close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY16430

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.10.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 16430
(13) C1
(19)
C 23C 24/04 (2006.01)
УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАПЫЛЕНИЯ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА
ВНЕШНИМ РАСШИРЕНИЕМ СВЕХЗВУКОВОГО ПОТОКА
(21) Номер заявки: a 20100411
(22) 2010.03.17
(43) 2011.10.30
(71) Заявители: Шараховский Леонид
Иванович; Шараховский Александр
Иванович; Горбунов Андрей Васильевич; Бублиевский Александр
Федорович; Масловский Валерий
Николаевич (BY)
(72) Авторы: Шараховский Леонид Иванович; Шараховский Александр
Иванович; Горбунов Андрей Васильевич; Бублиевский Александр
Федорович; Масловский Валерий
Николаевич (BY)
(73) Патентообладатели:
Шараховский
Леонид
Иванович;
Шараховский
Александр Иванович; Горбунов Андрей Васильевич; Бублиевский Александр
Федорович;
Масловский
Валерий Николаевич (BY)
(56) RU 1773072 C, 1995.
RU 2084675 C1, 1997.
RU 2225084 C1, 2004.
RU 2153591 C2, 2000.
BY 16430 C1 2012.10.30
(57)
1. Устройство для напыления порошкового материала внешним расширением сверхзвукового потока, содержащее источник технологического газа, соединенный с первым
регулятором давления и завихрителем газа сверхзвукового плазмотрона, содержащего катод и анодное сопло, установленные соосно по обе стороны от завихрителя газа; и последовательно соединенные источник транспортирующего газа, второй регулятор давления,
Фиг. 2
BY 16430 C1 2012.10.30
дозатор порошкового материала и напылительное сопло, формирующее двухфазный поток газа и частиц порошка, отличающееся тем, что напылительное сопло установлено соосно анодному соплу так, что плоская или коническая торцевая стенка напылительного
сопла расположена с зазором по отношению к соответствующей плоской или конической
торцевой стенке анодного сопла, с возможностью охватывания создаваемой в анодном
сопле плазменной струи снаружи и образования кольцевого критического сечения сопла
внешнего расширения, при этом величина зазора выбрана так, что при подаче транспортирующего газа с частицами порошка из дозатора порошкового материала на выходе из
зазора возникает перепад давления выше звукового.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что величина угла конуса торцевой стенки
напылительного сопла и величина зазора выбраны из условия обеспечения заданных размеров пятна напыления материала.
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 °С [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 другие быстроизнашивающиеся части
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 °С, согласно [5,6]) и основан на использовании наиболее дешевых
компонентов - воздуха и газообразных углеводородов. В этом процессе газо-воздушная
смесь (воздуха 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 °С. Этим методом достигнуты
толщины 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.
2
BY 16430 C1 2012.10.30
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 [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 мнении, что наиболее качественные покрытия
образуются тогда, когда суммарная кинетическая и тепловая энергия частицы приближается к величине ее теплосодержания при нагреве до плавления.
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 для плазменного напыления внешним
расширением.
На фиг. 3, 4 - принципиальная схема устройства для напыления в увеличенном масштабе без вспомогательных устройств и коммуникаций.
На фиг. 5 - схемы сверхзвуковых течений с граничными линиями тока "Л" в плоских
соплах внешнего расширения для двух конфигураций, с углами поворота стенки сопла на
60 и 90 градусов (указаны на фиг. 5), рассчитанные методом характеристик для азота при
температуре 300 К и давлении 1 МПа на входе и 0,1 МПа на выходе. На фиг. 5а и 5в - высота зазора в критическом сечении равна 1 мм, на фиг. 5б и 5г - 0,5 мм. Пунктирные линии
- внешние границы струй, показанные условно (не рассчитывались).
Из 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.
Чтобы устранить асимметрию ввода, "пробивание" частицами плазменной струи и их
неэффективное использование, 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 °С. Этим методом достигнуто эффективное
3
BY 16430 C1 2012.10.30
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 °С, что также
накладывает ограничения на ассортимент напыляемых материалов, делая их более легкоплавкими и пластичными, исключая, например, керамику.
