CZ2010166A3

CZ2010166A3 - Povlak nebo samonosná skorepinová soucást, zpusob jejich výroby a zarízení k provádení zpusobu výroby

Info

Publication number: CZ2010166A3
Application number: CZ20100166A
Authority: CZ
Inventors: Brožek@Vlastimil; Ctibor@Pavel; Neufuss@Karel
Original assignee: Ústav fyziky plazmatu Akademie ved Ceské republiky v. v. i.
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2011-05-11
Also published as: CZ302433B6

Abstract

Rešení se týká povlaku nebo samonosné skorepinové soucásti, jejíž stena obsahuje v celém prurezu karbid zirkonia ZrC, karbid hafnia HfC nebo jejich smesi a prípadne i kovový wolfram do obsahu až 95 objemových %. Také se týká zpusobu jejich zhotovení, pri nemž se na podklad (3) umístený v cástecne otevrené pretlakové komore (2), do které se privádí tlakový inertní plyn s prímesí vodíku (H.sub.2.n.) o predem stanoveném tlaku, nanášejí s proudem plazmatu nasmerovaným proti otvoru (21) pretlakového prostoru komory (2) a proudu vystupujícího inertního plynu roztavené cástice práškových karbidu. Podklad (3) se pak u samonosné skorepinové soucásti odstraní. Zarízení má komoru (2), jejíž otvor (21) pro vstup plazmatu s roztaveným práškem a protiproudý výstup plynu ochranné atmosféry má prumet do roviny kolmé k ose proudu plazmatu nejvýše rovný prumetu povlakované plochy podkladu (3) do téže roviny, a tlak ochranné atmosféry uvnitr komory (2) je vetší než tlak vyvolaný náporem proudu plazmatu s cásticemi materiálu povlaku na uvedenou plochu prumetu otvoru (21).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká povlaků a skořepinových součásti o vysoké tvrdosti a mechanické i tepelné odolnosti a z toho vyplývající tvarové stálosti, které obsahují karbidy zirkoma nebo hafnia a popřípadě i dasí kov, způsobu jejich výroby a zařízeni, jímž se způsob výroby realizuje.

Dosavadní stav techniky

Cermety karbid kovu-kov kombinuji příznivé vlastnosti kovu s tvrdostí a mechanickou odolností čáscic karbidu. Pro přípravu silnostěnných vrstev a objemových součástí z vysokotavitelných karbidů a cermetů na jejich bázi existuje v současné době jediný postup, a to slinování při nejvyšších dosažitelných teplotách a tlacích. Vysokotlaké syntézy a slinování v aparaturách typu HIP, tedy izostatické lisování zatepla (Hot Isostatic Pressing) jsou s to dosáhnout parametrů 150 MPa a 1'^900 °C. Technologie HP (Hot Pressing) výroby syntetických diamantů vedla k vývoji zařízení typu BELT s dosahovanými parametry teploty 2^000 °C a tlaku 6 GPa. Oba zmíněné technologické postupy skýtají značně omezený rozsah velikostí vyráběných součásti a jsou přitom drahé a časově náročné.

Obecně je známo, že materiály zpracované plazmatem často předčí svými vlastnostmi produkty běžných technologií. To se týká zvlášť povlaků odolných proti korozi, vysokoteplotní oxidaci nebo abrazi a také dosažitelnosti, méně obvyklých tvarů, samonosných skořepin atci. Přitom je při plazmovém nanášeni povlaku cermetu možné současně stříkat částice kovu i karbidu pomocí dvou podavačů prášku. Lepší výsledky však lze obvykle získat, když se částice výchozího prášku skládají z kovové matrice a zabudovaného jemného karbidu.

