УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ПОРОШКИ

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к установкам для нанесения вакуумных покрытий (напыления) на мелкодисперсные и нанопорошки, которые используются в настоящее время во многих областях машиностроения, приборостроения, в энергетике, в том числе атомной и водородной и т.д.

Известны устройства для нанесения вакуумных покрытий на порошки, состоящие из следующих основных элементов: вакуумной камеры, средств откачки, генератора потока частиц напыляемого материала, направленного сверху вниз, перемешивателя-держателя порошка. Перемешиватель порошка может быть центробежного или барабанного типа, вибрационного и др. Существуют различные конструкции виброперемешивателей - виброплатформы, виброконвейеры, виброперемешиватели, в которых под действием вибраций создается псевдокипящий слой порошка. (Оборудование и технология для получения покрытий методом вакуумной металлизации на порошках и гранулах. Авторы: Клебанов Ю.Д., Васильчикова Н.М. М., НИИиформтяжмаш, 1977, №30, с.8, 9, 16-20, 22, 36. Патент РФ №2082554, опубл. 27.06.1997.)

Если требуется нанесение покрытия на мелкодисперсные порошки, крупностью от десятков до долей микрона (в том числе, на нанопорошки), возникает проблема их агрегации (коагуляции, слипания, комкования) в процессе напыления с использованием перемешивания (см. патент РФ №2250764, опубл. 27.04.2005). Агрегация происходит из-за большого коэффициента трения, а также повышения адгезионной способности порошков и свежих покрытий в вакууме, что при чрезвычайно малой массе и большой поверхности мелкодисперсных частиц приводит к затруднению перемещения их относительно друг друга, а также и по поверхности сосуда, в котором они находятся. Скольжение частиц переходит в качение, они коагулируют друг с другом, образуя шарики, диаметр которых может доходить до нескольких миллиметров и более. Особенно интенсивно этот процесс развивается в устройствах перемешивания, где частицы порошка перемещаются вдоль поверхностей содержащего их сосуда: различного типа вибрирующих чаш с наклонными стенками, вращающихся барабанов, бункеров или поддонов, по которым должен ссыпаться порошок. Не являются исключением и чисто вибрационные перемешиватели, создающие псевдокипящий слой порошка. Частицы порошка в этих устройствах под воздействием различных случайных факторов - соударений между собой, неровностей дна и стенок сосуда и т.д. приобретают ускорение не только в вертикальном направлении, но и во всех других, и их перемещение происходит по «Броуновскому» типу - во всех направлениях, приводя к их агрегации. При этом частицы порошка, находящиеся внутри агрегированных образований, экранируются их наружными слоями от напыления. Такого типа перемешивающие устройства не подходят для нанесения качественных - всесторонних одинаковой толщины покрытий на мелкодисперсные и нанопорошки, и, кроме того, их использование ухудшает однородность, уменьшает поверхностную площадь этих порошков.

Наиболее близким к заявляемому выбрано устройство для нанесения покрытия на порошки (Оборудование и технология для получения покрытий методом вакуумной металлизации на порошках и гранулах. Авторы: Клебанов Ю.Д., Васильчикова Н.М. М., НИИинформтяжмаш, 1977, №30, с.36), состоящее из вакуумной камеры, снабженной системой откачки, с расположенным в ней электронно-плазменным испарителем, генерирующим поток частиц напыляемого материала покрытия, направленный сверху вниз, и установленным под ним виброперемешивателем-держателем порошка, кинематически связанным с виброприводом, обеспечивающим возвратно-поступательное перемещение виброперемешивателя вдоль вертикальной оси. Это устройство обладает теми же недостатками - оно не позволяет наносить равномерное покрытие на мелкодисперсные и нанопорошки из-за их агрегации при перемешивании.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является возможность нанесения равномерного покрытия на мелкодисперсные и нанопорошки за счет устранения агрегации частиц порошка путем механического разрушения образующихся при виброперемешивании шариков, в которых частицы порошка слабо связаны между собой.

Для этого предложено устройство для нанесения покрытия на порошки, состоящее из вакуумной камеры, снабженной системой откачки, с расположенным в ней генератором потока частиц напыляемого материала покрытия, направленного сверху вниз, и установленным под ним виброперемешивателем-держателем порошка, кинематически связанным с виброприводом, обеспечивающим возвратно-поступательные перемещения виброперемешивателя-держателя порошка вдоль вертикальной оси, при этом оно дополнительно снабжено приводом, кинематически связанным с виброперемешивателем-держателем порошка для обеспечения его вращения вокруг вертикальной оси, виброперемешиватель-держатель порошка выполнен в виде цилиндрической чаши с плоским дном, параллельно которому установлены цилиндрические пружины, пересекающиеся в их середине, концы которых закреплены на рамке, установленной на неподвижном держателе.

