close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY4365

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 4365
(13)
C1
(51)
(12)
7
B 05B 7/20
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО НАПЫЛЕНИЯ
ПОКРЫТИЙ (ВАРИАНТЫ)
(21) Номер заявки: а 19990698
(22) 1999.07.12
(46) 2002.03.30
(71) Заявитель: Институт
надежности
машин
Национальной академии наук Беларуси (BY)
(72) Авторы: Белоцерковский М.А., Прядко А.С.,
Черепко А.Е. (BY)
(73) Патентообладатель: Институт
надежности
машин Национальной академии наук Беларуси
(BY)
(57)
1. Устройство для высокоскоростного напыления покрытий порошковыми или проволочными материалами, включающее узел подачи материалов, содержащий мундштук, и камеру сгорания, снабженную жиклерами для подвода топлива и окислителя, системой поджига горючей смеси и выходным соплом, обеспечивающим сверхзвуковое истечение продуктов сгорания, отличающееся тем, что в камере сгорания
перпендикулярно ее оси установлен перфорированный огнеупорный элемент, разделяющий камеру на полости смешения и горения, причем мундштук узла подачи распыляемого материала помещен в отверстие
перфорированного элемента, выполненного по его оси, при этом диаметр каналов упомянутого перфорированного элемента равен 0,8...1,8 мм, а суммарное проходное сечение составляет 35...50 % от площади поверхности элемента.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что перфорированный элемент расположен от среза выходного сопла на расстоянии 70...120 мм.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что толщина перфорированного элемента выбрана в пределах
8...14 мм.
Фиг. 1
BY 4365 C1
4. Устройство для высокоскоростного напыления покрытий порошковыми или проволочными материалами, включающее узел подачи материалов и камеру сгорания, снабженную жиклерами для подвода топлива
и окислителя, системой поджига горючей смеси и выходным соплом, обеспечивающим сверхзвуковое истечение продуктов сгорания, отличающееся тем, что в камере сгорания перпендикулярно ее оси установлен
перфорированный огнеупорный элемент, разделяющий камеру на полости смешения и горения, причем в
качестве узла подачи материалов служит термораспылитель, распылительная головка которого расположена
в отверстии перфорированного элемента, выполненного по его оси, при этом диаметр каналов упомянутого
перфорированного элемента равен 0,8...1,8 мм, а суммарное проходное сечение составляет 35...50 % от площади поверхности элемента.
5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что расстояние от перфорированного элемента до среза распылительной головки термораспылителя Х определяется из выражения:
Х = L + In А,
где L - расстояние от перфорированного элемента до среза сопла;
А - в случае напыления порошковых материалов - 1,2...7,1,
в случае напыления проволочных материалов - 0,13... 0,3.
6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что толщина перфорированного элемента выбрана в пределах
8...14 мм.
(56)
US 4416421,1983.
BY 2333 C1, 1998.
SU 1676152 A, 1989.
RU 2037337 C1, 1995.
RU 2080190 С1, 1997.
EP 81106863 A, 1982.
EP 91103273 A, 1991.
EP 89309078 A, 1990.
JP 55111862 A, 1979.
Изобретение относится к области газотермического нанесения покрытий на твердые поверхности, в частности, к устройствам для высокоскоростного напыления покрытий.
Для обеспечения высокого качества покрытий (прочность сцепления более 40 МПа и пористости 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 (Патент США 4384434, НКИ 51/410, 1983, патент США 5120582, НКИ 427/423, 1992), 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, описанном в патенте США 4384434, НКИ 51/410, 1983, 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, описанное в патенте США 5120582, НКИ 427/423, 1992, 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 также имеет существенные недостатки. Частицы порошка, поступая в сопловой канал
2
BY 4365 C1
перпендикулярно к его оси, имеют значительную нормальную составляющую скорости, которая способствует отклонению траектории их движения от оси соплового канала и взаимодействию со стенками соплового
канала. Следствием этого является налипание расплавленных частиц напыляемого материала на стенки соплового канала и его закупорка через 20...25 минут эксплуатации.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для высококонцентрированного сверхзвукового напыления расплавленных материалов (Патент США 4416424, НКИ 239/79, 1983),
состоящее из корпуса, камеры сгорания, сопловой части, устройства подачи расходного материала, содержащего мундштук, устройства 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. Существенными недостатками предлагаемого устройства являются его значительные габаритные размеры, что
обусловливает возможность использования рассматриваемого устройства высокоскоростного газопламенного напыления только в стационарных условиях. Кроме того, раздельная подача компонентов для образования рабочей кислородно-топливной смеси непосредственно в зону воспламенения, делает невозможным использование сжатого воздуха в качестве окислителя для повышения безопасности работы оборудования и
снижения себестоимости процесса.
