WO2016053070A1 - Method for preparing a flexible metal-ceramic carrier having a nanocrystalline surface layer - Google Patents

Method for preparing a flexible metal-ceramic carrier having a nanocrystalline surface layer Download PDF

Info

Publication number
WO2016053070A1
WO2016053070A1 PCT/LT2014/000011 LT2014000011W WO2016053070A1 WO 2016053070 A1 WO2016053070 A1 WO 2016053070A1 LT 2014000011 W LT2014000011 W LT 2014000011W WO 2016053070 A1 WO2016053070 A1 WO 2016053070A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coatings
metal
aluminum
layer
coating
Prior art date
Application number
PCT/LT2014/000011
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Римантас ПАКАМАНИС
Александр ХИНСКИЙ
Кристина КЛЯМКАИТЕ - РАМАНАУСКЕ
Нериюс ЛАУРИНАИТИС
Original Assignee
Уаб "Вердиго"
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 Уаб "Вердиго" filed Critical Уаб "Вердиго"
Priority to ES201790011A priority Critical patent/ES2654858B1/en
Priority to PCT/LT2014/000011 priority patent/WO2016053070A1/en
Publication of WO2016053070A1 publication Critical patent/WO2016053070A1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06Metallic material
    • C23C4/08Metallic material containing only metal elements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/02Boron or aluminium; Oxides or hydroxides thereof
    • B01J21/04Alumina
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/08Heat treatment
    • B01J37/10Heat treatment in the presence of water, e.g. steam
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04Impact or kinetic deposition of particles

Definitions

  • the invention relates to the field of producing ceramic coatings with a developed surface on complex metal objects and can find its application in applied chemistry for the manufacture of catalytic elements, in mechanical engineering, shipbuilding, the aircraft industry and the manufacture of space technology objects * when applying protective, including anticorrosive, heat barrier, anti-icing and other coatings.
  • ceramic coatings on a metal carrier are widely used in industry, providing reliable protection against various factors of influence of both natural and artificial environments.
  • CN101438439, 2009-05-20 A multi-layer coating, Halvor Larsen Peter; EP2088225 (Al), 2009-08-12, Erosion and corrosion-resistant coating system and process therefore, Pabla Surinder Singh; CA2664929 (Al), 2008-04-03, Method and device for depositing a non-metallic coatings by means of cold-gas spraying, Luethen Volkmar; CA2668736, 2008-05-15, A method for the production of thin layers of metal-ceramic composite materials, Clasen Rolf.
  • ceramic coatings on a metal substrate also have a number of drawbacks proceeding from the specifics of their nature. First of all, this is a significant difference in the coefficient of linear expansion (ctp) of ceramics and metals (see Table 1).
  • Tab. 1 The linear expansion coefficients of metallic materials and ceramics,.
  • intermediate layers are often used that are located between the metal substrate and the ceramic coating and provide complete or partial relaxation of thermal stresses arising in the intermediate layer.
  • Very stringent requirements are imposed on the intermediate layers, namely, they must provide reliable adhesion both to the substrate metal and to the ceramic coating, to provide quick relaxation of stresses at their minimum level due to plastic deformation, which is possible only with the maximum plasticity of the material of the intermediate layer .
  • the material of the intermediate layer should be minimally brittle during application temperature gradients (or embrittlement should be removed due to specific relaxation mechanisms directly during operation).
  • the intermediate layer should, on the basis of general provisions, have a minimum thickness. All this imposes a number of serious restrictions on the material of the intermediate layer and sharply narrows the range of materials that can be used for these purposes.
  • metals such as aluminum, nickel and copper are often used, which, along with high ductility, have good adhesion to the metal and ceramic substrates, as well as high processability, which makes it possible to use existing processes for their application, such as thermal spraying ( plasma and flame), ion-plasma and magnetron sputtering, as well as electrolytic coating methods.
  • the main advantage of physical deposition methods is the gradual layer-by-layer deposition of metal ions, in which the first layer firmly adheres to the surface layer of the substrate, and subsequent layers already ideally adhere to the first, second, etc. layer.
  • a significant drawback of these methods is the very low rate of build-up of this intermediate layer. Therefore, these methods are applicable only to create an intermediate adhesive layer and cannot be used to obtain a catalytic support layer on the surface of a metal substrate. Other methods must be used to obtain the catalyst support layer. spraying or deposition, providing a layer of sufficient thickness, which provides a high degree of surface development.
  • compounds formed upon instantaneous contact of molten particles with a metal substrate during thermal spraying and representing mainly intermetallic compounds of various compositions and stoichiometries that form in the contact zone in the form of very thin films sharply differ in physical and mechanical characteristics from ordinary intermetallics formed in the process of conventional metallurgical processes, "" including casting, heat treatment, etc., and special steels alloys. It is known that ordinary intermetallic compounds formed under equilibrium conditions are characterized by high hardness and brittleness, while film non-stoichiometric intermetallic compounds formed during thermal spraying, as practice shows, do not exhibit such properties and, in addition, provide very good adhesion of the sprayed layer to the substrate.
  • Coatings obtained by thermal spraying provide another important advantage over galvanic and ion-plasma and magnetron sputtering. This advantage lies in the ability to form a surface microstructure during thermal spraying. A typical thickness of such a coating is 10 to 20 microns.
  • the surface structure of the sprayed layer can be significantly improved due to the formation of nanostructured "protrusions" in the form of nanocrystals of various configurations (A.V. Lukashin, Creating functional nanocomposites based on oxide matrices with an ordered porous structure, Abstract of a doctoral thesis, 2009, Moscow State University, Moscow.)
  • coatings obtained by thermal (especially plasma) spraying as an intermediate layer makes it possible, along with obtaining high adhesion of the sprayed layer, to provide the formation of a developed microstructure of its surface.
  • a layer of a catalytic support (with or without a catalyst) to the intermediate layer can be carried out in various ways, however, in any case, the applied layer should provide the following characteristics:
  • the technological process including the mentioned intermediate stages, namely, the stage of applying the intermediate adhesive layer and the subsequent stage of applying the catalytic support, as well as possibly another stage of applying the catalyst, is very complex and expensive.
  • a very unpleasant factor that reduces the wide applicability of this method is the slow draining of the suspension down the channels during the drying process and the formation of specific sagging in the lower part of the cellular structure, which can lead, in some cases, to the complete blocking of its channels.
  • Aluminum and a number of its alloys can, under certain conditions, be converted from the surface into aluminum hydroxide. Under ordinary conditions, a thin and very dense oxide film is formed on the surface of aluminum metal, which is instantly restored upon its destruction. This film prevents further oxidation of aluminum. However, under certain conditions - at elevated pressure and temperature in the atmosphere of superheated steam - a gradual transition of aluminum to aluminum hydroxide (boehmite) is observed. This process, as shown in a number of works, is carried out due to the sequential hydration of the oxide film formed on the surface of aluminum metal. In a series of articles (Tikhov S.F., Fenelonov V.B.
  • the articles describe the procedure for producing porous cermet of aluminum oxide / metal aluminum composition during processing of an aluminum powder compact with a sufficiently high porosity (sufficient for free passage of air inside).
  • the processing was carried out in a special thermal baroclave, which provides the processing of pressing in a vapor medium at a temperature of 150 to 250 C and a pressure of 5 to 50 atmospheres.
  • a patent is also known based on the technology described in the articles (Patent RU2256499 (O), authors Pakhomov N.A., Tikhov S.F. et al. From 2004).
  • This patent proposes a ceramic catalyst for a process for the dehydrogenation of hydrocarbons and a method for its preparation.
  • the catalyst contains in its composition chromium oxide, an alkali metal deposited on a carrier, which is a composite material comprising aluminum oxide and aluminum.
  • JP9156927, 1997-06-17, Nakayama Harold describes a method for producing a multilayer oxide coating in selected areas of a substrate, which includes the following operations: forming an oxide coating on the surface of the substrate, removing masking material, then processing in an oxidizing medium to form an oxide coating and etc. The final operation is the hydrothermal treatment of the resulting coating in aqueous alkaline solutions.
  • Kameyama Hideo describes the manufacturing technology of a flat low-temperature catalyst element, which includes the following operations.
  • a flat substrate made of an aluminum alloy is annealed at high temperature, preferably in the range of 900 - 1000 C, to form an oxide film based on aluminum oxide on its surface.
  • the substrate is hydrothermally treated in the range temperatures of 50 - 350 C and a metal having catalytic activity is deposited on a catalytic support based on alumina formed on the surface of a flat substrate as a result of hydrothermal treatment.
  • the catalytic support obtained as a result of hydrothermal treatment should be gamma-modified alumina with a developed free surface.
  • a metal having catalytic activity can also be deposited at the hydrothermal treatment stage.
  • JP2000178792, 2000-06-27, Ishizawa Hitoshi describes a coating method based on titanium oxide with a high free surface on a metal substrate.
  • the method includes the step of preparing the surface of the metal substrate, the step of anodizing at least one surface of the substrate to form an anodic oxide film, and the step of applying a slurry based on aqueous solutions of metal salts and alkoxides containing dispersed metal oxide particles. After the anodizing step, hydrothermal treatment is recommended.
  • the method includes the following steps: a step of applying a sol-gel coating containing at least one metal component to the surface of the metal substrate, a step of drying said sol-gel coating, a step of impregnating the resulting coating in alkaline aqueous solutions containing at least one metal component, a drying step and a hydrothermal treatment step.
  • Patent RU2295588, A. Khinsky, March 20, 2007 A distinctive feature of the described coating in this process is its high adhesion to the steel tape used as a substrate.
  • the resulting semi-finished product - a steel strip with a sprayed coating - has such a high adhesion strength that it allows you to carry out almost any machining operation, such as cutting, corrugating, perforating, etc. without peeling or shedding of the sprayed layer.
  • FIG. 1 is a radiograph of a sprayed aluminum layer.
  • the adhesion strength of the aluminum coating with the metal substrate was evaluated by the results of the machining of the obtained semi-finished product by visual inspection for violations of the integrity of the sprayed coating (peeling, shedding, etc.). Corrugation and perforation were chosen as two typical and rather rigid machining operations for assessing the integrity. Stage 2.
  • the hydrothermal treatment of the carrier semi-finished products after plasma spraying and the catalytic elements (honeycomb structures) made of this carrier was carried out on a special installation designed and manufactured to solve this problem.
  • the installation is a thermobaroclave (Fig. 2), designed to operate in the temperature and pressure range (shown in Table 6) and includes a reaction chamber representing the working volume for placing the semi-finished products of the carrier and catalytic elements (honeycomb structures) during hydrothermal treatment , a lock chamber, providing preliminary placement of the catalytic elements for their subsequent transportation to the reaction chamber, and an unloading chamber, where the processed atalytic elements.
  • Additional equipment of the installation includes a device that provides adjustment and maintenance of the main process parameters (temperature, pressure, humidity, flow rate, etc.) in automatic mode.
  • thermobaroclave Processing in a thermobaroclave was carried out according to the modes shown in table 7. Tab. 7. The main modes of processing a semi-finished carrier in a thermal baroclave.
  • hydrothermal treatment in all modes (1, 2, and 3) is accompanied by a transition of the surface layer of the aluminum coating to gamma alumina, the development of the free surface of the coating, and the formation of an optimal porosity structure.
  • the value of the relative free surface, characterizing the development of porosity, after hydrothermal treatment according to 2 and 3 is in the range of 60 - 100 m2 / g, which is an acceptable result.
  • FIG. 3 shows, at various magnifications, the surface structure of the aluminum sprayed layer after processing in a thermal baroclave according to mode 3 (see Table 7).
  • FIG. 3 shows the surface structure of the aluminum sprayed layer after processing in a thermal baroclave according to a stepwise mode with decreasing the treatment temperature.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

