способ нанесения антикоррозионных покрытий

Формула изобретения

1. СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ АНТИКОРРОЗИОННЫХ ПОКРЫТИЙ путем плазменного напыления или осаждения из газовой фазы или вакуумного испарения металлов на защищаемую поверхность металлов, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия возбуждают в металле ультразвуковые колебания, определяют частоту собственных колебаний металла и осуществляют ультразвуковые воздействия одновременно с нанесением покрытия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия интенсивность ультразвуковых колебаний плавно поднимают от минимально возможного уровня до уровня 0,2 - 0,3 величины разрушающих напряжений на растяжение для данного материала.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия возбуждают в металле ультразвуковые колебания частотой 0,6 - 50.0 мГц с учетом структурных особенностей и кристаллического строения металла, а после ультразвукового воздействия на частоте собственных колебаний переходят на частоту, близкую к резонансной.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области физики твердого тела, акустики, механики и может быть использовано для нанесения антикоррозионных покрытий на металлы, керамику, пластмассы и другие твердые материалы с использованием упругого миграционного эффекта и кавитации.

Известен способ [1] нанесения антикоррозионных покрытий, согласно которому наносят неорганические покрытия, состоящие из окисных, фосфатных и других сложных неорганических соединений, наносимых электролитическими методами - оксидированием, фосфатизированием, пассивированием и анодированием.

Известные методы трудоемки, нетехнологичны, не позволяют использовать резонансные свойства материалов и осуществлять эффективную защиту материалов от коррозии.

Известен способ [2] нанесения антикоррозионных покрытий, при котором используют плазменное напыление, а также осаждение из газовой фазы или вакуумного испарения металлов на защищаемую поверхность металлов.

Известный способ трудоемок, нетехнологичен, не принимает во внимание структурные особенности материала изделия и не использует его резонансные свойства. Способ не позволяет заполнять поры, трещины и дефекты в материале изделия в процессе нанесения антикоррозионных покрытий, т.е. осуществить инъекцию защитных материалов внутрь изделия, вследствие чего снижается срок службы изделий, в особенности при их работе в агрессивных средах.

Цель изобретения - улучшение качества нанесения защитных материалов и увеличение срока службы изделия за счет использования упругого миграционного эффекта и кавитации во флюидсодержащих растворах, заполняющих поры, трещины и дефекты в материале.

Поставленная цель достигается тем, что перед нанесением покрытия возбуждают в металле ультразвуковые колебания, определяют частоту собственных колебаний металла и осуществляют ультразвуковые воздействия одновременно с нанесением покрытия.

Перед нанесением покрытия интенсивность ультразвуковых колебаний плавно поднимают от минимально возможного уровня, равного 0,2-0,3 от величины разрушающих напряжений на растяжение для данного материала.

Перед нанесением покрытия возбуждают в металле ультразвуковые колебания частотой от 0,6 до 50,0 МГц с учетом структурных особенностей и кристаллического строения металла, и после ультразвукового воздействия на частоте собственных колебаний переходят на частоту, близкую к резонансной.

На фиг.1 приведена схема реализации способа.

На схеме показано изделие 1, ультразвуковые широкополосные преобразователи 2, усилитель 3 мощности, генератор 4 импульсов, устройство 5 для нанесения антикоррозионных покрытий на поверхность изделия, микропроцессор 6 для управления процессом ультразвукового воздействия на изделие.

На фиг.2 показано изменение радиуса кавитационного пузырька R во времени при постоянном Р_о=10⁶ Па на частоте 10⁵5 Гц, где 1-P_o=10⁵ Па, 2 - Р_о= 510⁵ Па, 3 - Р_о=10⁶ Па (10 атм).

