способ газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов

Формула изобретения

Способ газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов, включающий подачу порошковых частиц с помощью высокоскоростной газовой струи, подаваемой из соплового узла, и их напыление на покрываемую поверхность, отличающийся тем, что подачу частиц осуществляют подогретой газовой струей и напыление проводят в циклическом режиме с чередованием напыления и подготовки к напылению, причем подготовку к напылению осуществляют путем накопления сжатого газа в ресивере, тепловой энергии в нагревателе газа и отвода тепла от соплового узла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к технологии формования изделий из порошковых материалов и к технологии нанесения покрытия.

Известны способы напыления покрытий с использованием газоплазменных, плазменных, электродуговых и детонационных установок [1] В газоплазменных и плазменных устройствах нагрев и ускорение порошка осуществляется с помощью высокотемпературной газовой или плазменной струи. В электродуговых устройствах напыляемый металл расплавляется в электрической дуге между сходящимися проволоками и диспергируется струей воздуха. В детонационных установках порошок нагревается и ускоряется продуктами газовой детонации.

Общей отличительной чертой указанных методов является то, что сцепление частиц с поверхностью и между собой и образование монолитного слоя происходит за счет сварки сталкивающихся расплавленных частиц. С помощью упомянутых установок наносят покрытия с целью восстановления размеров деталей и ликвидации дефектов поверхности, а также с целью защиты от коррозии и придания поверхности особых физических или механических свойств. Технологический процесс напыления включает очистку поверхности, формирование на ней необходимой шероховатости, нанесение подслоя и т.д.

Формование готовых изделий или заготовок деталей газотермическими методами осуществляют последовательным напылением слоев на заготовку, которую затем выплавляют или удаляют механическим путем. Для напыления используют металлические или композиционные порошки с размерами частиц от 20 до 150 микрометров. Более мелкие частицы разрушаются при высокой температуре, а более крупные не успевают прогреваться до расплавления.

Основные проблемы использования газотермических методов связаны с вредными газовыми выделениями, шумовым и радиационным воздействием на обслуживающий персонал, сложностью и дороговизной отдельных узлов технологического оборудования, небольшим сроком их службы. Как правило, процесс напыления проводят в инертной атмосфере с целью уменьшения влияния высокой температуры на порошок и изделие.

Скорость частиц порошка при напылении электродуговым металлизатором, газопламенной горелкой или плазмотроном с дозвуковым соплом не превышает 150 м/с. В детонационной установке она достигает 600-800 м/с, за счет чего обеспечивается более высокая прочность и плотность покрытия ( до 20-30 кгс/мм² по сравнению с 3-5 кгс/мм² при плазменном напылении).

Детонационная технология появилась примерно 20 лет назад. Несколько позже, в начале восьмидесятых, появились газоплазменные и плазменные головки со сверхзвуковыми соплами (соплами Ловаля). В качестве примера можно привести одно из таких устройств сопло с камерой сгорания, взятое из описания патента Браунинга [2] На фиг. 1 воспроизведен общий вид устройства Браунинга, с помощью которого можно напылять как порошковые, так и проволочные материалы. В устройстве Браунинга расплавление и диспергирование проволоки или разогрев порошка происходит в форкамере, куда из камеры сгорания через соответствующие каналы подаются газообразные продукты сгорания. Профиль канала сопла и длина сопла выбираются так, чтобы расплавленные частицы не могли соприкоснуться с его стенками. На выходе частицы приобретают скорость порядка нескольких сотен метров в секунду. Ударяясь о подложку или затвердевший слой уже напыленного порошка, капли металла хорошо заполняют неровности поверхности. Необходимо учитывать, что при слишком высокой скорости может произойти разбрызгивание капель и ухудшение качества формования. Определенные сложности использования сверхзвукового сопла возникают и в связи с невозможностью полностью устранить налипание порошкового материала внутри сопла. Вводить порошок в сверхзвуковую струю на выходе неэффективно из-за резкого уменьшения разгонного участка и разрушения струи. Поэтому возникает противоречие между стремлением вводить порошок в газ перед критическим сечением и необходимостью устранить возможность столкновения ускоряемых жидких частиц со стенками канала на всем его протяжении.

В описании изобретения Браунинга данные проблемы оговариваются, но не разрешаются. Выход из данного положения открывает метод напыления, в котором порошок не нагревается до расплавленного состояния. Идея о возможности "холодной сварки" мелких металлических частиц при высокоскоростном соударении их с твердой поверхностью высказана в изобретении Шестакова еще в 1967 году [3] Предложение о холодной сварке частиц в динамическом режиме в свое время не получило развития. Видимо, это связано с тем, что для реализации режима холодного напыления необходимы были новые предложения по устройству соплового узла. Сам Шестаков считал, что его способ осуществим с помощью известных устройств (распылителей, дробометов, пескоструйных аппаратов и т. д.) при "незначительной их модернизации".

