермического состава.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и 2, где на фиг.1 представлен общий вид устройства, описываемого в данном изобретении, а на фиг.2 - распыливающий узел этого устройства.

Устройство содержит средство 1 подачи ускоряющего сжатого газа-носителя, систему 2 запорно-регулирующей аппаратуры управления рабочим процессом подачи ускоряющего газа-носителя, нагреватель 3 ускоряющего газа-носителя, камеру 4 выравнивания газового потока, разгонное сверхзвуковое сопло 5, подложку 6, в качестве которой может быть использовано какое-либо изделие для формирования на ней композиционного материала, газошумоизолирующую камеру 7 протекания реакции, средство 8 подачи транспортирующего порошковые компоненты сжатого газа, систему 9 запорно-регулирующей аппаратуры управления рабочим процессом подачи газопорошковой взвеси, систему 10 регулирования концентрацией порошковых компонентов в потоке газа, узел 11 размещения и подачи порошковых компонентов, выполненный в виде нескольких индивидуальных питателей-дозаторов. Камера 4 выравнивания газового потока и разгонное сверхзвуковое сопло 5 образуют распыливающий узел. На входе камеры 4 выравнивания газового потока имеется многоканальный штуцер 12 с многоканальным патрубком 13 подачи газопорошковой взвеси, размещенным в камере 4. Каналы 14 патрубка 13 имеют на выходе косые срезы для направления потока газопорошковой взвеси к оси входной дозвуковой части разгонного сверхзвукового сопла 5, выполненного с удлиненной частью L критического сечения сопла 5.

Реализация способа и работа устройства осуществляются следующим образом.

В изобретении предусматривается использование ускоряющего сжатого газа-носителя, подаваемого из средства 1 в камеру 4 выравнивания газового потока и потока, транспортирующего порошковые компоненты сжатого газа. Ускоряющий газ-носитель под давлением из средства 1 поступает в систему 2 запорно-регулирующей аппаратуры управления рабочим процессом подачи ускоряющего сжатого газа-носителя. Отрегулированный до заданных параметров поток ускоряющего газа-носителя поступает в нагреватель 3, где производится его подогрев до температуры, соответствующей расчетной скорости истечения. Подогретый ускоряющий газ-носитель по трубопроводу поступает в камеру 4 выравнивания газового потока, ускоряется в разгонном сверхзвуковом сопле 5, натекая на подложку 6, установленную в газошумоизолирующей камере 7. Истекающий из сопла 5 ускоряющий газ-носитель заполняет камеру 7, образуя необходимую газовую среду для протекания реакции СВС. Избыточное количество газа-носителя удаляется в систему аспирации. При достижении ускоряющим газом-носителем рабочих параметров из средства 8 подачи транспортирующего порошковые компоненты сжатого газа последний поступает в систему 9 запорно-регулирующей аппаратуры управления рабочим процессом подачи газопорошковой взвеси. Отрегулированный до необходимых параметров транспортирующий газ поступает в систему 10 регулирования концентрацией порошковых компонентов в потоке газа, куда порошковые компоненты поступают из узла 11, выполненного в виде нескольких питателей-дозаторов. Полученная таким образом газовзвесь необходимого состава и расхода из индивидуальных бункеров питателей-дозаторов 11 по своим трубопроводам поступает во входной многоканальный штуцер 12 и многоканальный патрубок 13, из которого по каналам 14 с косым срезом истекает в область удлиненной части L критического сечения разгонного сверхзвукового сопла 5 в ядро потока ускоряющего газа-носителя. В области удлиненной части L критического сечения сопла происходит интенсивное перемешивание и ускорение до околозвуковых скоростей газопорошковой взвеси. В расширяющейся части разгонного сверхзвукового сопла 5 происходит дальнейшее ускорение двухфазного потока газовзвеси до скоростей, необходимых для реализации реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при соударении частиц порошковых компонентов экзотермического состава с подложкой. Инициирование химического взаимодействия между компонентами в режиме СВС осуществляется за счет газодинамического воздействия сверхзвукового потока газопорошковой взвеси на подложку, на которой происходит формирование композиционного материала. При соударении частиц порошковых компонентов, составляющих многокомпонентную смесь заданного состава, с подложкой и между собою кинетической энергии частиц достаточно для того, чтобы инициировать реакцию СВС.