Je samozřejmé, že depozice keramických nebo kovo keramických vrstev, jako je karbid zirkonia ZrC nebo karbid hafnia HfC, případně i v kombinaci s nějakým jiným kovem, které máji teploty tání 3 _;(53° ^UC respektive 3^850 °C, pomocí termického plazmatu bude vyžadovat dokonalou hermetizaci depozičního prostoru současně s ochranou deponovaného produktu i povlakovaného jádra před oxidací alespoň do doby, než produkt vychladne pod 600 °C. Jako ochranná atmosféra se osvědčila směs argonu se 7 % vodíku H:

Známá je také reaktivní plazmová depozice, při které byly práškové částice ZrC nebo HfC po průletu plazmatem zachycovány do kapalného dusíku, kde došlo k jejich nitridaci a zafixování nově vzniklé nitridové fáze na povrchu nezreagovaného karbidového jádra. Připravit si tímto způsobem reaktivní prášky pro následné plazmové stříkání je ovšem velmi obtížné.

Úkolem předloženého vynálezu je za využití známých skutečností odstranit shora zmíněné nedostatky popsaného stavu techniky a navrhnout prakticky využitelnou technologii výroby povlaků součásti nebo samonosných skořepinových součástí s vlastnostmi uvedenými v odstavci oblasti techniky.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje a vytčený úkol řeši povlak a/nebo samonosná skořepinová součást, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že jejich stěna obsahuje v celém svém jejich směs a

Podstata průřezu případně způsobu součásti, karbid zirkonia, karbid hafnia nebo také jejich směsi s zhotovení povlaku při němž se na wolframem.

a/nebo samonosné nanášejí mat e ri á 1 u podklad částice práškového podklad umísti do částečně otevřené přetlakové komory, která je vyplněná tlakovým inertním plynem s příměsi vodíku, který se do prostoru přivádí o předem stanoveném tlaku, proti jeho otvoru, do plamenu plazmového hořáku se přivede práškový materiál zahrnující karbid hafnia, karbid zirkonia nebo jejich směs, proud plazmatu a karbidů se nasměruje proti otvoru přetlakového prostoru a proti proudu vystupujícího inertního plynu se zavádí do jeho vnitřku, kde dopadá na podklad a povlakovaný podklad se pak připadne částečně nebo úplně odstraní.

Podstata zařízení pro vytváření povlaku respektive výrobu samonosné skořepinové součástí, které zahrnuje plazmový hořák s alespoň jedním přívodem prášku povlakového karbidu, směsi karbidů nebo směsi karbidu s kovem a prostor s ochrannou atmosférou pro uložení potahovaného podkladu, spočívá podle vynálezu v tom, že za provozu je proti ústí hořáku v definovaném odstupu uspořádaná svým otvorem přetlaková komora prostoru s ochrannou atmosférou sestávající ze směsi inertního plynu a vodíku, přičemž průmět plochy otvoru pro vstup roztaveného prášku karbidu a výstup plynu ochranné atmosféry do roviny kolmé k ose proudu plazmatu s roztaveným práškem a protiproudy výstup plynu ochranné atmosféry do roviny kolmé k ose proudu plazmatu je nejvýše roven průmětu povlakované plochy podkladu a/nebo její části do téže roviny a tlak plyne ochranné atmosféry uvnitř přetlakové komory je větší než tlak vyvoaný náporem proudu plazmatu s unášenými částicemi materiálu povlaku na plochu průmětu otvoru ve stěně přetlakové komory do roviny kolmé k ose proudu plazmatu.

Způsob a zařízení popsaná výše, splňuje ⁷ rC nebo HfC s body herrnetizace depozic k jeho realizaci, nezbytné podmínky tání nad 3^500 mho prostoru při jejichž podstata je pro depozici vrstev C, což je dokonalá současné ochraně deponovaného produktu i povlakovaného podkladu před oxidací a přehřátím do doby, než produkt vychladne pod 600 °C. To zajišťuje vhodný přetlak ochranné atmosféry v komoře při příslušné velikosti vstupního otvoru plazmatu resp. výstupního otvoru plynu ochranné atnosféry. Přítomnost vodíku v inertním plynu dále zlepšuje ochranu proti oxidaci tím, že přednostně reaguje se vzdušným kyslíkem za vzniku vodní páry, takže se takto vázaný kyslík nepodílí na oxidaci materiálu nástřiku.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude následně blíže objasněn za pomoci několika příkladů konkrétních provedení, kde zařízení k jejich realizaci jsou schematicky znázorněná na připojených výkresech, na kterých představuje:

Obr. 1 - schéma vzájemného uspořádání hlavní části zařízeni na vytvářeni kovokeramicého povlaku na rovinném resp. válcovém podkladu, t j . přetlakové komory s podkladem a ústí plazmového hořáku,

Obr. 2.1 - pohled na možné provedení přetlakové komory s otvorem a pracovním elementem polohovacího ústrojí pro poviakováni protáhlých, zejména válcových podkladů,

Obr. 2.2 - pohled na dva povlečené válcové podklady vytvořené v komoře dle obr. 2.1,

Obr. 2.3 - pohled z boku na výřez válcového podkladu s povlakem z karbidu podle vynálezu a

Obr. 3 - schéma uspořádání zařízeni na poviakováni podkladů, které je vybavené polohovacím ústrojím pro otáčení i axiální posuv podkladu v přetlakové komoře.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Plazmovým nástřikem směsi wolframu (W) a karbidu zirkonia 'ZrC) na rovinný podklad 3 z grafitu byla vytvořena kovokeramická destička o rozměrech 40 x 40 x 12 nim, přičemž samotný podklad 3_ měl rozměry 40 x 40 x 10 mm. Prášek o granulometrii 0,030 až 0,140 mm byl podáván dvěma přívody 51 do plamene plazmového hořáku jL s vodni stabilizací v množství 26 kg. Stř íkací vzdálenost D plazmového hořáku U od podkladu 3 umístěného v přetlakové komoře 2 byla 250 mm. Podklad 3. byl během nanášení nástřiku umístěn v komoře 2 vůči vstupnímu otvoru 21 podle schématu z obr. 1. Jako ochranný plyn se do komory 2 vháněl přívody 22 argon s příměsí 7 % vodíku (H₂) tak, že jeho tlak na vstupu do komory 2 byl 1,5 MPa.

Vytvořené destičky mají

Drsnost povrchu Ra

Elektrická rezistivita následující vlastnosti

5, 97xl0’⁶ m/°C

7,7 pm

9,2 πΩπι.

Přiklad 2

Plazmovým nástřikem směsi (ZrC) na válcový rotující podklad 2 byl vytvořen kovokeramický povlak vnějším průměru 22 mm a délce 90 mm, 3 měl průměr 20 mm a délku 100 mm.

0,0 3 0 až 0,140 mm plazmového hořáku kg. h^4^_1.

podkladu nástřiku wolframu byl podáván s vodní obr. 2.1.

St ři kaci vzdálenost zirkonia obr. 2.2

2.3, o (W) a karbidu z grafitu podle

31, viz obr.

přičemž vlastní podklad Prášek o granulometrii dvěma přívody stabilizací do plamene v množství 26

D plazmového

200 mm. Podklad p byl během nanášení protáhlým komoře 2 hořáku 1 od byla umístěný

Jako ochranný plyn v % vodíku (H₂) tak, v komoře 2 s s příměsi komory 2 byl 1,5 MPa.

že j eho otvorem 21 podle byl použit argon tlak na vstupu do

Přiklad 3

Plazmovým nástřikem směsi wolframu (ZrC) na válcový rotující podklad 3

7. grafitu byl vytvořen kovokeramický povlak o vnějším průměru 22 mm a délce 180 mm. Po/JKlacl 3 přitom měl průměr 20 mm a délku 200 mm. Prášek o gianulGmetrii 0,030 až 0,140 mm byl ze zásobníku 5 prásku podáván dvěma přívody 51 do plamene plazmového hořáku 1 s vodní stabilizací v množství 26 kg.hj^’¹. Střikací vzdálenost D plazmového hořáku 1 od podkladu 3 byla 250 mm. Podklad 2 byl během nanášení nástřiku umístěný v komoře 2 podle schéma na obr. 3 a uvnitř komory 2 axiálně posouván a natáčen tak, aby pokrytí podkladu _3 bylo rovnoměrné. Jako ochranný plyn v komoře 2 vystupující během nástřiku proti proudu plazmatu vstupním otvorem 21 byl použit argon s příměsí do 10 % vodíku (H₂) , s výhodou 7 %, přičemž jeho tlak na vstupu do komory 2 byl 1,5 MPa.