Явление холодного газодинамического напыления было переоткрыто независимо в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН в начале 80-х годов. В экспериментах по изучению сверхзвукового обтекания тел вращения в аэродинамической трубе, где для визуального потока в него впрыскивается тонкодисперсный алюминиевый порошок, было замечено образование на лобовых поверхностях моделей плотного алюминиевого покрытия. Позже обнаруженное явление изучалось целенаправлено. Оказалось, что аналогичное покрытие образуется при надувании на твердую поверхность сверхзвуковой газопорошковой струи, истекающей из сопла большого удлинения. Были разработаны принципы расчета и конструирования соплового узла. Установлено, что найденные приемы пригодны для широкого диапазона порошковых металлов, в том числе достаточно тугоплавких, таких, как железо, титан, молибден и др. Выяснилось, что большинство металлов напыляется в струе легкого газа (гелия или водорода) при комнатной температуре, а в струе воздуха или азота при температуре 100-400^oC. Например, алюминий хорошо напыляется воздухом при температуре 100-150^oC. Основные положения газодинамического напыления отражены в [4] На фиг. 2 приведена одна из возможных схем установки газодинамического напыления, которую можно использовать и для формования изделий. Она состоит из источника сжатого воздуха (компрессора), порошкового питателя, соплового узла, нагревателя, камеры напыления и устройства для осуществления относительного движения сопла и напыляемой детали. Реальная установка должна иметь также устройство для очистки выхлопных газов и другие вспомогательные агрегаты.

В данном описании цитируемое изобретение [4] используется в качестве прототипа.

При газодинамическом напылении используется сверхзвуковое сопло, в некоторых чертах сходное с запатентованным Браунингом (фиг. 1). Наиболее существенные отличия от устройства Браунинга заключаются в величине удлинения (в величине отношения поперечного размера и длине сопла) и в форме поперечного сечения канала сопла на сверхзвуковом участке. При газодинамическом напылении используется сопло с удлинением более 30. Поперечное сечение на выходе имеет прямоугольную или овальную форму с большим отношением сторон. Большое удлинение необходимо для обеспечения высокой скорости частиц, а указанная форма сечения выбрана с целью уменьшения зоны заторможенного газа перед поверхностью, где частицы снижают скорость.

На фиг. 3 приведена одна из возможных схем соплового узла для напыления антикоррозийного алюминиевого или цинкового покрытия. Подогретый воздух и порошок подаются в форкамеру. Хонейкомб необходим для раздробления крупных вихрей воздуха. Охлаждение сопла уменьшает вероятность налипания порошка внутри него.

Сопло для напыления алюминия дисперсностью 5-10 мкм может иметь критическое сечение около 10 мм² и сверхзвуковую расширяющуюся часть длиной около 120 мм с выходным сечением 3 х 10 мм. Давление и температура воздуха при этом придерживаются на уровне 2,5 МПа и 200^oC.

Проблемы метода газодинамического формования или напыления увеличиваются с увеличением размеров частиц, особенно при высокой температуре их плавления.

Для того чтобы обеспечить оптимальное (в этом случае) сочетание скоростных и температурных параметров газопорошковой струи, оставаясь в режиме нерасплавленных частиц порошка, необходимы мощные сопловые устройство и вспомогательное оборудование.

Приведем некоторые оценки. Приближенно можно принять, что газовый поток на сверхзвуковом участке сопла и за выходным сечением имеет постоянную скорость, плотность и температуру. На этом участке частицы приобретают необходимую скорость за счет аэродинамического сопротивления. Уравнение, описывающее ускорение частицы, имеет вид

,

где m масса частицы, F ее модель, V_p ее скорость, C_x коэффициент сопротивления, и V плотность и скорость газа, C_x, r, V в данной задаче постоянные величины.

Интегрируя приведенное дифференциальное уравнение при условии нулевой начальной скорости, получаем формулу для вычисления длины разгонного участка:



Здесь a=3/4 C_x /_p,_p плотность материала частицы; ,

где V_рк скорость частицы в конце разгонного участка; d диаметр частицы. Для газодинамического компактирования стального порошка с размером частиц 50 мкм, при условии, что они нагреты до температуры не менее 600^oC, необходима скорость порядка 600-800 м/с. (В этом случае полная энергия каждой частицы равна ее тепловой энергии при температуре плавления). Если в качестве ускоряющего газа используется воздух или азот при числе Маха М 20, при температуре и давлении торможения 2000^oK и 4 МПа, то длина разгонного участка будет порядка 0,4-0,6 м. Следовательно, сопло будет иметь сверхзвуковой канал примерно такой же длины.

