close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15523

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.02.28
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 15523
(13) C1
(19)
C 23C 4/00
H 05H 1/42
(2006.01)
(2006.01)
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ
С ВНЕШНИМ РАСШИРЕНИЕМ СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУИ
(21) Номер заявки: a 20100338
(22) 2010.03.09
(43) 2011.10.30
(71) Заявители: Шараховский Леонид Иванович; Шараховский Александр Иванович (BY)
(72) Авторы: Шараховский Леонид Иванович; Шараховский Александр Иванович (BY)
(73) Патентообладатели:
Шараховский
Леонид
Иванович;
Шараховский
Александр Иванович (BY)
(56) US 2005/0211799 A1.
BY 10686 C1, 2008.
BY 4365 C1, 2002.
BY 4367 C1, 2002.
RU 2320102 C1, 2008.
WO 90/12123 A1.
JP 2000096247 A, 2000.
BY 15523 C1 2012.02.28
(57)
Способ термического плазменного напыления с внешним расширением сверхзвуковой
струи, содержащей частицы напыляемого материала, отличающийся тем, что формируют
транспортирующий поток газа с частицами напыляемого материала и подают в сверхзвуковое сопло внешнего расширения таким образом, чтобы упомянутый поток располагался
по периметру вокруг плазменной струи технологического газа, ускоряют транспортирующий поток газа до сверхзвуковой скорости и вводят непрерывной струей в плазменную
струю по всему ее периметру с образованием пятна напыления, размер которого устанавливают путем изменения газодинамических режимов и конфигурации сопла и плазмотрона.
Фиг. 2
BY 15523 C1 2012.02.28
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 (HVOF - High Velocity Oxygen
Fuel process), предложенное Браунингом около 20 лет назад, где применяются давления в
напылителе 0,5-0,8 МПа и температура - до 2800 °C [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 WC-10Co-4Cr (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 [1-4].
В последнее время появился еще один метод высокоскоростного пламенного напыления - AC-HVAF процесс (Activated Combustion-High Velocity Air Fuel process) [5, 6]. Он
близок к HVOF по скорости частиц - до 700-800 м/с, но характеризуется их более низкой
температурой (1300 °C, согласно [5, 6]) и основан на использовании наиболее дешевых
компонентов - воздуха и газообразных углеводородов. В этом процессе газо-воздушная
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 °C. Этим методом достигнута
толщина напыления металлокерамики типа WC-10Co-4Cr 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
[7-11], 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.
2
BY 15523 C1 2012.02.28
Все разнообразие существующих в настоящее время напылительных технологий можно наглядно представить в координатах: температура частиц в процессе напыления и их
скорость. Это наиболее важные параметры, определяющие виды напыляемых материалов
и качество получаемых покрытий в отношении плотности и адгезии к напыляемой поверхности.
На фиг. 1 изображены области параметров современных напылительных технологий
по температуре и скорости частиц из [12]. Здесь термином "kinetic spray" названо "газодинамическое напыление" согласно [8].
На фиг. 2 - принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый метод.
На фиг. 3 - принципиальные схемы сверхзвуковых течений с линиями тока в плоских
соплах внешнего расширения различных конфигураций, рассчитанные методом характеристик.
На 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:
ρv 2
F = Cf F
2
Здесь Cf - коэффициент аэродинамического сопротивления; F - площадь миделя частицы; ρ - плотность газа; v - 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 Zultzer-Metco предложила метод осесимметричного трехстороннего ввода материала в струю плазмы за соплом, который был реализован в плазмотроне TriplexPro-200, достигнув таким образом скоростей частиц до 550 м/с вместо 350 м/с в традиционных
плазмотронах [12]. Однако и это не позволило достигнуть скоростей, характерных для
оборудования высокоскоростного кислородно-топливного напыления (HVOF процесса High Velocity Oxygen-Fuel), - до 700 м/с, согласно [12] и тем более - для оборудования "газодинамического", согласно терминологии [8], напыления - до 850 и даже до 1200 м/с, согласно [7, 10, 11].
В [13] предложено дальнейшее усовершенствование газодинамического метода, предложенного в [7-10], 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 °C. 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 [13], температура подогрева газа в нагревателе, несущем одновременно
термические и механические нагрузки от рабочего давления газа, не превышает 700 °C,
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 достигаемые при напылении скорости частиц.
3
BY 15523 C1 2012.02.28
Серьезным недостатком всех пламенных напылительных методов, включая HVOF и
HVAF, является 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.
