устройство для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов

Формула изобретения

Устройство для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов, содержащее источник сжатого газа (1), соединенный газопроводом (2) с узлом подогрева газа (3), который, в свою очередь, соединен непосредственно с входом (4) сверхзвукового сопла, закритическая часть (5) которого сообщена с питателем-дозатором (6) порошкового материала, отличающееся тем, что каналы (8) ввода порошкового материала в закритическую часть сопла выполнены в стенке закритической части попарно оппозитно, в одном сечении сопла, навстречу друг другу под углом 3090 к оси сопла и направлению потока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов и может быть использовано в машиностроении, ракетостроении и других отраслях промышленности.

Известно устройство для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов, содержащее порошковый дозатор, соединенный с ним узел подогрева, выход которого соединен со сверхзвуковым соплом (см., например, авторское свидетельство СССР №1603581, кл. B 05 B 7/20, опубл. БИ №23, 1994 г.).

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, содержащее источник сжатого воздуха, питатель-дозатор, узел подогрева, смонтированный перед сверхзвуковым соплом (см., например, авторское свидетельство СССР №1674585, кл. C 23 C 26/00, опубл. БИ №32, 1993 г.).

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.

Известно устройство для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов, содержащее источник сжатого газа, соединенный газопроводом с узлом подогрева газа, который, в свою очередь, соединен непосредственно с входом сверхзвукового сопла, закритическая часть которого сообщена с питателем-дозатором порошкового материала (см., например, патент РФ №2100474, кл. C 23 C 4/00, B 05 B 7/00, C 23 C 26/00, 13.11.96 г.).

Однако данное устройство имеет серьезный недостаток - быстро выходит из строя, т.к. в закритической части сопла образуется дефект в виде сквозного износа стенки сопла, что приводит к ухудшению газодинамики потока, приводящее к резкому снижению качества получаемого покрытия.

Задачей данного изобретения является создание устройства для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов с получением технического результата в виде увеличения срока стандартной работы устройства и производительности, повышения качества нанесения покрытий, а также расширения арсенала технических средств и возможностей.

Эта задача решается тем, что в устройстве для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов, содержащем источник сжатого газа, соединенный газопроводом с узлом подогрева газа, который, в свою очередь, соединен непосредственно с входом сверхзвукового сопла, закритическая часть которого сообщена с питателем-дозатором порошкового материала, в соответствии с изобретением каналы ввода порошкового материала в закритическую часть сопла выполнены в стенке закритической части попарно оппозитно, при этом каналы расположены в одном сечении сопла с возможностью подачи порошкового материала навстречу друг другу. При этом каналы ввода порошкового материала выполнены под некоторым углом к продольной оси сопла (3090) и направлению потока.

Практика показала, что выполнение каналов ввода порошкового материала под углом менее 30 приводит к утолщению стенки сопла, что влечет за собой увеличение веса конструкции, а также к ухудшению газодинамики процесса.

На фиг.1 изображено схематично устройство для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов (по изобретению). На фиг.2 показано сверхзвуковое сопло в существовавшем ранее устройстве для газодинамического нанесения покрытий. На фиг.3-6 показаны дефекты сверхзвукового сопла в существовавших ранее устройствах. На фиг.7 показано сверхзвуковое сопло по изобретению (схематично увеличено) после проведения серии испытаний.

Устройство для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов содержит источник сжатого газа 1, соединенный газопроводом 2 с узлом подогрева газа 3. Узел подогрева газа, в свою очередь, соединен непосредственно со входом 4 сверхзвукового сопла. Закритическая часть 5 сверхзвукового сопла сообщена с питателем-дозатором 6 порошкового материала трубопроводной системой 7, в которой каналы 8 ввода порошкового материала в закритическую часть 5 выполнены в стенке закритической части попарно оппозитно в одном сечении сопла, перпендикулярном направлению потока или под некоторым углом к оси сопла с возможностью подачи порошкового материала навстречу друг другу. Далее описывается работа устройства, как пример реализации устройства.

Сжатый газ, например воздух, как самый дешевый газ, давления Р_о от источника сжатого газа 1 по газоводу 2 подается в узел подогрева 3, где нагревается до требуемой температуры. Нагретый газ непосредственно поступает на вход 4 сверхзвукового сопла, где ускоряется до скорости в несколько сот метров в секунду. Порошковый материал из питателя-дозатора 6 по трубопроводной системе 7 подачи порошка поступает в сверхзвуковую часть 5 сопла, где ускоряется потоком воздуха на участке от места ввода порошка до выхода сопла.

Для пояснения достигаемого технического результата рассмотрим кратко кинематику движения порошкового материала внутри сопла.

При подаче порошкового материала через один канал по прототипу (см. фиг.2) подача происходит перпендикулярно оси сопла и направлению сжатого газа. При сложении направлений (векторов) подачи порошкового материала и подачи сжатого газа возникает суммирование направлений и вектор воздушно-порошковой смеси имеет некоторый угол от оси сопла и направления сжатого газа. В результате разогретая воздушно-порошковая смесь ударяется в стенку сопла под некоторым углом, происходит локальный нагрев сопла, и через некоторое время наблюдается налипание порошка на стенке сопла, т.е. появляется дефект. Воздушно-порошковая смесь теряет первоначальную скорость и отражается в противоположную стенку сопла также под некоторым углом, но с меньшей скоростью. Возникает порошковое покрытие на стенке за более короткий промежуток времени, чем в первый момент. И в первом, и во втором случае из-за локального нагрева и механического воздействия частиц порошка на материал сопла происходит сквозной износ сопла (см. фиг.4, 5, 6). В результате устройство теряет свои рабочие качества, что приводит к уменьшению производительности и ухудшению качества получаемого покрытия.

В случае использования настоящего изобретения кинематика движения порошкового материала отличается от известной. Так, при подаче порошка в попарно оппозитно расположенные каналы ввода порошка в закритическую часть сопла потоки порошкового материала движутся навстречу друг другу, что препятствует контакту частиц порошка, обладающих высокой кинетической энергией, со стенкой сопла. Поток порошка концентрируется по оси сопла (т.е. вектор скорости порошковых частиц совпадает с осью сопла), образуя равномерный двухфазный поток. При таком потоке налипание частиц порошка происходит в существенно меньшей степени, сопло сохраняет свои геометрические размеры, и отсутствует сквозной износ стенки сопла (см. фиг.6), а также не ухудшаются его газодинамические показатели. Этот факт подтверждается экспериментально. В случае использования сопла с одним вертикальным каналом ввода порошкового материала ресурс работы составил в среднем один час (три цикла работы по 20 минут с перерывами на охлаждение сопла пятнадцать минут); наблюдался сквозной износ сопла, вследствие механического воздействия (эрозии) твердых частиц порошка, локального нагрева и налипания порошкового материала. В случае применения сопла с двумя каналами ввода порошкового материала, расположенными попарно оппозитно, ресурс стандартной работы сопла увеличился в среднем в четыре-пять раз, а производительность процесса в полтора-два раза.