Способ осуществляют следующим образом: посредством преобразователя 2 и схемы 3, 4, 5 возбуждают в материале изделия ультразвуковые колебания в широком диапазоне частот от 0,6 до 50,0 МГц исходя из условий волнового подобия и кристаллического строения материала изделия, так как для приведения локального участка материала изделия необходимо, чтобы длина возбуждаемой волны была соизмерима с размерами неоднородностей, слагающих материала изделия. При скорости продольных колебаний в материале изделия, равной 5000 м/с, и размерах кристаллов слагающих материала в пределах 0,1-3,0 мм частоты ультразвукового воздействия будут равны: при длине волны 0,1 мм: (5000 м/с)/(0,110^-3 мм)= 50 МГц; при длине волны 3,0 мм : (5000 м/с)/(3,010^-3 мм)=1,5 МГц.

При условии, что размеры пор и трещин могут превышать 3,0 мм, нижний диапазон частоты выбирают не 1,5 МГц, а 0,6 МГц.

Интенсивность ультразвуковых колебаний плавно поднимают от минимально возможного уровня до величины, равной 0,2-0,3, от величины разрушающих напряжений материала на растяжение в совокупности с нанесением на поверхность изделия защитных материалов в расплавленном или другом физическом состоянии - аннодирование, пассивирование и т.д. Если изделие, например обсадные трубы в скважине, работают в контакте с агрессивными средами (кислоты и другие вещества), то вначале изделие приводят в возбужденное состояние в широком диапазоне частот от 0,6 до 50,0 МГц, колебания осуществляют в течение времени, при котором деформации сжатия материала сменят деформации сжатия. После этого переходят на частоту ультразвукового воздействия, равную частоте собственных колебаний материала изделия, и вибровоздействия осуществляют в совокупности с нанесением защитного покрытия в течение времени, при котором концентрация газовых компонентов, истекающих из пор и трещин материала изделия, снизится до первоначального уровня - до нанесения защитного покрытия.

Для увеличения эффективности способа в материале изделия возбуждают ультразвуковые колебания и в местах изделия, нагретых свыше 80^оС, инициируют кавитирующие взрывы, которые возникают при распространении ультразвуковой волны в зоне разрежения волны и схлопывающихся в зоне сжатия. Это способствует резкому увеличению проницаемости материала за счет кумулятивной миграции флюидов - расплавленных защитных материалов - в поры, дефекты и трещины материала изделия, и более полному заполнению их защитным материалом и более прочному сцеплению в горячем состоянии разнородных материалов - материала изделия и защитного материала.

Для повышения эффективности способа и увеличения срока службы изделия во время процесса нанесения защитных материалов измеряют температуру материала изделия, выбирают оптимальный режим нанесения защитных покрытий с таким условием, чтобы избежать негативных явлений индуцирования в материале изделия остаточных напряжений, для чего во время, до и после вибровоздействия измеряют в материале изделия скорости распространения продольной и двух сдвиговых волн с взаимно ортогональной поляризацией и, зная плотность материала, упругие постоянные второго и третьего порядка а, b, c определяют из соотношений теории упругости начальные напряжения, действующие в материале изделия в процессе нанесения защитных покрытий и, исходя из напряженно-деформированного состояния материала, выбирают оптимальный режим нанесения защитных покрытий и скорость его нанесения на поверхность изделия. Таким образом, приведение локального участка материала изделия в возбужденное состояние посредством ультразвуковых воздействий в широком диапазоне частот способствует более полному заполнению пустот дефектов и трещин материала изделия защитным материалом, что в конечном итоге увеличивает в несколько раз срок службы изделия и снижает энергоемкость процесса на 40-80% по сравнению с имеющимися технологиями, поскольку вибрации, вызываемые ультразвуком, позволяют защитному материалу проникнуть вглубь материала и более полно заполнить поры и трещины, повысив при этом на 10-20% прочность материала и в 3-5 раз срок службы изделий.

Предлагаемым способом наносят любые защитные покрытия на любые твердые материалы, пористость которых находится в пределах от 1% и выше, причем чем выше пористость материала, тем эффективнее работает способ, в особенности в резонансном режиме.