В [14] предложен вариант плазменного кинетического напыления с помощью устройства, в котором материал подается в плазменную струю с помощью кольцевой конически
сходящейся двухфазной струи, окружающей плазменную струю, истекающую из плазмотрона, размещенного на оси потока. После смешения двухфазной струи с плазменной струей образовавшийся смешанный поток авторы предлагают ускорять с помощью сопла
Лаваля, которое еще может быть дополнительно оборудовано, согласно предложению авторов, смесительной предкамерой вверх по потоку. Недостатком такого устройства являются очень тяжелые условия работы сопла Лаваля, подвергающегося одновременно
интенсивному термическому и механическому абразивному воздействию двухфазной
плазменной струи, а также возможность налипания оплавленных частиц на холодных
стенках охлаждаемого сопла, приводящего к его повреждению и нарушению работы.
В [15] предложен метод с применением сопла с внешним расширением и центральным
телом в устройстве для кинетического напыления с целью получения пятна напыления
малых размеров, выбранный нами в качестве прототипа. В этом устройстве реализованы
два варианта разгона двухфазной струи до сверхзвуковой скорости с применением сопла с
внешним расширением с центральным биконическим телом, помещенным внутри цилиндрического канала. Первый вариант заключается в подаче двухфазного потока перед биконическим вкладышем, разгоне потока до скорости звука в сужающейся проточной
кольцевой части канала и последующем разгоне до сверхзвуковой скорости в расширяющейся части канала. При таком разгоне благодаря повороту сверхзвукового потока при
обтекании переходной части биконического тела таким образом, что образуется сходящийся к оси поток, переносимые им частицы создают высокую приосевую концентрацию
материала, уменьшая диаметр пятна напыления. Недостатком такого устройства являются
сильные ограничения в выборе температуры напылительной струи, накладываемые стойкостью всех деталей сопла, нагруженных одновременно тепловым и абразивным воздействием горячего двухфазного потока. Автор называет максимальную достижимую в этом
методе температуру двухфазного потока 1000 °C. Поэтому он предлагает и второй вариант сопла, с ускорением горячего чистого газа без частиц с помощью сопла внешнего
расширения с центральным телом и подачей двухфазной струи с частицами по оси потока
в сверхзвуковой поток на выходе из биконического вкладыша. При этом для эффективного ускорения частиц сопло приходится удлинять, так как ускорение материала при подаче
в зону струи низкой плотности происходит менее интенсивно. Эффект концентрации частиц на оси присутствует и здесь также благодаря коническому сходящемуся течению при
обтекании конуса за счет расширения сверхзвукового потока при повороте от периферии к
оси. Однако в этом методе дальнейшее повышение температуры потока для напыления
тугоплавких материалов становится невозможным.
Целью предлагаемого изобретения является улучшение качества напыления и гаммы
напыляемых материалов за счет повышения допустимого уровня температур напылительного потока выше 1000 °C при сохранении сверхзвуковых скоростей двухфазной струи и
уменьшении ее абразивного воздействия на напылительное устройство, а также обеспечение возможности регулирования размеров пятна напыления. Поставленная цель достигается тем, что транспортирующий поток газа с материалом сначала подают в сверхзвуковое
сопло внешнего расширения, располагая его по периметру вокруг плазменной струи технологического газа, ускоряют до сверхзвуковой скорости и затем вводят непрерывной
4
BY 15523 C1 2012.02.28
сверхзвуковой струей в плазменную струю по всему ее периметру, причем регулирование
размеров пятна напыления производят изменением газодинамических режимов и конфигурации сопла и плазмотрона.
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. Давление этого газа регулируют регулятором 3. Затем поток подают в газодинамическое сопло внешнего расширения 4. Этот поток вместе с материалом может
подогреваться в проточном резистивном подогревателе 5, как это часто делают при газодинамическом напылении для увеличения скорости потока. Технологический поток чистого газа без частиц забирают из источника сжатого газа 6 и через регулятор давления 7
подают в плазмотрон 8. Данный метод может применяться как для осесимметричных
струй, так и для струй прямоугольной конфигурации, применение которых может быть
целесообразным, например, для увеличения производительности за счет увеличения перекрываемого струей линейного размера изделия.
Работу выполняют следующим образом. Запускают плазмотрон 8, затем подают расход транспортирующего газа с частицами материала в сопло внешнего расширения 4 и
регуляторами давления транспортирующего и основного рабочего газов 3 и 7 соответственно выставляют оптимальное соотношение расходов и давлений газов в плазмотроне
и сопле внешнего расширения так, чтобы получить оптимальное качество и размер пятна
покрытия, причем режим плазмотрона регулируют дополнительно еще регулятором источника электропитания. Плотность газа в зоне ускорения материала в сверхзвуковой
струе и его ускорение будет зависеть от полного давления газа в плазмотроне и сопле
внешнего расширения, выставляемых с помощью регуляторов 7 и 3 соответственно. Для
дополнительного увеличения скорости транспортирующий поток газа с материалом может подогреваться до температур до 1000 °C в обычном резистивном проточном подогревателе 5, как было указано выше.
В итоге образуется двухфазная плазменная струя 9, которая образует на изделии пятно
напыления с размерами, зависящими от параметров газа по давлению и температуре в
сопле плазмотрона и сопле внешнего расширения, а также от конфигурации и размеров
применяемых сопел.
Для того, чтобы сопло работало в сверхзвуковом режиме, а не режиме дозвукового
конфузора, на нем должен поддерживаться критический перепад давления, превышающий
звуковой, равный [16, 17]:
k
P  2  k −1
δ cr = 1 = 
 .
P2  k + 1 
Здесь k - показатель адиабаты, P1 - полное давление в сопле; P2 - давление на выходе
из сопла. Для азота при температуре 300 K k = 1,4 и P1/P2 = 1,892, а для гелия k = 1,667 и
P1/P2 = 2,053.
Линии тока в плоских изолированных соплах внешнего расширения различной конфигурации, при отсутствии взаимодействия с другими струями, рассчитанные по методу характеристик при обтекании внешнего тупого угла в плоском течении Прандтля-Майера,
приведены на фиг. 3. Они позволяют качественно показать возможность регулирования
конфигурации истекающей струи изменением геометрии. Здесь r0 - радиус первой, нормальной характеристики в критическом сечении; α - угол поворота характеристики от
нормального положения в критическом сечении. Граничная линия тока показана пунктирной линией. На фиг. 3(а) представлена линия тока на границе струи в сопле с центральным вкладышем, подобным использованному в [15]. На 3(б) и 3(в) показаны для
сравнения граничные линии тока при расширении поворотом вокруг угла, распложенного
5
BY 15523 C1 2012.02.28
либо на вкладыше, либо на оболочке сопла. Видно, что изменяя конфигурацию и размеры
сопла внешнего расширения, можно изменять линии тока, получая их более интенсивное
схождение к оси, как на фиг. 3(в), или менее интенсивное, как на фиг. 3(б). Сравнение
фиг. 3(а) и 3(в) позволяет заключить, что приближением точки разворота сверхзвукового
потока к оси и изменением угла его поворота можно регулировать интенсивность "фокусировки" потока частиц на оси. Это можно заключить из того, что частицы материала,
имея на порядки (более чем 3) более высокую плотность, чем газ, будут при таком "сходящемся" течении пробивать плазменную струю по инерции, концентрируясь ближе к
оси, в то же время взаимодействуя со стенками сопла только в области низких, неплазменных температур и способствуя увеличению ресурса работы устройства. Помимо того,
в конфигурации 3(б) работает дополнительный фактор "фокусировки" инерционными
центробежными силами, направленными к оси благодаря выпуклости линий тока, обращенной к оси. В конфигурации 3(в) инерционные силы дополнительно ускоряют частицы
в сторону напыляемой мишени, так как выпуклость линий тока обращена к мишени. В
конфигурации 3(а) этот фактор инерционного ускорения в сторону мишени менее выражен, здесь инерционные силы, кроме того, еще "дефокусируют" поток частиц, рассеивая
их от оси, так как выпуклость линий тока здесь обращена наружу.
Источники информации:
1. What is thermal spray? Inform. Page of International Thermal Spray Association.
2. The processes of thermal spray. Page of ASM Thermal Spray Society.
3. Патент США 4 416 421, 1983.
4. Turunen, E. Diagnostics tools for HVOF process optimization. VTT Publications 583,
VTT-PUBS-583, VTT Industrial Systems, Metallimiehenkuja 8, P.O. Box 1703, Fl-02044 VTT,
Finland, ISBN951-38-6677-7, 951-38-6678-5 (URL:http://www.inf.vtt.fi/pdf/).
5. Verstak A. and Baranovski A. Activated Combustion HVAF Coatings for Protection
Against Wear High Temperature Corrosion. Thermal Spray 2003: Advancing the Science and
Applying the Technology. Ed. B.R. Marple and C. Moreau. May 5-8, 2003. V.1 (Orlando, Florida, USA). ASM International, 2003. Paper 559.
6. http://www.uniquecoat.com/
7. А.с. СССР 1618778, МПК C 23C 4/00, 1991.
8. А.с. СССР 1674585 A1, МПК C 23C 26/00, 1993.
9. Патент РФ RU 1773072 C, МПК 6 C 23C 4/00, 1995 (прототип).
10. Патент США 5 302 414, 1994.
11. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. Газодинамическое напыление. Экспериментальное исследование процесса напыления // Прикладная механика и техническая
физика. - Т. 39. - № 2. - 1998. - С. 182-188.
12. TriplexPro-200 Advanced Plasma Spray Gun. Рекламный проспект. Вып. 2, March
2006. - С. 8.
13. Патент США 6 139 913, 2000.
14. Патент США 7 491907 B2, 2009.
15. Патент США 2005/0211799 Al, 2005.
16. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1969. - С. 830.
17. Сергель О.С. Прикладная гидрогазодинамика. - М.: Машиностроение, 1983. - С. 374.
6
BY 15523 C1 2012.02.28
Фиг. 1
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
465 Кб
Теги
by15523, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа