устройство для электроимпульсного нанесения покрытий

Формула изобретения

1. Устройство для электроимпульсного нанесения покрытий, содержащее ствол, разрядный узел, образованный изолированными относительно друг друга электродами, инжектор порошка, накопители энергии, соединенные с разрядным узлом, блок инициирования разряда, отличающееся тем, что на участке ствола между разрядным узлом и инжектором порошка образована бустерная цилиндрическая полость с коническими переходами, при этом длина бустерной полости составляет L= 5d10d, а ее внутренний диаметр составляет D= 1,5d4d, где d - внутренний диаметр ствола устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в промежутке между срезом ствола и подложкой установлена защитная диафрагма, расположенная соосно с разрядным узлом и стволом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике нанесения покрытий из различных порошковых материалов для изменения свойств поверхностей изделий и предназначено для повышения качества наносимых покрытий.

Известно устройство для электроимпульсного нанесения покрытий, содержащее ствол, выполненный в виде сопла Лаваля, керамическую втулку, центральный электрод, установленный внутри керамической втулки, систему подачи порошка в ствол и накопитель электрической энергии, соединенный со стволом и центральным электродом (а.с. 902844 Устройство для электроимпульсного напыления покрытий. Н.М. Салтанов, Н.П. Гнездов, П.П. Аулов. МКП: В 05 В 7/22). Недостатком известного устройства является то, что ускорение микрочастиц порошковых материалов, осуществляется в плазменном потоке с характерной температурой 20000-40000 К, вследствие чего происходит неконтролируемый нагрев микрочастиц вплоть до температуры их испарения, что ограничивает возможность повышения скорости микрочастиц и не позволяет получать высококачественные покрытия.

Наиболее близким к предложенному устройству, принятым в качестве прототипа, является импульсный электротермический ускоритель порошковых материалов, ускоряющий микрочастицы в области ударно-сжатого газа, что обеспечивает требуемый температурный режим ускорения, содержащий разрядный узел, включающий два электрода, разделенных диэлектрической втулкой, ствол, емкостной накопитель энергии, подключенный к разрядному узлу, узел инициирования разряда (S. P. Maslennikov, A.V. Melnik, A.V. Chebotarev, E.YA. Shcolnikov. "High velocity flow generation and microparticles acceleration by means of high current pulse discharge." Digest of technical papers of 11-th IEEE International Pulsed Power Conference (PPC-97), Baltimore, Maryland, 1997, p. p. 1162-1167). Недостатком указанного устройства является то, что оно не позволяет достичь высоких значений скоростей для широкого диапазона плотности порошковых материалов и размеров микрочастиц, что связано с невозможностью формирования области ударно-сжатого газа с заданными параметрами (необходимой протяженностью, массой газа и скоростью). Высокие значения скорости микрочастиц, превышающие 1 км/с и обеспечивающие повышенные значения адгезии и плотности покрытий, в указанном устройстве могут быть получены только для микрочастиц мелкодисперсных (1-3 мкм) и легких (<4 кг/дм³) порошковых материалов.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в существенном расширении диапазона плотностей (1-16 кг/дм³) порошковых материалов и размеров их микрочастиц (1-50 мкм), при которых обеспечиваются условия ускорения микрочастиц до высоких значений скоростей (1 км/с и выше) с независимым регулированием их скорости и температуры, а также в повышении чистоты покрытий, что приводит к увеличению качества наносимых покрытий.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в известном устройстве, содержащем разрядный узел с одним или несколькими разрядными промежутками, ствол, накопитель энергии, подключенный к разрядному узлу, блок инициирования разряда и инжектор порошка, для формирования области ударно-сжатого газа с требуемыми параметрами, на участке ствола между разрядным узлом и инжектором порошка образована бустерная полость, чья конфигурация и геометрические размеры определяются параметрами микрочастиц используемых порошковых материалов, а также необходимыми для создания высококачественных покрытий значениями скорости и температуры микрочастиц. Ударная волна, образующаяся в результате импульсного сильноточного разряда в разрядном узле, распространяясь сначала в бустерной полости, а затем в стволе устройства, вовлекает в движение газ, который в процессе истечения в ствол формирует ударно-сжатую область. Увеличенный диаметр бустерной полости (по сравнению с диаметром ствола) вызывает увеличение объема газа, содержащегося в ударно-сжатой области и ее протяженность, что позволяет расширить диапазон плотностей и размеров микрочастиц порошковых материалов по сравнению с прототипом. Использование бустерной полости позволяет уменьшить расстояние между разрядным узлом и инжектором микрочастиц по сравнению с прототипом (при сохранении объема газа в ударно-сжатой области), что позволяет снизить потери скорости ударно-сжатой области и, как следствие, повысить скорость микрочастиц. Таким образом, в стволе устройства формируется протяженная область ударно-сжатого газа с высокой скоростью, которая позволяет проводить ускорение микрочастиц с широким диапазоном плотностей (1-16 кг/дм³) порошковых материалов и размеров их микрочастиц (1-50 мкм), при которых обеспечиваются условия ускорения микрочастиц до высоких значений скоростей (1 км/с и выше) при сохранении температурного режима ускорения. Бустерная полость имеет цилиндрическую форму с коническими переходами. Оптимальная длина цилиндрической бустерной полости составляет L=5d10d, где d - внутренний диаметр ствола, что обеспечивает малую диссипацию импульса потока (не более 10%), а следовательно, сохранение высокого значения его скорости. Использование цилиндрической бустерной полости с длиной, менее 5d, приводит к потере эффекта увеличения объема газа в ударно-сжатой области, увеличение же длины бустерной полости свыше 10d вызывает значительную диссипацию скорости потока, и, как следствие, снижение скорости микрочастиц. С другой стороны оптимальный диаметр цилиндрической бустерной полости составляет D=l,5d4d, при этом возникает эффект увеличения объема газа в ударно-сжатой области, что приводит к существенному увеличению ее продольного размера при истечении этой части потока из бустерной полости в ствол устройства. Использование цилиндрической бустерной полости с диаметром, менее 1,5d, приводит к потере эффекта увеличения объема газа в ударно-сжатой области, а использование бустерной полости с диаметром, более 4d, приводит к турбулизации потока, что вызывает перемешивание ударно-сжатой области с высокотемпературной плазменной частью потока и нарушает требуемый режим ускорения микрочастиц. Таким образом, в стволе формируется область ударно-сжатого газа с высокой скоростью (5 км/с и более, что зависит от уровня энерговложения в разрядный узел), ее протяженность составляет от 2d до 20d при плотности газа от 4 кг/м³ до 12 кг/м³. Высокая скорость данной области обеспечивает ускорение микрочастиц до высоких значений скоростей (1 км/с и выше), обеспечивающих повышенные значения адгезии и плотности покрытий, а ее большие значения протяженности и плотности газа позволяют проводить ускорение микрочастиц в более широком диапазоне размеров и плотностей по сравнению с прототипом при сохранении температурного режима ускорения.

Кроме этого, в промежутке между срезом ствола и подложкой может быть установлена защитная диафрагма, располагаемая соосно с разрядным промежутком и стволом и служащая для предотвращения попадания продуктов абляции ствола и эрозии электродов устройства в наносимое покрытие, а также ослабляющая термическое воздействие высокотемпературной плазменной части потока на наносимое покрытие и подложку. За срезом ствола устройства микрочастицы порошкового материала незначительно отклоняются от оси ствола, причем тем в меньшей степени, чем больше их масса, и проходят в центральное отверстие защитной диафрагмы. В то же время, плазменный поток, в котором находится основная масса продуктов абляции ствола, а также эрозии электродов разрядного узла, интенсивно расширяется и рассеивается защитной диафрагмой, что существенно уменьшает его негативное термическое воздействие на подложку, повышает чистоту и качество наносимых покрытий. Диаметр диафрагмы и расстояние от ствола до защитной диафрагмы определяются характеристиками газоплазменного потока, сформированного в стволе устройства, а также параметрами микрочастиц порошкового материала и составляют 1d3d и 2d10d, соответственно.