Přiklad 4

Plazmovým nástřikem směsi wolframu (W) a karbidu hafnia (HfC) na rovinný podklad 2 ² grafitu byla vytvořena kovokeramická destička o rozměrech 40 x 40 x 2 mm, přičemž samotný podklad 2 měl rozměry 40 x 40 x 10 mm. Prášek o granulometrii 0,030 až 0,140 mm byl podáván ze zásobníku 5 dvěma přívody 51 do plamene plazmového hořáku 2 ^s vodní stabilizaci v množství 26 kg. ^x. Střikací vzdálenost D plazmového hořáku 1 od podkladu 2 byla 250 mm. Podklad 3 byl během nanášení nástřiku umístěný v komoře 2 dle obr. 1. Jako ochranný plyn v komoře 2 byl použit argon s příměsi 7 % vodíku (Η;) , jehož tlak na vstupu do komory 2 byl 1,5 MPa. Vytvořené vzorky měly následující vlastnosti:

CTE při 500 až 1V500 °C	6, 14x10 ^r m. °C^_1
11 Drsnost povrchu Ra	9,4 μω
Elektrická rezistvita	65, 7 nQm.

Přiklad 5

Plazmovým nástřikem karbidu zirkonia (ZrC) na rovinný podklad 2 ² grafitu byla vytvořena keramická destička o průměru 22 mm a tloušťce 2 mm, přičemž samotný podklad 3 měl tloušťku 20 mm. Prásek o granulometrii 0,080 až 0,150 mm byl podáván dvěma přívody 51 do plamene plazmového hořáku 1 s vodní stabilizaci v množství 20 kg.lťp^’¹. Střikaci vzdálenost D pianového hořáku !_ od podkladu 3 byla 190 mm. Podklad 2 ^byl během nanášení nástřiku umístěný v komoře 2 podle obr. 1. Jako ochranný plyn byl v komoře 2 použit argon s příměsi 7 % vodíku a jeho tlak na vstupu do komory 2 byl 1,5 MPa. Po nástřiku byla keramická destička sejmuta z podkladu 3 tak, že podklad 3^ byl odříznut ruční pilou a jeho zbytky odstraněny ze zadní strany keramické destičky jemným pilníkem.

Vytvořené vzorky mají tyto vlastnosti:

CTE při 200 až 500 ^QC

Drsnost povrchu Ra

Elektrická rezistivita

6, 94xl0~⁶ m. °C^_L

1 j.tm , 9 pQm.

Průmyslová využitelnost

Povlaky a samonosné skořepinové součásti podle vynálezu lze využít v jaderné energetice, strojním a elektrotechnickém průmyslu.

Claims

NÁROKY

1. Povlak nebo samonosná skořepinová součást vzniklá oddělením povlaku vytvořeného plazmovým nanášením oci povlakovaného podkladu, vyznačující se tím, že obsahuje v celém příčném průřezu svojí tloušťky karbid zirkoriia iZrC), karbid hafnia (HfC)·· nebo jejich směsi.

n Z- . Povlak nebo samonosná s kořepinová součást podle nároku 1, vyzná č u j i c i se t i m, že kromě karbidů zahrnuje také kovový wolfram do obsahu až 95 obj emov ých % směsi. 3 . Povlak nebo samonosná s kořepinová součást podle nároku 1 nebo 2, vy z n a č u jící s e ti m, že

obsahuje do 2 hmotnostních % příměsí.
4. Způsob zhotovení povlaku nebo samonosné skořepinové součásti, při němž se na podklad (3) nanášejí proudem plazmatu roztavené částice práškového materiálu a/nebo materiálů, vyznačující se tím, že

