RU2763852C1

RU2763852C1 - Method for forming a porous coating on a relief surface

Info

Publication number: RU2763852C1
Application number: RU2021110068A
Authority: RU
Inventors: Василий Иванович Калита; Дмитрий Игоревич Комлев; Алексей Александрович Радюк; Владимир Сергеевич Комлев
Priority date: 2021-04-12
Filing date: 2021-04-12
Publication date: 2022-01-11

Abstract

FIELD:

SUBSTANCE: invention relates to a method for spraying three-dimensional capillary-porous (CP) coatings on a pre-formed relief surface and can be used in engineering practice to increase the efficiency of heat exchange on the surface of heated nodes under conditions of changing the aggregate state of the refrigerant, for forming the surfaces of catalyst carriers and for cleaning liquids. The method for forming a metal porous coating on the relief surface of metal parts operating under conditions of changing the aggregate state of the refrigerant includes the formation of a relief on the surface of the part by creating slots in two mutually perpendicular directions, while in one direction the lateral surfaces of the relief are inclined at angles from 50 to 80° to its support surface, and the plasma coating in the form of ridges and depressions is sprayed at an angle of 90° to the support surface of the relief.

EFFECT: invention is aimed at increasing the value of the normalized contact surface.

1 cl, 4 ex, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области металлургии, а более конкретно к формированию рельефной пористой поверхности плазменным напылением и может быть использовано для повышения эффективности теплообмена на поверхности нагретых деталей и узлов в условиях смены агрегатного состояния хладагента, для формирования поверхностей носителей катализатора и для очистки жидкостей.The invention relates to the field of metallurgy, and more specifically to the formation of a relief porous surface by plasma spraying, and can be used to increase the efficiency of heat transfer on the surface of heated parts and assemblies under conditions of a change in the state of aggregation of the refrigerant, to form surfaces of catalyst carriers and to purify liquids.

Известен способ нанесения пористого покрытия (Патент RU 623944 С1), когда покрытие наносится на базовую поверхность подложки сначала под углом 90°, а на второй стадии с углом меньшим 45° к ней. В этом случае на подложке формируется трехмерное капиллярно-пористое (ТКП) покрытие с бимодальной пористостью от 10 до 60%. Такие покрытия состоят из гребней и впадин с высотой равной толщине покрытия. Основной объем порового пространства этих покрытий составляют впадины с шириной от 50 до 600 мкм. Боковые стенки гребней содержат капилляры с размером менее 10 мкм. Недостатком данного способа напыления является невозможность формирования дополнительного пористого пространства с порами большего размера.A known method of applying a porous coating (Patent RU 623944 C1), when the coating is applied to the base surface of the substrate, first at an angle of 90°, and in the second stage with an angle of less than 45° to it. In this case, a three-dimensional capillary-porous (TCP) coating with bimodal porosity from 10 to 60% is formed on the substrate. Such coatings consist of ridges and depressions with a height equal to the thickness of the coating. The main volume of the pore space of these coatings is made up of depressions with a width of 50 to 600 µm. The side walls of the ridges contain capillaries with a size of less than 10 μm. The disadvantage of this spraying method is the impossibility of forming an additional porous space with larger pores.

