RU2430192C2 - Способ нанесения покрытий - Google Patents

Способ нанесения покрытий Download PDF

Info

Publication number
RU2430192C2
RU2430192C2 RU2009145195/02A RU2009145195A RU2430192C2 RU 2430192 C2 RU2430192 C2 RU 2430192C2 RU 2009145195/02 A RU2009145195/02 A RU 2009145195/02A RU 2009145195 A RU2009145195 A RU 2009145195A RU 2430192 C2 RU2430192 C2 RU 2430192C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
base
coating
product
induction heating
temperature
Prior art date
Application number
RU2009145195/02A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2009145195A (ru
Inventor
Александр Александрович Фомин (RU)
Александр Александрович Фомин
Алексей Борисович Штейнгауэр (RU)
Алексей Борисович Штейнгауэр
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ)
Priority to RU2009145195/02A priority Critical patent/RU2430192C2/ru
Publication of RU2009145195A publication Critical patent/RU2009145195A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2430192C2 publication Critical patent/RU2430192C2/ru

Links

Images

Landscapes

  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий, в частности к способам нанесения порошкообразных материалов на основу плазменно-индукционным методом. Технический результат - улучшение качества изделий за счет повышения их механических свойств, а именно микротвердости. Способ включает предварительный индукционный нагрев изделия вихревыми токами, нанесение на него покрытия из гидроксиапатита плазменно-индукционным методом и его охлаждение. Предварительный индукционный нагрев изделия осуществляют при потребляемой мощности от 1 до 1,5 кВт и частоте тока на индукторе в диапазоне 100-400 кГц. При этом охлаждение изделия осуществляют в том же технологическом объеме путем постепенного снижения потребляемой мощности с обеспечением снижения температуры изделия не более 10°С/сек. 1 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий, в частности к способам и устройствам для нанесения преимущественно порошкообразных материалов на основу плазменно-индукционным методом.
Высокая эффективность функционирования изделий обеспечивается упрочнением их рабочих поверхностей методами нанесения покрытий. Физико-механическая сущность таких процессов обусловливает неоднородность структуры и свойств получаемых покрытий, наличие в них трещин и отслоений, что снижает функциональные качества поверхностного слоя изделий. Многие методы предусматривают проведение упрочняющей обработки покрытия после его нанесения с помощью высокотемпературной газовой струи или нагрева в печи, что часто является экономически малоэффективным, при этом не исключается возможность загрязнения примесями. Это способствовало поиску новых путей решения имеющейся проблемы.
Известен способ для нанесения гидроксиапатитовых покрытий на металлические эндопротезы, заключающийся в смешивании порошка гидроксиапатита со связующим веществом в определенной пропорции, нанесении смеси с последующей ее термической обработкой [1]. Недостатком способа является малая прочность и трещинообразование покрытия, так как напыляемый материал взаимодействует в горячем состоянии с холодной основой, а упрочняющее воздействие на покрытие производится после его нанесения.
Известен способ нанесения покрытия на подложку электродуговым плазмотроном и упрочнения поверхностей деталей, включающий предварительную термоактивацию детали модулируемой дугой, а также последующее оплавление нанесенного покрытия той же модулируемой дугой [2]. Недостатком способа является неравномерность получаемых фазово-структурных характеристик и физико-механических свойств формируемых покрытий вследствие неравномерного распределения температуры по поверхности основы при активации и напылении покрытия.