- se podklad (3) umístí proti otvoru (21) do částečně otevřené přetlakové komory (2), ao které se přivádí a která je vyplněná tlakovým inertním plynem s příměsí vodíku (H?) o předem stanoveném tlaku,

- do plamenu plazmového hořáku (1) se přivede práškový materiál zahrnující karbid hafnia (HfC), karbid zirkonia (ZrC) nebo jejich směs, proud plazmatu a karbidů se nasměruje proti otvoru (21) přetlakového prostoru komory (2) a proti proudu vystupujícího inertního plynu se zavádí do jejího vnitřku, dopada na pocielad (3' a na něm vytváří povlak, od .kteráho se v případě zhotovovaní samonosné skořepinové součást· povlakovany podklad částečně nebo úplně odstraní.

s e
5. Způsob podle nároku 4, v y z n a č u j i c 1 z i m, že se k prášku karbidu a/nebo karbidů přidá prášek kovového wolframu, a to až do 95 objemových % směsi.
6. Způsob podle nároku 4 nebo 5, vyznačuj ici se t i m, že se k prášku přidá do 2 hmotnostních % oři měs i .

1 . S Θ plazrno Způsob podle nároků 4 až 6, vyznaču jící plamene t i m, že se práškový materiál dávkuj e .hM '· do váho hořáku v množství 0,5 až 4 0 kg 8 . Způsob podle nároků 4 až 7, v y znač u jící s e t. i m, že inertní plyn se pro vytvoření ochranné

atmosféry v přetlakové komoře (2) smísí se 3 až 20 objemovmi i vodíku, s výhodou se 7 %.
9. Způsob podle nároků 4 až 8, vyznačuj ici se t i rn, že tlak ochranné atmosféry na vstupu do přetlakové komory (2) se udržuje minimálně na hodnotě 1,5 MPa.
10. Způsob podle nároků 4 až 9, vyznačuj ici se t i m, že se velikost průmětu otvoru (21) přetlakové komory (2) pro výstup plynů ochranné atmosféry a vstup plazmatu s rozzřůveným nanášeným práskem do roviny kolmé k ose proudu plazmatu volí menší nebo rovná průmětu povlakované plochy podkladu (3) do téže roviny a otvor (21) se nastaví proti centrální části proudu plazmatu.
11. Zařízení k provádění způsobu podle nároků 4 až 10, aceré zar.rnuje plazmový hořák (1) a alespoň jeden přívod (51) prasku povLakového karbidu, směsi karbidů nebo směsi karbidu s kovem uspořádaný mezi plazmovým hořákem (1) a

Karbidu s kovem uspořádaný mezi plazmovým hořákem (1) a

s e povlakovaným podkladem (3) , v y z n a č u t i m, že proti ústi hořáku (1) je v odstupu uspořádaná svým otvorem (21) přetlaková komora (2) pro vložení podkladu (3) přeplňovaná za provozu ochrannou atmosférou sestávající ze .směsi inertního plynu a vodíku (H>) , ořičemž průmět otvoru 11: pro vstup plazmatu s roztaveným praskem a protiproudy výstup plynu ochranné atmosféry do roviny kolmé k ose proudu plazmatu je nejvýše roven průmětu povlakované plochy podkladu (3) do téže roviny a tlak plynné ochranné atmosféry uvnitř přetlakové komory (2) je větší než tlak vyvolaný náporem proudu plazmatu s částicemi materiálu povlaku na plochu průmětu otvoru (21) ve stěně přetlakové komory (2) do roviny kolmé k ose proudu plazmatu.
12. Zařízeni podle nároku 11, vyznačuj i c í se o í m, že přetlaková komora (2) má tvar dutého válce

s uzavřenými dny se vstupy (22} pro při vod ochranné a t mo sféry a průchodem pro pracovní element (41) polohovacího ústroji (4) podkladu (3). 13. Září zení podle nárok* 11 nebo 12, v y z n a č u j i- ci se t i m , že přet laková komora (2) má plášť

s otvorem (21) tvořený grafitovou trubkou.