способ получения порошкообразного материала для нанесения газотермических покрытий

Формула изобретения

Способ получения порошкообразного материала для нанесения газотермических покрытий, включающий формирование материала в виде пустотелых сферообразных частиц и выделение частиц целевой фракции, отличающийся тем, что формируют пустотелые частицы размером 20 400 мкм, а частицы целевой фракции выбирают согласно соотношению

d = d_o,

где d размер частиц целевой фракции;

d₀ размер сплошных частиц того же состава, стандартно применяемых в используемом режиме напыления;

- коэффициент увеличения размера частиц,

причем выбирают в интервале значений 1(1-³)^-1 для материалов с теплопроводностью, большей 10 Вт(м К), и в интервале 1(1-)^-1(1++²)^1/3 для материалов с теплопроводностью, меньшей 10 Вт(м К), где = 0,2 0,95 отношение эффективного размера полости к размеру частицы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению порошкообразных материалов, преимущественно оксидных, специально предназначенных для нанесения газотермических покрытий.

Известны способы получения одно- и многокомпонентных порошков, предназначенных для нанесения газотермических покрытий (см. Борисов Ю.С. Харламов Ю. А. Сидоренко С.Л. Ардатовская Е.Н. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник. Киев: Наука думка, 1987, с. 544), согласно которым получают порошки, состоящие из сферообразных сплошных частиц размером от 5 до 125 мкм. Порошки оксидов и других тугоплавких материалов, использующиеся для газотермического напыления, имеют размер не более 63 мкм (Европейский стандарт D1N 32 529).

Недостатками этих способов являются следующие технологические трудности, возникающие при использовании столь мелких порошков: сложность фракционного рассева (ситовой рассев возможен только для фракций крупнее 30 мкм, при этом скорость рассева мелких фракций очень низкая), запыленность технологических помещений из-за малой скорости витания мелких частиц, плохая проплавляемость частиц более крупных фракций.

Известен способ получения порошкообразного материала для нанесения газотермических покрытий, включающий формирование оксидного материала в виде пустотелых сферообразных частиц с использованием золь-гель-технологии и последующую термообработку этих частиц при температурах до 1200^oC (см. Горбатов И.Н. Терентьев А.Е. Розенталь О.М. и др. Плазменные покрытия из порошка диоксида циркония, полученного по золь-гель-технологии. -Порошковая металлургия, 1992, N 3, с. 38 41). Этот способ позволяет получать порошки с частицами размером 20 40 мкм, обладающие текучестью менее 70 с и хорошей проплавляемостью.

Недостатком указанного способа является получение мелких частиц, что будет приводить к запыленности технологических помещений при их использовании, а также высокая стоимость получаемых порошков, связанная со сложностью технологии получения столь узкой фракции порошка.

Изобретение направлено на решение задачи улучшения технологических свойств порошков, состоящих из сферообразных пустотелых частиц, за счет их укрупнения и удешевление таких порошков за счет расширения диапазона используемых фракций.

Это достигается тем, что по предложенному способу получения порошкообразного материала для нанесения газотермических покрытий, включающему формирование материала в виде пустотелых сферообразных частиц и выделение частиц целевой фракции, формируют пустотелые частицы размером от 20 до 400 мкм, а частицы целевой фракции выбирают согласно соотношению d = d_o, где d - размер частиц целевой фракции; d_o размер сплошных частиц того же состава, стандартно применяемых в используемом режиме напыления; - коэффициент увеличения размера частиц, причем b выбирают в интервале значений

1(1-³)^-1 (1)

для материалов с теплопроводностью, большей 10 Вт/мК и в интервале

1(1-)^-1(1++²)^1/3 (2)

для материалов с теплопроводностью, меньшей 10 Вт/мК, где - отношение эффективного размера полости к размеру частиц. Указанная процедура применяется для частиц порошков с a 0,2 0,95.

Способ осуществляют следующим образом.

Формируют требуемый материал в виде пустотелых сферообразных частиц размером 20 400 мкм с относительным размером полости a 0,2 0,95 каким-либо известным способом, например при помощи золь-гель-технологии, распылительной сушки, плазменной обработки или плазмохимической технологии. Нижний предел формируемых пустотелых частиц 20 мкм обусловлен низкой скоростью витания более мелких частиц, приводящей к запыленности технологических помещений и отклонению частицы вблизи напыляемой подложки струей газа.

Верхний предел формируемых пустотелых частиц 400 мкм обусловлен тем, что в стандартном оборудовании диаметр каналов подачи порошка составляет, как правило, 2 мм и частицы крупнее 400 мкм, даже сферические, могут перекрывать такие каналы благодаря арочному эффекту.

Полученный порошок подвергают классификации по фракциям. При выборе фракции для напыления учитывают данные о размере сплошных частиц d_o того же состава, стандартно применяемых в используемом режиме напыления. При этом частицы целевой фракции выбирают согласно соотношению d = d_o. Коэффициент увеличения размера частиц расширяет диапазон используемых фракций от стандартной b 1 нижняя граница интервала изменений b до максимальной.

Верхний предел изменений b (максимальный размер используемой фракции) ограничен требованием проплавляемости частиц порошка и различен для материалов с разной теплопроводностью. Для материалов с высокой теплопроводностью (выше 10 Вт/мК), когда процесс плавления частиц при напылении ограничивается, в основном, скоростью теплоподвода к частице от высокотемпературного газового потока, верхняя граница b составляет (1-³)^-1. Для материалов с низкой теплопроводностью (ниже 10 Вт/мК), когда процесс плавления частиц при напылении ограничивается в основном теплопроводностью материала частицы, верхняя граница составляет (1-)^-1(1++²)^1/3.