Для получения композиционных материалов на основе различных соединений в качестве ускоряющего и транспортирующего газов используют необходимый для образования соединений газ или смесь газов, истекающих в газошумоизолирующую камеру 7, где поддерживают необходимое давление натекающей газовой среды. Это позволяет получать различного рода соединения: оксиды, нитриды, карбиды, силициды и другие.

Используя нейтральные газы в качестве ускоряющего и транспортирующего газа возможно получение чистых СВС реакций между компонентами.

Для предотвращения возникновения реакции СВС в тракте питателя-дозатора, его подводящих магистралей и в разгонном сверхзвуковом сопле подачу каждого из порошковых компонентов производят из индивидуальных для каждого компонента питателей-дозаторов, изготовленных из материала или имеющих покрытие, не вступающее во взаимодействие с порошковым компонентом.

Наличие косого среза на выходе каналов 14 позволяет повернуть поток газопорошковой взвеси к оси дозвуковой входной части сопла, ввести газопорошковую взвесь в ядро потока газа-носителя и устранить трение частиц о стенки проточной части сопла.

Удлинение критической части сверхзвукового разгонного сопла позволяет ускорить движение частиц порошковых компонентов на длине L до скоростей, близких к скорости звука в разгоняющем их газе при их интенсивном перемешивании. Выбор длины критической части сопла производят, исходя из соотношения L/d_кp2 на основании того, что он должен обеспечить на этой длине в зависимости от грануляции и удельного веса порошкового компонента необходимую скорость и перемешивание.

Получение стехеометрического соотношения компонентов экзотермического состава для протекания реакции СВС достигается путем регулирования расхода и концентрации порошковых компонентов в каждом из питателей-дозаторов.

Например, для получения термостойкого покрытия на основе титана и алюминия в питатели-дозаторы раздельно засыпают порошковые Ti дисперстностью 63-100 мкм и А1 10-40 мкм. Отрегулировав расходы порошков в стехеометрическом соотношении между собою 64%Ti+36%Al в питателях-дозаторах, производят транспортирование порошкового материала нейтральным газом (аргоном) в распыляющее устройство, где происходит ускорение частиц порошка потоком газа-носителя (воздуха) с температурой 270^oС с последующим формированием покрытия при натекании частиц в газе на подложку, например сталь 10, в шумогазоизолирующей камере. При соударении частиц Ti и А1 с поверхностью материала изделия и между собою происходит реакция СВС на его поверхности с образованием композитного покрытия или материала заданной толщины, при удалении которого от подложки возможно его самостоятельное использование в качестве заготовки изделия для дальнейшей обработки и использования.

Введение добавок к порошковым компонентам экзотермического состава позволяет получать разнообразные комбинации материалов на подложке, используя тепловую энергию, выделяющуюся при экзотермической реакции СВС.

Например, введение таких порошковых добавок, как медь, цинк, вольфрам, кремний и различные керамические и органические соединения, позволяет получать соединения этих элементов с порошковыми компонентами экзотермического состава.

Описываемое изобретение позволяет расширить технологические и качественные возможности получения композиционных материалов газодинамическим методом формирования их на различных поверхностях изделий, отличается высокой эффективностью и экономичностью процесса, сокращает расход материалов при высокой производительности, не требует дорогостоящего оборудования, обеспечивает экологическую чистоту и безопасность процесса, расширяет возможности получения новых классов материалов.

Источники информации

1. Гордополов Ю.А. и др. Исследование ударноволнового нагружения при синтезе тугоплавких твердых сплавов в волне горения. Порошковая металлургия. Тезисы докладов XVI Всесоюзной научно-технической конференции. III. Теория и технология композиционных материалов. - Свердловск, 1989, с. 54.

2. Fukaya Y., Hirat В. Ceramic Lining Pipe by Thermit Reaction Japan Welding Boc, 1989, v. 58, 5, p. 14-16, реферат в сборнике аннотаций "Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. - Черноголовка, 1990, с. 20.

3. Мержанов А.Г. Саморапространяющийся высокотемпературный синтез: двадцать лет поисков и находок. - Черноголовка, 1989, с. 60-63.

4. Физическая химия. Современные проблемы./Под общей редакцией академика Я.М. Колотыркина. - М.: Химия, 1983, с. 10.

5. Технология газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов. Журнал "Электроника. Наука. Технология. Бизнес. - Москва, 5, 1997, с. 85-86.

6. RU 2145644, кл. B 22 F 7/04, 20.02.2000 г.