The invention relates to the field of producing ceramic coatings, having a developed surface, on metal objects having complex shapes, and can be used in applied chemistry for preparing catalyst elements, in mechanical engineering, shipbuilding, the aviation industry, and in preparing objects of space technology when applying protective coatings including anti-corrosion coatings, thermal-barrier coatings, coatings resistant to ice formation, and other coatings. A method for preparing a flexible metal-ceramic carrier having a nanocrystalline surface layer includes the plasma spraying of a special aluminum-based coating onto a metal strip carrier, with the subsequent hydrothermal processing of the flexible semi-finished product. The invention is novel in that the hydrothermal processing, which provides for optimal microstructure, nanostructure and porosity, is carried out in two stages, wherein the first stage of processing is carried out at a pressure of 20-26 atm and temperatures of 200-230 degrees centigrade for 6-12 hours, and the second stage is carried out at a pressure of 4-8 atm and temperatures of 150-170 degrees for 120-160 hours.

Description

Способ изготовления металлокерамического гибкого носителя с  A method of manufacturing a ceramic-metal flexible carrier with
нанокристаллическим поверхностным слоем  nanocrystalline surface layer
Область техники Technical field
Изобретение относится к области получения керамических покрытий с развитой поверхностью на металлических объектах сложной формы и может найти свое применение в прикладной химии для изготовления каталитических элементов, в машиностроении, судостроении, авиационной промышленности и изготовлении объектов космической техники * при нанесении защитных, в том числе антикоррозионных, теплобарьерных, антиобледенительных и других покрытий. The invention relates to the field of producing ceramic coatings with a developed surface on complex metal objects and can find its application in applied chemistry for the manufacture of catalytic elements, in mechanical engineering, shipbuilding, the aircraft industry and the manufacture of space technology objects * when applying protective, including anticorrosive, heat barrier, anti-icing and other coatings.
Уровень техники State of the art
Нанесение керамических покрытий на металлический носитель широко используется в промышленности, позволяя обеспечить надежную защиту от различных факторов воздействия как естественной, так и искусственной среды. Например: CN101438439, 2009-05-20, A multi-layer coating, Halvor Larsen Peter; EP2088225 (Al), 2009-08-12, Erosion and corrosion-resistant coating system and process therefore, Pabla Surinder Singh; CA2664929 (Al), 2008-04-03, Method and device for depositing a non-metallic coatings by means of cold-gas spraying, Luethen Volkmar; CA2668736, 2008-05-15, A method for the production of thin layers of metal-ceramic composite materials, Clasen Rolf. Однако керамические покрытия на металлической подложке обладают и рядом недостатков, исходящих из специфики их природы. В первую очередь это значительная разница в коэффициенте линейного расширения (к.т.р) у керамики и металлов (см. Табл.1). The application of ceramic coatings on a metal carrier is widely used in industry, providing reliable protection against various factors of influence of both natural and artificial environments. For example: CN101438439, 2009-05-20, A multi-layer coating, Halvor Larsen Peter; EP2088225 (Al), 2009-08-12, Erosion and corrosion-resistant coating system and process therefore, Pabla Surinder Singh; CA2664929 (Al), 2008-04-03, Method and device for depositing a non-metallic coatings by means of cold-gas spraying, Luethen Volkmar; CA2668736, 2008-05-15, A method for the production of thin layers of metal-ceramic composite materials, Clasen Rolf. However, ceramic coatings on a metal substrate also have a number of drawbacks proceeding from the specifics of their nature. First of all, this is a significant difference in the coefficient of linear expansion (ctp) of ceramics and metals (see Table 1).
Табл. 1. Коэффициенты линейного расширения металлических материалов и керамики , . Tab. 1. The linear expansion coefficients of metallic materials and ceramics,.
Figure imgf000003_0001
Figure imgf000003_0001
Поэтому при эксплуатации композиционного материала металл - керамика в условиях повышенных или пониженных температур, что обязательно сопряжено с процессом нагрева и охлаждения, на границе между металлом и керамикой возникают высокие термические напряжения, которые во многих случаях могут быть причиной искажения структуры как металлической подложки, так и керамического покрытия, а в ряде случаев - разрушения керамического слоя, которое проявляется в интенсивном осыпании или даже отслоении покрытия.  Therefore, when operating a metal-ceramic composite material at elevated or lowered temperatures, which is necessarily associated with a heating and cooling process, high thermal stresses arise at the boundary between the metal and ceramics, which in many cases can cause distortion of the structure of both the metal substrate and ceramic coating, and in some cases - destruction of the ceramic layer, which manifests itself in intense shedding or even peeling of the coating.
Еще более ситуация усложняется при эксплуатации покрытия в условиях термического удара, термических циклов с одновременном воздействии таких факторов, как коррозия или газовая эрозия. The situation is even more complicated when the coating is used in conditions of thermal shock, thermal cycles with the simultaneous influence of factors such as corrosion or gas erosion.
Для обеспечения компенсации термических напряжений часто применяются промежуточные слои, которые находятся между металлической подложкой и керамическим покрытием и обеспечивают полную или частичную релаксацию термических напряжений, возникающих в промежуточном слое. To provide compensation for thermal stresses, intermediate layers are often used that are located between the metal substrate and the ceramic coating and provide complete or partial relaxation of thermal stresses arising in the intermediate layer.
К промежуточным слоям предъявляются весьма жесткие требования, а именно, они должны обеспечивать надежное сцепление, как с металлом подложки, так и с керамическим покрытием, обеспечивать быструю релаксацию напряжений при их минимальном уровне за счет пластической деформации, что возможно только при максимальной пластичности материала промежуточного слоя. Кроме того, материал промежуточного слоя должен минимально охрупчиваться в процессе приложения температурных градиентов (или охрупчивание должно сниматься за счет специфических механизмов релаксации прямо в процессе эксплуатации). Very stringent requirements are imposed on the intermediate layers, namely, they must provide reliable adhesion both to the substrate metal and to the ceramic coating, to provide quick relaxation of stresses at their minimum level due to plastic deformation, which is possible only with the maximum plasticity of the material of the intermediate layer . In addition, the material of the intermediate layer should be minimally brittle during application temperature gradients (or embrittlement should be removed due to specific relaxation mechanisms directly during operation).
Кроме того, промежуточный слой должен, исходя из общих положений, иметь минимальную толщину. Все это накладывает ряд серьезных ограничений на материал промежуточного слоя и резко сужает круг материалов, которые могут быть использованы для этих целей. In addition, the intermediate layer should, on the basis of general provisions, have a minimum thickness. All this imposes a number of serious restrictions on the material of the intermediate layer and sharply narrows the range of materials that can be used for these purposes.
В качестве промежуточного слоя часто используют такие металлы, как алюминий, никель и медь, которые наряду с высокой пластичностью обладают хорошей адгезией с металлической и керамической подложкой, а также высокой технологичностью, что позволяет использовать для их нанесения существующие технологические процессы, такие как термическое напыление (плазменное и пламенное), ионно-плазменное и магнетронное напыление, а также электролитические методы покрытия. As an intermediate layer, metals such as aluminum, nickel and copper are often used, which, along with high ductility, have good adhesion to the metal and ceramic substrates, as well as high processability, which makes it possible to use existing processes for their application, such as thermal spraying ( plasma and flame), ion-plasma and magnetron sputtering, as well as electrolytic coating methods.
Оценивая эффективность упомянутых методов нанесения промежуточного слоя с точки зрения адгезии к металлической (стальной) подложке, на первое место могут претендовать только методы ионно-плазменного и магнетронного напыления , на втором месте идут методы термического напыления и на последнем - гальванические методы. Assessing the effectiveness of the mentioned methods of applying an intermediate layer in terms of adhesion to a metal (steel) substrate, only ion-plasma and magnetron sputtering methods can claim first place, thermal sputtering methods are second and galvanic methods are last.