Нижний предел относительного размера полости частиц 0,2 обусловлен требованием существенности изменений в размере используемых фракций по сравнению со стандартно используемыми. Верхний предел относительного размера полости частиц a 0,95 обусловлен требованием прочности используемых частиц, обеспечивающей их целостность вплоть до попадания в высокотемпературную струю газа.

Ниже приведены примеры выполнения способа, иллюстрирующие возможность применения более крупных фракций порошков, состоящих из сферообразных пустотелых частиц.

Пример 1. Оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, формируют в виде порошка, состоящего из пустотелых сферообразных частиц размером 20 50 мкм при помощи золь-гель- технологии и последующей термообработки при различных температурах. Увеличение температуры термообработки приводит к уменьшению относительного размера полости (см. таблицу). Для напыления покрытия с помощью аргоно-водородной плазмы используют порошок без дополнительного деления на фракции. При этом учитывается, что для получения прочных плазменных покрытий из порошка, состоящего из сплошных частиц оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, стандартно применяют фракцию менее 25 мкм.

В таблице приведены полученные при напылении фракции 20 50 мкм результаты и допустимый верхний размер фракции, полученный с использованием формулы (2) для нахождения b, при учете, что теплопроводность материала не превышает 2 Вт/мК, т.е. меньше 10 Вт/мК.

Из таблицы видно, что при a меньше 0,2 изменение верхнего размера фракции незначительно и практического интереса не представляет. Использование частиц фракции 20 50 мкм в тех случаях, когда расчетный допустимый верхний размер фракции меньше 50 мкм, приводит к ухудшению свойств покрытия.

Таким образом, и расчет и эксперимент показывают, что при таком способе подготовки порошка можно использовать термообработку не выше 1000^oC, при которой относительный размер полости не становится слишком мал. При этом получение порошкообразного материала в соответствии с предлагаемым способом позволяет избежать дополнительного фракционного деления, использовать широкую фракцию порошка, состоящего из более крупных, чем стандартно используемые, частиц, что облегчает технологические операции и уменьшает запыленность производственных помещений.

Пример 2. Оксид титана формируют в виде порошка, состоящего из пустотелых сферообразных частиц размером 20 600 мкм с относительным размером полости a 0,7 0,98 при помощи плазмохимической переработки сульфатного раствора. С учетом того, что стандартно для получения плазменных покрытий из оксида титана используется порошок, состоящий из сплошных частиц крупностью до 50 мкм, а также того, что теплопроводность оксида титана приблизительно 8 Вт/мК, т.е. меньше 10 Вт/мК для напыления была отсеяна фракция меньше 200 мкм. Расчет по формуле (2) для b показывает возможность использования фракции меньше 215 мкм. При рассвете произошло разрушение тонкостенных частиц с a, большей 0,95, что привело к ухудшению текучести порошка и потребовало дополнительного отделения от осколков. При направлении покрытия из порошка крупностью меньше 200 мкм при помощи аргоно-азотной плазмы было получено плотное качественное покрытие. Анализ порошка, собранного на фильтре тяги, показал, что частицы меньше 20 мкм оказались проплавленными, но в формировании покрытия участия практически не принимали, так как отклонялись от поверхности образца потоком газа. Попытка нанесения покрытия из порошка крупностью 200 400 мкм показала, что формируется слабое, крошащееся покрытие. Использование фракции больше 400 мкм оказалось невозможным из-за перекрытия группами частиц порошка транспортного канала.

Таким образом, данный пример иллюстрирует необходимость верхнего и нижнего ограничения размера используемой фракции, а также необходимость ограничения верхнего предела относительного размера полости.

Пример 3. Нержавеющую сталь формируют в виде порошка, состоящего из пустотелых сферообразных частиц размером 20 400 мкм и относительным размером полости a 0,7 при помощи высокотемпературного газового распыления струи расплава и последующей классификации частиц по удельной плотности. С учетом того, что стандартно для газопламенного напыления покрытий из порошка, состоящего из сплошных частиц этого состава, используется фракция 63 100 мкм, а также с учетом теплопроводности стали приблизительно 50 Вт/мК, т.е. большей 10 Вт/мК, была выделена фракция 63 150 мкм (коэффициент возможного увеличения размера фракции, получаемый по формуле (1) b равен 1,53).

Нанесенное газопламенным способом покрытие из этого порошка не отличалось по своим свойствам от покрытия, нанесенного из порошка, состоящего из сплошных частиц размером 63 100 мкм. Попытка нанесения покрытия из полученного порошка, состоящего из пустотелых сферообразных частиц диаметром 150 200 мкм, показала, что образующееся покрытие обладает большой пористостью и растрескивается, а большая доля частиц при напылении отскакивает от напыляемого образца, что свидетельствует о непроплавленности частиц.

Таким образом, предложенный способ позволяет использовать при газотермическом напылении широкие фракции более крупных, чем стандартные, порошков, при условии, что они состоят из пустотелых сферообразных частиц. Это позволяет уменьшить объем и облегчить проведение работ, связанных с классификацией порошков, а также приводит к уменьшению запыленности технологических помещений.