Устройство для высокоскоростного газотермического напыления порошков

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОРОШКОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Белоцерковский Марат Артемович Прядко Александр Сергеевич Черепко Александр Евгеньевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для высокоскоростного газотермического напыления порошков, содержащее термораспылительную головку, в корпусе которой выполнен центральный канал для подачи порошкового материала, а также расположенные коаксиально ему каналы для подачи газокислородной горючей смеси и каналы для подачи сжатого воздуха камеру сгорания с сопловым отверстием, снабженную жиклерами для подвода топлива и воздуха и разделенную перфорированным огнеупорным элементом на полости смешения и горения систему поджига горючей смеси, отличающееся тем, что камера сгорания помещена в закрепляемый на термораспылительной головке корпус (7) и окружена охлаждающей рубашкой, а на корпусе термораспылительной головки установлен керамический направляющий элемент в виде полого усеченного конуса, малое основание которого лежит в одной плоскости с сопловым отверстием, а диаметр отверстия малого основания от 2,0 до 2,5 раз больше диаметра канала для подачи порошкового материала. 14885 1 2011.10.30 Предлагаемое изобретение относится к области газотермического нанесения покрытий, в частности к устройствам для высокоскоростного напыления износостойких, коррозионностойких, антифрикционных покрытий из порошковых материалов на быстроизнашивающиеся детали машин и элементы конструкций. Для обеспечения высокого качества покрытий (прочность сцепления более 40 МПа и пористость менее 8 ) в практике газотермического напыления используют устройства,позволяющие повысить динамические параметры двухфазного потока и обеспечить скорость полета частиц напыляемого материала более 200 м/с. Известны устройства высокоскоростного газотермического напыления порошковых и проволочных материалов 1, 2, принцип действия которых основан на том, что в образованную за счет сжигания в камере внутреннего сгорания при определенных условиях различных углеводородных топлив высокоэнергетическую струю подают присадочный материал, который затем формирует покрытие. Эти устройства имеют общие основные элементы корпус, камеру внутреннего сгорания, обычно содержащую полость стабилизации горения и полость сжигания рабочей горючей смеси, сопловую часть, средства подачи расходного напыляемого материала и средства воспламенения горючей смеси. Конструктивное исполнение этих элементов может иметь некоторые отличия. В устройстве 1 использована прямоточная компоновочная схема с раздельной подачей компонентов. Это позволяет обеспечить наиболее рациональное, компактное конструктивное исполнение, т.к. средства подачи расходного материала, полость камеры сгорания и выходной сопловой канал располагаются соосно, последовательно друг за другом. Однако запуск устройства, при использовании сжатого воздуха в качестве окислителя, без применения дополнительного кислорода невозможен. Кроме того, существенным недостатком рассматриваемого устройства является то, что подача расходного материала осуществляется непосредственно в полость камеры внутреннего сгорания. Это оказывает негативное влияние на процессы сжигания рабочей смеси и, следовательно, устойчивость работы устройства в целом. Кроме того, для обеспечения заданных динамических параметров выходного двухфазного потока, устройство имеет камеру сгорания значительных габаритных размеров (диаметр порядка 270 мм, длина около 300 мм). Устройство 2 также реализует прямоточную компоновочную схему. С целью устранения влияния частиц расходного материала на процессы горения в полости сжигания рабочей смеси был использован радиальный способ подачи напыляемых частиц в закритическую область соплового канала. Такая схема позволяет значительно упростить внутреннюю конструкцию устройства, однако при этом частицы порошка отклоняются от оси соплового канала и взаимодействуют со стенками соплового канала. Следствием этого является налипание расплавленных частиц напыляемого материала на стенки соплового канала и его закупорка через 2025 минут эксплуатации. Известно устройство для высококонцентрированного сверхзвукового напыления 3,состоящее из корпуса, камеры сгорания, сопловой части, узла подачи расходного материала, содержащего мундштук, узла поджига горючей смеси, средств подачи кислорода и топлива в полость камеры сгорания для образования горючей смеси. В описываемом устройстве использована Т-образная компоновочная схема, т.е. ось камеры внутреннего сгорания перпендикулярна оси соплового канала. При этом, посредством системы наклонных каналов, поток продуктов сгорания кислородно-топливной смеси поступает в область перед критическим сечением соплового канала и подхватывает расходный материал, подаваемый по оси соплового канала. Это позволяет сфокусировать частицы расходного материала в осевой части газового потока, исключив их контакт со стенками соплового канала. Одним из достоинств такой схемы является отсутствие влияния расходного материала, поступающего к сопловому каналу помимо камеры внутреннего сгорания, на процессы горения в полости сжигания рабочей кислородно-топливной смеси. 2 14885 1 2011.10.30 Существенными недостатками данного устройства являются его значительные габаритные размеры, что обуславливает возможность использования рассматриваемого устройства высокоскоростного газотермического напыления только в стационарных условиях. Кроме того, раздельная подача компонентов для образования рабочей кислороднотопливной смеси непосредственно в зону воспламенения делает невозможным использование сжатого воздуха в качестве окислителя для повышения безопасности работы оборудования и снижения себестоимости процесса. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство, описанное в патенте на изобретение 4. Известное устройство для высокоскоростного напыления содержит корпус, камеру сгорания, устройство подачи расходного материала, снабженное мундштуком, устройство поджига горючей смеси, сопловой канал, топливный и воздушный жиклеры, установленный перпендикулярно оси камеры сгорания огнеупорный перфорированный элемент толщиной, диаметр каналов которого равен 0,81,8 мм, а суммарное проходное сечение составляет 3550 от площади поверхности элемента. Перфорированный элемент разделяет камеру на полость смешения и полость сжигания рабочей смеси. В качестве узла подачи материалов используется газопламенный порошковый термораспылитель,распылительная головка которого расположена в отверстии перфорированного элемента,выполненного по его оси. Наличие полости смешения позволяет улучшить условия смесеобразования при раздельной подаче компонентов для формирования горючей смеси, подавая в зону воспламенения полости сжигания готовую смесь, что исключает использование дополнительного кислорода как в момент запуска устройства, так и на рабочем режиме. Кроме того, создаются условия для применения принципов микрофакельного сжигания с целью увеличения скорости горения топливно-воздушной смеси в каналах перфорированного элемента, что,в свою очередь, дает возможность сжигать значительное количество горючей смеси в гораздо меньшем объеме. Причем горение газа за перфорированным элементом идет в зоне малой толщины в виде плоского пламени, без видимых языков. Такая форма пламени позволяет резко сократить длину полости сжигания описываемого устройства. Несмотря на явные преимущества по сравнению с вышеописанными конструкциями,данное устройство имеет следующие недостатки. Вылетающие из распылительной головки частицы порошка практически сразу же подхватываются высокоскоростным спутным потоком и, не успевая нагреться, разгоняются до скоростей выше 200 м/с. Для металлических порошков с размером частиц от 50 до 80 мкм такая схема напыления может быть допустима, но для частиц размером более 100 мкм, а также для порошков металлокерамики, керамики и материалов с низкой теплопроводностью (ситаллов, стекол) ее использование не приносит ощутимых результатов. В известном устройстве распылительная головка термораспылителя расположена непосредственно в полости сжигания рабочей смеси камеры, где температура достигает значений 1700-1900 К, что не позволяет эксплуатировать устройство в непрерывном режиме более 1,5-2 минут. Необходимость в периодических остановках устройства снижает производительность процесса более чем в 2 раза. Задача данного изобретения - повышение динамических, теплофизических характеристик частиц напыляемого порошка и производительности процесса нанесения покрытий. Поставленная задача решается в устройстве для высокоскоростного газотермического напыления порошков, содержащем термораспылительную головку, в корпусе которой выполнен центральный канал для подачи порошкового материала, а также расположенные коаксиально ему каналы для подачи газокислородной горючей смеси и каналы для подачи сжатого воздуха камеру сгорания с сопловым отверстием, снабженную жиклерами для подвода топлива и воздуха и разделенную перфорированным огнеупорным элементом на полости смешения и горения систему поджига горючей смеси, согласно изобретению ка 3 14885 1 2011.10.30 мера сгорания помещена в закрепляемый на термораспылительной головке корпус и окружена охлаждающей рубашкой, а на корпусе термораспылительной головки установлен керамический направляющий элемент в виде полого усеченного конуса, малое основание которого лежит в одной плоскости с сопловым отверстием, а диаметр отверстия малого основания в 2,0-2,5 раза больше диаметра канала для подачи порошкового материала. Изобретение поясняется схемой, изображенной на фигуре. Предлагаемое устройство для высокоскоростного газотермического напыления порошков состоит из порошкового термораспылителя 1, снабженного распылительной головкой 2 с центральным каналом 