Наиболее близким к предлагаемому способу является плазменно-индукционный метод нанесения покрытий на титановую основу, расположенную в защитной камере и предварительно нагретую до температуры 600°C вихревыми токами посредством индукционного нагревательного устройства с потребляемой мощностью до 0,15 кВт и частотой тока, питающего индуктор ≈100 кГц [3]. Недостатком способа является невысокие механические свойства напыленных покрытий, в частности невысокая величина микротвердости, которые обусловлены фазово-структурными изменениями поверхности титановой основы из-за большого времени ее нагрева около 45 секунд до указанной температуры вследствие малой потребляемой мощности индукционного устройства. Указанная мощность позволяет получить нагрев поверхности основы до заданной температуры после длительного воздействия на нее (основу) вихревыми токами, что приводит к прогреву всего объема основы изделия, а заодно и камеры муфеля за счет кондуктивной теплоотдачи.
Задачей настоящего изобретения является повышение механических свойств покрытий изделий, в частности микротвердости.
Для решения этой задачи в способе нанесения покрытий, включающем предварительный индукционный нагрев поверхностных слоев основы изделия вихревыми токами и последующее нанесение покрытий, предварительный индукционный нагрев основы изделия до заданной температуры, осуществляют при потребляемой мощности от 1 до 1,5 кВт и частоте тока на индукторе от 100 до 400 кГц, после нанесения покрытия изделие охлаждают в том же технологическом объеме путем постепенного снижения потребляемой мощности с обеспечением снижения температуры изделия с покрытием не более 10°C/сек.
Отличительным признаком предлагаемого способа является осуществление предварительного индукционного нагрева поверхностных слоев основы при повышении потребляемой мощности с 0,15 до 1…1,5 кВт и частоты тока, питающего индуктор от 100 до 400 кГц, по сравнению с прототипом, кроме этого изделие с нанесенным покрытием подвергают термической обработке путем выдержки его в том же технологическом объеме с постепенным снижением потребляемой мощности для снижения температуры изделия до температуры окружающей среды со скоростью не более 10°C/сек.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение механических свойств покрытий изделий, в частности микротвердости, определяемой прочностью сцепления σСЦ частиц покрытия с основой, на которую влияет температура контакта TK частиц покрытия с основой, и эта зависимость определяется следующим выражением [4]:
Figure 00000001
где σСЦ - прочность сцепления частиц с основой, МПа; σВ - предел прочности материала частиц, МПа; υ - частота собственных колебаний атомов основы, Гц; τ - характерные величины времени взаимодействия частицы с материалом основы, с; k=1,38·10-23 Дж/К - постоянная Больцмана; Еа - энергия активации атомов основы, Дж; TK - контактная температура в зоне взаимодействия частицы с основой, K.
При этом TK должна соответствовать температуре вязкопластического или жидкого состояния взаимодействующих материалов частиц покрытия и основы изделия, и зависит, в том числе, и от температуры основы согласно выражению [5]:
Figure 00000002
где TO - температура основы, K; TЧ - температура частиц в момент соприкосновения с основой, K; bО и bЧ - коэффициенты аккумуляции тепла материалов основы и частицы покрытия соответственно.
Достижение заданной температуры основы ТO зависит от потребляемой мощности Р и времени нагрева τH при прочих равных условиях [6]:
Figure 00000003
где C - теплоемкость материала основы, кДж/кг·K; ТHO - начальная температуры основы, соответствующая комнатной температуре, K; m - масса нагреваемого поверхностного слоя основы изделия, кг.
Как видно из выражения (3), чем выше потребляемая мощность Р, тем меньшее времени требуется для достижения заданной ТO, за счет чего в поверхностных слоях основы не происходит значительных нежелательных фазово-структурных изменений, которые влияют на снижение механических свойств напыленных покрытий.
Как известно, активная удельная мощность РУД, поглощаемая металлическим объектом при индукционном нагреве, зависит от ряда факторов, в том числе от частоты тока в индукторе согласно выражению [7]:
Figure 00000004