При этом привод, кинематически связанный с виброперемешивателем-держателем порошка, обеспечивает его импульсное вращательное движение.

Кроме того, пружины выполнены с попеременно противоположной навивкой и закреплены на рамке на равном расстоянии друг от друга.

На рамке могут быть закреплены две пружины под углом 90°.

Рамка может быть установлена на держателе с возможностью перемещения по вертикали.

На фиг.1 показана общая схема устройства, на фиг.2 - вариант выполнения виброперемешивателя-держателя порошка.

Устройство состоит из вакуумной камеры 1 (фиг.1), снабженной системой откачки 2, а также системой подачи рабочего газа 3, например аргона. В камере смонтирован генератор потока частиц напыляемого материала покрытия 5, направленного сверху вниз, выполненный, например, в виде магнетрона 4. Под магнетроном 4 расположены: виброперемешиватель-держатель порошка, выполненный в виде чаши 6 с плоским дном и вертикальными стенками, в которой размещен покрываемый порошок 7; рамка 8, укрепленная на неподвижном держателе 9; закрепленные на рамке пружины 10, навитые в противоположных направлениях и погруженные в порошок параллельно дну чаши 6. Чаша 6 установлена на оси 11, предназначенной для передачи на чашу возвратно-поступательного движения - вибрации вдоль оси от вибропривода 13, а также вращения вокруг этой оси от привода 12, которое может быть либо непрерывным, либо импульсным. Вибропривод 13 соединен тягой 14 с осью чаши через сильфон 15.

Вибропривод 13 работает от электромагнита, питаемого от импульсного источника, позволяющего регулировать частоту и амплитуду вибраций, а привод вращения чаши 12 - от электродвигателя с редуктором. Валик привода вращения 16, перпендикулярный оси чаши, вводится в камеру через вакуумное уплотнение 17. В случае непрерывного вращения чаши используется подпружиненная пара колес, одно из которых 18, на оси чаши, имеет накатку по наружной цилиндрической поверхности, а второе 19, на оси приводного валика - радиальную накатку по торцевой плоскости. Такая схема обеспечивает зацепление при вертикальной вибрации оси чаши.

Для реализации импульсного вращения чаши можно использовать конструкцию (фиг.2), позволяющую легко переходить от варианта с непрерывным вращением к импульсному вращению. К колесу 18 на оси чаши, соосно с ним, крепится круглая пластина 20, по наружной части которой сделаны "L"-образные прорези и ограниченные ими части пластин отогнуты на 90°, образуя равноудаленные друг от друга радиальные зацепы 21. Вместо колеса с радиальной накаткой на конец приводного валика 16 крепится водило 22 со штырями 23, которые при вращении водила поочередно сцепляются с зацепами и поворачивают чашу на соответствующий количеству зацепов угол. При этом вибрация чаши по вертикали не оказывает влияния на зацепление.

Для совместной передачи на чашу вибрации вдоль ее оси и вращения вокруг этой оси служит узел, состоящий из латунного наконечника 24 тяги привода вибрации с кольцевой проточкой, имеющей в поперечном сечении форму половины тора, стальной втулки 25 на оси чаши с двумя сверлениями, дополняющими в поперечном сечении этот тор, и "U"-образной вставки 26 из стального прутка с диаметром, равным диаметру сечения тора с минусовым допуском, определяющим величину зазора между U-образной вставкой и отверстиями, образованными проточкой в тяге и сверлениями во втулке. Таким образом, чаша вращается, опираясь на вставку, и через нее же передается возвратно-поступательное движение вибрации.

Пружины 10 выполняют из тонкой немагнитной проволоки с пружинными свойствами, например в устройстве, разработанном в РНЦ «Курчатовский институт», это проволока из стали марки 40КХ, диаметром от 0,3 до 0,6 мм; диаметр витков пружин от 8 до 12 мм. Количество пружин может быть любое, больше одного, но оптимальным является наименьшее четное число, т.е. две пружины, расположенные под углом 90° относительно друг друга. Для того чтобы пружины находились на одинаковом расстоянии от дна чаши, они должны быть ввернуты друг в друга в середине каждой из них. Пружины крепятся к рамке 8 при помощи скоб 27, прижимающих к стенке рамки трубки 28, в каждую из которых продета проволока от конца соответствующей пружины. Для фиксации концов пружин в трубках выпрямленный конец пружины отгибают в верхней точке крайнего витка на 90° по отношению к оси пружины и вставляют в трубку до упора в виток, а конец проволоки, вышедший из другого конца трубки, отгибают на угол порядка 180°. Выставляют пружины на требуемом расстоянии параллельно рамке и затягивают винты 29, прижимая скобы и трубки к рамке. Размеры пружин выбирают в зависимости от размеров чаши, количества и характеристик загружаемого в нее порошка. Немагнитный материал для пружин, рамки, а также и чаши нужен при работе с порошками, обладающими ферромагнитными свойствами, а также если применение магнитных материалов недопустимо влияет на магнитные поля магнетрона. Пружины устанавливают относительно чаши так, чтобы они при вибрации чаши вдоль вертикальной оси периодически, с частотой вибрации, касались дна чаши. При этом возможны два варианта установки пружин: либо рамку с пружинами жестко закрепляют на держателе при помощи кронштейна 30, либо ее фиксируют только в горизонтальной плоскости, оставляя свободной в вертикальном направлении, тогда рамка с пружинами опирается на дно чаши и, оставаясь неподвижной по горизонтали, совершает совместно с чашей при ее вибрации перемещения в вертикальном направлении, периодически отрываясь от дна чаши за счет динамики вибрации. В этом случае кронштейн 30 жестко скреплен с винтом 31, который ввернут в кронштейн через прорезь в держателе 9 с некоторым зазором между головкой винта и держателем, обеспечивающим свободу перемещения кронштейна по вертикали в пазу прикрепленной к держателю направляющей планки 32.

Устройство работает следующим образом: поток частиц 5 напыляемого материала от магнетрона 4 поступает к порошку 7 в чаше 6. За счет вибрации чаши порошок перемешивается. Частота вибраций может быть от долей до десятков герц, амплитуда - от долей до нескольких миллиметров. Плоское дно и вертикальные стенки чаши сводят к минимуму «катящиеся» перемещения частиц порошка. Вращательное движение чаши вокруг ее вертикальной оси приводит к перемещению чаши с порошком относительно помещенных в порошок пружин 10, закрепленных на рамке 8, зафиксированной на неподвижном держателе 9. При этом весь находящийся в чаше порошок, подвергаемый динамическому воздействию вибрации, периодически проходит через проволочные витки пружин, при столкновении с которыми разрушаются образовавшиеся в промежутках между этими столкновениями агломераты частиц порошка. Скорость вращения чаши может быть порядка 5-20 об/мин. Разрушение агломератов происходит также за счет вертикальных перемещений пружин относительно чаши при ее вибрации. Кроме того, вращение чаши с порошком относительно пружин приводит к дополнительному перемешиванию порошка как в вертикальном направлении, так и в горизонтальном, перемещая порошок за счет винтовой формы витков пружин либо от периферии к центру, либо в противоположных направлениях, в зависимости от направления навивки каждой пружины. При этом за счет противоположных направлений навивки горизонтальные перемещения порошка взаимно компенсируются. Динамика импульсного вращения повышает эффективность разрушения агломератов порошка.

В РНЦ «Курчатовский институт» разработано устройство, с использованием которого успешно наносятся методом магнетронно-ионного распыления вакуумные покрытия на мелкодисперсные и нанопорошки с размерами частиц от десятков микрон до 20 нм. Так, например, наносили медные защитные покрытия на каталитические порошки из LaNi₅ дисперсностью порядка 10-15 мкм. Также наносились покрытия из Cu, Ni, Pt на углеродный нанопорошок марки Vulcan XC-72 с размерами частиц 20-30 нм. При этом получались порошки, содержащие от 15 до 60% наносимого материала по весу от общего веса порошка с покрытием. Агрегация порошков, практически, не происходила. Нанопорошки на углеродной основе с 40%-ным содержанием Pt и Ni в качестве электрокатализаторов получались для исследований их применения в области водородной энергетики. Переход от применяемых в настоящее время в этой области химических методов синтеза электрокатализаторов к физическим методам позволил бы в разы увеличить производительность, снизить потери драгоценных металлов, улучшить экологичность производства этих материалов. Физические методы нанесения покрытий на порошки позволяют намного расширить номенклатуру наносимых материалов, а также гибко влиять на структуру и другие свойства покрытий, что дает возможность создания совершенно новых материалов для порошковой металлургии и других областей, где используются порошковые материалы.