Основным преимуществом методов физического осаждения (ионно-плазменное и магнетронное напыление) является постепенное послойное осаждение ионов металлов, при котором первый слой прочно сцепляется с поверхностным слоем подложки, а последующие слои уже идеально сцепляются с первым, вторым и т.д. слоем. Существенным недостатком этих методов является очень низкая скорость наращивания данного промежуточного слоя. Поэтому данные методы применимы только для создания промежуточного адгезионного слоя и не могут быть использованы для получения слоя каталитического носителя на поверхности металлического субстрата. Для получения слоя каталитического носителя должны быть использованы другие методы напыления или осаждения, обеспечивающие получение слоя достаточной толщины, который обеспечивает высокую степень развития поверхности. The main advantage of physical deposition methods (ion-plasma and magnetron sputtering) is the gradual layer-by-layer deposition of metal ions, in which the first layer firmly adheres to the surface layer of the substrate, and subsequent layers already ideally adhere to the first, second, etc. layer. A significant drawback of these methods is the very low rate of build-up of this intermediate layer. Therefore, these methods are applicable only to create an intermediate adhesive layer and cannot be used to obtain a catalytic support layer on the surface of a metal substrate. Other methods must be used to obtain the catalyst support layer. spraying or deposition, providing a layer of sufficient thickness, which provides a high degree of surface development.
Так, например, известны технические решения, в которых в качестве промежуточного слоя используется очень тонкий слой алюминия, который напыляется ионно-плазменным методом на поверхность стальной ленты. Затем на ее поверхность методом плазменного метода наносится слой каталитического носителя на базе оксида алюминия альфа-модификации. For example, technical solutions are known in which a very thin layer of aluminum is used as an intermediate layer, which is sprayed by the ion-plasma method onto the surface of a steel strip. Then, a layer of a catalytic support based on alumina alpha modification is deposited on its surface by the plasma method.
В случае использования методов термического напыления и гальванических возможно получение достаточно толстых покрытий, которые могут быть использованы в качестве адгезионных, а также для формирования на их поверхности слоя каталитического носителя. In the case of using thermal spraying and electroplating methods, it is possible to obtain sufficiently thick coatings that can be used as adhesion coatings, as well as to form a layer of catalytic support on their surface.
Такое решение предлагается в ряде патентов. Such a solution is proposed in a number of patents.
Так, например, в патенте US5362523 (Gorinin I.V., Farmakovsky B.V., Khinsky А.Р. и др.) от 1994 года описывается метод получения каталитического ленточного материала, который включает стальной субстрат, на который сначала методом плазменного напыления наносится адгезионный подслой, а затем тем же методом наносится каталитическое многослойное покрытие, в котором концентрация каталитически активных элементов плавно возрастает от 0 на границе между адгезионным подслоем и каталитически активным слоем до 100% на поверхности. Повышенная прочность сцепления адгезионного слоя со стальным субстратом достигается за счет формирования эффективного диффузионного слоя в зоне контакта адгезионного слоя с субстратом. So, for example, in the patent US5362523 (Gorinin IV, Farmakovsky BV, Khinsky A.R. and others) from 1994 describes a method for producing a catalytic tape material, which includes a steel substrate, which is first applied by plasma spraying an adhesive sublayer, and then using the same method, a catalytic multilayer coating is applied in which the concentration of catalytically active elements gradually increases from 0 at the interface between the adhesive sublayer and the catalytically active layer to 100% on the surface. Increased adhesion of the adhesive layer to the steel substrate is achieved by forming an effective diffusion layer in the area of contact of the adhesive layer with the substrate.
В патенте US5820940 (Gorinin I.V., Farmakovsky B.V., Khinsky А.Р. и др.) от 1998 года описывается метод получения адгезионного покрытия (промежуточного слоя) на металлическом ленточном носителе путем плазменного напыления термически реактивных композиционных порошков (типа никель-алюминий). Описанный метод обеспечивает получение промежуточного адгезионного слоя, очень прочно сцепленного со стальным ленточным носителем, что подтверждается результатами испытаний. Однако проблема надежного сцепления каталитического слоя, напыляемого на поверхность промежуточного слоя, остается нерешенной и прочность сцепления этих слоев, хотя это и не приводится в материалах патента, очевидно будет более низкой, чем прочность сцепления промежуточного слоя с металлическим субстратом. При эксплуатации каталитических элементов, изготовленных из каталитического ленточного материала такого рода, в достаточно жестких условиях, включающих термические циклы, интенсивную газовую эрозию и др., возможно частичное осыпание каталитического слоя с соответствующим снижением его характеристик. In the patent US5820940 (Gorinin IV, Farmakovsky BV, Khinsky A.R. and others) from 1998 describes a method for producing an adhesive coating (intermediate layer) on a metal tape carrier by plasma spraying of thermally reactive composite powders (such as nickel-aluminum). The described method provides an intermediate adhesive layer, very firmly bonded to a steel tape carrier, which is confirmed by the test results. However, the problem of reliable adhesion of the catalytic layer sprayed onto the surface of the intermediate layer remains unresolved, and the adhesion strength of these layers, although this is not given in the patent materials, will obviously be lower than the adhesion strength of the intermediate layer to a metal substrate. When operating catalytic elements made of catalytic ribbon material of this kind under rather severe conditions, including thermal cycles, intense gas erosion, etc., partial shedding of the catalytic layer is possible with a corresponding decrease in its characteristics.
Попытки повысить прочность сцепления промежуточного слоя с каталитическим за счет промежуточных термических обработок (US2001014648, Hums Е., Khinsky А. от 2001 года), использования различных мест введения порошковых материалов в плазменную струю в процессе напыления (WO2004079035, Khinsky А.Р., от 2004 года), использования HVOF (high velocity oxygen fuel) метода напыления композиционного порошка (WO2008063038, Khinsky А.Р., Klemkaite К. от 2008 года) приводят к некоторому увеличению прочности сцепления, однако не обеспечивают высокого уровня прочности сцепления промежуточного слоя с металлическим субстратом. Attempts to increase the adhesion strength of the intermediate layer to the catalytic layer due to intermediate heat treatments (US2001014648, Hums E., Khinsky A. from 2001), the use of various places of introduction of powder materials into the plasma jet during the spraying process (WO2004079035, Khinsky A.R., from 2004), the use of the HVOF (high velocity oxygen fuel) method of spraying composite powder (WO2008063038, Khinsky A.R., Klemkaite K. from 2008) lead to some increase in the adhesion strength, but do not provide a high level of adhesion of the intermediate layer to metal m substrate.
Использование покрытий, полученных термическим напылением пластичных металлов и сплавов (алюминия, никеля, меди и др.) обеспечивает получение высокой адгезии к напыляемой поверхности за счет высокой кинетической энергии напыляемых частиц (напыление часто проводится при скоростях близких к скорости звука или даже превышающих ее) и высокой динамики их охлаждения, что практически всегда приводит к аморфизации (или к переходу в микрокристаллическое состояние) металла напыляемых частиц. При этом соединения, образующиеся на при мгновенном контакте расплавленных частиц с металлической подложкой в процессе термического напыления и представляющие собой, в основном, интерметаллиды различного состава и стехиометрии, которые формируются в зоне контакта в виде очень тонких пленок резко отличаются по физико-механическим характеристикам от обычных интерметаллидов, формирующихся в процессе обычных металлургических процессов"," включающих литье, термическую обработку и др. специальных сталей и сплавов. Известно, что обычные интерметаллиды, формирующиеся в равновесных условиях, характеризуются высокой твердостью и хрупкостью, тогда как пленочные нестехиометрические интерметаллиды, формирующиеся в процессе термического напыления, как показывает практика, не проявляют таких свойств и кроме того, обеспечивают очень хорошую адгезию напыленного слоя к подложке. The use of coatings obtained by thermal spraying of ductile metals and alloys (aluminum, nickel, copper, etc.) provides high adhesion to the sprayed surface due to the high kinetic energy of the sprayed particles (spraying is often carried out at speeds close to or even faster than the speed of sound) and high dynamics of their cooling, which almost always leads to amorphization (or transition to the microcrystalline state) of the metal of the sprayed particles. Moreover, compounds formed upon instantaneous contact of molten particles with a metal substrate during thermal spraying and representing mainly intermetallic compounds of various compositions and stoichiometries that form in the contact zone in the form of very thin films sharply differ in physical and mechanical characteristics from ordinary intermetallics formed in the process of conventional metallurgical processes, "" including casting, heat treatment, etc., and special steels alloys. It is known that ordinary intermetallic compounds formed under equilibrium conditions are characterized by high hardness and brittleness, while film non-stoichiometric intermetallic compounds formed during thermal spraying, as practice shows, do not exhibit such properties and, in addition, provide very good adhesion of the sprayed layer to the substrate.