где IИ - ток индуктора, A; wИ - число витков индуктора; ρ - удельное сопротивление материала нагреваемого изделия, Ом·см; µ - относительная магнитная проницаемость материала изделия; f - частота тока, питающего индуктор, Гц; F - функция, зависящая от геометрии, размеров изделия и частоты тока.
Как видно из выражения (4), при прочих равных условиях удельная мощность будет тем больше, чем больше частота тока. В то же время увеличение частоты уменьшает глубину Δ проникновения вихревых токов в поверхностный слой основы изделия в соответствии с выражением [8]:
Figure 00000005
Повышением частоты тока индуктора увеличиваем активную удельную мощность РУД, поглощаемую металлическим объектом (основой изделия) при индукционном нагреве, увеличивая тем самым скорость нагрева и уменьшая время нагрева, одновременно обеспечивая малую глубину проникновения вихревых токов в поверхностный слой основы изделия.
Из вышесказанного делаем вывод, что в способе нанесения покрытий с предварительным индукционным нагревом основы изделия предложенное повышение потребляемой мощности и частоты тока на индукторе считается обоснованным, т.к. это направлено на повышение механических свойств напыленных покрытий за счет ликвидации значительных нежелательных фазово-структурных изменений поверхности основы из-за устранения прогрева всего объема основы. Предложение по термической обработке изделий с покрытием в виде выдержки его в том же технологическом объеме, в котором происходит индукционный нагрев, с постепенным охлаждением изделия тоже считается обоснованным, потому что оно направлено на повышение механических свойств покрытий за счет устранения резкого спада температуры изделия при охлаждении, из-за которого возможно возникновение трещинообразования.
Изобретение проиллюстрировано чертежом, на котором представлена компоновочная схема устройства индукционного нагрева и плазменного напыления. Данное устройство содержит установку 1 для нанесения материала покрытия в виде порошка 2 на основу изделия 3, индуктор 4, который через генераторный блок 5 подключен к источнику постоянного тока 6.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Основу 3 изделия, на которое предполагается нанесение покрытия, предварительно нагревают индукционным током с частотой, выбираемой из диапазона от 100 до 400 кГц с учетом глубины проникновения вихревых токов в материал основы - глубины прогрева материала основы. Для нагрева основы задействовано нагревательное устройство с индуктором 4, потребляемая мощность которого выбирается из диапазона 1 до 1,5 кВт в зависимости от заданной температуры нагрева основы изделия, времени нагрева, материала и массы изделия. После нагрева на основу 3 изделия производится с использованием установки 1 нанесение материала покрытия в виде порошка 2 по стандартной технологии [9]. По завершении нанесения покрытия осуществляют термическую обработку изделия с покрытием в виде выдержки его в том же технологическом объеме с постепенным охлаждением изделия за счет снижения потребляемой индуктором мощности с обеспечением снижения температуры изделия не более 10°С/сек до температуры окружающей среды.
Пример выполнения способа нанесения покрытия.
Перед нанесением покрытия был произведен предварительный индукционный нагрев поверхностных слоев основы 3 изделия из титанового сплава ВТ 1-00 глубиной проникновения вихревых токов 1 мм, при этом частота тока индукционного нагревательного устройства (индуктора 4) была задана равной 100 кГц, а потребляемая мощность 1,3 кВт, и для достижения заданной температуры 600°С потребовалось времени (нагрева) 1,5 сек. После чего на основу 3 было нанесено гидроксиапатитовое покрытие толщиной 50-100 мкм методом плазменного напыления порошка 2 гидроксиапатита с использованием полуавтоматической установки ВРЕС 744.3227.001, а в качестве транспортирующего и плазмообразующего газов применен аргон. Параметры технологического режима нанесения покрытий и их численные значения представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Технологические режимы нанесения покрытия
Параметры процесса Величина показателя
Ток дуги плазмотрона, A 450
Напряжение, B 30
Дистанция напыления, мм 130
Средний размер порошка, мкм 90
Расход плазмообразующего газа, л/мин 40-50
Расход транспортирующего газа, л/мин 5-7
После нанесения покрытия на основу 2 изделия выдерживались в том же технологическом объеме до полного охлаждения, при этом потребляемую мощность индуктора 4 постепенно снижали, обеспечивая охлаждение изделия с покрытием на 10°C/сек, до достижения температуры окружающей среды. Выдержка изделия с покрытием в том же технологическом объеме с постепенным охлаждением со скоростью не более 10°C/сек позволяет устранить опасность трещинообразования покрытия.
На этапах нагрева основы изделия и охлаждения готового изделия с покрытием замеры температуры основы TO производились бесконтактным способом с применением инфракрасного термометра модели DT-8828H.
Для подтверждения оптимальности предложенных диапазонов параметров режима предварительного индукционного нагрева основы изделия, таких как частота тока индукционного нагревательного устройства и потребляемая его мощность, были проведены испытания образцов, полученных предлагаемым способом и образцов, полученных известным способом (прототип). Числовые значения этих параметров и результаты испытаний образцов опытной партии на микротвердость представлены в таблице 2.
Как показали результаты опытной проверки, предложенные диапазоны числовых значений параметров режима нагрева основы являются оптимальными, что подтверждается примерами 5-10 (см. таблицу 2). При этом в наибольшей степени на показатель микротвердости влияет величина потребляемой мощности индукционного нагревательного устройства. Увеличение мощности свыше 1,5 кВт нецелесообразно, так как дальнейшего увеличения показателя микротвердости гидроксиапатитовых покрытий не фиксируется. Использование частоты тока на индукторе 400 кГц, наибольшей из рекомендованного диапазона, необходимо при нагреве основы изделий в виде листового материала толщиной менее 1 мм, когда использование частоты 100 кГц, наименьшей из рекомендованного диапазона, является малоэффективным. Предлагаемый способ нанесения покрытий по сравнению с прототипом позволяет повысить механические свойства наносимых покрытий, в частности микротвердость на 35-40%.
Таблица 2.
Номер образца Параметры режима индукционного нагрева основы изделия Микротвердость гидроксиапатитовых покрытий, ГПа
Потребляемая мощность индукционного нагревательного устройства (индуктор), кВт (диапазон 0,15-1,6 кВт) Частота тока на индукторе, кГц (диапазон 100-400 кГц)
1 (прототип) 0,15 100 0,89±0,09
2 0,15 400 0,83±0,04
3 0,5 100 0,91±0,03
4 0,5 400 0,86±0,02
5 1,0 100 1,24±0,05
6 1,0 400 1,28±0,07
7 1,3 100 1,37±0,16
8 1,3 400 1,41±0,07
9 1,5 100 1,36±0,11
10 1,5 400 1,41±0,10
11 1,6 100 1,35±0,15
12 1,6 400 1,38±0,08
Список используемых источников
1. Патент РФ №2158189 C2, кл. C23C 4/02, 2003 г. Способ нанесения гидроксиапатитовых покрытий.
2. Патент РФ №2211256 C2, кл. C23C 4/12, 2003 г. Способ нанесения покрытия.
3. Фомин А.А. Плазменно-индукционное нанесение покрытий с улучшенными параметрами биосовместимости при изготовлении дентальных имплантатов: автореф. дис. … канд. техн. наук. - Саратов: СГТУ, 2008. - 8-11 с.
4. Порошковая металлургия и напыленные покрытия: учебник для вузов / В.Н.Анциферов, Г.В.Бобров, Л.К.Дружинин и др. М.: Металлургия, 1987. - С.499.
5. Соколов Ю.В. Плазменное формообразование: монография. - Мн.: УП «Технопринт», 2003. - С.32
6. Простяков А.А. Индукционные нагревательные установки. - М.: «Энергия», 1970. - С.15
7. Простяков А.А. Индукционные нагревательные установки. - М.: «Энергия», 1970. - С.5
8. Простяков А.А. Индукционные нагревательные установки. - М: «Энергия», 1970. - С.17
9. Фомин А.А. Плазменно-индукционное нанесение покрытий с улучшенными параметрами биосовместимости при изготовлении дентальных имплантатов: автореф. дис. … канд. техн. наук. - Саратов: СГТУ, 2008. - 12 с.

Claims (1)

  1. Способ нанесения покрытий, включающий предварительный индукционный нагрев изделия вихревыми токами и последующее нанесение на него покрытия из гидроксиапатита плазменно-индукционным методом, отличающийся тем, что предварительный индукционный нагрев изделия до заданной температуры осуществляют при потребляемой мощности от 1 до 1,5 кВт и частоте тока на индукторе в диапазоне 100-400 кГц, после нанесения покрытия изделие охлаждают в том же технологическом объеме путем постепенного снижения потребляемой мощности с обеспечением снижения температуры изделия не более 10°С/с.
RU2009145195/02A 2009-12-08 2009-12-08 Способ нанесения покрытий RU2430192C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009145195/02A RU2430192C2 (ru) 2009-12-08 2009-12-08 Способ нанесения покрытий

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009145195/02A RU2430192C2 (ru) 2009-12-08 2009-12-08 Способ нанесения покрытий

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009145195A RU2009145195A (ru) 2011-06-20
RU2430192C2 true RU2430192C2 (ru) 2011-09-27

Family

ID=44737351

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009145195/02A RU2430192C2 (ru) 2009-12-08 2009-12-08 Способ нанесения покрытий

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2430192C2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2647968C1 (ru) * 2017-02-27 2018-03-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Способ формирования титановых пористых покрытий на титановых имплантатах

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2095463C1 (ru) * 1996-09-20 1997-11-10 Владимир Алексеевич Васин Способ нанесения покрытий на металлические изделия
RU2158189C1 (ru) * 1999-03-30 2000-10-27 Закрытое акционерное общество Клиническое научно-производственное объединение "Биотехника" Способ нанесения гидроксиапатитовых покрытий
RU2211256C2 (ru) * 2001-06-04 2003-08-27 Воронежская государственная лесотехническая академия Способ нанесения покрытия

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2095463C1 (ru) * 1996-09-20 1997-11-10 Владимир Алексеевич Васин Способ нанесения покрытий на металлические изделия
RU2158189C1 (ru) * 1999-03-30 2000-10-27 Закрытое акционерное общество Клиническое научно-производственное объединение "Биотехника" Способ нанесения гидроксиапатитовых покрытий
RU2211256C2 (ru) * 2001-06-04 2003-08-27 Воронежская государственная лесотехническая академия Способ нанесения покрытия

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2647968C1 (ru) * 2017-02-27 2018-03-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Способ формирования титановых пористых покрытий на титановых имплантатах

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009145195A (ru) 2011-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106834974B (zh) 铁基合金涂层与其形成方法
Koval et al. Low-energy high-current plasma immersion implantation of nitrogen ions in plasma of non-self-sustained arc discharge with thermionic and hollow cathodes
Kim et al. High‐frequency induction heat sintering of mechanically alloyed alumina–yttria‐stabilized zirconia nano‐bioceramics
JP2004332081A (ja) 耐プラズマ部材及びその製造方法
US20090252945A1 (en) Method and apparatus for the coating and for the surface treatment of substrates by means of a plasma beam
JP2016000849A (ja) 積層体の製造方法及び積層体
CN107090578A (zh) 一种结构致密的导磁涂层及其制备方法
RU2430192C2 (ru) Способ нанесения покрытий
Brunatto et al. Sintering iron using a hollow cathode discharge
CN114231973B (zh) 一种硅化物颗粒增强钛铝基复合涂层及其激光熔覆制备方法
Prawara et al. Spark plasma sintering as a post-spray treatment for thermally-sprayed coatings
Khalil et al. Effect of Processing Parameters on the Mechanical and Microstructural Behavior of Ultra‐Fine Al2O3–(ZrO2+ 8% Mol Y2O3) Bioceramic, Densified By High‐Frequency Induction Heat Sintering
Wang et al. Laser processing of yttria stabilised zirconia/alumina coatings on Fecralloy substrates
Dubovyi et al. Perspectives of improving physical and mechanical properties of thermal coatings by electropulse exposure
Hazra et al. Synthesis of mullite-based coatings from alumina and zircon powder mixtures by plasma spraying and laser remelting
WO2016181847A1 (ja) チタン材の表面窒化処理方法
CN206966652U (zh) 磁场下粉末扩散法制备高硅硅钢薄带的装置
JP2008127647A (ja) 表面処理装置およびその方法
TW200428416A (en) High voltage-endurance member
Ichiki et al. Peculiar relationship of plume brightness and hard layer formation in atmospheric-pressure plasma jet nitriding
Cañas et al. Post-deposition heat treatment effect on microstructure of suspension plasma sprayed bioactive glass coatings
JP5984037B2 (ja) 金属拡散層製造方法及び鉄鋼材
Kubo et al. Pre-treatment on metal surface for plasma spray with cathode spots of low pressure arc
KR102245974B1 (ko) 내부식성이 우수한 전자유도가열방식 전기밥솥용 내솥 용기 및 이의 제조방법
Yang et al. Post-processing of cold spray coatings via rapid induction heating

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20131209