Известен способ плазменного напыления покрытий из проволоки (Рис. 1 позиция 1) на поверхность с локальным рельефом, который сформирован прорезями имеющими профиль типа «ласточкиного хвоста», полученными механической обработкой (Рис. 1 позиция 2) (Hoffmeister Н. W., Schnell С.Mechanical roughing of cylinder bores in light metal crankcases //Production Engineering. - 2008. - T. 2. - №. 4. - C. 365-370. Bobzin K. et al. Development of novel Fe-based coating systems for internal combustion engines //Journal of Thermal Spray Technology. - 2018. - T. 27. - №. 4. - C. 736-745.). Данный рельеф формируется для увеличения прочности соединения изделия с напыленным покрытием до 60 МПа. Глубина рельефа до напыления имеет размер 100-120 мкм. Углы наклона поверхности рельефа у его вершины составляют от 24 до 33°, а у основания 103-110°, относительно опорной поверхности рельефа. Ширина рельефа у основания 130-140 мкм, а ширина канавки между соседними элементами рельефа 170-190 мкм. Недостатком данного способа нанесения покрытий является невозможность формирования капиллярно-пористого покрытия на боковых поверхностях рельефа, так как они не образуют углов менее 45° относительно вектора движения напыляемых частиц.There is a known method of plasma spraying of wire coatings (Fig. 1 item 1) on a surface with a local relief, which is formed by slots having a dovetail-type profile obtained by machining (Fig. 1 item 2) (Hoffmeister H. W., Schnell C Bobzin K. et al. Development of novel Fe-based coating systems for internal combustion engines // Journal of Thermal Spray Technology - 2018. - T. 27. - No. 4. - C. 736-745.). This relief is formed to increase the strength of the connection of the product with the sprayed coating up to 60 MPa. The depth of the relief before spraying has a size of 100-120 microns. The slope angles of the surface of the relief at its top are from 24 to 33°, and at the base 103-110°, relative to the supporting surface of the relief. The width of the relief at the base is 130–140 µm, and the width of the groove between adjacent relief elements is 170–190 µm. The disadvantage of this method of coating is the impossibility of forming a capillary-porous coating on the side surfaces of the relief, since they do not form angles less than 45° relative to the motion vector of the sprayed particles.

Известна рельефная поверхность с покрытием, интенсифицирующая теплообмен при смене агрегатного состояния хладоагента (Авторское свидетельство SU1788425 А1). Рельеф формируется в виде ребер (Рис. 2, позиция 1), верхние части боковых поверхностей которых имеют однородное пористое покрытие (Рис. 2, позиция 2) с толщиной, переменной по высоте ребер, с увеличением толщины покрытия вершине ребра, а нижние части боковых поверхностей ребер снабжены микрорельефом (Рис. 2, позиция 3). Боковые поверхности ребер, на которые наносятся покрытия, имеют углы меньшие 90° относительно опорной поверхности рельефа. Опорная поверхность рельефа совпадает с базовой поверхности изделия. Поверхности покрытия на боковых поверхностях ребер перпендикулярны базовой поверхности изделия. В итоге поверхность изделия имеет два вида пористого пространства, бимодальная пористость: пористость покрытия на боковой поверхности ребер и пространство между ребрами.Known embossed surface with a coating that intensifies heat transfer when changing the state of aggregation of the refrigerant (Author's certificate SU1788425 A1). The relief is formed in the form of ribs (Fig. 2, position 1), the upper parts of the side surfaces of which have a uniform porous coating (Fig. 2, position 2) with a thickness variable along the height of the ribs, with an increase in the thickness of the coating at the top of the rib, and the lower parts of the side surfaces the surfaces of the ribs are provided with a microrelief (Fig. 2, item 3). The side surfaces of the ribs on which the coatings are applied have angles less than 90° relative to the supporting surface of the relief. The reference surface of the relief coincides with the base surface of the product. The coating surfaces on the side surfaces of the ribs are perpendicular to the base surface of the article. As a result, the surface of the product has two types of porous space, bimodal porosity: the porosity of the coating on the side surface of the ribs and the space between the ribs.

Этот источник является наиболее близким к способу формирования пористого покрытия на рельефной поверхности для формирования развитой поверхности изделия, его взяли в качестве прототипа.This source is the closest to the method of forming a porous coating on a relief surface to form a developed surface of the product, it was taken as a prototype.