Для того, чтобы газ не затормозился за счет трения о стенки, критическое сечение сопла должно быть порядка 100 мм². При этом расход сжатого воздуха будет порядка 0,35 кг/с (20 м³/мин при нормальных условиях).

Уменьшить габариты сопла и снизить расход газа можно за счет повышения давления в форкамере. Действительно, при увеличении и пропорциональном уменьшении всех размеров сопла соблюдается подобие по числам Маха и Рейнольдса, что означает сходство полей скоростей температур и плотностей газа во всех сечениях сопла, в том числе и в выходном сечении. Скорость частиц порошка в выходном сечении пропорциональна длине сопла и плотности газа. Поскольку произведение характерной длины на характерную плотность газа в рассматриваемом случае сохраняет свое значение, то скорость частиц на выходе также не изменяется. (Строго говоря, она изменяется, но на небольшую величину, из-за несоблюдения подобия по обтеканию частиц, приводящему к C_xconst). Расход газа в коротком сопле оказывается при этом меньше во столько раз, во сколько раз меньше его длина. Это легко показать, если учесть, что . Однако на практике такой путь не всегда приемлем из-за очень высокого давления (10 МПа).

Выход из создавшегося положения возможен на пути организации циклического режима работы. Предлагается чередовать процессы напыления и подготовки к напылению. Режим подготовки к напылению используется для накопления энергии, а также для осуществления определенных релаксационных процессов, необходимых для подготовки элементов оборудования к следующему процессу напыления.

Для примера рассмотрим цикл, состоящий из процесса напыления длительностью 6 с и процесса подготовки длительностью 60 с (1 мин). За время подготовки накапливается сжатый воздух в ресивере, идет накопление тепла в теплообменных аппаратах (нагревателях), отводится тепло от нагретого сопла, охлаждается обрабатываемое изделие и т.д. Тепловые и механические процессы по предлагаемой схеме идут циклически. Этим предлагаемая схема отличается от схемы непрерывного стационарного действия. Узлы установки циклического действия работают в неустановившемся кратковременно-периодическом режиме, поэтому конструкция их проще по принципу действия и по исполнению. Например, система охлаждения сопла, которая в случае непрерывной работы установки должна обеспечивать очень большой удельный теплосъем, при циклическом режиме может быть нагружена намного меньшим усредненным потоком тепла, если использовать массу сопла в качестве буферной тепловой емкости. Мощность компрессора с ресивером на циклической установке в 11 раз меньше его потребной мощности для установки непрерывного действия. Аналогичные соображения можно привести и по отношению к нагревателям.

Подготовительный процесс из каждого цикла можно совместить с процессом установки соплового узла в новую позицию. Например, при напылении шеек коленчатого вала на установке с соплом сечением 10 на 10 мм одна шейка может быть обработана практически за один цикл за 6 с чистого времени. В этом случае за время подготовки к следующему режиму напыления сопло можно переставить в новую позицию для напыления следующей шейки и т.д.

В некоторых случаях защищаемое предложение открывает единственный практически осуществимый путь для метода газодинамического напыления (формования), сохраняя его основные преимущества, заключающиеся в хорошем качестве формования, дешевизне рабочих газов, простоте технологического оборудования. В данном описании оценки выполнены для случая, когда рабочий газ воздух или азот, напыляемый материал среднедисперсный порошок легированной стали. Аналогичные выводы можно сделать и для других тугоплавких металлов, а также других рабочих газов, в частности, продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива и воздуха.

Данное предложение может быть использовано при проектировании установок для газодинамического компактирования и напыления порошковых покрытий в тех случаях, где требуется повышенная прочность и плотность.

Источники информации

1. Ю. С. Борисов, Ю.А. Харламов, С.И. Сидоренко, Е.Н. Ардаговская. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник. Киев: Наукова думка, 1987, с. 543.

2. Jawes A.Brawning. United States Patent N 4416421 Nov. 22. 1983.

3. Авт.свид. 198112 СССР В 23. Способ холодной сварки /А.И.Шестаков, опубл. 09.06.1967 //Открытия. Изобретения, 1967, N 13.

4. Авт.св. 16187778 СССР С 23 С 4/00. Способ получения покрытий/ А.П.Алхимов, В. Ф. Косарев, Н.И.Нестерович, Н.И.Папырин// Открытия. Изобретения, 1991, N 1.