Покрытия, полученных методом термического напыления, дают еще одно важное преимущество перед гальваническим и методами ионно-плазменного и магнетронного напыления. Это преимущество заключается в возможности формировать микроструктуру поверхности в процессе термического напыления. Типичная толщина такого покрытия составляет 10 - 20 микрон. Coatings obtained by thermal spraying provide another important advantage over galvanic and ion-plasma and magnetron sputtering. This advantage lies in the ability to form a surface microstructure during thermal spraying. A typical thickness of such a coating is 10 to 20 microns.
Структура поверхности напыленного слоя может быть значительно улучшена за счет формирования наноструктурных «выступов» в виде нанокристаллов различной конфигурации (А.В. Лукашин, Создание функциональных нанокомпозитов на основе оксидных матриц с упорядоченной пористой структурой, Автореферат докторской диссертации, 2009, МГУ, Москва.) The surface structure of the sprayed layer can be significantly improved due to the formation of nanostructured "protrusions" in the form of nanocrystals of various configurations (A.V. Lukashin, Creating functional nanocomposites based on oxide matrices with an ordered porous structure, Abstract of a doctoral dissertation, 2009, Moscow State University, Moscow.)
Создание на поверхности наноструктуры подобного типа, повышает каталитическую активность, сопротивление формированию ледовой пленки в условиях отрицательных температур, оптические характеристики покрытия и др. The creation of a similar type of nanostructure on the surface increases catalytic activity, resistance to the formation of an ice film at low temperatures, optical characteristics of the coating, etc.
Таким образом, использование покрытий, полученных термическим (в особенности плазменным) напылением в качестве промежуточного слоя, дает возможность, наряду с получением высокой адгезии напыленного слоя обеспечивать и формирование развитой микроструктуры его поверхности. Thus, the use of coatings obtained by thermal (especially plasma) spraying as an intermediate layer makes it possible, along with obtaining high adhesion of the sprayed layer, to provide the formation of a developed microstructure of its surface.
Нанесение слоя каталитического носителя (с собственно катализатором или без него) на промежуточный слой может быть проведено различными способами, однако в любом случае нанесенный слой должен обеспечивать следующие характеристики: The application of a layer of a catalytic support (with or without a catalyst) to the intermediate layer can be carried out in various ways, however, in any case, the applied layer should provide the following characteristics:
- Достаточно высокая свободная поверхность с оптимальной структурой пористости; - A sufficiently high free surface with an optimal structure of porosity;
- Высокая прочность сцепления слоя каталитического носителя с промежуточным - Достаточно высокий уровень каталитических свойств при взаимодействии с собственно катализатором. - High adhesion of the catalytic carrier layer to the intermediate - A sufficiently high level of catalytic properties when interacting with the actual catalyst.
К сожалению, практически все существующие методы нанесения каталитического носителя не могут обеспечить высокий уровень каталитических свойств и высокую адгезию к промежуточному покрытию одновременно. Поэтому выбор оптимального метода формирования слоя каталитического носителя на металлических подложках часто является весьма затруднительным. Unfortunately, almost all existing methods of applying a catalytic carrier cannot provide a high level of catalytic properties and high adhesion to the intermediate coating at the same time. Therefore, the choice of the optimal method for the formation of a catalytic support layer on metal substrates is often very difficult.
Кроме того, технологический процесс, включающий упомянутые промежуточные стадии, а именно, стадию нанесения промежуточного адгезионного слоя и последующую стадию нанесения каталитического носителя, а также возможно еще стадию нанесения катализатора, является весьма сложным и дорогостоящим. In addition, the technological process, including the mentioned intermediate stages, namely, the stage of applying the intermediate adhesive layer and the subsequent stage of applying the catalytic support, as well as possibly another stage of applying the catalyst, is very complex and expensive.
Так, например, в случае нанесения каталитического носителя на металлическую сотовую структуру из водной суспензии методом последовательного окунания и сушки, весьма неприятным фактором, снижающим широкую применимость данного метода, является медленное стекание суспезии вниз по каналам в процессе сушки и формирование специфических натеков в нижней части сотовой структуры, что может привести, в ряде случаев, к полному блокированию ее каналов. For example, in the case of applying a catalytic carrier to a metal honeycomb structure from an aqueous suspension by successive dipping and drying, a very unpleasant factor that reduces the wide applicability of this method is the slow draining of the suspension down the channels during the drying process and the formation of specific sagging in the lower part of the cellular structure, which can lead, in some cases, to the complete blocking of its channels.
С этой точки зрения весьма перспективным представляется совместить процессы напыления адгезионного покрытия (промежуточного слоя) и последующего превращения его поверхности в каталитический носитель. В этом случае обеспечивается, с одной стороны, прочное сцепление адгезионного покрытия с металлическим субстратом, что, как было отмечено ранее, характерно для покрытий, нанесенных методом плазменного напыления, и, с другой стороны, органичный переход металла покрытия в оксидную (или гидроксидную) фазу. В качестве материала адгезионного покрытия обычно применяются, как было указано ранее, пластичные металлы и сплавы, в частности, алюминий, никель, медь и их сплавы. From this point of view, it seems very promising to combine the processes of deposition of an adhesive coating (intermediate layer) and the subsequent transformation of its surface into a catalytic carrier. In this case, on the one hand, a strong adhesion of the adhesive coating to the metal substrate is ensured, which, as noted earlier, is characteristic of coatings deposited by plasma spraying, and, on the other hand, the organic transition of the coating metal to the oxide (or hydroxide) phase . As the material of the adhesive coating, plastic metals and alloys, in particular aluminum, nickel, copper and their alloys, are usually used, as mentioned earlier.
В принципе все эти материалы могут, в определенных условиях, трансформироваться с поверхности в оксиды и гидроксиды, что сопровождается, в ряде случаев, попутным развитием пористой структуры. Последнее обстоятельство является очень важным с точки зрения формирования каталитического покрытия. In principle, all these materials can, under certain conditions, transform from the surface to oxides and hydroxides, which is accompanied, in some cases, associated development of the porous structure. The latter circumstance is very important from the point of view of the formation of a catalytic coating.
Однако для перечисленных выше металлов, используемых для нанесения адгезионного покрытия, формирование пористой структуры, необходимой для каталитического носителя, наблюдается только в случае алюминия. However, for the above metals used to apply the adhesive coating, the formation of the porous structure necessary for the catalytic support is observed only in the case of aluminum.
Алюминий и ряд его сплавов может, при определенных условиях, быть преобразован с поверхности в гидроксид алюминия. При обычных условиях на поверхности металлического алюминия образуется тонкая и очень плотная пленка оксида, которая мгновенно восстанавливается при ее разрушении. Эта пленка препятствует дальнейшему окислению алюминия. Однако при определенных условиях - при повышенном давлении и температуре в атмофере перегретого пара - наблюдается постепенный переход алюминия в гидроксид алюминия (бемит). Этот процесс, как это показано в ряде работ, осуществляется за счет последовательной гидратации окисной пленки, образующейся на поверхности металлического алюминия. В цикле статей (Тихов С.Ф., Фенелонов В.Б. и др., Кинетика и катализ, 2000, том 41, Ne 6, с.907-915. Тихов С.Ф., Зайковский В.И. и др., Кинетика и катализ, 2000, том 41, Ν° 6, с.916-924.) показано, что этот процесс может быть применен для получения пористых сотовых керамических носителей на базе оксида алюминия. Aluminum and a number of its alloys can, under certain conditions, be converted from the surface into aluminum hydroxide. Under ordinary conditions, a thin and very dense oxide film is formed on the surface of aluminum metal, which is instantly restored upon its destruction. This film prevents further oxidation of aluminum. However, under certain conditions - at elevated pressure and temperature in the atmosphere of superheated steam - a gradual transition of aluminum to aluminum hydroxide (boehmite) is observed. This process, as shown in a number of works, is carried out due to the sequential hydration of the oxide film formed on the surface of aluminum metal. In a series of articles (Tikhov S.F., Fenelonov V.B. et al., Kinetics and Catalysis, 2000, Volume 41, Ne 6, pp. 907-915. Tikhov S.F., Zaikovsky V.I. et al. ., Kinetics and Catalysis, 2000, Volume 41, Ν ° 6, pp. 916-924.) It is shown that this process can be applied to obtain porous cellular ceramic supports based on aluminum oxide.
В статьях описывается методика получения пористой металлокерамики состава оксид алюминия/металлический алюминий при обработке прессовки из алюминиевого порошка с достаточно высокой пористотью (достаточной для свободного прохождения воздуха внутрь). Обработка проводилась в специальном термобароклаве, обеспечивающем обработку прессовки в паровой среде при температуре от 150 до 250 С и давлении от 5 до 50 атмосфер. Известен также патент, основанный на описанной в статьях технологии (Патент RU2256499 (О) авторы Пахомов Н.А., Тихов С.Ф. и др. от 2004 года).  The articles describe the procedure for producing porous cermet of aluminum oxide / metal aluminum composition during processing of an aluminum powder compact with a sufficiently high porosity (sufficient for free passage of air inside). The processing was carried out in a special thermal baroclave, which provides the processing of pressing in a vapor medium at a temperature of 150 to 250 C and a pressure of 5 to 50 atmospheres. A patent is also known based on the technology described in the articles (Patent RU2256499 (O), authors Pakhomov N.A., Tikhov S.F. et al. From 2004).
В данном патенте предлагается керамический катализатор для процесса дегидрирования углеводородов и способ его приготовления. Катализатор содержит в своем составе оксид хрома, щелочной металл, нанесенные на носитель, представляющий собой композиционный материал, включающий оксид алюминия и алюминий. This patent proposes a ceramic catalyst for a process for the dehydrogenation of hydrocarbons and a method for its preparation. The catalyst contains in its composition chromium oxide, an alkali metal deposited on a carrier, which is a composite material comprising aluminum oxide and aluminum.
Описанные выше закономерности превращения металлического алюминия в гидроксид алюминия с последующим его разложением для получения каталитического носителя наталкивают на идею построения основанной на этих принципах технологии для получения каталитического носителя после нанесения алюминиевого адгезионного подслоя на поверхность металлического ленточного носителя. В патентах JP9217178, 1997-08- 19, Kanbe Yumi и JP 10120499, 1998-05-12, Kanbe Yumi описан метод производства многослойного тонкого покрытия. Покрытие должно обеспечивать получение пористой структуры металлического оксида, на которую производится осаждение электроизолирующего материала, заполняющего поры металлооксидного слоя. Согласно патенту, на первой стадии процесса присходит формирование тонкой и пористой металлооксидной пленки на поверхности субстрата при его гидротермальной обработке в растворах соответствующих солей. The above-described laws governing the conversion of metallic aluminum to aluminum hydroxide followed by its decomposition to produce a catalytic carrier suggest the idea of building a technology based on these principles to produce a catalytic carrier after applying an aluminum adhesive sublayer to the surface of a metal tape carrier. Patents JP9217178, 1997-08-19, Kanbe Yumi and JP 10120499, 1998-05-12, Kanbe Yumi describe a method for producing a multilayer thin coating. The coating should provide a porous structure of a metal oxide onto which an electrically insulating material is deposited, filling the pores of the metal oxide layer. According to the patent, at the first stage of the process, the formation of a thin and porous metal oxide film on the surface of the substrate during its hydrothermal treatment in solutions of the corresponding salts occurs.
В патенте JP9156927, 1997-06-17, Nakayama Naomi описывается метод производства многослойного оксидного покрытия на избранных участках субстрата, который включает следующие операции: формирование оксидного покрытия на поверхности субстрата, удаление маскирующего материала, затем проведение обработки в окислительной среде для формирования оксидного покрытия и так далее. Окончательной операцией является гидротермальная обработка полученного покрытия в водных щелочных растворах. В патенте JP3284356,1991-12-16, Kameyama Hideo описывается технология изготовления плоского низкотемпературного каталитического элемента, которая включает следующие операции. Плоский субстрат, изготовленный из алюминиевого сплава, подвергается отжигу при высокой температуре, предпочтительно в интервале 900 - 1000 С для формирования окисной пленки на базе оксида алюминия на его поверхности. Затем субстрат подвергается гидротермальной обработке в интервале температур 50 - 350 С и металл, имеющий каталитическую активность наносится на каталитический носитель на базе оксида алюминия, образованный на поверхности плоского субстрата в результате гидротермальной обработки. Каталитический носитель, полученный в результате гидротермальной обработки, должен предсталять собой оксид алюминия гамма-модификации с развитой свободной поверхностью. Металл, имеющий каталитическую активность может быть нанесен также на стадии гидротермальной обработки. JP9156927, 1997-06-17, Nakayama Naomi describes a method for producing a multilayer oxide coating in selected areas of a substrate, which includes the following operations: forming an oxide coating on the surface of the substrate, removing masking material, then processing in an oxidizing medium to form an oxide coating and etc. The final operation is the hydrothermal treatment of the resulting coating in aqueous alkaline solutions. In the patent JP3284356,1991-12-16, Kameyama Hideo describes the manufacturing technology of a flat low-temperature catalyst element, which includes the following operations. A flat substrate made of an aluminum alloy is annealed at high temperature, preferably in the range of 900 - 1000 C, to form an oxide film based on aluminum oxide on its surface. Then the substrate is hydrothermally treated in the range temperatures of 50 - 350 C and a metal having catalytic activity is deposited on a catalytic support based on alumina formed on the surface of a flat substrate as a result of hydrothermal treatment. The catalytic support obtained as a result of hydrothermal treatment should be gamma-modified alumina with a developed free surface. A metal having catalytic activity can also be deposited at the hydrothermal treatment stage.
В патенте JP2000178792, 2000-06-27, Ishizawa Hitoshi описывается метод формирования покрытия на базе оксида титана с высокой свободной поверхностью на металлическом субстрате. Метод включает в себ стадию подготовки поверхности металлического субстрата, стадию анодирования по меньшей мере одной поверхности субстрата с целью формирования анодной оксидной пленки и стадию наложения суспензии на базе водных растворов солей и алкоксидов металлов, содержащей дисперсные частицы оксидов металлов. После стадии анодирования рекомендуется проведение гидротермальной обработки. JP2000178792, 2000-06-27, Ishizawa Hitoshi describes a coating method based on titanium oxide with a high free surface on a metal substrate. The method includes the step of preparing the surface of the metal substrate, the step of anodizing at least one surface of the substrate to form an anodic oxide film, and the step of applying a slurry based on aqueous solutions of metal salts and alkoxides containing dispersed metal oxide particles. After the anodizing step, hydrothermal treatment is recommended.
В патенте US2004058066, 2004-058066, Wei Zhiqiang описывается метод формирования тонкопленочного металлоксидного покрытия. US2004058066, 2004-058066, Wei Zhiqiang describes a method for forming a thin film metal oxide coating.
Метод включает следующие стадии: стадию наложения золь-гель покрытия, содержащего по меньшей мере один металлический компонент, на поверхность металлического субстрата, стадию сушки упомянутого золь-гель покрытия, стадию пропитки полученного покрытия в щелочных водных растворах, содержащих по меньшей мере один металлический компонент, стадию сушки и стадию гидротермальной обработки. The method includes the following steps: a step of applying a sol-gel coating containing at least one metal component to the surface of the metal substrate, a step of drying said sol-gel coating, a step of impregnating the resulting coating in alkaline aqueous solutions containing at least one metal component, a drying step and a hydrothermal treatment step.
Из представленных выше патентов оченидно, что большое, в ряде случаев решающее значение имеет метод нанесения алюминиевого покрытия на поверхность ленточного носителя. Of the above patents, it is obvious that the method of applying an aluminum coating to the surface of a tape carrier is of great, in some cases, decisive importance.
Для нанесения алюминиевого порошка на поверхность может быть использован технологический процесс, описанный в патенте (Патент RU2295588, Хинский А.П. от 20 марта 2007 года) Отличительной особенностью описанного покрытия в данном процессе является его высокая адгезия к стальной ленте, используемой в качестве субстрата. Полученный полуфабрикат - стальная лента с напыленным покрытием - обладает настолько высокой прочностью сцепления, что это позволяет проводить практически любые операции механической обработки, такие как резка, гофрирование, перфорирование и др. без отслоения или осыпания напыленного слоя. For applying aluminum powder to the surface, the technological process described in the patent can be used (Patent RU2295588, A. Khinsky, March 20, 2007) A distinctive feature of the described coating in this process is its high adhesion to the steel tape used as a substrate. The resulting semi-finished product - a steel strip with a sprayed coating - has such a high adhesion strength that it allows you to carry out almost any machining operation, such as cutting, corrugating, perforating, etc. without peeling or shedding of the sprayed layer.
Сущность изобретения SUMMARY OF THE INVENTION
Использование данного технологического процесса для напыления алюминиевого слоя позволит создать покрытие, которое объеденяло бы в себе функции промежуточного адгезионного слоя (на поверхности примыкающей к стальному ленточному носителю) и каталитического носителя (на поверхности собственно покрытия), если его удалось бы преобразовать его в пористый носитель на основе оксида алюминия по технологии описанной выше.  The use of this technological process for spraying an aluminum layer will make it possible to create a coating that combines the functions of an intermediate adhesive layer (on the surface adjacent to the steel tape carrier) and a catalytic carrier (on the surface of the coating itself) if it could be converted into a porous carrier on Alumina based on the technology described above.
Причем последовательность процессов нанесения алюминиевого покрытия и его преобразования в каталитический носитель должна быть изменена. Так как предполагается, что прочность сцепления покрытия со стальной подложкой будет настолько высока, что это позволит производить механическую обработку полуфабриката, полученного после напыления, то представляется разумным включить эту стадию сразу после напыления, а стадию гидротермальной обработки сделать завершающей. Moreover, the sequence of processes for applying an aluminum coating and its conversion into a catalytic carrier must be changed. Since it is assumed that the adhesion strength of the coating to the steel substrate will be so high that it will allow mechanical processing of the semi-finished product obtained after spraying, it seems reasonable to include this stage immediately after spraying, and to make the hydrothermal treatment stage final.
В этом случае технологический процесс, с учетом представленных выше патентов, должен последовательно включать следующие этапы: In this case, the technological process, taking into account the above patents, should consistently include the following steps:
1. Нанесение алюминиевого адгезионного слоя на поверхность металлического ленточного субстрата методом термического напыления. 2. Проведение механической обработки (включая резку, гофрирование, перфорирование и др.) для формирования каталитического элемента в его окончательном виде. 3. Проведение обработки полученного каталитического элемента в паровоздушной среде при повышенном давлении и температуре для частичного превращения поверхностной части адгезионного слоя в гидроксиды алюминия. 1. Application of an aluminum adhesive layer on the surface of a metal tape substrate by thermal spraying. 2. Carrying out mechanical processing (including cutting, corrugation, perforation, etc.) to form the catalytic element in its final form. 3. Processing of the obtained catalytic element in a vapor-air medium at elevated pressure and temperature to partially convert the surface of the adhesive layer to aluminum hydroxides.
4. Термическое разложение полученного гидроксидного покрытия с превращением его в оксид алюминия с образованием пористой структуры поверхности. 4. Thermal decomposition of the obtained hydroxide coating with its transformation into alumina with the formation of a porous surface structure.
5. Нанесение катализаторов методом пропитки. 5. Application of catalysts by impregnation.
Для реализации предлагаемого способа получения каталитического носителя бьши проведены работы по 1, 2, 3 и 4 этапам технологического процесса, так как 5 этап является весьма тривиальным и может быть осуществлен без предварительной подготовки. To implement the proposed method for producing a catalytic carrier, work was carried out on the 1st, 2nd, 3rd and 4th stages of the technological process, since the 5th stage is very trivial and can be carried out without preliminary preparation.
Этап 1. Stage 1.
Нанесение алюминиевого адгезионного слоя на поверхность металлического ленточного субстрата методом термического напыления.  Application of an aluminum adhesive layer on the surface of a metal tape substrate by thermal spraying.
Для нанесения алюминиевого слоя на поверхность металлического ленточного ленточного субстрата использовались следующие материалы:  The following materials were used to apply the aluminum layer to the surface of a metal tape tape substrate:
- Стальная холоднокатанная лента из нержавеющей хромистой стали ферритного класса толщиной 40 микрон и шириной 100 и 90 мм производства компании Сандвик (Швеция). Данные по химическому составу и областям применения приведены в Таблице 2. - Cold-rolled steel strip made of ferritic stainless steel chromium steel with a thickness of 40 microns and a width of 100 and 90 mm manufactured by Sandvik (Sweden). Data on the chemical composition and applications are shown in Table 2.
Табл. 2. Характеристики холоднокатанной ленты из стали Сандвик ОС404  Tab. 2. Characteristics of cold rolled steel tape Sandvik OS404
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0001
- Алюминиевый порошок марки ПА-1 и алюминиевая пудра марки ПАП-2 (ГОСТ - Aluminum powder grade PA-1 and aluminum powder grade PAP-2 (GOST
5494-95). Поставщик - Волгоградская алюминиевая компания (Валком-ПМ). Основные характеристики упомянутых материалов приведены в Табл.3 и 4. Табл. 3. Основные характеристики алюминиевого порошка марки ПА-1 5494-95). Supplier - Volgograd Aluminum Company (Valkom-PM). The main characteristics of the mentioned materials are given in Tables 3 and 4. Tab. 3. The main characteristics of aluminum powder grade PA-1
Figure imgf000014_0001
Figure imgf000014_0001
Табл. 4. Основные характеристики алюминиевой пудры марки ПАП-2 Tab. 4. The main characteristics of aluminum powder brand PAP-2
Figure imgf000014_0002
Figure imgf000014_0002
Для нанесения алюминиевого адгезионного слоя использовались метод плазменного напыления, которое проводилось на специально разработанной установке в воздушной среде с использованием плазмотрона и дозатора оригинальной конструкции (описание установки и плазмотрона приведено в патентах RU2295588, WO2008063038, WO2004079035, US2001014648) Режимы плазменного напыления алюминиевого порошка и пудры, а также другие параметры процесса приведены в таблице 5. Табл. 5. Основные параметры процесса плазменного напыления. To apply the aluminum adhesive layer, we used the plasma spraying method, which was carried out on a specially developed installation in air using a plasma torch and a dispenser of an original design (for the description of the installation and plasmatron see patents RU2295588, WO2008063038, WO2004079035, US2001014648) Plasma spraying of aluminum powder and as well as other process parameters are given in table 5. Tab. 5. The main parameters of the plasma spraying process.
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000015_0001
В результате проведенных экспериментов было получено сплошное алюминиевое покрытие, толщиной 18 - 24 микрон. Химический состав напыленного покрытия представлен данными рентгенографического исследования (фиг. 1), которое проводилось с использованием обычной методики Брэгга-Брентано на рентгенографической установке марки ДРОН- 6, оснащенной вторичным графитовым монохроматором. В качестве источника облучения использовался Си radiation (λ = 1,541838 А) На фиг. 1 представлена рентгенограмма напыленного алюминиевого слоя. As a result of the experiments, a solid aluminum coating with a thickness of 18-24 microns was obtained. The chemical composition of the sprayed coating is presented by X-ray diffraction data (Fig. 1), which was carried out using the usual Bragg-Brentano technique on a DRON-6 radiographic unit equipped with a secondary graphite monochromator. The radiation source was used Cu radiation (λ = 1.541838 A). In FIG. 1 is a radiograph of a sprayed aluminum layer.