Способ формирования пористости на рельефной поверхности, реализуемый в прототипе имеет недостатки, пористое покрытие, сформированное таким способом, состоит из равномерно распределенных плотных частиц и пор, а толщина пористого покрытие увеличивается по мере удаления от опорной поверхности рельефа. Такое пористое покрытие имеет небольшую величину контактной поверхности, не более чем в 1,5 раза превышающую площадь опорной поверхности, на которой сформировано покрытие. Это снижает эффективность отвода тепла от изделия. Такая пористая структура недостаточно эффективна, например, в процессе теплообмена, так через такую пористую структуру должен одновременно происходить подвод к изделию жидкого хладагента и обратный выброс газовой фазы из пористого пространства. Создание микрорельефа у основания ребер, требует дополнительной сложной механической обработки.The method of forming porosity on a relief surface, implemented in the prototype, has disadvantages, the porous coating formed in this way consists of evenly distributed dense particles and pores, and the thickness of the porous coating increases with distance from the supporting surface of the relief. Such a porous coating has a small contact surface, not more than 1.5 times the area of the supporting surface on which the coating is formed. This reduces the efficiency of heat removal from the product. Such a porous structure is not efficient enough, for example, in the process of heat transfer, so through such a porous structure, liquid coolant must be simultaneously supplied to the product and the gas phase is ejected from the porous space. Creating a microrelief at the base of the ribs requires additional complex machining.

Задачей изобретения является: создание способа формирования пористого покрытия с большей величиной нормированной контактной поверхности на поверхности с предварительно сформированным рельефом.The objective of the invention is to create a method for forming a porous coating with a larger normalized contact surface on a surface with a preformed relief.

Техническим результатом изобретения является: трехмерное капиллярно -пористое (ТКП) покрытие на рельефе, сформированном до напыления и образованном двумя рядами прорезей во взаимно перпендикулярных направлениях, в одном из рядов боковые поверхности наклонены под углами от 50° до 80° к опорной поверхности рельефа. ТКП покрытие состоит из гребней, высота которых равна толщине покрытия, и впадин между ними. У такого покрытия величина нормированной контактной поверхности повышается в 7-14 раз по отношению к опорной поверхности.The technical result of the invention is: a three-dimensional capillary-porous (TCP) coating on a relief formed before spraying and formed by two rows of slots in mutually perpendicular directions, in one of the rows the side surfaces are inclined at angles from 50° to 80° to the supporting surface of the relief. TKP coating consists of ridges, the height of which is equal to the thickness of the coating, and depressions between them. For such a coating, the size of the normalized contact surface increases by 7-14 times in relation to the supporting surface.

Технический результат достигается тем, что рельеф формируется прорезями в двух взаимно перпендикулярных направлениях, в одном из направлений боковые поверхности наклонены под углами от 50° до 80° к опорной поверхности рельефа, а покрытие в виде гребней и впадин напыляют под углом 90° к опорной поверхности рельефа.The technical result is achieved by the fact that the relief is formed by slots in two mutually perpendicular directions, in one of the directions the side surfaces are inclined at angles from 50° to 80° to the supporting surface of the relief, and the coating in the form of ridges and troughs is sprayed at an angle of 90° to the supporting surface relief.

Сущность получаемого технического результата заключается в том, что предварительный рельеф формируется рядами взаимно перпендикулярных прорезей (Рис. 3, параметры b и с), в одном из направлений боковые поверхности наклонены под углами от 50° до 80° (Рис. 3, параметр α) к опорной поверхности рельефа (Рис. 3, позиция 1). Процесс напыления ведут при угле 90° между траекторией движения напыляемых частиц и опорной поверхностью рельефа. Угол наклона боковых поверхностей рельефа от 50° до 80° определяет угол соударения напыляемых частиц с боковой поверхностью рельефа 40°-10°. При таких углах соударения за затвердевшими на боковых поверхностях рельефа частицами образуются теневые зоны, куда не могут попасть следующие напыляемые частицы. Из теневых зон формируются впадины ТКП покрытия (Рис. 4, позиция 1), а на уже закрепившихся на боковых поверхностях рельефа частицах осаждаются новые частицы и растут гребни (Рис. 4, позиция 2). Высота гребней и впадин равна толщине покрытия (Рис. 4, параметр δ). В результате пористость в ТКП покрытии формируется за счет объема впадин и капилляров между частицами покрытия, сформированных в боковых стенках гребней (Рис. 4, позиция 3). Впадины служат для подвода жидкого хладагента и удаления паровой фазы. Капилляры удерживают жидкую фазу и таким образом интенсифицируют теплообмен. Количественно рост эффективности теплообмена характеризуется увеличением нормированной контактной поверхности ТКП покрытия (отношения площади поверхности ТКП покрытия контактирующей с хладагентом к площади боковой поверхности рельефа, на который было нанесено покрытие) со значения 1,5 в прототипе и до 7-14 в данном изобретении.The essence of the obtained technical result lies in the fact that the preliminary relief is formed by rows of mutually perpendicular slots (Fig. 3, parameters b and c), in one of the directions the side surfaces are inclined at angles from 50° to 80° (Fig. 3, parameter α) to the supporting surface of the relief (Fig. 3, position 1). The spraying process is carried out at an angle of 90° between the trajectory of the sprayed particles and the supporting surface of the relief. The angle of inclination of the side surfaces of the relief from 50° to 80° determines the angle of impact of the sprayed particles with the side surface of the relief 40°-10°. At such impact angles, behind the particles hardened on the side surfaces of the relief, shadow zones are formed, where the next sprayed particles cannot get. From the shadow zones, depressions of the TCC of the coating are formed (Fig. 4, position 1), and on the particles already fixed on the side surfaces of the relief, new particles are deposited and ridges grow (Fig. 4, position 2). The height of the ridges and troughs is equal to the coating thickness (Fig. 4, parameter δ). As a result, porosity in the TCF coating is formed due to the volume of depressions and capillaries between the coating particles formed in the side walls of the ridges (Fig. 4, position 3). The depressions serve to supply liquid refrigerant and remove the vapor phase. The capillaries hold the liquid phase and thus intensify heat transfer. Quantitatively, the increase in heat transfer efficiency is characterized by an increase in the normalized contact surface of the TPC coating (the ratio of the surface area of the TPC coating in contact with the coolant to the area of the side surface of the relief on which the coating was applied) from 1.5 in the prototype to 7-14 in this invention.

Пример 1. Покрытие из бронзового порошка ПР-БрМц9-2 фракционного состава 20-32 мкм напыляли на латунную трубку с предварительно нанесенным на нее поверхностным рельефом двумя рядами взаимно перпендикулярных прорезей, в одном из которых угол наклона боковых поверхностей к базовой поверхности рельефа α=50°, высота рельефа h=0,1 мм, расстояние между элементами рельефа b=0,1 мм, с=0,5 мм. Отношение h/b=1.Example 1. A coating of bronze powder PR-BrMts9-2 with a fractional composition of 20-32 μm was sprayed onto a brass tube with a surface relief preliminarily deposited on it with two rows of mutually perpendicular slots, in one of which the angle of inclination of the side surfaces to the base surface of the relief α=50 °, relief height h=0.1 mm, distance between relief elements b=0.1 mm, c=0.5 mm. Ratio h/b=1.

Эффективная мощность плазменной струи 5,6 кВт, расход плазмообразующего газа Ar+10%N₂ 34 л/мин. На боковых поверхностях рельефа сформировалось ТКП покрытие толщиной 5=0,075 мм. Величина нормированной контактной поверхности ТКП покрытия равна 7.The effective power of the plasma jet is 5.6 kW, the flow rate of the plasma gas Ar+10%N _{2 is} 34 l/min. On the side surfaces of the relief, a TSP coating with a thickness of 5=0.075 mm was formed. The value of the normalized contact surface of the TKP coating is 7.

Пример 2. Покрытие из порошка нержавеющей стали Х18Н25 фракционного состава 32-56 мкм напыляли на медный цилиндр с предварительно нанесенным на него поверхностным рельефом из прорезей в двух взаимно перпендикулярных направлениях, в одном из направлений угол наклона боковых поверхностей к базовой поверхности рельефа α=80°, высота рельефа h=1 мм, расстояние между элементами рельефа b=0,5 мм, с=0,5 мм. Отношение h/b=2. Эффективная мощность плазменной струи 5,6 кВт, расход плазмообразующего газа Ar+10%N₂ 34 л/мин. На боковых поверхностях рельефа сформировалось пористое покрытие толщиной δ=0,150 мм. Величина нормированной контактной поверхности ТКП покрытия равна 14.Example 2. A coating of powdered stainless steel Х18Н25 with a fractional composition of 32-56 μm was sprayed onto a copper cylinder with a surface relief preliminarily deposited on it from slots in two mutually perpendicular directions, in one of the directions the angle of inclination of the side surfaces to the base surface of the relief α=80° , relief height h=1 mm, distance between relief elements b=0.5 mm, c=0.5 mm. Ratio h/b=2. The effective power of the plasma jet is 5.6 kW, the flow rate of the plasma gas Ar+10%N _{2 is} 34 l/min. A porous coating with a thickness of δ=0.150 mm was formed on the side surfaces of the relief. The value of the normalized contact surface of the TKP coating is 14.

Пример 3. Покрытие из бронзового порошка ПР-БрМц9-2 фракционного состава 20-32 мкм напыляли на алюминиевую трубку с предварительно нанесенным на нее поверхностным рельефом из прорезей в двух взаимно перпендикулярных направлениях, на одном из которых угол наклона боковых поверхностей к базовой поверхности рельефа α=60°, высота рельефа h=3 мм, расстояние между элементами рельефа b=1 мм с=1 мм. Отношение h/b=3. Эффективная мощность плазменной струи 4,8 кВт, расход плазмообразующего газа Ar+10%N₂ 20 л/мин. На боковых поверхностях рельефа сформировалось пористое покрытие толщиной δ=0,315 мм. Величина нормированной контактной поверхности ТКП покрытия равна 9.Example 3. A coating of bronze powder PR-BrMts9-2 with a fractional composition of 20-32 μm was sprayed onto an aluminum tube with a surface relief preliminarily applied to it from slots in two mutually perpendicular directions, on one of which the angle of inclination of the side surfaces to the base surface of the relief α =60°, relief height h=3 mm, distance between relief elements b=1 mm c=1 mm. Ratio h/b=3. The effective power of the plasma jet is 4.8 kW, the flow rate of the plasma gas Ar+10%N _{2 is} 20 l/min. A porous coating with a thickness of δ=0.315 mm was formed on the side surfaces of the relief. The value of the normalized contact surface of the TKP coating is 9.

Пример 4. Покрытие из бронзового порошка ПР-БрМц9-2 фракционного состава 71-100 мкм напыляли на латунную трубку с предварительно нанесенным на нее поверхностным рельефом из прорезей в двух взаимно перпендикулярных направлениях, на одном из которых угол наклона боковых поверхности к базовой поверхности рельефа α=75°, высота рельефа h=3,0 мм, расстояние между элементами рельефа b=0,1 мм с=0,5 мм. Отношение h/b=30. Эффективная мощность плазменной струи 8,5 кВт, расход плазмообразующего газа Ar+10%N₂ 34 л/мин. На боковых поверхностях рельефа сформировалось пористое покрытие толщиной δ=0,075 мм. Величина нормированной контактной поверхности ТКП покрытия равна 12.Example 4. A coating of bronze powder PR-BrMts9-2 with a fractional composition of 71-100 μm was sprayed onto a brass tube with a surface relief preliminarily deposited on it from slots in two mutually perpendicular directions, on one of which the angle of inclination of the side surfaces to the base surface of the relief α =75°, relief height h=3.0 mm, distance between relief elements b=0.1 mm c=0.5 mm. Ratio h/b=30. The effective power of the plasma jet is 8.5 kW, the flow rate of the plasma gas Ar+10%N _{2 is} 34 l/min. A porous coating with a thickness of δ=0.075 mm was formed on the side surfaces of the relief. The value of the normalized contact surface of the TKP coating is 12.

Claims

A method for forming a metal porous coating on the relief surface of metal parts operating under conditions of a change in the state of aggregation of the refrigerant, including plasma deposition of a metal coating on the surface of a metal part with a relief previously applied to it, characterized in that the relief is formed by creating slots in two mutually perpendicular directions, at the same time, in one of the directions, the side surfaces of the relief are inclined at angles from 50 to 80° to its supporting surface, and the plasma coating in the form of ridges and troughs is sprayed at an angle of 90° to the supporting surface of the relief.