RU2353706C2 - Manufacturing method of functional surface - Google Patents
Manufacturing method of functional surface Download PDFInfo
- Publication number
- RU2353706C2 RU2353706C2 RU2007114942/02A RU2007114942A RU2353706C2 RU 2353706 C2 RU2353706 C2 RU 2353706C2 RU 2007114942/02 A RU2007114942/02 A RU 2007114942/02A RU 2007114942 A RU2007114942 A RU 2007114942A RU 2353706 C2 RU2353706 C2 RU 2353706C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- particles
- sprayed
- powder
- spraying
- roughness
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 60
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 53
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 42
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 37
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 34
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 26
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 16
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 32
- 238000003801 milling Methods 0.000 claims description 7
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 6
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 6
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 5
- 239000000320 mechanical mixture Substances 0.000 claims description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 4
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 4
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 3
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 3
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 abstract description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 abstract description 2
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 abstract 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 abstract 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 18
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 7
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 6
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 101100110007 Neurospora crassa (strain ATCC 24698 / 74-OR23-1A / CBS 708.71 / DSM 1257 / FGSC 987) asd-1 gene Proteins 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102220489711 Ubiquitin-like modifier-activating enzyme ATG7_F15D_mutation Human genes 0.000 description 1
- 239000003082 abrasive agent Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000011362 coarse particle Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 238000005554 pickling Methods 0.000 description 1
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии управляемых процессов формирования функциональной поверхности и может быть использовано в машиностроении, например, для формирования отражающих и других металлосодержащих покрытий с заданными параметрами кривизны и шероховатости, в том числе и на крупноразмерных подложках.The invention relates to the technology of controlled processes of forming a functional surface and can be used in mechanical engineering, for example, for the formation of reflective and other metal-containing coatings with specified parameters of curvature and roughness, including on large-sized substrates.
Известен способ нанесения металлосодержащих покрытий на крупноразмерные подложки в вакууме, используемый для радиочастотного и оптического диапазона. По этому способу напыление покрытия осуществляется в вакуумной камере с использованием источника металлической плазмы. Этот способ не позволяет формировать покрытия на деталях, имеющих размеры, более чем габариты вакуумной камеры, имеет низкую производительность и сложен в автоматизации процесса [1].A known method of applying metal-containing coatings on large-sized substrates in vacuum, used for the radio frequency and optical ranges. According to this method, the coating is sprayed in a vacuum chamber using a source of metal plasma. This method does not allow the formation of coatings on parts having dimensions greater than the dimensions of the vacuum chamber, has low productivity and is difficult to automate the process [1].
Известен способ нанесения покрытий плазменным напылением. По этому способу материал покрытия в виде порошка либо проволоки вводится в высокотемпературную плазменную струю, где он интенсивно нагревается, плавится, распыляется и при взаимодействии с поверхностью обрабатываемой детали образует покрытие [2].A known method of coating by plasma spraying. According to this method, the coating material in the form of a powder or wire is introduced into a high-temperature plasma jet, where it is intensively heated, melted, sprayed and, when interacting with the surface of the workpiece, forms a coating [2].
Основными недостатками являются температурные напряжения в покрытии и подложке, приводящие к температурным поводкам и искажению профиля, а также невозможность использовать высокодисперсные наноструктурные композиты, интенсивное взаимодействие частиц с окружающей средой, приводящее к окислению и испарению высокодисперсных порошков.The main disadvantages are temperature stresses in the coating and substrate, which lead to temperature leashes and profile distortion, as well as the inability to use finely dispersed nanostructured composites, intense interaction of particles with the environment, leading to the oxidation and evaporation of finely dispersed powders.
Известен способ изготовления отражающей поверхности рефлектора, заключающийся в том, что на поверхность рефлектора наносят слой металла напылением в вакууме или гальваническим путем, после чего на поверхность слоя металла наносят защитное покрытие - лак или краску с последующим формированием отражающей поверхности путем частичного удаления лучом лазера защитного покрытия и выполнения травлением на поверхности отражателя без защитного покрытия канавок с последующим удалением с отражателя оставшегося защитного покрытия [3].A known method of manufacturing a reflective surface of the reflector is that a metal layer is deposited on the reflector surface by spraying in vacuum or galvanically, after which a protective coating is applied to the surface of the metal layer - varnish or paint, followed by the formation of the reflective surface by partially removing the protective coating by the laser beam and performing etching on the surface of the reflector without a protective coating of the grooves, followed by removal of the remaining protective coating from the reflector [3].
Анализ известного способа показывает его недостатки: ограничение по габаритам обрабатываемых изделий, связанное с размерами применяемых вакуумных камер и емкостей для гальваники, низкую производительность, невозможность наносить многокомпонентные металлосодержащие и композиционные покрытия, наводороживание детали и связанное с этим снижение ее механических свойств, наличие неуправляемых или не поддающихся автоматизации технологических операций, например травление, гальваника, которые представляют к тому же экологическую опасность.The analysis of the known method shows its shortcomings: the limited size of the processed products, associated with the size of the used vacuum chambers and containers for electroplating, low productivity, the inability to apply multicomponent metal and composite coatings, hydrogenation of the part and the associated reduction in its mechanical properties, the presence of uncontrollable or not amenable to automation of technological operations, such as pickling, electroplating, which also pose an environmental hazard Th.
Наиболее близким к предлагаемому является способ нанесения функциональных покрытий с высокими адгезивными свойствами, заключающийся в том, что используется метод холодного газодинамического нанесения порошков из двух или более автономно работающих дозаторов с регулируемым по определенной зависимости, ускоренных сверхзвуковым потоком подогретого рабочего газа, например воздуха [4].Closest to the proposed one is a method of applying functional coatings with high adhesive properties, which consists in the fact that the method of cold gas-dynamic deposition of powders from two or more autonomously working dispensers with controlled by a certain dependence accelerated supersonic flow of heated working gas, such as air [4] is used .
Анализ известного способа показывает его недостатки:Analysis of the known method shows its disadvantages:
1. Не обеспечивается нанесение ультра- и наночастиц для получения покрытий из порошковых материалов, создание наноструктурных покрытий.1. The application of ultra- and nanoparticles to obtain coatings of powder materials, the creation of nanostructured coatings is not ensured.
2. Не обеспечивается возможность изготовления заданной кривизны, регулируемого изменения шероховатости поверхности при напылении, а также ее финишной доводки.2. It is not possible to produce a predetermined curvature, an adjustable change in surface roughness during spraying, as well as its finishing refinement.
3. Не позволяет влиять на степень деформации частиц и, соответственно, упрочнение напыляемого слоя, т.е. улучшение качества поверхности.3. Does not allow to influence the degree of deformation of particles and, accordingly, the hardening of the sprayed layer, ie surface quality improvement.
4. Не задается температурный режим формирования покрытия, что может вызвать температурные напряжения в покрытии и подложке, привести к температурным поводкам и искажению профиля.4. The temperature regime of coating formation is not set, which can cause temperature stresses in the coating and the substrate, lead to temperature leashes and distortion of the profile.
Предлагаемым изобретением решается задача создания способа, обеспечивающего управляемый процесс изготовления функциональной поверхности, например, отражающей с заданными параметрами кривизны и шероховатости, в том числе и на крупноразмерных подложках, а также экологически безопасного процесса.The present invention solves the problem of creating a method that provides a controlled process for manufacturing a functional surface, for example, reflecting curvature and roughness with given parameters, including on large-sized substrates, as well as an environmentally friendly process.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления функциональной поверхности, включающем холодное газодинамическое напыление на поверхность слоя материала порошковым материалом со скоростью, обеспечивающей соединение частиц порошка с поверхностью, для чего частицам порошка задают скорость, обеспечивающую ударное прессование напыляемого материала, и последующую доводку поверхности, новым является то, что в процессе напыления осуществляют формирование профиля поверхности с помощью программного управления с использованием зависимости между толщиной покрытия и плотностью потока напыляемого материала и/или скоростью перемещения пятна напыления относительно поверхности, в процессе напыления используют напыляемый порошковый материал с размером частиц 0,01-50 мкм из металлов, или сплавов, или композитов, или их взаимные смеси, или механические смеси с диэлектриками и полупроводниками или используют указанный напыляемый порошковый материал совместно с обрабатывающим материалом, в качестве которого используют грубодисперсные сфероидизированные частицы с размером 70-300 мкм из стальных или твердых магнитных материалов, а температуру поверхности и порошкового напыляемого материала поддерживают ниже температуры рекристаллизации низкоплавкого компонента напыляемого порошкового материала, а после напыления проводят доводку напыленной поверхности механической обработкой с программным управлением до номинальных размеров ее профиля и шероховатости.The specified technical result is achieved in that in a method for manufacturing a functional surface comprising cold gas-dynamic spraying of a material layer with a powder material at a speed that ensures the connection of the powder particles with the surface, for which the powder particles are set at a speed that provides shock pressing of the sprayed material, and subsequent surface refinement , new is that in the process of spraying the formation of the surface profile is carried out using software control using the relationship between the coating thickness and the density of the flow of the sprayed material and / or the speed of movement of the spray spot relative to the surface, the spray process uses a sprayed powder material with a particle size of 0.01-50 microns from metals, or alloys, or composites, or their mutual mixtures or mechanical mixtures with dielectrics and semiconductors or use the specified sprayed powder material together with the processing material, which is used as a coarse-grained spheroidizing particles with a size of 70-300 microns from steel or solid magnetic materials, and the surface temperature and the powder sprayed material are kept below the recrystallization temperature of the low-melting component of the sprayed powder material, and after spraying, the sprayed surface is machined with programmed control to the nominal dimensions of its profile and roughness.
Процесс изготовления функциональной поверхности осуществляют с одновременным отсосом, улавливанием и сепарацией частиц материалов.The manufacturing process of the functional surface is carried out with simultaneous suction, trapping and separation of particles of materials.
Программно-управляемую механическую обработку и доводку поверхности до номинальных размеров ее профиля и шероховатости осуществляют путем пневмоабразивной и/или фрезерной обработки.Software-controlled machining and surface refinement to the nominal dimensions of its profile and roughness is carried out by pneumoabrasive and / or milling.
Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники, и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.These features are not identified in other technical solutions when studying the level of this technical field, and, therefore, the solution is new and has an inventive step.
Предлагаемый способ поясняется чертежом, на котором изображена схема управления процессом изготовления функциональной поверхности.The proposed method is illustrated in the drawing, which shows a control diagram of the manufacturing process of the functional surface.
На схеме показаны обрабатываемая деталь 1, трехкоординатный стол 2 с механизмом перемещения 3 автоматизированного робототехнического комплекса (АРТК), сканирующая бесконтактная 3D-измерительная система технического зрения 4, компьютер 5, пульт управления 6, система абразивной обработки 7 с дозатором 8, система фрезерной обработки 9, система напыления, состоящая из узла напыления 10, дозаторов напыляемого 11 и обрабатывающего материалов 12, нагревателя 13.The diagram shows the workpiece 1, a three-coordinate table 2 with a movement mechanism 3 of an automated robotic complex (ARTC), a scanning non-contact 3D measuring vision system 4, a computer 5, a control panel 6, an abrasive processing system 7 with a dispenser 8, a milling system 9 , a spraying system consisting of a spraying unit 10, dispensers for spraying 11 and processing materials 12, heater 13.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.The proposed method is as follows.
Обрабатываемую деталь (например, элемент отражающего зеркала - фацету) 1 устанавливают на трехкоординатный стол 2 с механизмом перемещения 3, где ее поверхность сканируется бесконтактной 3D-измерительной системой технического зрения 4. После математической обработки данных, полученных со сканера 4, и расчета трехмерного профиля поверхности с помощью программно-математического обеспечения (ПМО) персонального компьютера 5 формируется трехмерная модель поверхности фацеты 1 с получением и записью в памяти компьютера 3D-координат в каждой точке этой поверхности с непосредственной ее визуализацией в режиме реального времени в виде трехмерной картины на экране монитора компьютера. Затем после сравнения реального профиля поверхности с математической моделью заданного профиля с компьютера выдаются управляющие команды в виде 3D-координат механизму перемещения АРТК и через пульт управления 6 подаются команды системе абразивной обработки 7, системе фрезерной обработки 9 и системе напыления порошка с целью получения профиля поверхности фацеты 1, максимально приближенного к теоретическому.The workpiece (for example, an element of the reflecting mirror - facet) 1 is installed on a three-coordinate table 2 with a movement mechanism 3, where its surface is scanned by a non-contact 3D-measuring system of technical vision 4. After mathematical processing of the data received from the scanner 4 and calculation of the three-dimensional surface profile using mathematical software (PCM) of a personal computer 5, a three-dimensional model of the facet surface 1 is formed with 3D coordinates being received and written in the computer memory at each point this surface with its direct visualization in real time in the form of three-dimensional pattern on the computer screen. Then, after comparing the real surface profile with the mathematical model of the given profile, control commands are issued from the computer in the form of 3D coordinates to the APTK movement mechanism and through the control panel 6 commands are issued to the abrasive processing system 7, the milling processing system 9 and the powder spraying system to obtain a facet surface profile 1, as close to theoretical as possible.
Процесс напыления поверхности осуществляют порошковым материалом методом холодного газодинамического напыления. При этом предварительно подготовленные напыляемые порошковые материалы с размером частиц 0,01-50 мкм из требуемых для выполнения данной задачи, например сплавов или композитов, их взаимные смеси и механические смеси с диэлектриками и полупроводниками, в которых объем последних не более 25%, засыпают в дозатор 11. Подают сжатый рабочий газ в узел напыления 10 и выводят его на рабочий режим с помощью запорно-регулирующих органов (на чертеже не показано) (по давлению) и системы (на чертеже не показано), регулирующей подачу электроэнергии на омический нагреватель 13 (по температуре торможения газа). В узел напыления 10 вводят порошковый материал с расходом частиц, задаваемым дозатором 11, обеспечивая нужную плотность массового расхода частиц. Температуру формируемой поверхности и газопорошкового потока напыляемого материала поддерживают ниже температуры рекристаллизации низкоплавкого компонента напыляемого порошкового материала с помощью нагревателя 13 и полученным газопорошковым потоком формируют покрытие на обрабатываемой поверхности. Для повышения качества поверхности процесс напыления порошкового материала можно проводить совместно с обрабатывающим материалом, которые засыпают в дозаторы 11 и 12. При этом в качестве обрабатывающего материала используют сфероидизированные частицы с размером 70-300 мкм из стальных или твердых магнитных материалов.The surface spraying process is carried out with a powder material by the method of cold gas-dynamic spraying. In this case, pre-prepared sprayed powder materials with a particle size of 0.01-50 microns from those required to perform this task, for example alloys or composites, their mutual mixtures and mechanical mixtures with dielectrics and semiconductors, in which the volume of the latter is not more than 25%, is filled in dispenser 11. Supply compressed working gas to the deposition unit 10 and bring it into operation using shut-off and regulating bodies (not shown in the drawing) (pressure) and a system (not shown in the drawing) that regulates the supply of electricity to ohmic th heater 13 (by gas braking temperature). Powder material is introduced into the deposition unit 10 at a particle rate specified by the dispenser 11, providing the desired particle mass density. The temperature of the formed surface and the gas-powder flow of the sprayed material is maintained below the recrystallization temperature of the low-melting component of the sprayed powder material using the heater 13, and the resulting gas-powder flow forms a coating on the treated surface. To improve the quality of the surface, the process of spraying the powder material can be carried out together with the processing material, which is poured into the dispensers 11 and 12. In this case, spheroidized particles with a size of 70-300 microns from steel or solid magnetic materials are used as the processing material.
Причем напыляемому порошковому материалу задают скорость, обеспечивающую соединение его с поверхностью, а частицам обрабатывающего материала - скорость, обеспечивающую ударное прессование напыляемого материала. Процесс изготовления отражающей поверхности осуществляют с одновременным отсосом, улавливанием, сепарацией и утилизацией частиц абразивных, напыляемых и обрабатывающих материалов с помощью стандартного оборудования. А при необходимости производится механическая программно-управляемая обработка и доводка поверхности до номинальных размеров ее профиля и шероховатости. Контрольное сканирование поверхности с получением ее 3D-картины возможно в процессе и после напыления, пневмоабразивной обработки и фрезерования.Moreover, the sprayed powder material is set at a speed that ensures its connection with the surface, and for the particles of the processing material, at a speed that provides shock pressing of the sprayed material. The process of manufacturing a reflective surface is carried out with the simultaneous suction, capture, separation and disposal of particles of abrasive, sprayed and processing materials using standard equipment. And if necessary, mechanical program-controlled processing and refinement of the surface to the nominal dimensions of its profile and roughness are performed. A control scan of the surface with obtaining its 3D-picture is possible during and after spraying, pneumoabrasive processing and milling.
Применение метода ХГН для изготовления функциональных поверхностей, например отражающих, поглощающих в широком диапазоне длин волн, позволяет автоматизировать процесс нанесения покрытия, обеспечивает высокое качество покрытия и подложки без температурных напряжений и поводок в связи с тем, что процесс напыления осуществляется в низкотемпературном режиме при комнатной температуре или, если допускают требования, при температуре 150-400°С, но всегда ниже температуры рекристаллизации низкоплавкого компонента. Применение высокодисперсных, в том числе наноразмерных частиц обеспечивает создание плотноупакованных материалов покрытий. А использование дополнительно обрабатывающих материалов в виде стальных шариков обеспечивает в процессе напыления ударное прессование (холодное поверхностное деформирование), упрочнение и повышение плотности. Кроме того, крупные тяжелые частицы обрабатывающего материала в связи с большой инерционностью имеют сравнительно низкую по сравнению с напыляемыми частицами скорость соударения с поверхностью. При этом под действием упругой энергии частицы обрабатывающего материала отражаются от поверхности на расстояние около 10 диаметров своего размера, трансформируют прямую ударную волну газа перед напыляемой поверхностью в коническую и тем самым обеспечивают высокую скорость натекающего газа и частиц [5, 6] и их компактирование на поверхности детали.The use of the CGN method for the manufacture of functional surfaces, for example, reflecting, absorbing in a wide range of wavelengths, allows you to automate the coating process, provides high quality coatings and substrates without temperature stresses and leashes due to the fact that the deposition process is carried out in a low temperature mode at room temperature or, if the requirements allow, at a temperature of 150-400 ° C, but always below the recrystallization temperature of the low-melting component. The use of finely dispersed, including nanosized particles ensures the creation of close-packed coating materials. And the use of additional processing materials in the form of steel balls provides impact compression (cold surface deformation), hardening and increasing density during the spraying process. In addition, large heavy particles of the processing material, due to the high inertia, have a relatively low speed of impact with the surface compared with sprayed particles. In this case, under the action of elastic energy, the particles of the processing material are reflected from the surface by a distance of about 10 diameters of their size, transform the direct shock wave of the gas in front of the sprayed surface into a conical one and thereby provide a high velocity of the incoming gas and particles [5, 6] and their compacting on the surface the details.
Зависимость толщины формируемого покрытия от плотности потока напыляемого материала (прямая) и от скорости перемещения пятна напыления относительно поверхности детали (обратная) дает возможность создания программы, управляющей технологическими операциями формирования поверхности определенного профиля и шероховатости, используя для этого стандартное оборудование. Чем выше плотность потока, тем выше производительность напыления по массе и, соответственно, больше толщина покрытия при постоянной скорости перемещения пятна напыления. Под пятном напыления понимается площадь контакта неподвижной газопорошковой струи с неподвижной деталью. С увеличением скорости перемещения пятна напыления и сохранении постоянной плотности потока толщина покрытия будет уменьшаться.The dependence of the thickness of the formed coating on the flux density of the sprayed material (direct) and on the speed of movement of the spray spot relative to the surface of the part (inverse) makes it possible to create a program that controls the technological operations of forming a surface of a certain profile and roughness using standard equipment. The higher the flux density, the higher the productivity of the deposition by weight and, accordingly, the greater the thickness of the coating at a constant speed of movement of the spray spot. A spray spot is understood to mean the contact area of a stationary gas-powder jet with a fixed part. With an increase in the speed of movement of the spraying spot and maintaining a constant flow density, the coating thickness will decrease.
Пример 1.Example 1
Пример реализации способа изготовления функциональной поверхности с заданной кривизной и шероховатостью, обладающей отражающими, коррозионно-стойкими и хладостойкими свойствами. Использовалась деталь - фацета из алюминиевого сплава в виде пластины с размером (150×200×5) мм. В качестве напыляемого материала использовалась механическая смесь следующих порошков: алюминия Al марки АСД-1 с дисперсностью 1-50 мкм и средним размером d=20 мкм, металлополимерного нанокомпозита, полученного совместной механической обработкой в шаровой мельнице порошков Al марки ПАВЧ с дисперсностью 1-40 мкм и ультрадисперсного порошка политетрафторэтилена УПТФЭ с дисперсностью менее 1 мкм.An example of the implementation of the method of manufacturing a functional surface with a given curvature and roughness with reflective, corrosion-resistant and cold-resistant properties. The part used was a facet made of aluminum alloy in the form of a plate with a size of (150 × 200 × 5) mm. As the sprayed material, a mechanical mixture of the following powders was used: aluminum ASD-1 grade aluminum with a dispersion of 1-50 μm and an average size of d = 20 μm, a metal-polymer nanocomposite obtained by joint mechanical processing in a ball mill of PAVCH Al powders with a dispersion of 1-40 μm and ultrafine UPTFE polytetrafluoroethylene powder with a fineness of less than 1 μm.
Предварительно, используя программно-управляющую систему, записывались в память компьютера координаты реальной поверхности, регистрируемой с помощью автоматизированного робототехнического комплекса (АРТК) и 3D-измерительной системы. Затем задавалась требуемая кривизна (средняя поверхность) за минусом допуска на толщину напыления и подавалась команда с программно-управляющей системы на систему фрезерной обработки. После выполнения фрезерной обработки осуществляется компьютерная обработка данных и выдаются управляющие команды на системы утилизации частиц (отсос, улавливание, сепарация) и напыления: последовательно производится подача сжатого газа (воздуха) в дозатор напыляемого порошка 11, в подогреватель 13 газа и узел напыления 10, контролируется выход последнего на сверхзвуковое истечение газа, подается электропитание на систему утилизации частиц и нагреватель газа с фиксацией расчетного режима - по давлению Ро=1,6 МПа и температуре торможения газа 150°С и после этого - на электропривод дозатора напыляемого порошка 11, числом оборотов которого устанавливается расход порошка (г/с) и при известных размерах пятна напыления и относительной скорости перемещения узла напыления и подложки - плотность потока напыляемого материала (порошка) в г/с·см2 на подложку. Одновременно по координатам поверхности измеряется толщина покрытия в пятне напыления. По результатам обработки этих данных система программного управления вырабатывает команды на электропривод дозатора и систему АРТК для поддержания условий напыления покрытия заданной толщины (номинальной). Покрытие наносилось по всей площади подложки, толщиной не менее 50 мкм и шероховатостью Rz 20. После этого отключался узел напыления и включалась система пневмоабразивной доводки и приработки. Использовался дозвуковой поток воздуха с давлением и температурой торможения соответственно (0,4-0,5) МПа и (15-20)°С, а в качестве абразивного материала применялись порошки окиси алюминия (Al2О3) размером 1-10 мкм для достижения шероховатости 1-5 мкм и окиси кремния (SiO2) размером 30-40 нм для достижения шероховатости менее 30 нм. Средний угол встречи пневмоабразивной струи с обрабатываемой поверхностью составлял около 20°, т.е. был реализован процесс скользящего воздействия абразивных частиц, работающих как микро- или нанозерно при шлифовании. Кроме среза выступов металлического компонента скользящее движение абразива вызывает сдвиговое течение в материале УПТФЭ, способного растекаться в молекулярные слои, вследствие чего формируется наноразмерный поверхностный коррозионно-стойкий слой. С учетом того, что подложка и покрытие состоят из материалов, не подверженных хладоломкости до -253°С (20 К) - алюминий и его сплавы и -269°С для УПТФЭ, аналога фторопласта - 4, данная поверхность обладает повышенной хладостойкостью.Previously, using the program-control system, the coordinates of the real surface recorded using an automated robotic complex (ARTC) and a 3D measuring system were recorded in the computer's memory. Then the required curvature (middle surface) was set minus the tolerance on the spraying thickness and a command was sent from the program-control system to the milling processing system. After the milling processing is performed, computer data processing is carried out and control commands are issued for particle disposal systems (suction, capture, separation) and spraying: compressed gas (air) is supplied sequentially to the sprayed powder dispenser 11, to the gas heater 13 and the spraying unit 10, it is controlled yield of the latter on a supersonic outflow of gas supplied power to the recycling of particles and gas heater system with detent calculation mode - the pressure P = about 1.6 MPa and a temperature of braking g at 150 ° C and after that - to the electric metering device of the sprayed powder dispenser 11, the number of revolutions of which sets the powder flow rate (g / s) and for known sizes of the spraying spot and relative velocity of the spraying unit and the substrate - the flow density of the sprayed material (powder) in g / s · cm 2 on the substrate. At the same time, the thickness of the coating in the spray spot is measured by the coordinates of the surface. Based on the results of processing these data, the program control system generates commands for the metering electric drive and the ARTK system to maintain the coating spraying conditions of a given thickness (nominal). The coating was applied over the entire area of the substrate, with a thickness of at least 50 μm and a roughness of R z 20. After this, the spraying unit was turned off and the pneumoabrasive finishing and running-in system was turned on. A subsonic air flow with a pressure and a braking temperature of (0.4-0.5) MPa and (15-20) ° C, respectively, was used, and alumina (Al 2 O 3 ) powders of 1-10 μm in size were used as abrasive material achieving a roughness of 1-5 μm and silicon oxide (SiO 2 ) of a size of 30-40 nm to achieve a roughness of less than 30 nm. The average angle of contact of the pneumoabrasive jet with the treated surface was about 20 °, i.e. The process of the sliding action of abrasive particles working as micro- or nanograin during grinding was realized. In addition to cutting off the protrusions of the metal component, the sliding movement of the abrasive causes a shear flow in the UPTFE material, which can spread into molecular layers, as a result of which a nanosized surface corrosion-resistant layer is formed. Considering that the substrate and coating consist of materials that are not subject to cold brittleness down to -253 ° С (20 K) - aluminum and its alloys and -269 ° С for UPTFE, an analogue of fluoroplastic - 4, this surface has an increased cold resistance.
Пример 2.Example 2
Пример создания функциональной поверхности с заданной кривизной и шероховатостью, с повышенной плотностью, прочностью и отражающей способностью в инфракрасной области.An example of creating a functional surface with a given curvature and roughness, with increased density, strength and reflectivity in the infrared region.
Использовалась подложка из алюминиевого сплава Д16 размером (40×80×5) мм. Напылялась механическая смесь порошков меди размером 500÷10 нм, УПТФЭ 0,5% по объему с дисперсностью менее 1 мкм, дисперсно-упрочняющие частицы TiB2 и/или WC менее 1% (объема) размером 0,1-0,02 мкм, с одновременной обработкой сферическими частицами из шарикоподшипниковой стали ШХ15 или ШХ15СГ, размером 70-300 мкм.A substrate of D16 aluminum alloy with a size of (40 × 80 × 5) mm was used. A mechanical mixture of copper powders 500–10 nm in size, UPTFE 0.5% by volume with a dispersion of less than 1 μm, dispersion-strengthening particles of TiB 2 and / or WC less than 1% (volume) of 0.1-0.02 μm in size were sprayed with simultaneous treatment with spherical particles of ball bearing steel ШХ15 or ШХ15СГ, size 70-300 microns.
