Определение оптимальных параметров технологии детонационного напыления для изготовления электроизоляторов из оксида алюминия

Рогожин Павел Викторович^1,a*, Ганигин Сергей Юрьевич^1,b,

Галлямов Альберт Рафисович^1,c,..

¹443100, РФ, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 244

Самарский государственный технический университет

^[e-mail], ^b,[e-mail]

Ключевые слова: детонационное напыление, электроизолятор, оксид алюминия, оптимальные параметры.

Аннотация. Предложена детонационная технология изготовления электроизоляторов для газовых горелок. Определены оптимальные параметры нанесения диэлектрического покрытия на заготовки из алюминия и меди для дальнейшего изготовления электроизоляторов.

Введение. Одним из направлений развития критических технологий федерального уровня являются керамические и стекломатериалы, в частности, научные основы проектирования технологического оборудования для изготовления керамических материалов и изделий. В этой области одной из актуальных проблем является развитие технологий формирования тонкостенных керамических материалов.

В общем случае технологический процесс производства керамических изделий включает в себя приготовление формовочной массы, формирование заготовок изделий, их сушку, глазурирование и обжиг [1-2]. В зависимости от состава, технологических особенностей приготовления массы, конфигурации, габаритных размеров и масштаба производства изделий, применяются следующие способы изготовления заготовок: пластичное формование [1-3]; прессование из пресс порошков (одно- и двухстороннее), высокотемпературное прессование, изостатическое, горячее, термореактивное, взрывное [3-5]; литье из водного шликера, горячее литье под давлением [4-5].

Недостатком пластического формования для изготовления тонкостенных изделий является разноплотность полуфабриката, что ведет к неодинаковой усадке при спекании, сопровождаемой деформацией и возникновением трещин. Литье применяется для изготовления крупногабаритных изделий толщиной стенки более 10 мм. Для формирования тонкостенных изделий используется изостатическое прессование, позволяющее увеличить плотность заготовок на 10 % [4]. Указанные способы требуют предварительной операции приготовления формовочных масс (измельчение, дозирование, смешивание с различными функциональными добавками), а также последующего обжига, в результате которого и формируется конечный фазовый состав и структура готового изделия.

Известны так же способы получения тонкостенных изделий из керамики методами плазменного напыления [5]. Например, при изготовлении обтекателей радиолокационных антенн на оправку наносят тонкий слой поваренной соли, шлифуют и напыляют на него покрытие из оксида алюминия. Далее поваренную соль растворяют струей воды, снимая изготовленную таким образом керамическую деталь с оправки. Недостатками этого способа является необходимость напыления, шлифования и растворения поваренной соли. Получаемая керамика имеет низкую прочность из-за внутренних напряжений (вследствие разности коэффициентов термического расширения подложки и наносимого материала), способных привести к ее разрушению еще до обжига.

В данной работе оптимизирована технология получения тонкостенных керамических электроизоляторов методом детонационного напыления.

В детонационном напылении выделяют два основных этапа: формирование двухфазного потока и формирование самого покрытия. На первом этапе осуществляют возбуждение детонации газовой смеси. Поток продуктов детонации нагревает и разгоняет частицы порошкового материала. На втором этапе происходит взаимодействие разогретых частиц с материалом подложки и образование связей в покрытии [6-8].

Эксперименты, методики, материалы. В работе предложен вариант изготовления тонкостенных цилиндрических трубок из корунда (α-модификация Al₂O₃). Эти изделия используются как электроизоляторы в конструкции газовых горелок для плазменной наплавки в шарошечном производстве. Толщина стенок данного керамического изделия составляет порядка 1000 мкм. При этом предъявляются высокие требования по электрической прочности и пористости изделий.

В качестве основного оборудования использовался комплекс для исследования ударно-волнового действия многофазных газовых систем, являющийся лабораторным комплексом с вертикальным расположением ствола для детонационного напыления деталей порошковыми материалами.

В качестве детонационной смеси использовалась пропан-бутано-кислородная смесь. При напылении соотношение газовых компонентов выбиралось из условия получения покрытий с оптимальными характеристиками. В качестве керамического материала использовался порошок оксида алюминия фракциями 20-40 мкм и 40-60 мкм.

Для основы под напыление были изготовлены алюминиевые и медные оснастки (см. рисунок 1), геометрические размеры которых соответствуют внутреннему диаметру электроизолятора. Для очистки поверхности и придания шероховатости основы предварительно подвергались абразивно-струйной обработке.

а.) Основы под напыление б.) Заготовки для электроизоляторов

и газовая электродуговая горелка

Рис. 1 – Заготовки электроизоляторов и газовая горелка

На рисунке 2 представлена камера напыления лабораторной детонационной установки и размещенные в ней устройства для реализации процесса перемещения напыляемых образцов.

1-ствол детонационной пушки; 2-основа под напыление; 3 –манипулятор вращения основы; 4-манипулятор возвратно-поступательного перемещения основы; 5-трубка обдува.

Рис. 2 – Камера напыления лабораторной детонационной установки

В камере напыления установлен манипулятор (тележка) для возвратно – поступательного движения заготовки относительно ствола установки. На тележке закреплена металлическая столешница с вращателем (двигатель-редуктор). В патрон вращателя установлена заготовка для напыления. Также на тележке, напротив заготовки, зафиксирован шланг от компрессора с насадкой для обдува основы в процессе детонационного напыления, ее охлаждения и уменьшения тепловых напряжений.

Для расчета скоростных режимов перемещения манипуляторов производилась серия экспериментов. После каждых 600 выстрелов основа извлекалась из манипулятора, проводился контроль прироста толщины и осмотр качества покрытия. За 600 выстрелов наблюдался средний прирост толщины в 200-300 мкм. Затем оснастка снова закреплялась в манипуляторе, и проводилось от четырех до шести аналогичных серии по 600 выстрелов (до достижения необходимой толщины) с паузой для контроля прироста и качества поверхности напыления. Экспериментально установленное количество выстрелов для формирования покрытия толщиной 1000 мкм составляет 2500 – 3000 с частотой 4 выстрела в секунду. Толщина покрытия за единичный выстрел составляет 5-10 мкм. Для реализации данного процесса для манипуляторов экспериментально устанавливается частота вращения 0,5 оборота в секунду и скорость перемещения 3 мм в секунду.

Изготовление изделий производилось при различных технологических параметрах с изменением материала основы, дистанции напыления, дисперсности порошка и соотношения газов детонационной смеси.

Эксперименты, проводимые с алюминиевыми основами, показали, что при любых параметрах процесса происходит растрескивание покрытия в процессе напыления, либо в течение некоторого времени после извлечения основы. Было принято решение перед напылением корундом создать промежуточный слой из порошкового материала со средним коэффициентом линейного температурного расширения относительно алюминия и оксида алюминия. Нанесение покрытия на медные цилиндрические заготовки не приводило к появлению недопустимых дефектов.

Дальнейшие опыты позволили выявить наиболее оптимальные технологические режимы детонационного напыления, позволяющие сформировать качественное покрытие. Изменение расстояния от основы до ствола показало, что наиболее оптимальная дистанция для формирования электроизоляционного покрытия из корунда варьируется в пределах 180-220 мм. При увеличении расстояния уменьшается коэффициент использования порошка, а покрытие имеет неудовлетворительное сцепление с основой. В результате уменьшения дистанции, практически во всех случаях наблюдалось растрескивание покрытия.

В процессе детонационного напыления через смотровое окно камеры удалось зафиксировать момент образования высокоскоростного газопорошкового потока (рисунок 3, а) и его взаимодействие с основой (рисунок 3, б).

а) - момент образования высокоскоростного газопорошкового потока	б) - взаимодействие высокоскоростного газопорошкового потока с основой
Рис. 3 - Процесс детонационного напыления

Лишняя часть покрытия снималась алмазным надфилем. Проводился визуальный контроль на отсутствие дефектов в виде трещин и сколов. Образцы заготовок изделий представлены на рисунке 3.

Следующим этапом работы было растворение заготовок с покрытием из оксида алюминия в растворе соляной кислоты. В результате получены керамические электроизоляционные изделия (рисунок 4).

а) – Заготовки электроизоляторов	б) – Готовые образцы

Рис. 4 – Электроизоляторы

15.2.2 Обработка экспериментальных данных

Исследования влияния грануляции на качество покрытия показали, что оптимальный размер частиц материала 20-40 мкм. С увеличением размера частиц возрастает роль эффекта абразивного отделения. В результате значительно снижается коэффициент использования порошка. При использовании порошка с грануляцией 40 мкм, этот эффект играет положительную роль в отделении наименее прочно связанных частиц, не приводя к отделению ранее сформированного покрытия. При уменьшении грануляции до 10 мкм коэффициент использования порошка снизился с 49% до 26%.

При расстоянии от ствола до основы менее 180 мм, создается дефектное покрытие на алюминиевых заготовках. Это объясняется деформацией основного металла под влиянием термических напряжений и значительными тепловыми ударами, которые, проходя через границу покрытие-подложка, вызывают растрескивание напыленного слоя. В экспериментах, с медными трубками, растрескивания покрытия не наблюдалось. При увеличении расстояния свыше 220 мм в случае и с алюминиевыми и с медными заготовками покрытие получалось низкопрочным (рыхлым). Коэффициент использования порошка уменьшился до 19-23%. Покрытие легко отделялось от основы в процессе механического воздействия алмазным надфилем.

Ниже приведены обработанные экспериментальные данные для нескольких различных случаев, которые позволили более наглядно сформировать представление о выборе оптимальных параметров процесса для создания электроизоляторов.

1. Нанесение оксида алюминия детонационным способом на алюминиевую трубку с промежуточным слоем.

Начальный диаметр 8,2 мм.

Таблица 1 – Параметры эксперимента с алюминиевой основой

Дистанция напыления, мм	Дисперсность порошка, мкм	Скорость перемещения заготовки, мм/сек	Частота вращения заготовки, об/сек	Соотношение газовой смеси О2/С3Н8	Количество выстрелов	Прирост по толщине нанесенного слоя, мкм
			0,5	5/1

Данный случай считается наиболее оптимальным для формирования диэлектрического покрытия на алюминиевые основы. Здесь выбраны параметры, которые в наилучшей степени удовлетворяют получению изоляторов с требуемыми характеристиками. Покрытие заданной толщины сформировалось за 3000 выстрелов. Изменение соотношения газовой смеси за счет снижения содержания окислителя (4О₂/С3Н₈) привело к необходимости увеличения числа выстрелов более 4500. Уравнения реакций, отвечающих технологическим режимам:

для пропана (пропан-бутановые смеси)

С₃Н₈ + 5О₂ = ЗСО₂ + 5Н₂О + 2045600 кДж/кмоль;

для бутана

C₄H₁₀ + 6,5О₂ = 4СО₂ + 5H₂O + 2660540 кДж/моль.

Принимаем средний состав пропан-бутановой смеси на основе зимней смеси, а именно:

С₃Н₈ – 85%

С₄H₁₀ – 15%

Теплота сгорания такой смеси

Q = 0,01 (85 ∙ 2045600 + 15 ∙ 2660540) = 2140000 кДж/кмоль.

2.Нанесение оксида алюминия детонационным способом на медную трубку, предварительно обработанную абразивно-струйным методом.

Начальный диаметр 8,2 мм.

Таблица 2 - Параметры эксперимента с медной основой

Дистанция напыления, мм	Дисперсность порошка, мкм	Скорость перемещения заготовки, мм/сек	Частота вращения заготовки, об/сек	Соотношение газовой смеси О2/С3Н8	Количество выстрелов	Прирост по толщине нанесенного слоя, мкм
			0,5	5/1

В случае с нанесением покрытия на медные заготовки, прирост толщины происходит значительно быстрее и равномернее, чем на алюминиевые. Эксперименты с напылением на медные заготовки с предварительно нанесенным термореагирующим слоем не показали значительных отличий без него. Во всех случаях перед нанесением покрытия основы подвергались пескоструйной обработке для очистки поверхности от загрязнений.

Следующий этап работ был связан с растворением оснасток в соответствующих химических растворах. Процесс растворения алюминиевых заготовок в растворе соляной кислоты, привел к отделению покрытия за 3 часа, но в результате получились электроизоляторы с недопустимым дефектом в виде трещин. Травление медных заготовок по реакции Cu+2NaCl+ CuSO₄→ Cu[CuCl₂]+Na₂SO₄ длилось 48 часов и привело к получению электроизоляторов без дефектов. Растрескивание керамического изделия в соляной кислоте, вероятнее всего, связано с неправильно выбранной концентрацией раствора. Повышенное содержание кислоты послужило развитием внутренних напряжений в наиболее крупных порах изделия. Эксперименты с растворением с уменьшенным содержанием кислоты увеличили время травления до 5-ти часов, но трещин при травлении не возникало.

Дата добавления: 2015-07-20