устройство для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов

Формула изобретения

1. Устройство для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов, содержащее источник сжатого газа, соединенный газопроводом с узлом подогрева, дозатор-питатель и сверхзвуковое сопло, отличающееся тем, что выход узла подогрева газа соединен непосредственно с входом сверхзвукового сопла, которое в закритической части соединено через трубопровод с выходом питателя-дозатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дозатор-питатель выполнен негерметичным, а поперечное сечение сверхзвукового сопла в месте соединения сопла с трубопроводом питателя-дозатора выполнено в соответствии со следующим трубованием:

S_i / S_к 1,3 P₀ + 0,8,

где S_i площадь поперечного сечения сверхвукового сопла в месте соединения с трубопроводом питателя-дозатора;

S_к площадь критического сечения сверхзвукового сопла;

P₀ полное давление газа на входе в сверхзвуковое сопло, МПа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности для получения покрытий, придающих различные свойства обрабатываемым поверхностям.

Известно устройство для нанесения покрытий, содержащее порошковый дозатор, соединенный с ним узел подогрева, выход которого соединен со сверхзвуковым соплом [1]

Недостатком такой конструкции является то, что порошковый материал приходит в соприкосновение с тепловыделяющим элементом узла подогрева, что приводит к окислению частиц порошкового материала и их налипанию на этот элемент. В целом это устройство имеет низкую эффективность.

Известно устройство для нанесения покрытий напылением [2] содержащее источник сжатого воздуха, питатель-дозатор, узел подогрева, соединенный газопроводом через запорную арматуру с форкамерой, смонтированной перед сверхзвуковым соплом.

Недостатком конструкции этого устройства является то, что питатель-дозатор соединен с форкамерой, расположенной перед соплом. Это приводит к тому, что порошок должен пройти через самую узкую часть сопла (критическое сечение), наиболее подверженную износу порошковым материалом, особенно при использовании порошков твердых веществ (металлов, керамических частиц и так далее). В свою очередь именно критическое сечение, в основном, определяет режим работы сверхзвукового сопла и эффективность устройства в целом.

Кроме того, эта конструкция довольно громоздка, поскольку в ней отдельным элементом присутствует форкамера, а питатель-дозатор должен быть выполнен герметичным и рассчитанным на высокое рабочее давление, а значит должен иметь большую массу. Наличие форкамеры между нагревательным узлом и соплом приводит, кроме того, к дополнительным потерям тепла, а значит к необходимости дополнительных энергозатрат на нагревание воздуха и поддержание заданной его температуры на входе в сверхзвуковое сопло.

Последнее обстоятельство также приводит к повышенной опасности работы с устройством, поскольку в случае разгерметизации питателя произойдет выброс из него порошка под высоким давлением.

В основу изобретения положена задача создания устройства для нанесения покрытий газодинамическим способом, которое бы имело такую конструкцию, которая увеличивала бы стабильность работы соплового узла и повышение срока его службы, а также способствовала снижению энергетических затрат на поддержание температуры воздуха на входе в сверхзвуковое сопло и обеспечивала бы повышение безопасности работы устройства и снижение его массы.

Задача достигается тем, что в устройстве для нанесения покрытий из порошковых материалов, содержащем источник сжатого газа, соединенный газопроводом с узлом подогрева, питатель-дозатор и сверхзвуковое сопло, выход узла подогрева газа соединен непосредственно с входом сверхзвукового сопла, которое в закритической части соединено через трубопровод с выходом питателя-дозатора.

Данная конструкция устройства для нанесения покрытий, в сравнении с известными, позволяет повысить стабильность работы устройства за счет отсутствия износа критического сечения сопла. Это достигается тем, что через него порошок не проходит вообще, а следовательно, не изнашивает его, не изменяет его параметры, и, в силу этого, не изменяет режим работы соплового узла и устройства в целом.

При использовании порошков из твердых металлов или керамики износ стенок сопла происходит только в сверхзвуковой части сопла и не затрагивает критическое сечение сопла. Поскольку режим работы сверхзвукового сопла (в частности расход воздуха, число Маха и т.д.) определяются в первую очередь критическим сечением сопла, износ только сверхзвуковой части сопла обеспечивает более медленное изменение режима работы сопла по сравнению со случаем, когда порошок вводится в форкамеру перед соплом или в дозвуковую часть сопла. Таким образом, обеспечивается больший ресурс работы сопла.

При этом отпадает необходимость в наличии форкамеры, что ведет к упрощению конструкции, снижению ее массы, а то, что узел подогрева непосредственно соединен с входом сопла, позволяет исключить потери тепла в форкамере.

Присоединение питателя к сверхзвуковой части сопла позволяет поддерживать в питателе более низкое давление, чем давление на входе в сопло, так как в сверхзвуковой части любого сопла Лаваля (сверхзвукового сопла) давление всегда ниже, чем в дозвуковой его части. Это приводит к уменьшению массы питателя и повышению безопасности его функционирования.

Такая конструкция устройства позволяет использовать для транспортировки порошка от питателя-дозатора к соплу не сжатый воздух, а атмосферный. Это еще в большей степени снижает массу устройства и повышает безопасность работы устройства, так как в этом случае можно использовать негерметичный питатель-дозатор, для чего в точке ввода порошка в сопло должно поддерживаться давление меньше атмосферного, что обеспечит транспортировку порошка потоком непосредственно атмосферного воздуха.

Эффективную транспортировку порошка непосредственно атмосферным воздухом возможно реализовать, если в месте соединения сопла с трубопроводом питателя-дозатора площадь поперечного сечения сверхзвукового сопла будет связана с площадью его критического сечения следующим соотношением:

S_i/S_k1,3P_o+0,8,

где S_i площадь поперечного сечения сверхзвукового сопла в месте соединения с трубопроводом питателя-дозатора,

S_k площадь критического сечения сверхзвукового сопла,

P_o полное давление газа на входе в сверхзвуковое сопло, выраженное в МПа.

На чертеже изображена схема устройства.

Устройство содержит источник сжатого воздуха 1, соединенный газопроводом 2 с узлом подогрева 3, выход которого соединен с входом сверхзвукового сопла 4, закритическая (сверхзвуковая) часть 5 которого соединена трубопроводом 6 с порошковым питателем-дозатором 7.

Устройство работает следующим образом.

Сжатый воздух давления P_o от источника сжатого воздуха 1 по газопроводу 2 подается в узел подогрева 4, где нагревается до требуемой температуры. Нагретый воздух непосредственно поступает в сверхзвуковое сопло, где ускоряется до скорости несколько сот метров в секунду.

Порошковый материал из питателя-дозатора 7 по трубопроводу 6 подачи порошка поступает в сверхзвуковую часть 5 сопла, где подхватывается потоком воздуха и ускоряется на участке сопла от места ввода до окончания сопла. При этом в сечении сопла, где трубопровод 6 подачи порошка сообщается со сверхзвуковым соплом 4, поддерживается статическое давление меньше атмосферного, что обеспечивает эффективное всасывание воздуха с порошком из порошкового питателя-дозатора.

Поддержание в точке ввода в сопло порошка давления меньше атмосферного можно обеспечить при условии, что площадь поперечного сечения сверхзвукового сопла в этой части будет превышать его критическое сечение в определенное число раз. Многочисленными экспериментами и расчетами было установлено, что для эффективной работы устройства площадь поперечного сечения сверхзвукового сопла в месте соединения сопла с трубопроводом питателя-дозатора должна соотноситься с критическим сечением сопла соотношением:

S_i/S_k1,3P_o+0,8,

где S_i площадь поперечного сечения сверхзвукового сопла в месте соединения с трубопроводом питателя-дозатора,

S_k площадь критического сечения сверхзвукового сопла,

P_o полное давление газа на входе в сверхзвуковое сопло, выраженное в МПа.

Такая конструкция обеспечивает отсутствие в порошковом питателе-дозаторе избыточного (выше атмосферного) давления, что в свою очередь увеличивает безопасность работы питателя-дозатора и упрощает его обслуживание.

Устройство может быть использовано для нанесения покрытий из порошковых материалов для придания поверхностям изделий различных свойств, таких как коррозионная стойкость, жаростойкость, изменение излучательной способности поверхности и т.д. кроме того, устройство можно использовать для нанесения декоративных покрытий.