Термо-газодинамический способ напыления

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Шараховский Леонид Иванович Шараховский Александр Иванович(72) Авторы Шараховский Леонид Иванович Шараховский Александр Иванович(73) Патентообладатели Шараховский Леонид Иванович Шараховский Александр Иванович(57) Способ термогазодинамического напыления покрытия на изделие, включающий формирование двухфазного потока подмешиванием частиц порошка металла или сплава, или полимера, или керамики, или их смеси к потоку транспортирующего газа, подачу двухфазного потока в приемную часть газодинамического тракта по его оси, ввод основного технологического чистого подогретого газа в пограничные слои двухфазного потока у стенок газодинамического тракта, разгон полученного потока газа с частицами порошка до сверхзвуковых скоростей и направление его на обрабатываемое изделие, при этом разгон осуществляют в две стадии сначала расходно-тепловым методом за счет подвода по ходу полученного потока через его периметр дополнительного расхода чистого газа и тепла до достижения потоком скорости звука в выходном сечении газодинамического тракта, а после достижения скорости звука разгон осуществляют геометрическим методом, за счет расширения площади сечения потока в сопле Лаваля. 16944 1 2013.04.30 Изобретение относится к области напыления дисперсных материалов с целью получения износостойких, термостойких, коррозионно-стойких и других покрытий деталей машин и конструкций со специальными свойствами и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Напыление дисперсных материалов для получения покрытий с наперед заданными свойствами является очень важной и интенсивно развивающейся областью технологии с развитым производством всего сопутствующего оборудования и материалов. Многие современные области машиностроения, включая общее машиностроение, аэрокосмическую отрасль и авиастроение, обязаны своими достижениями развитию именно этой технологии. Наиболее качественные покрытия в отношении высокой плотности и адгезии с основным материалом получены при использовании высокоскоростных методов с использованием сверхзвуковых струй и скоростей частиц, иногда превышающих 1000 м/с 1, 2. Известным методом высокоскоростного сверхзвукового напыления является напыление в сверхзвуковой струе топливно-кислородного пламени ( -), предложенное Браунингом около 20 лет назад, где применяются давления в напылителе 0,5-0,8 МПа и температура - до 2800 С 3. Благодаря умеренным температурам и высокой скорости частиц, этим методом получены плотные покрытия с малыми термическими напряжениями, что позволило напылять даже толстые, до 6 мм, покрытия из металлокерамики типа -10-4 (10 кобальта, 4 хрома, остальное - карбид вольфрама), которые очень эффективно используются, например, вместо напайки твердосплавных пластин на зубья землеройных машин и других быстроизнашивающихся частей механизмов 1-3. В последнее время появился еще один метод высокоскоростного пламенного напыления - - процесс ( -) 4, 5. Он близок кпо скорости частиц - до 700-800 м/с, но характеризуется их более низкой температурой (1300 С согласно 4, 5) и основан на использовании наиболее дешевых компонентов - воздуха и газообразных углеводородов. В этом процессе газовоздушная смесь (воздух с пропаном, пропиленом, природным газом и др.) поджигается в камере сгорания, снабженной вставкой из каталитической керамики, которая после достижения определенной температуры автоматически поддерживает процесс горения. Давление в камере сгорания - до 0,45 Мпа, температура газа - до 1900 С. Этим методом достигнуты толщины напыления металлокерамики типа -10-4 до 13 мм. Длительное время считалось, что для эффективного напыления дисперсный материал нужно обязательно оплавлять. Однако нагрев частиц до плавления вызывал свои проблемы прежде всего изменение объема в процессе застывания и охлаждения и связанное с этим появление значительных напряжений и дефектов в напыленном покрытии. В 80-90-х годах русские ученые в ИТПМ СО АН СССР в Новосибирске А.П. Алхимов, В.Ф. Косарев и А.Н. Папырин с коллегами убедительно экспериментально показали в 6-10, что оплавление не является обязательным, а вместо него можно применять разгон частиц до скоростей порядка 1 км/с и более с помощью специального напылителя с высоким рабочим давлением (3-4 МПа), работающего при комнатной или несколько повышенной температуре. При этом оказалось, что для пластичных материалов типа металлов и пластмасс существует критическая скорость, по достижении которой частицы не отскакивают, а прочно прилипают к поверхности даже при комнатной температуре. Это происходит благодаря интенсивной деформации и нагреву при сильном ударе как частицы, так и подложки, что приводит к образованию прочной связи даже в твердой фазе, без видимого плавления, хотя многие авторы сходятся во мнениях, что наиболее качественные покрытия образуются тогда, когда суммарная кинетическая и тепловая энергия частицы приближается к величине ее теплосодержания при нагреве до плавления. Все разнообразие существующих в настоящее время напылительных технологий можно наглядно представить в координатах температура частиц в процессе напыления и их 2 16944 1 2013.04.30 скорость. Это наиболее важные параметры, определяющие виды напыляемых материалов и качество получаемых покрытий в отношении плотности, огнеупорности и адгезии к напыляемой поверхности. На фиг. 1 изображена область параметров современных напылительных технологий в прпедставлении фирмы - согласно 11 и дополнена областью параметров, реализуемых предлагаемым методом. Здесь термином - обозначен предложенный этой фирмой метод осесимметричного трехстороннего ввода материала в струю плазмы за соплом, который был реализован в плазмотроне -200 11 (подробнее см. ниже в тексте),- упомянутый вышепроцесс, - газодинамическое напыление согласно 7, предлагаемый здесь термогазодинамический метод. На фиг. 2 - принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый метод при высокочастотном индукционном нагреве. Из фиг. 1 мы видим, что плазменные способы позволяют достигать наиболее высоких температур частиц, но скорость их ограничена диапазоном 70-350 м/с, так как традиционные напылительные плазмотроны позволяют вводить порошки напыляемых материалов в плазменную струю только за соплом, в поперечном к струе направлении. Частицы увлекаются и ускоряются струей благодаря силе их аэродинамического сопротивления в потоке 2 С 2 Здесь С - коэффициент аэродинамического сопротивления- площадь миделя частицы- плотность газа- скорость газа относительно частицы. Однако плазма атмосферного давления имеет очень низкую плотность из-за высокой температуры. Поэтому частицы материала ускоряются в потоке за соплом неэффективно, а наиболее крупные и тяжелые вообще пробивают струю и уходят из нее. Чтобы устранить этот недостаток,фирма - предложила метод осесимметричного трехстороннего ввода материала в струю плазмы за соплом, который был реализован в плазмотроне -200, достигнув таким образом скоростей частиц до 550 м/с вместо 350 м/с в традиционных плазмотронах 11. Однако и это не позволило достигнуть скоростей, характерных для оборудования высокоскоростного кислородно-топливного напыления ( процесса-), - до 700 м/с, согласно 11 и тем более - для оборудования газодинамического, согласно терминологии 7, напыления - до 850 и даже до 1200 м/с, согласно 6, 9, 10. В 12 предложено дальнейшее усовершенствование газодинамического метода, предложенного в 6-9, заключающееся в разделении газового потока на два коаксиальных холодный внутренний, транспортирующий частицы материала, и горячий внешний без частиц, которые смешиваются во входной части сопла Лаваля, перед его критическим сечением. При этом внутренний холодный поток выполняет только транспортирующую роль, будучи по сечению примерно в 80 раз меньше внешнего потока без частиц, нагретого в отдельном нагревателе примерно до 700 С. Этим методом достигнуто эффективное напыление дисперсного материала с размерами частиц более 50 мкм. Однако смешение двухфазного потока с основным потоком чистого газа на входе в сопло Лаваля приводит к попаданию частиц на его стенки и ускоренному износу, характерному для всех газодинамических напылителей с подачей материала в дозвуковое сечение сопла. Кроме того, согласно 12, температура подогрева газа в нагревателе, несущем одновременно термические и механические нагрузки от рабочего давления газа, не превышает 700 С,что также накладывает ограничения на ассортимент напыляемых материалов более легкоплавкими и пластичными, исключая, например, керамики. Таким образом, использование ввода материала в дозвуковое сечение сопла Лаваля вместо ввода его в сверхзвуковую струю, за срезом позволило резко увеличить достигае 3 16944 1 2013.04.30 мые при напылении скорости частиц. При этом, как было показано численным моделированием и экспериментально, в достижении высокой конечной скорости частиц большую роль играют параметры газа в трансзвуковой части сопла и ее длина, а оптимальная степень расширения сверхзвуковой части составляет порядка 4-6, дальнейшее же ее увеличение не эффективно из-за низкой плотности газа и слабого ускорения частиц в этой области 13, 14. Авторы 13,14 заключают, что наивысшей скорости частиц можно достигнуть в соплах с удлиненной трансзвуковой частью, так как здесь динамическое давление потока 2 достигает максимума, и ускорение частиц наиболее эффективно именно здесь. Отметим, однако, что и абразивное воздействие потока на стенки сопла здесь тоже максимально из-за высокой плотности частиц в потоке. Поэтому важно было бы найти метод удлинения трансзвуковой зоны в сопле, причем без воздействия частиц на стенки. Кроме того, серьезным недостатком пламенных напылительных методовиявляется ограниченность в выборе химического состава напылительной струи - это всегда продукты сгорания топлива, используемого для получения высокой температуры, что ограничивает как скоростные, так и термические характеристики процесса, определяемые параметрами продуктов сгорания, а также накладывает ограничения на возможности защиты напыляемого материала от окисления кислородом, содержащимся в этих продуктах. Целью настоящего изобретения является улучшение качества и технологических возможностей высокоскоростного газодинамического напыления в сторону расширения гаммы наносимых материалов с обеспечением возможности нанесения более тугоплавких и твердых компонентов по сравнению с применяемыми сегодня, за счет достижения комбинации более высоких скоростей и температур двухфазной струи, при одновременном уменьшении абразивного воздействия напылительной струи на напылительное устройство. Поставленная цель достигается тем, что в способе напыления покрытий с когезионным наслаиванием частиц материалов на изделия, состоящем в подмешивании частиц порошков металлов, сплавов, полимеров, керамики и их смесей к потоку транспортирующего газа в газодинамическом тракте, ускорении полученного потока газа и частиц до сверхзвуковых скоростей и направлении его на обрабатываемое изделие, для более эффективного разгона двухфазного потока до высоких скоростей, а также для снижения абразивного износа технологического газодинамического тракта, поток разгоняют в две стадии сначала расходно-тепловым методом до достижения скорости звука, то есть подводом дополнительного расхода чистого газа и тепла по ходу потока через его периметр, а после достижения скорости звука - геометрическим методом, то есть расширением площади сечения потока, как в сопле Лаваля. На фиг. 2 представлен пример принципиальной схемы реализации предложенного способа. Способ осуществляют следующим образом. Формирование потока газопорошковой смеси осуществляют путем подачи через дозатор 1 мелкодисперсных частиц материалов размером до 200 мкм в транспортирующий поток газа, поступающий из источника сжатого газа 2. Этот поток подают в приемную часть газодинамического тракта 3 по его оси. Технологический поток чистого газа без частиц забирают из источника сжатого газа 4 и вдувают в пограничные слои на стенках 5 тракта, окружающих поток. Одновременно со вдувом технологического газа по внешнему периметру потока подводят тепловую энергию любым способом (например, нагревая индукционным, электрорезистивным или другими способами газопроницаемые стенки, через которые вдувается технологический газ). На фиг. 2 для примера показан индуктор 6 для индукционного высокочастотного нагрева. Подвод расхода и тепла в дозвуковой поток, как известно, вызывает его ускорение - это так называемое расходно-тепловое воздействие вместо геометрического, применяемого в соплах Лаваля 15, 16. Подвод расхода и тепла выбирают такой интенсивности, чтобы достигнуть скорости звука в выходном сечении газодинамического тракта, после чего ускоряют его до сверхзвуковой скорости геометрическим воздействием, то есть увеличением площади газодинамического тракта по потоку, в традиционном сопле Лаваля 7. В 4 16944 1 2013.04.30 итоге образуется двухфазное ядро потока 8 с высоким содержанием частиц материала и окружающие его пограничные слои 9, образованные чистым технологическим газом, содержание частиц в которых зависит от интенсивности вдува - при интенсивном вдуве их здесь вообще может не быть. Поток направляют на обрабатываемую поверхность 10, где образуется когезионное покрытие из материала частиц. О достижении скорости звука на выходе из газодинамического тракта можно судить, измеряя полное давление в нем - оно должно превысить атмосферное более чем в 2,1 раза, если напыление производится с выходом в атмосферу. Известно, что звуковой перепад зависит от показателя адиабаты для используемого газа и равен 16 21 Здесь- показатель адиабаты, 1 - полное давление в трансзвуковой секции, 2 - давление на выходе из сопла (атмосферное). Для азота при температуре 300 К 1,4 и 1/21,892, а для гелия 1,667 и 1/22,053. При повышенной температуреизменяется, но в диапазоне температур до 3100 К критическое отношение давлений для рассматриваемых газов - азота, гелия и водорода - изменяется в пределах от 1,7 до 2,05. Такая структура потока с высокой концентрацией частиц на оси и чистым газом на периферии благоприятна для защиты газодинамического тракта от абразивного износа и для защиты частиц от окисления кислородом воздуха, если напыление производится в воздушной атмосфере. Преимуществом предлагаемого метода напыления является то, что в нем могут использоваться различные источники тепла, не зависящие от состава газа - это электрические разряды, Джоулев или индукционный нагрев с контактным и конвективным теплообменом и др., в зависимости от свойств материала нагревателя и его конфигурации. Наиболее прост и перспективен для многих проводящих материалов здесь высокочастотный индукционный нагрев, особенно учитывая, что современные высокочастотные генераторы способны автоматически подстраивать частоту для достижения максимальной эффективности при изменении ферромагнитных свойств материала в процессе нагрева 17. Благодаря этому здесь могут также быть использованы и различные газы, включая инертные или восстановительные, например водород или гелий. При малой молекулярной массе и большой скорости звука эти газы позволяют достигнуть максимальных скоростей напылительной струи, а благодаря инертным или восстановительным свойствам - предотвратить окисление. В таблице мы приводим для сравнения с известными методами диапазоны скоростей и температур напылительной струи, достижимых с помощью предлагаемого метода. Скорость частиц напыляемого материала зависит от их диаметра и плотности, скорости и плотности газовой струи и протяженности ускоряющего участка. В предлагаемом расходно-термическом методе протяженность трансвукового участка, обладающего максимальной величиной параметра 2, ускоряющего частицы, может на порядок превосходить его протяженность в сопле Лаваля. Температура нагрева ограничивается только термостойкостью применяемых материалов этого участка в отношении химического взаимодействя с технологическими газами или плавления. При применении азота эта температура ограничивается уровнем приблизительно 1600 К в случае использования молибденовых стенок и 2100 К - вольфрамовых, так как при этих температурах начинается образование нитридов указанных металлов. При применении гелия или водорода эти температуры могут быть увеличены приблизительно до 2400 и 3100 К соответственно. Отметим, что в данном способе греющие стенки газодинамического тракта не нагружены полным давлением рабочего газа, а только его перепадом за счет гидравлического сопротивления стенок при фильтрации газа, которые могут быть выполнены из пористого материала. Это позволяет применять более высокие рабочие давления и температуры нагрева газа по сравнению с традиционными трубчатыми нагревателями с внутренним протоком 1 16944 1 2013.04.30 газа, нагруженными и давлением, и нагревом. Стенки трансзвсукового участка также защищены от механического абразивного воздействия двухфазного потока чистым пограничным слоем вдуваемого газа без частиц. Примеры технологических режимов для некоторых сочетаний газов и материалов газодинамического трансзвукового тракта по величинам расходов, скоростей,потребляемых мощностей, температурам газов и проходным сечениям трансзвукового (ТСЗ) тракта Род газа/материал ТСЗ тракта МПа К/ 0,3 2400 10,810 1,66 1 10,7 3,6 2494 2979- рабочее давление- температура технологического газа- энтальпия газа/- расход газа- мощность, потребляемая для нагрева данного расхода газа- диаметр трансзвукового тракта- скорость газа на выходе из сопла- скорость газа в трансзвуковой секции. Итак, в данной заявке предлагается дозвуковой поток ускорять до скорости звука не геометрическим, а расходным и тепловым воздействием, постепенно вводя дополнительный расход газа и тепловую энергию по длине канала, путем распределенного вдува чистого газа без частиц, при его повышенной температуре по отношению к потоку в канале. Это будет не только ускорять газовый поток в канале, но и оттеснять двухфазный поток к оси струи, уменьшая концентрацию частиц на периферии и увеличивая на оси. При достаточном дополнительном подводе газа, ввиду нарастания толщины пограничного слоя по длине канала, звуковая скорость будет достигнута в его конце. Далее переход через скорость звука и разгон до сверхзвуковых скоростей производят с помощью обычного геометрического воздействия в сопле Лаваля. Это позволяет осуществить плавный разгон газа с частицами до скорости звука на длинном входном участке при уменьшении ускорения потока и отставания частиц от газа, а затем окончательно сформировать сверхзвуковой поток в выходной части сопла. При этом, благодаря вдуву через стенки, формируются пограничные слои чистого газа, без абразивных частиц, изнашивающих стенки сопла. Благодаря же подводу тепла через стенки, их температура всегда выше температуры потока и частиц, что также способствует защите стенок от налипания частиц при их случайном попадании. В традиционных методах наиболее интенсивное налипание наблюдается при попадании оплавленных частиц на холодные стенки. Источники информации 1.Сайт ассоциации. он-лайннайдено 2010-02-02 Найдено в Интернет///.5092. 2.Сайт общества, онлайннайдено 2010-02-04 Найдено в Интернет//,.////. 3. Патент 4 416 421, 1983. 6 16944 1 2013.04.30 4....2003. . . .5-8, 2003. . 1 (, , ).. 2003.559.он-лайн найдено 2010-06-02 Найдено в Интернет////2003 5. он-лайн найдено 2010-06-02 Найдено в Интернет///. 6. А.с. СССР 1618778, МПК 23 4/00, 1991. 7. А.с. СССР 1674585 А 1, МПК 23 26/00, 1993. 8. Патент РФ 1773072 , МПК 623 4/00, 1995 (прототип). 9. Патент 5 302 414, 1994. 10. Алхимов А.П., Косарев В.Ф. и Папырин А.Н. Газодинамическое напыление. Экспериментальное исследование процесса напыления // Прикладная механика и техническая физика. - Т. 39. -2. - 1998. - С. 182-188. 11.,. Рекламный проспект, он лайн найдено 2010-06-02 Найдено в Интернет////13///2/ / 12. Патент 6 139 913, 2000. 13. - , - .//. - . 14(3),2005. - Р. 391-396. он-лайн найдено 2010-06-02 Найдено в Интернет////613630087841745/. 14.,. .8, . 11-15 1995 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7