На чертеже показана конструкция устройства, которое содержит ствол 1, разрядный узел, образованный центральным электродом 2, изоляционной втулкой 3 и кольцевым электродом 4, накопитель энергии 5, блок инициирования разряда 6, инжектор порошка 7, бустерная полость 8 и защитную диафрагму 9, расположенные соосно разрядному промежутку и стволу, подложку 10, на которую наносится покрытие.

Устройство работает следующим образом. Высоковольтный импульс, создаваемый в блоке инициирования разряда 6, подается в разрядный узел, образованный центральным электродом 2, изоляционной втулкой 3, кольцевым электродом 4, где происходит электрический пробой межэлектродного промежутка и осуществляется последующий сильноточный разряд от емкостного накопителя 5. Уровень энергонакопления в накопителе 5 регулируется в диапазоне от 200 Дж до 1 кДж. При диаметре изоляционной втулки 3 и кольцевого электрода 4, равном 6 мм, длине межэлектродного промежутка 20 мм амплитуда импульса блока инициирования разряда 6 составляет 60 кВ. В результате развития импульсного сильноточного разряда в устройстве образуется ударно-волновое течение, головная часть которого представляет собой низкотемпературную область ударно-сжатого газа. Температура и плотность газа в ударно-сжатой области определяются интенсивностью ударной волны. Формирование данной области происходит в процессе движения ударной волны сначала в бустерной полости 8, а затем в стволе 1. Ударная волна, распространяясь сначала в бустерной полости, а затем в стволе устройства, вовлекает в движение газ, который в процессе истечения в ствол формирует ударно-сжатую область. Увеличенный диаметр бустерной полости 8 (по сравнению с диаметром ствола 1) вызывает увеличение объема газа, содержащегося в ударно-сжатой области и ее протяженность, что позволяет расширить диапазон плотностей и размеров микрочастиц порошковых материалов по сравнению с прототипом. Длина бустерной полости 8 выбирается равной от 30 мм до 60 мм, что обеспечивает затухание скорости ударной волны при ее прохождении вдоль бустерной полости 8 не более 10%. Внутренний диаметр бустерной полости 8 выбирается от 8 мм до 16 мм. Конкретный выбор геометрических размеров цилиндрической бустерной полости 8, режима энерговложения в разрядный узел, а также используемой газовой среды определен параметрами порошкового материала и технологическими требованиями к скорости и температуре микрочастиц при их взаимодействии с подложкой 10. Устройство позволяет сформировать в стволе 1 высокоскоростную область ударно-сжатого газа, в которой проводится ускорение микрочастиц порошковых материалов с плотностью до 16 кг/дм³ и размерами микрочастиц в диапазоне 1-50 мкм до скоростей 1 км/с и выше с независимой регулировкой их скорости и температуры. Устройство адаптировано к работе в различных газовых средах (инертные газы, азот, воздух и др.).

При напылении порошковых покрытий, для которых требуется высокая степенью химической чистоты, а также в случаях, когда необходимо снижение термического воздействия плазменного потока на подложку 10, в промежутке между стволом 1 и подложкой 10 устанавливается защитная диафрагма 9. Внутренний диаметр диафрагмы составляет от 6 мм до 20 мм, расстояние от среза ствола 1 - от 10 мм до 40 мм.

Таким образом, предложенное устройство позволяет, по сравнению с прототипом, за счет формирования в цилиндрической полости области ударно-сжатого газа, обладающей большей протяженностью и массой газа, а также высоким значением скорости, существенно расширить диапазон плотностей (1 кг/дм³-16 кг/дм³) порошковых материалов и размеров их микрочастиц (1-50 мкм), при которых обеспечиваются условия ускорения микрочастиц до высоких значений скоростей (1 км/с и выше) с независимым регулированием их скорости и температуры, повысить чистоту наносимых покрытий, улучшить их качество.