Прочность сцепления алюминиевого покрытия с металлической подложкой оценивалась по результатам механической обработки полученного полуфабриката путем визуального контроля на предмет наличия нарушений целостности напыленного покрытия (отслоение, осыпание и др.). В качестве двух типичньк и достаточно жестких операций механической обработки для оценки целостности были выбраны гофрирование и перфорирование. Этап 2. The adhesion strength of the aluminum coating with the metal substrate was evaluated by the results of the machining of the obtained semi-finished product by visual inspection for violations of the integrity of the sprayed coating (peeling, shedding, etc.). Corrugation and perforation were chosen as two typical and rather rigid machining operations for assessing the integrity. Stage 2.
Проведение механической обработки (включая резку, гофрирование, перфорирование и др.) для формирования каталитического элемента в его окончательном виде. Этот этап был уже частично описан в Этапе 1 (см. выше), так что дальнейшее описание данного этапа представляется излишним. Carrying out mechanical processing (including cutting, corrugation, perforation, etc.) to form the catalytic element in its final form. This step has already been partially described in Step 1 (see above), so further description of this step seems unnecessary.
Этап 3. Stage 3.
Проведение обработки полученного каталитического элемента (полуфабриката) в паровоздушной среде при повышенном давлении и температуре для частичного превращения поверхностной части адгезионного слоя в гидроксиды алюминия. Processing the obtained catalytic element (semi-finished product) in a vapor-air medium at elevated pressure and temperature to partially convert the surface of the adhesive layer to aluminum hydroxides.
Гидротермальная обработка полуфабрикатов носителя после плазменного напыления и каталитических элементов (сотовых структур), изготовленных из этого носителя проводилось на специальной установке, разработанной и изготовленной для решения данной задачи. Установка представляет собой термобароклав (фиг. 2 ), рассчитанный на работу в интервале температур и давлений, (приведенных в Таблице 6) и включающий в себя реакционную камеру, представляющую рабочий объем для размещения полуфабрикатов носителя и каталитических элементов (сотовых структур) при проведении гидротермальной обработки, шлюзовую камеру, обеспечивающую предварительное размещение каталитических элементов для последующей их транспортировки в реакционную камеру, и разгрузочную камеру, где производится разгрузка обработанных каталитических элементов. The hydrothermal treatment of the carrier semi-finished products after plasma spraying and the catalytic elements (honeycomb structures) made of this carrier was carried out on a special installation designed and manufactured to solve this problem. The installation is a thermobaroclave (Fig. 2), designed to operate in the temperature and pressure range (shown in Table 6) and includes a reaction chamber representing the working volume for placing the semi-finished products of the carrier and catalytic elements (honeycomb structures) during hydrothermal treatment , a lock chamber, providing preliminary placement of the catalytic elements for their subsequent transportation to the reaction chamber, and an unloading chamber, where the processed atalytic elements.
Табл. 6. Интервалы рабочих температур и давлений термобароклава. Tab. 6. Intervals of operating temperatures and pressures of the thermobaroclave.
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0001
Дополнительное оборудование установки включает устройство, обеспечивающее регулировку и поддержание основных параметров процесса (температура, давление, влажность, расход и др.) в автоматическом режиме.  Additional equipment of the installation includes a device that provides adjustment and maintenance of the main process parameters (temperature, pressure, humidity, flow rate, etc.) in automatic mode.
Обработку в термобароклаве проводили по режимам, приведенным в таблице 7. Табл. 7. Основные режимы обработки полуфабриката носителя в термобароклаве. Processing in a thermobaroclave was carried out according to the modes shown in table 7. Tab. 7. The main modes of processing a semi-finished carrier in a thermal baroclave.
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000017_0001
Как показали исследования, гидротермальная обработка по всем режимам (1,2 и 3) сопровождается переходом поверхностного слоя алюминиевого покрытия в оксид алюминия гамма-модификации, развитием свободной поверхности покрытия и формированием оптимальной структуры пористости.  Studies have shown that hydrothermal treatment in all modes (1, 2, and 3) is accompanied by a transition of the surface layer of the aluminum coating to gamma alumina, the development of the free surface of the coating, and the formation of an optimal porosity structure.
Величина относительной свободной поверхности, характеризующая развитие пористости, после гидротермальной обработки по 2 и 3 находится в интервале 60 - 100 м2/гр, что является вполне приемлемым результатом. The value of the relative free surface, characterizing the development of porosity, after hydrothermal treatment according to 2 and 3 is in the range of 60 - 100 m2 / g, which is an acceptable result.
Однако, если при обработке по 1 и 2 режиму поверхность, в целом, морфологически сохраняет микроструктуру напыленного слоя и в поверхностном слое можно отметить наличие сферических частиц различных размеров (от нескольких микронов до десятков микронов), частично деформированных (сплющенных) и прочно скрепленных друг с другом, что представляет собой типичную структуру напыленного слоя, то совсем другая картина наблюдается при обработке по режиму 3. However, if during processing according to regimes 1 and 2, the surface, as a whole, morphologically preserves the microstructure of the sprayed layer and in the surface layer the presence of spherical particles of various sizes (from several microns to tens of microns), partially deformed (flattened) and firmly bonded to each other, can be noted another, which is a typical structure of the sprayed layer, a completely different picture is observed when processing according to mode 3.
В этом случае, экспериментально установлено, что на поверхности напыленного слоя формируется упорядоченный «лес» нанокристаллитов игольчатой формы, имеющих достаточно однородную ориентацию относительно подложки. На фиг. 3 представлена, при различном увеличении, структура поверхности алюминиевого напыленного слоя после обработке в термобароклаве по режиму 3 (см. Таблицу 7). In this case, it was experimentally established that an ordered "forest" of needle-shaped nanocrystallites having a fairly uniform orientation relative to the substrate is formed on the surface of the sprayed layer. In FIG. 3 shows, at various magnifications, the surface structure of the aluminum sprayed layer after processing in a thermal baroclave according to mode 3 (see Table 7).
Подобная структура устойчиво формируется на поверхности напыленного слоя алюминия в следующих интервалах температур и давлений (см. табл. 8). Табл. 8. Интервалы формирования наноструктуры покрытия при обработке напыленного полуфабриката в ступенчатом режиме (режим 3). A similar structure is stably formed on the surface of the sprayed aluminum layer in the following temperature and pressure ranges (see Table 8). Tab. 8. The intervals of formation of the coating nanostructure during the processing of the sprayed semi-finished product in a stepwise mode (mode 3).
Figure imgf000018_0001
Figure imgf000018_0001
На фиг. 3 представлена структура поверхности алюминиевого напыленного слоя после обработке в термобароклаве по ступенчатому режиму с понижением температуры обработки.  In FIG. 3 shows the surface structure of the aluminum sprayed layer after processing in a thermal baroclave according to a stepwise mode with decreasing the treatment temperature.
Как показали исследования тонкой структуры поверхности после гидротермальной обработки, повышение температуры и давления вызывает повышение интенсивности превращения алюминиевого покрытия и процесс постепенно переходит с поверхности в глубь покрытия. При этом в напыленном слое чистого алюминия наблюдается постепенное послойное превращение металлического алюминия в соответствующий оксид и формирование специфической микроструктуры. As shown by studies of the fine structure of the surface after hydrothermal treatment, an increase in temperature and pressure causes an increase in the conversion rate of the aluminum coating and the process gradually moves from the surface into the depth of the coating. In this case, in the sprayed layer of pure aluminum, a gradual layer-by-layer conversion of metallic aluminum into the corresponding oxide and the formation of a specific microstructure are observed.
Что же касается специфического эффекта формирования наноструктурного «леса» кристаллов в условиях ступенчатого режима с понижением температуры и давления на втором этапе, то это, возможно, связано с повышением избирательности точек роста в процессе кристаллизации нанокристаллов. As for the specific effect of the formation of a nanostructured “forest” of crystals under the conditions of a stepwise regime with a decrease in temperature and pressure in the second stage, this is probably due to an increase in the selectivity of growth points during the crystallization of nanocrystals.

Claims

Формула изобретения Claim
Способ изготовления металлокерамического гибкого носителя с нанокристаллическим поверхностным слоем, включающий плазменное напыление специального покрытия на базе алюминия на металлический ленточный носитель с последующим проведением гидротермальной обработки гибкого полуфабриката, и отличающийся тем, что гидротермальная обработка, обеспечивающая получение оптимальной микро- и наноструктуры и пористости, проводится в два этапа, причем первый этап обработки проводится при давлении в пределах от 20 до 26 атм и температур в пределах от 200 до 230 С в течение 6 - 12 часов, а второй этап при давлении от 4 до 8 атм и температурах в пределах от 150 до 170 в течение 120 - 160 часов. A method of manufacturing a ceramic-metal flexible carrier with a nanocrystalline surface layer, including plasma spraying of a special coating on the basis of aluminum on a metal tape carrier followed by hydrothermal treatment of a flexible semi-finished product, and characterized in that the hydrothermal treatment, providing optimal micro- and nanostructure and porosity, is carried out in two stages, the first stage of processing being carried out at a pressure in the range from 20 to 26 atm and temperatures in the range of 200 to 230 C for 6 - 12 hours and the second stage at a pressure of 4 to 8 atmospheres and temperatures ranging from 150 to 170 for 120 - 160 hours.
PCT/LT2014/000011 2014-10-03 2014-10-03 Method for preparing a flexible metal-ceramic carrier having a nanocrystalline surface layer WO2016053070A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES201790011A ES2654858B1 (en) 2014-10-03 2014-10-03 METHOD FOR PREPARING A METAL SUPPORT - FLEXIBLE CERAMIC THAT HAS A NANOCRISTALINE SURFACE LAYER
PCT/LT2014/000011 WO2016053070A1 (en) 2014-10-03 2014-10-03 Method for preparing a flexible metal-ceramic carrier having a nanocrystalline surface layer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/LT2014/000011 WO2016053070A1 (en) 2014-10-03 2014-10-03 Method for preparing a flexible metal-ceramic carrier having a nanocrystalline surface layer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016053070A1 true WO2016053070A1 (en) 2016-04-07

Family

ID=55631011

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/LT2014/000011 WO2016053070A1 (en) 2014-10-03 2014-10-03 Method for preparing a flexible metal-ceramic carrier having a nanocrystalline surface layer

Country Status (2)

Country Link
ES (1) ES2654858B1 (en)
WO (1) WO2016053070A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2126717C1 (en) * 1995-03-06 1999-02-27 Хинский Александр Павлович Method of manufacturing catalytic unit for neutralization of gas effluents
RU90440U1 (en) * 2009-09-23 2010-01-10 Общество с ограниченной ответственностью "Инновационно-технологический центр "НАНОМЕР" COMPOSITION ALUMINUM-OXIDE COATING FOR PROTECTING STEEL FROM CORROSION AND WEAR
US20120282132A1 (en) * 2009-07-14 2012-11-08 Watkins James J Metal and metal oxide structures and preparation thereof

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6491985B2 (en) * 2000-12-20 2002-12-10 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Method for enhancing the surface of a metal substrate

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2126717C1 (en) * 1995-03-06 1999-02-27 Хинский Александр Павлович Method of manufacturing catalytic unit for neutralization of gas effluents
US20120282132A1 (en) * 2009-07-14 2012-11-08 Watkins James J Metal and metal oxide structures and preparation thereof
RU90440U1 (en) * 2009-09-23 2010-01-10 Общество с ограниченной ответственностью "Инновационно-технологический центр "НАНОМЕР" COMPOSITION ALUMINUM-OXIDE COATING FOR PROTECTING STEEL FROM CORROSION AND WEAR

Also Published As

Publication number Publication date
ES2654858A2 (en) 2018-02-15
ES2654858B1 (en) 2018-10-04
ES2654858R1 (en) 2018-04-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tang et al. Deposition, characterization and high-temperature steam oxidation behavior of single-phase Ti2AlC-coated Zircaloy-4
RU2469126C2 (en) Method of applying coating on substrate surface and coated product
EP3345699B1 (en) Process of forming a component
US4916022A (en) Titania doped ceramic thermal barrier coatings
US4880614A (en) Ceramic thermal barrier coating with alumina interlayer
US5015502A (en) Ceramic thermal barrier coating with alumina interlayer
CN110832107B (en) PVD bonding layer
JP6387005B2 (en) Thermal barrier coating system and its production and use
JPH09296702A (en) Heat insulating coated product and coating method
EP2399883B1 (en) Article having composite coating
Levchuk et al. Al–Cr–O thin films as an efficient hydrogen barrier
Bik et al. Studies on the oxidation resistance of SiOC glasses coated TiAl alloy
Sharma et al. Influence of γ-alumina coating on surface properties of direct metal laser sintered 316L stainless steel
Kirubaharan et al. Corrosion behavior of ceramic nanocomposite coatings at nanoscale
Koech et al. High-temperature corrosion behaviour of aluminized-coated and uncoated alloy 718 under cyclic oxidation and corrosion in NaCl vapour at 750° C
Chevalier et al. Influence of reactive element oxide coatings on the high temperature oxidation behavior of alumina-forming alloys
EP2236642B1 (en) Controlled oxidation of bond coat
JP2007146266A (en) Corrosion protection-covered steel material and its production method
Coad et al. The use of titanium nitride as a diffusion barrier for M Cr Al Y coatings
JP2003301278A (en) Method for manufacturing complex metal and complex metallic member
WO2016053070A1 (en) Method for preparing a flexible metal-ceramic carrier having a nanocrystalline surface layer
Tailor et al. Microstructural and thermal properties of plasma sprayed YSZ nano-clusters thermal barrier coatings
Tang et al. Improvement of the high-temperature oxidation resistance of Zr alloy cladding by surface modification with aluminum-containing ternary carbide coatings
Lachowicz et al. Corrosion damage mechanisms of TiO2 cold-sprayed coatings
KR102190320B1 (en) Barrier coating for turbochargers

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14903114

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: P201790011

Country of ref document: ES

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14903114

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1