Задача предполагаемого изобретения - повышение безопасности работы, снижение себестоимости процесса и уменьшение габаритных размеров устройства высокоскоростного напыления при сохранении заданных теплофизических и динамических параметров выходного двухфазного потока, необходимых для формирования качественных покрытий, повышение качества формируемых покрытий.
Поставленная задача решается в устройстве по варианту 1, содержащем корпус, камеру сгорания, устройство подачи расходного материала, снабженное мундштуком, устройство поджига горючей смеси, сопловой
канал, топливный и воздушный жиклеры, в котором, согласно изобретению, в вышеуказанную камеру сгорания, перпендикулярно к ее оси, устанавливается огнеупорный перфорированный элемент, диаметр каналов
которого равен 0,8...1,8 мм, а суммарное проходное сечение составляет 35...50 % от площади поверхности
элемента, разделяющий ее на полость смешения и полость сжигания рабочей смеси. Перфорированный элемент расположен от среза выходного сопла на расстоянии 70...120 мм.
Расстояние от перфорированного элемента до среза сопла зависит от производительности процесса, теплофизических характеристик напыляемого материала, величины плотности теплового потока факела и может быть определено следующей зависимостью, полученной эмпирическим путем:
N C ∆T
L=S
,
Ф
где S - коэффициент, м-1 [S ~ (0,06...0,08) 10-4];
N - производительность напыления, кг/с;
С - удельная теплоемкость напыляемого материала, Дж / кг К;
∆T - разница между начальной температурой напыляемого материала и его температурой у критического
сечения сопла, К;
Ф - плотность теплового потока в полости горения, Вт / м2.
Наличие полости смешения позволяет улучшить условия смесеобразования при раздельной подаче компонентов для формирования горючей смеси, подавая в зону воспламенения полости сжигания готовую
смесь, что полностью 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.
По варианту 2 поставленная задача решается в устройстве, отличающемся от устройства по варианту 1
тем, что в качестве узла подачи материалов используется термораспылитель, распылительная головка которого расположена в отверстии перфорированного элемента, выполненного по его оси.
Расстояние от перфорированного элемента до среза головки термораспылительной установки устройства,
выполненного по варианту 2, определено экспериментально и может быть описано выражением:
Х = L + In А,
где L - расстояние от перфорированного элемента до среза сопла;
3
BY 4365 C1
А - в случае напыления порошковых материалов - 1,2...7,1;
- в случае напыления проволочных материалов - 0,13...0,3.
Такое конструктивное исполнение дает возможность реализовать двухструйную схему газотермического
напыления, когда первичный высокотемпературный поток, обладающий относительно невысокой скоростью, расплавляет транспортируемые частицы расходного материала, а вторичный, низкотемпературный, но
высокоскоростной поток, разгоняет расплавленные частицы до скоростей более 240 м/с. Причем первичный
поток представляет собой высокотемпературную струю, производимую термораспылительным устройством
для газотермического напыления, в то время как вторичный поток - это высокоскоростная струя продуктов
сгорания топливно-воздушной смеси. Это позволяет существенно улучшить качество формируемых покрытий (прочность сцепления более 45 МПа и пористость менее 8 %).
Толщина перфорированного элемента выбирается в пределах 8...14 мм.
В ходе выполнения экспериментальных исследований установлено, что толщина перфорированного элемента прямо пропорциональна логарифму температуры факела и квадрату теплопроводности материала элемента. Обработка результатов исследований показала, что в каждом конкретном случае толщину элемента
можно определить из выражения:
h = k⋅λ2⋅In T,
где k-коэффициент (4,35...4,51)⋅10-4, м3⋅град2/Вт2;
λ - теплопроводность материала элемента, Вт/м⋅град;
Т - температура факела, град.
Изобретение поясняется рисунками, где на фиг. 1 изображено устройство по варианту 1 (схема). На
фиг. 2 - устройство по варианту 2 (схема).
Предлагаемое устройство для высокоскоростного газотермического напыления (фиг. 1) состоит из корпуса 1, с сопловым каналом 2, огнеупорного перфорированного элемента 3, установленного в камере сгорания перпендикулярно ее оси и разделяющего объем камеры на полость смешения 4 и полость сжигания рабочей смеси 5, узла подачи расходного материала (не показан) с мундштуком 6, помещенным в отверстие
перфорированного элемента 3, выполненного по его оси, устройства поджига рабочей смеси 7, электроды
которого установлены в полости сжигания 5 в непосредственной близости к огневой поверхности 8 перфорированного элемента 3, топливного 9 и воздушного 10 жиклеров, открывающихся непосредственно в полость смешения 4.