3 для подачи напыляемого материала, каналами 4 для газокислородной горючей смеси и каналами 5 для воздуха, обжимающего факел термораспылителя 1 камеры сгорания 6, помещенную в корпус 7 и окруженную водоохлаждаемой полостью 8 огнеупорного перфорированного элемента 9, установленного перпендикулярно оси устройства и разделяющего объем камеры 6 на полость смешения А и полость горения В рабочей смеси, керамического направляющего элемента 10 конической формы, малое основание 11 которого образует с сопловым отверстием 12 корпуса 7 щелевой зазор 13 топливного 14 и воздушного жиклеров 15, жиклера 16 для водяного охлаждения. В заявляемом устройстве в полной мере реализуется преимущество двухструйной схемы газотермического напыления, когда высокоскоростной спутный поток (вторичный поток) из камеры сгорания разгоняет частицы порошка, предварительно нагретые в факеле термораспылителя (первичном потоке). Факел термораспылителя 1 изолирован от полости горения В камеры 6 и, таким образом, процессы, происходящие в полости горения В, не оказывают на него влияния. При этом распылительная головка 2 также защищена от теплового воздействия камеры 6. Коническая форма керамического направляющего элемента 10 позволяет не только сконцентрировать первичный поток, но и обеспечить более эффективное взаимодействие первичного и вторичного потоков, поскольку максимальное ускорение первичной струи достигается при ее взаимодействии со спутным потоком под углом 20-60 5. Необходимость выполнения выходного отверстия определенного размера в коническом основании направляющего элемента 10 вызвана тем, что струя порошка, выходящая из центрального канала 3 распылительной головки 2 термораспылителя 1, постепенно расширяется и диаметр сечения струи порошка на расстоянии 100-140 мм от распылительной увеличивается в 2-2,5 раза. Большее увеличение диаметра выходного отверстия направляющего элемента 10 нецелесообразно, поскольку при этом снизится коэффициент теплообмена между первичным факелом и порошком, а уменьшение диаметра ниже заявляемых показателей вызывает интенсивный износ выходного отверстия направляющего элемента 10 от ударов порошковых частиц. Устройство работает следующим образом. Зажигают истекающую из термораспылителя 1 газокислородную смесь, образуя первичный факел, и закрепляют корпус 7 камеры сгорания 6 на распылительной головке 2 термораспылителя 1 таким образом, чтобы распылительная головка находилась на расстоянии 100-140 мм от соплового отверстия, поскольку дистанция, на которой в обжатом воздухом факеле частицы порошка размером 60-100 мкм достигают температур, позволяющих им пластически деформироваться и формировать покрытие, составляет 100-120 мм. Для частиц размером 100-160 мкм эта дистанция составляет 120-140 мм. Подключают охлаждающую корпус 7 воду, поступающую в полость 8 через жиклеры 16. Подают воздух и горючий газ (например, пропан) через топливный 14 и воздушный 15 жиклеры в полость смешения А, где образуется горючая смесь. Из полости смешения А через каналы, выполненные в огнеупорном перфорированном элементе 9, горючая газовая смесь, продолжая интенсивно перемешиваться, поступает в полость горения В и воспламеняется посредством устройства поджига рабочей смеси(не показано) на огневой поверхности перфорированного элемента 9. По мере того как 4 14885 1 2011.10.30 нагревается перфорированный элемент 9, скорость горения рабочей смеси увеличивается и пламя втягивается в каналы огнеупорного перфорированного элемента 9. Причем горение смеси за перфорированным элементом 9 идет в зоне малой толщины в виде плоского пламени, без видимых языков. Получаемый в полости горения В высокоскоростной поток горячих продуктов сгорания газовоздушной смеси истекает с большой скоростью через щелевой зазор 13. Далее включают подачу порошкового материала, частицы которого,нагреваясь до высокопластичного состояния при полете от среза центрального канала 3 до отверстия в малом основании 11 мундштука 10, подхватываются высокоскоростным спутным потоком, истекающим из щелевого зазора 13, и разгоняются до скоростей более 300 м/с. Испытания опытной модели устройства высокоскоростного газотермического напыления порошков показали, что предлагаемое устройство способно производить газовый поток горячих продуктов сгорания топливно-воздушной смеси, обладающий скоростью до 1200 м/с и способный разгонять частицы порошка до скоростей порядка 450 м/с. Производительность устройства при напылении порошковой шихты, содержащей отсеянный и промытый шлам шарикоподшипникового производства в смеси со стальным порошком,составила до 8 кг/ч. Источники информации 1. Патент США 4384434, 1983. 2. Патент США 5120582, 1992. 3. Патент США 4416424, 1983. 4. Патент РБ 4365, 2002. 5. Абрамович Г.М. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. Ч.1 Учеб. руководство для втузов. 5-е изд. - М. Наука, 1991. - С. 600. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5