Использовалось тоже оборудование, что и в примере 1, но дополнительно для ввода грубодисперсных частиц применялся отдельный дозатор 12 (см. чертеж), а в системе утилизации включались электромагнитные улавливатели. При этом частицы напыляемых порошков и обрабатывающего материала на стадии напыления подавались в узел напыления 10 одновременно с независимо регулируемым расходом. Рабочий газ (воздух) с параметрами торможения соответственно по давлению 1,6 МПа, по температуре 250°С. При этих параметрах и сверхзвуковом потоке газа перед подложкой возникает скачок уплотнения, в котором сверхзвуковое течение переходит в дозвуковое. Соответственно и скорость безинерционных частиц (менее 1 мкм) при ударе составляет менее 300 м/с, т.к. они тормозятся после скачка уплотнения в сжатом слое, т.е. менее критической, необходимой для напыления. Ввод в узел напыления стальных частиц размером 70-300 мкм, ускоряемых в узле напыления до скорости 100-150 м/с (по данным лазерно-доплеровского измерителя скорости), приводит к тому, что при ударе о подложку они упруго отражаются и, выходя за пределы сжатого слоя, изменяют дозвуковое течение в нем на сверхзвуковое, образуя конические отрывные зоны. В связи с этим, ультра- и наноразмерные частицы ускоряются в этот момент до сверхзвуковой скорости и образуют покрытие на подложке. Время жизни отрывной зоны по данным оптических измерений не менее 1 мс. В соответствии с этим оптимальный расход крупных частиц со средним диаметром 180 мкм составлял не более 1000 шт./с, а по массе не более 0,024 г/с и не лимитировал расхода напыляемых частиц. И хотя скорость крупных частиц при ударе была почти на порядок меньше, чем напыляемых, их кинетическая энергия была на несколько порядков выше, чем напыляемых (размер частиц выше на 3 порядка, а объем и соответственно масса - на девять). В результате этого локальное давление на напыляемую частицу, закрепившуюся на подложке, пропорционально отношению объема крупной частицы к объему напыляемой (
Следует подчеркнуть, исходя из примеров, что характерная температура частиц была значительно ниже температуры рекристаллизации их материала, в том числе наиболее низкоплавкого компонента Трек=(0,4-0,6)Тпл, где Тпл - температура плавления материала частиц, что приводило к отсутствию термического напряжения в покрытии и подложке.It should be emphasized, based on examples, that the characteristic temperature of the particles was significantly lower than the temperature of recrystallization of their material, including the lowest melting component T rivers = (0.4-0.6) T pl , where T pl is the melting temperature of the particle material, which led to the absence of thermal stress in the coating and substrate.
Таким образом, использование метода холодного газодинамического напыления с ударным прессованием обрабатывающим материалом и автоматизированного робототехнического комплекса позволяет создать способ изготовления функциональной поверхности, например, отражающей, поглощающей в широком диапазоне длин волн с заданными параметрами кривизны и шероховатости, в том числе и на крупноразмерных подложках и обеспечить экологичность процесса.Thus, the use of the method of cold gas-dynamic spraying with shock pressing by a processing material and an automated robotic complex allows you to create a method of manufacturing a functional surface, for example, reflective, absorbing in a wide range of wavelengths with specified parameters of curvature and roughness, including on large-sized substrates, and to ensure environmental friendliness of the process.
Источники информацииInformation sources
1. Патент РФ № 2062818, кл. С23С 14/34, опубл. 1996.1. RF patent No. 2062818, cl. C23C 14/34, publ. 1996.
2. Кудинов В.В., Иванов В.И. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. - М.: Машиностроение, 1981. - С.159-165.2. Kudinov V.V., Ivanov V.I. Plasma application of refractory coatings. - M.: Mechanical Engineering, 1981. - S.159-165.
3. Патент РФ № 2281590, кл. H01Q 15/00, опубл. 2006.3. RF patent No. 2281590, cl. H01Q 15/00, publ. 2006.
4. Патент РФ № 2285746, кл. С23С 24/04, опубл. 2006 - прототип.4. RF patent No. 2285746, cl. C23C 24/04, publ. 2006 - prototype.
5. А.с. № 1228579, кл. F15D 1/10, В64С 23/00, опубл. 1986.5. A.S. No. 1228579, class F15D 1/10, B64C 23/00, publ. 1986.
6. Яненко Н.Н., Алхимов А.П., Фомин В.М. и др. Изменение волновой структуры при обтекании тел двухфазным потоком. ДАН СССР, 1981, Т.260, № 4. с.821-825.6. Yanenko N.N., Alkhimov A.P., Fomin V.M. et al. Changes in the wave structure when two-phase flow flows around bodies. DAN USSR, 1981, Vol. 260, No. 4. S. 821-825.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007114942/02A RU2353706C2 (en) | 2007-04-20 | 2007-04-20 | Manufacturing method of functional surface |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007114942/02A RU2353706C2 (en) | 2007-04-20 | 2007-04-20 | Manufacturing method of functional surface |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007114942A RU2007114942A (en) | 2008-10-27 |
| RU2353706C2 true RU2353706C2 (en) | 2009-04-27 |
Family
ID=41019224
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007114942/02A RU2353706C2 (en) | 2007-04-20 | 2007-04-20 | Manufacturing method of functional surface |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2353706C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2701612C1 (en) * | 2018-06-28 | 2019-09-30 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") | Method of producing coatings with an intermetallic structure |
| US11810698B2 (en) | 2015-07-06 | 2023-11-07 | Dyson Technology Limited | Magnet |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5196049A (en) * | 1988-06-06 | 1993-03-23 | Osprey Metals Limited | Atomizing apparatus and process |
| RU2081202C1 (en) * | 1995-06-28 | 1997-06-10 | Научно-исследовательский институт низких температур при МАИ (Московском государственном авиационном институте-техническом университете) | Method of coating application, its versions |
| JP2005089802A (en) * | 2003-09-16 | 2005-04-07 | Sankee Adekkusu:Kk | Surface treatment method for cold rolled tool |
| RU2281590C2 (en) * | 2003-05-26 | 2006-08-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ТЕХНОМАШ" РФ | Method for producing reflective surface on reflector |
| JP2006289364A (en) * | 2005-04-14 | 2006-10-26 | United Technol Corp <Utc> | Method and system for forming functionally gradient material using cold spray |
| JP2006342379A (en) * | 2005-06-07 | 2006-12-21 | Fuji Kihan:Kk | Surface treatment method of sliding part |
-
2007
- 2007-04-20 RU RU2007114942/02A patent/RU2353706C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5196049A (en) * | 1988-06-06 | 1993-03-23 | Osprey Metals Limited | Atomizing apparatus and process |
| RU2081202C1 (en) * | 1995-06-28 | 1997-06-10 | Научно-исследовательский институт низких температур при МАИ (Московском государственном авиационном институте-техническом университете) | Method of coating application, its versions |
| RU2281590C2 (en) * | 2003-05-26 | 2006-08-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ТЕХНОМАШ" РФ | Method for producing reflective surface on reflector |
| JP2005089802A (en) * | 2003-09-16 | 2005-04-07 | Sankee Adekkusu:Kk | Surface treatment method for cold rolled tool |
| JP2006289364A (en) * | 2005-04-14 | 2006-10-26 | United Technol Corp <Utc> | Method and system for forming functionally gradient material using cold spray |
| JP2006342379A (en) * | 2005-06-07 | 2006-12-21 | Fuji Kihan:Kk | Surface treatment method of sliding part |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11810698B2 (en) | 2015-07-06 | 2023-11-07 | Dyson Technology Limited | Magnet |
| RU2701612C1 (en) * | 2018-06-28 | 2019-09-30 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") | Method of producing coatings with an intermetallic structure |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007114942A (en) | 2008-10-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Raoelison et al. | Cold gas dynamic spray technology: A comprehensive review of processing conditions for various technological developments till to date | |
| Lupoi et al. | High speed titanium coatings by supersonic laser deposition | |
| Samson et al. | Effect of pulsed waterjet surface preparation on the adhesion strength of cold gas dynamic sprayed aluminum coatings | |
| Luo et al. | Effect of spray conditions on deposition behavior and microstructure of cold sprayed Ni coatings sprayed with a porous electrolytic Ni powder | |
| Wolfe et al. | Investigation and characterization of Cr3C2-based wear-resistant coatings applied by the cold spray process | |
| Tillmann et al. | Influence of the spray angle on the properties of HVOF sprayed WC–Co coatings using (− 10+ 2 μm) fine powders | |
| Selvadurai et al. | Influence of the handling parameters on residual stresses of HVOF-sprayed WC-12Co coatings | |
| Theimer et al. | Optimization adhesion in cold spraying onto hard substrates: A case study for brass coatings | |
| Blochet et al. | Effect of the cold-sprayed aluminum coating-substrate interface morphology on bond strength for aircraft repair application | |
| Molak et al. | Warm spray forming of Ti-6Al-4V | |
| Raoelison et al. | Low pressure cold spraying under 6 bar pressure deposition: Exploration of high deposition efficiency solutions using a mathematical modelling | |
| Nourian et al. | Effects of process parameters on cold spray deposition of Al-6061 alloy | |
| Ashokkumar et al. | Optimization of cold spray coating parameters using RSM for reducing the porosity level of AA2024/Al2O3 coating on AZ31B magnesium alloy | |
| Makarov et al. | Study of the method of obtaining functional interest-metallic coatings based on Ni-Ti reinforced with WC nanoparticles | |
| RU2353706C2 (en) | Manufacturing method of functional surface | |
| Bagade et al. | Laser surface texturing to enhance CuNiIn anti-fretting coating adhesion on Ti6Al4V Alloy for aerospace application | |
| Shibuya et al. | Formation of mullite coating by aerosol deposition and microstructural change after heat exposure | |
| Blochet et al. | Influence of spray angle on cold spray with Al for the repair of aircraft components | |
| Trice et al. | Role of Lamellae Morphology on the Microstructural Development and Mechanical Properties of Small‐Particle Plasma‐Sprayed Alumina | |
| Gaur et al. | A study of investigating the effects of variables and assessing the efficiency of air plasma spray as a coating technique | |
| Singh et al. | Microstructure and cavitation erosion performance of cold-sprayed WC-12Co and WC-17Co coatings on hydraulic turbine steels | |
| Cappelli et al. | Erosion Behavior of Cold-Sprayed Coatings Made of CoCrFeMnNi HEA and Tungsten Carbide Nanoparticles in a Nickel Matrix | |
| Wang et al. | Laser direct deposition of CoCrAlSiY/YSZ composites: densification, microstructure and mechanical properties | |
| Gedzevičius et al. | Influence of the particles velocity on the arc spraying coating adhesion | |
| Wen et al. | Potential of cold spray as additive manufacturing for Ti6Al4V |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180421 |