Сущность способа состоит в том, что на пути распространения ультразвуковой волны возникают волны сжатия и растяжения, способствующие тому флюиды - расплав защитного материала, попадающий в поры, трещины и дефекты изделия, распространяются - мигрируют на несколько порядков быстрее, чем в отсутствие ультразвуковой волны. В особенности этот эффект проявляется на частоте резонанса - частоте собственных колебаний материала изделия, что вызывает: перераспределение поля упругих напряжений на пути распространения ультразвуковой волны; дегазацию локального участка материала изделия, истечения газовых компонент из пор и трещин и дефектов изделия под воздействием вибраций; кавитирующие явления, носящие вероятностный характер, и проявляющиеся при определенных начальных и граничных условиях, основными из которых являются:

- совпадение направления распространения ультразвуковой волны с направлением простирания пор и трещин в материале изделия;

- соизмеримость длины волны и размеров и пор и трещин в материале;

- близость частоты ультразвуковых импульсов к частоте собственных колебаний флюидов - расплава защитного материала, попадающего в поры и трещины материала изделия;

- температурные градиенты на пути распространения ультразвуковой волны;

- наличие твердых включений в расплаве, наносимом защитном материале, твердых частиц размерами 0,01-0,03 мм, что способствует зарождению кавитирующих явлений на пути распространения ультразвуковой волны, причем в зоне разрежения возникают гидроразрывы - мельчайшие пузырьки, заполненные паром и газом и схлопывающиеся в зоне сжатия ультразвуковой волны.

Преимущества способа состоят в том, что возбуждение в материале изделия ультразвуковых колебаний с интенсивностью 0,2-0,3 от величины разрушающих напряжений на растяжение позволяют:

- закачать в материал упругую энергию в выбранном диапазоне частот в режиме накопления и тем самым управлять состоянием и свойствами материала в процессе нанесения защитных покрытий;

- повысить эффективность способа за счет более полного заполнения пор, трещин и дефектов изделия и тем самым повысить не только прочность материала, но и увеличить срок его службы;

- снизить энергоемкость способа нанесения защитных покрытий на 20-40%.

Использование заявляемого способа позволит значительно повысить качество наносимых покрытий, снизить энергоемкость и увеличить срок службы изделия по сравнению с имеющимися классическими технологиями нанесения защитных покрытий, не использующими упругий (миграционный) эффект, кавитацию и структурно-механические свойства материалов изделия.

П р и м е р. Для нанесения защитных покрытий на крыло автомобиля толщиной 2,0 мм размещали на нем 8 ультразвуковых преобразователей из ЦТС-19 толщиной 5,0 мм, возбуждали в материале крыла ультразвуковые колебания генератором 3Г-6, используя усилитель мощности, собранный на транзисторе КТ 831А, и управляли интенсивностью ультразвуковых колебаний и частотой возбуждаемых колебаний с использованием микропроцессора.

Вначале определяли частоту собственных колебаний материала крыла, для чего частоту колебаний плавно повышали с уровня 60 кГц с шагом через 1,0 кГц и измеряли амплитуду колебаний на каждой частоте. Максимальный уровень амплитуды соответствует собственной частоте колебаний, которая была равна 560 кГц, и на этой частоте все 8 ультразвуковых преобразователей синхронно работали - возбуждали колебания в материале крыла с интенсивностью 16 Вт/см² что составляло 0,26 от величины разрушающих напряжений материала изделия. Вибровоздействия ультразвуковыми колебаниями осуществляли в течение 17 мин, и затем плазменным напылением осуществляли напыление хрома. Часть крыла размером 25х25 см помещали в 50%-ный раствор серной кислоты. Такую же пластинку, на которую напыление было проведено без вибровоздействий тем же защитным материалом, из того же материала, поместили в тот же раствор. После 16 сут непрерывного пребывания в растворе серной кислоты материал крыла, подверженный вибровоздействиям, остался без изменения, в то время как на материале, не подверженном вибровоздействиям, примерно 76% поверхности подверглось коррозии. Прочность материалов на растяжение предлагаемым способом и классическим способом отличалась от первоначальной на 18%, т.е. прочность материала - СТЗ до и после нанесения на нее защитного покрытия повысилась по сравнению с первоначальной на 18%.