Предлагаемое устройство для высокоскоростного газотермического напыления по варианту 2 (фиг. 2) отличается тем, что в качестве узла подачи материалов служит термораспылитель (не показан), распылительная голова 11 которого расположена в отверстии перфорированного элемента 3, выполненного по его оси.
Предлагаемое устройство высокоскоростного напыления по варианту 1 работает следующим образом.
Окислитель и топливо поступают через воздушный и топливный жиклеры 9 и 10 соответственно, в полость смешения 4, где образуется горючая смесь. Из полости смешения 4 через каналы, выполненные в огнеупорном перфорированном элементе 3, горючая смесь, продолжая интенсивно перемешиваться, поступает
в полость сжигания рабочей смеси 5, и воспламеняется посредством устройства поджига рабочей смеси 7,
электроды которого установлены в непосредственной близости к огневой поверхности 8, перфорированного
элемента 3. В процессе работы, по мере того как нагреваются детали и элементы устройства высокоскоростного напыления, скорость горения рабочей смеси увеличивается и пламя втягивается в указанные каналы огнеупорного перфорированного элемента 3. Причем горение смеси за перфорированным элементом 3 идет в
зоне малой толщины в виде плоского пламени, без видимых языков.
Получаемый высокоскоростной поток горячих продуктов сгорания топливно-воздушной смеси подхватывает частицы расходного материала, поступающие в полость сжигания рабочей смеси 5 помощи устройства подачи расходного материала 6, мундштук которого помещено в отверстие перфорированного элемента 3,
выполненного по его оси, прогревает и расплавляет их, обжимает в пучок малого диаметра и разгоняет до
высоких скоростей.
Предлагаемое устройство высокоскоростного напыления по варианту 2 работает аналогичным образом с
устройством высокоскоростного напыления по варианту 1, но отличается тем, что получаемый высокоскоростной поток горячих продуктов сгорания топливно-воздушной смеси подхватывает частицы расходного
материала, предварительно прогретые, расплавленные и направленные с некоторой начальной скоростью в
полость сжигания рабочей смеси 5 высокотемпературной струей, производимой распылительной головкой
термораспылителя 11, выходное сопло которого помещено в отверстие перфорированного элемента 3, выполненного по его оси, обжимает их в пучок малого диаметра и разгоняет до высоких скоростей.
Испытания опытной модели устройства высокоскоростного напыления по варианту 1 показали, что предлагаемое устройство способно производить газовый поток горячих продуктов сгорания топливно-воздушной
смеси обладающий скоростью до 1500 м/с и способный разгонять частицы напыляемого материала до скоростей порядка 200...250 м/с. Исследования полученных образцов покрытий из стального порошка марки
ПР-Х23Н28МДЗ показали, что прочность сцепления материала покрытия с основой составляет 46...51 МПа,
а пористость покрытий колеблется в пределах 0,5... 4,5 %.
4
BY 4365 C1
Получение покрытия из того же материала с использованием устройства, принятого за прототип, обходится более чем на 30 % дороже за счет использования баллонного кислорода. Заявляемое устройство имеет
вдвое меньшие габариты, прототип, обеспечивает ту же мощность теплового потока, более безопасно в работе, позволяет снизить себестоимость процесса напыления.
Испытания опытной модели устройства высокоскоростного напыления по варианту 2 показали, что предлагаемое устройство способно производить поток продуктов сгорания топливно-воздушной смеси обладающий скоростью до 1500 м/с и способный разгонять предварительно нагретые частицы напыляемого материала до скоростей порядка 240...300 м/с. Исследования полученных образцов покрытий из порошков
плакированного никелем карбида хрома Сr3С2 показали, что прочность сцепления с основой составляет
42...48 МПа, а пористость покрытий колеблется в пределах 1,5...5,0 %. Покрытия из того же порошка, полученные на оборудовании, выбранном в качестве прототипа имели прочность сцепления с основой менее 40
МПа (33 - 37 МПа) и пористость около 8 %.
Таким образом, предложенное устройство позволяет повысить качество наносимых покрытий, имеет
вдвое меньшие габариты, чем прототип, обеспечивая ту же мощность теплового потока, более безопасно в
работе и позволяет снизить себестоимость процесса напыления на 30 %.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
148 Кб
Теги
by4365, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа