Новые дисперсные материалы

Актуализация задачи

На сегодняшний день, в России, ситуация с микродисперсными порошками сферической формы зерна с традиционной дисперсией от 20 до 100 мкм, соответствует уровню, достигнутому в 80 годы прошлого века. На рынке присутствуют порошки алюминия, его сплавов, титана, легированных сталей Российского и импортного производства. Дисперсия таких порошков чаще всего лежит в диапазоне от 40 до 150 мкм, реже от 20 мкм, еще реже это бескислородные порошки с чистой поверхностью зерна. Бескислородные порошки с дисперсией менее 1 мкм представлены исключительно импортного производства по ценам, исключающим возможность их широкого использования в порошковой металлургии, производстве керамики, химии, медицине и т.п. Кроме того поставки порошков большого спектра материалов, произведенные в Японии, США и германии в Россию запрещены.

Проводимые нами работы по разработке новых способов нанесения покрытий с помощью лазерных комплексов ЛК-5, указали на необходимость использования бескислородных, свободнодисперсных равноосных порошков Тантала, Вольфрама, Молибдена и др. размером зерна от 100 нм до 1 мкм. Свободное приобретение таких порошков оказалось невозможным, поэтому было принято решение о создании новой компании с целью разработки новой технологии и оборудования для производства таких порошков.

Решение поставленной задачи

Новый способ получения паров металлов с помощью дугового разряда в атмосфере инертного газа реализован с помощью оригинальной конструкции плазмотрона, где исходный материал (металл или сплав) используется в качестве расходуемого катода. Подобная схема максимально эффективна с точки зрения использования электрической энергии и плазмообразующего газа. Кроме того эта схема принципиально исключает загрязнение получаемых паров материалами конструктивных элементов плазмотрона, таким образом чистота паров определяется чистотой исходного материала и плазмообразующего газа. В конструкции плазмотрона также присутствуют элементы, позволяющие удерживать полученные пары, находящиеся в состоянии ионизированного газа (плазмы), в ограниченном канале, представляющем собой особым образом сформированные потоки инертного газа, тем самым эффективно доставлять их туда, куда требует используемый технологический процесс.

Одно из возможных применений плазмотрона реализовано в конструкции установки получения порошков УПНП 1.010, разработанной и изготовленной ООО «Новые Дисперсные Материалы». Широкий диапазон рабочих давлений газа позволяет реализовать процесс производства порошков различной дисперсии методом газофазного синтеза. В этом случае возможно получение порошков с размером единичных частиц от 20 нанометров, и кластеров из них составленных до 10 мкм. Кроме того конструкция плазмотрона позволяет получать не только пары металла, но и производить диспергирование расплава с поверхностных слоев расходуемого катода струей газа, что позволяет синтезировать мелкодисперсные сферические порошки с размером зерна от 1 мкм. Соответственно поверхность частиц порошка может быть чистой или с пленкой требуемого состава. Для сбора и упаковки порошка используется система фильтров и бункеров с системой шлюзования. Порошок собирается, хранится и транспортируется к месту использования в атмосфере защитного газа в специальных контейнерах адаптированных для использования в составе специально разработанных питателей, учитывающих особенности работы с нанопорошками.

Полученные результаты



На рисунках представлены изображения пробы порошка сплава АМг-6, полученного с помощью опытной установки получения порошков УПНП 1.010. Анализ пробы порошка проведен с помощью сканирующего электронного микроскопа CARL ZEISS SUPRA 40-30-87.На рисунках верхней строки различимы отдельные и связанные частицы, характеристический размер которых колеблется от 20 до 100 нм. Для частиц характерна близкая к сферической форма и плотная структура.

На рисунках средней строки, различимы частицы (кластеры), представляющие собой образования из связанных между собой частиц размером 10-100 мкм, описанных ранее. Размер таких образований от 1 до 10 мкм.

На рисунках нижней строки, различимы частицы, существенно отличающиеся от выше описанных, своей правильной сферической формой и визуально гладкой поверхностью. Размер таких частиц от 3 до 10 мкм.

Анализ результатов

На основе анализа представленных изображений можно сделать ряд утверждений:

  • Предоставленная для анализа проба представляет собой свободнодисперсный порошок, размер частиц которого колеблется от 20 нм до 10 мкм.

  • Частицы порошка можно разделить на две группы, первая это частицы размером от 20 до 100 нм, находящиеся в несвязанном состоянии или связанные с аналогичными в кластерах, размер которых может достигать до 10 мкм.

  • Вторая группа это свободные частицы почти правильной сферической формы с плотной структурой, размер которых колеблется от 3 до 10 мкм.

Образование наноразмерных частиц, происходит в результате объединения между собой отдельных атомов (ионов) компонентов исходного материала в кластеры различного размера. Ионы компонентов исходного материала образуются в результате вторичной ионно-ионной эмиссии с поверхности расходуемого катода, под воздействием ионов Аргона, бомбардирующих его. Процесс объединения или коагуляции происходит в потоке газа исходящего из плазмотрона до тех пор, пока энергия частиц и температура кластеров достаточна для образования устойчивых связей.

Образование частиц правильной сферической формы, размером от 3 до 10 мкм, происходит за счет срыва жидкой фазы с поверхности расходуемого катода потоком Аргона, за счет воздействия механического импульса струи газа, с последующим охлаждением образовавшихся частиц и их кристаллизацией. При этом за счет действия сил поверхностного натяжения частицы приобретают почти правильную сферическую форму. Размер частиц определяется соотношением давления газа вблизи поверхности расходуемого катода, скорости движения потока газа вблизи поверхности расходуемого катода и тока дуги, определяющего эффективную глубину жидкого слоя на поверхности расходуемого катода.

Нанесение покрытий с помощью плазмотрона

Не менее актуальная сфера применения плазмотрона, нанесение покрытий. Конструкция плазмотрона позволяет ему работать в среде в широком диапазоне давления газа и следовательно расширяет номенклатуру возможных вариантов покрытия получаемого с его помощью. 

Использование дополнительных источников питания позволяет контролировать процессы предварительной очистки поверхности перед нанесением покрытия, температуру в процессе нанесения, структуру, плотность и состав наносимого покрытия. При этом сохраняется преимущество оптимального использования электроэнергии и газов для получения единицы площади покрытия заданной толщины. Применение плазмотрона для данной задачи дает возможность формировать наноструктурные покрытия из различных химических соединений, в случае использования нескольких плазмотронов в одной области нанесения покрытия.

Конструкция плазмотрона проста и компактна, что позволяет размещать ее не только на фланцах крупного оборудования, но и  на руках манипуляторов, в том числе компактных, размещаемых в вакуумных камерах установок для нанесения покрытий и внутри трубопроводов диаметром от 400 мм, при необходимости нанесения покрытий на внутреннюю поверхность. Плазмотрон не требует сложных и дорогостоящих источников питания и управления.

Возникли вопросы?

Заполните форму обратной связи, наши менеджеры свяжутся с вами!