способ нанесения покрытий

Формула изобретения

Способ нанесения покрытий, включающий установку плазмотрона в камеру с пониженным давлением, поддержание динамического вакуума в камере, подачу плазмообразующего газа и порошка напыляемого материала в плазмотрон и распыление материала сверхзвуковым потоком плазмы в камере с образованием паровой фазы распыляемого материала, отличающийся тем, что в камере у выходного сечения плазмотрона устанавливают стенку в форме тупого угла АСВ таким образом, что упомянутый угол является внешним по отношению к углу отклонения части СВ стенки от оси плазменной струи, составляющему не менее 10°, а распыление осуществляют с обеспечением расширения подаваемого газового потока при обтекании плазменной струи упомянутой стенки и образования веера волн разрежения в угловой точке (С), с конденсацией наночастиц из паровой фазы напыляемого материала в плазмообразующем газе и их выпадением на подложке с образованием покрытия, состоящего из наночастиц.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нанотехнологий, используемых для получения наночастиц с последующим нанесением покрытий, и может найти применение в плазмометаллургии, плазмохимии и машиностроительной промышленности.

Известен способ нанесения покрытий [1], в котором при помощи плазменного распыления порошков материалов микронных размеров сверхзвуковыми потоками плазмы в камерах с пониженным давлением наносятся покрытия на подложку. Во время нанесения покрытия в камере поддерживается динамический вакуум, т.е. процесс происходит в камере, в которую, с одной стороны, из плазмотрона поступает плазма, а с другой стороны, постоянно ведется откачка атмосферы камеры вакуумными насосами. Недостатком данного способа является то, что напыление на подложку происходит смесью как мелких (0,5-1 мкм), так и крупных (1-5 мкм) частиц напыляемого вещества, что затрудняет обеспечение как высокой адгезионной прочности сцепления покрытия с подложкой, так и высокой прочности всего покрытия в целом.

Задачей предлагаемого изобретения является существенное улучшение рабочих характеристик покрытий за счет нанесения их наночастицами, получающихся экологически безопасным способом из порошков различных материалов микронного уровня в едином производственном цикле.

Для достижения этого технического результата в предлагаемом способе нанесения покрытий, включающем установку плазмотрона в камеру с пониженным давлением, поддержание динамического вакуума в камере, подачу плазмообразующего газа и порошка напыляемого материала в плазмотрон и распыление материала сверхзвуковым потоком плазмы в камере с образованием паровой фазы распыляемого материала, в камере у выходного сечения плазмотрона устанавливают стенку в форме тупого угла АСВ таким образом, что упомянутый угол является внешним по отношению к углу отклонения части СВ стенки от оси плазменной струи, составляющему не менее 10 градусов, а распыление осуществляют с обеспечением расширения подаваемого газового потока при обтекании плазменной струи упомянутой стенки и образования веера волн разрежения в угловой точке (С), с конденсацией наночастиц из паровой фазы напыляемого материала в плазмообразующем газе и их выпадением на подложке с образованием покрытия, состоящего из наночастиц.

На чертеже схематично представлен плазмотрон, с помощью которого может быть осуществлен предлагаемый способ. Для осуществления способа используется течение Прандтля-Майера [2], которое реализуется при сверхзвуковом обтекании внешнего тупого угла с образованием в угловой точке веера волн разряжения. В вакуумную камеру помещается плазмотрон [3], в плазмообразующий газ которого добавляется порошок материала, из которого необходимо получить наночастицы. Струя плазмы, содержащая плазмообразующий газ и материал в паровой фазе, в которую он перешел в плазмотроне и в сверхзвуковом сопле 1 плазмотрона (см. чертеж), истекает в область динамического вакуума. В недорасширенной струе плазмы при этом возникает висячий скачок уплотнения 2, внутри которого реализуется сверхзвуковое течение, совпадающее с истечением струи в вакуум [4].

Вблизи выходного сечения сопла плазмотрона, внутри висячего скачка уплотнения, устанавливается стенка в форме внешнего тупого угла 3 с углом отклонения от оси плазменной струи не менее 10 градусов. Истекающая из сопла плазмотрона с числом Маха М_а струя разгоняется внутри висячего скачка уплотнения до еще большего числа Маха М_к перед угловой точкой С. В точке С стенка поворачивает, образуя с первоначальным направлением угол ₀. При сверхзвуковом обтекании тупого угла АВС газ расширяется (см. чертеж), ибо область, занятая газом, увеличивается; при этом расширении плазма доразгоняется до числа Маха M _L>M_K. В угловой точке С при этом образуется веер волн разряжения, в котором сверхзвуковой поток меняет направление с АС на СВ и значительно ускоряется.

При ускорении плазмы в окрестности точки С от М_К до M_L происходит резкое падение статической температуры и статического давления потока. Плазма, находящаяся на линии тока 4 до угловой точки С, при развороте на угол ₀ переходит на линии тока 5, которые характеризуют сверхзвуковое течение плазмы над стенкой СВ. Расчеты отрицательных величин градиентов температуры и давления, которые при этом реализуются в окрестности точки С при ₀~10÷20° показали, что они достигают очень больших величин: ~10⁸ [К/с] и ~10⁸ [Па/с], соответственно.

Резкое охлаждение и резкое падение давления в плазме, содержащей парообразную фазу материала, приводит к осуществлению в окрестности точки С в области KCL конденсации с образованием наночастиц 6 из порошка материала, помещенного в плазмообразующий газ плазмотрона. Образующиеся наночастицы способны частично выпадать на стенку СВ, но основное их количество располагается на линиях тока 5, находясь в сверхзвуковом потоке при числе Маха M_L; абсолютная величина скорости, которую наночастицы достигают в области LCB, ~2 км/с. Размещая в этой области подложку 7, можно в непрерывном производственном цикле получать на ней покрытие из наночастиц, которое будут обладать более высокими рабочими характеристиками, чем покрытие из частиц микронного уровня, а расплавленные частицы порошка не выпадают на подложку, так как в веере волн разряжения они не отклоняются от своего первоначального направления вдоль оси плазменной струи.

Предлагаемое техническое решение позволяет достаточно просто получать наночастицы из любых веществ: металлов, оксидов, карбидов, нитридов, боридов и т.п. и затем в непрерывном производственном цикле получать из них покрытия; при этом способ нанесения покрытий с помощью наночастиц является экологически безопасным, т.к. весь процесс, начиная от формирования наночастиц до нанесения покрытий, происходит в замкнутом объеме вакуумной камеры, полностью изолированной от обслуживающего персонала.