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.
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 воздействиям 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 воздействиями горячего двухфазного потока. Автор называет максимальную достижимую в этом
методе температуру двухфазного потока 1000 °С. 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 об4
BY 16430 C1 2012.10.30
текании 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 °С 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 в устройстве для напыления порошковых материалов, состоящем из дозатора
порошковых материалов, источников сжатых транспортирующего и технологического газов, плазмотрона, содержащего катод, анодное сопло и завихритель газа, расположенный
между ними, за соплом плазмотрона коаксиально с ним установлено сопло сверхзвукового внешнего расширения газа со срезом, выступающим за срез анодного сопла, соединенное пневмопроводом с дозатором, причем кольцевое критическое сечение этого сопла
образовано его конической или же плоской стенкой, установленной с зазором по отношению к такой же стенке сопла, а величина осевого зазора между ними выбрана так, что при
подаче рабочего расхода транспортирующего газа с порошком на выходе из зазора возникает перепад давления выше звукового, при этом величина угла конуса и величина осевого зазора сопла внешнего расширения выбраны из условия обеспечения заданных
размеров пятна напыления материала.
На фиг. 2 представлен пример принципиальной схемы предложенного устройства.
Оно содержит источник сжатого транспортирующего газа 1 и регулятор его давления 2,
соединенные пневмопроводом с дозатором 3 дисперсного материала, соединенного пневмопроводом, в свою очередь, с соплом внешнего расширения 4, смонтированным за анодным соплом плазмотрона 5. Плазмотрон содержит также катод 6 и завихритель газа 7,
установленный между катодом и анодным соплом. Завихритель плазмотрона соединен
пневмопроводом с регулятором давления 8 и источником 9 технологического газа.
Устройство может быть снабжено дополнительно проточным резистивным подогревателем 10, вставленным в разрез пневмопровода транспортирующего газа с порошком. Для
контроля газодинамических сверхзвуковых режимов работы плазмотрон и сопло могут
быть снабжены также приборами измерения давления 11 и 12.
Устройство работает следующим образом. В завихритель 7 плазмотрона подают расход технологического газа из источника 9, причем его расход и давление регулируют регулятором 8. В плазмотроне между катодом и анодом поджигают дуговой разряд, создавая
плазменную струю. Режим плазмотрона по расходу и мощности устанавливают так, чтобы
он работал в сверхзвуковом режиме, для этого давление в нем должно превышать критическое. Для того чтобы сопло внешнего расширения также работало в сверхзвуковом режиме, а не в режиме дозвукового конфузора, на нем также должен поддерживаться
критический перепад давления, превышающий звуковой, равный [16, 17]:
−
k
P  2  k −1
δcr = 1 = 
 .
P2  k + 1 
Здесь k - показатель адиабаты; P1 - полное давление в сопле; P2 - давление на выходе
из сопла. Для азота при температуре 300 К k = 1,4 и P1/P2 = 1,892, а для гелия k = 1,667 и
P1/P2 = 2,053.
Затем подают расход транспортирующего газа с частицами материала в сопло внешнего расширения 4 и регуляторами давления транспортирующего и основного рабочего
газов 2 и 8 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 допонительно
еще регулятором источника электропитания. Плотность газа в зоне ускорения материала в
5
BY 16430 C1 2012.10.30
сверхзвуковой струе и его ускорение будут зависеть от полного давления газа в плазмотроне и сопле внешнего расширения, выставляемых с помощью регуляторов 8 и 2 соответственно. Для дополнительного увеличения скорости и повышения температуры
смешанной напылительной струи на выходе из устройства транспортирующий поток газа
с материалом может подогреваться до температур до 1000 °С в обычном резистивном
проточном подогревателе 10 перед подачей его в сопло внешнего расширения 4. В итоге
создается двухфазная плазменная струя 13, которая формирует на изделии пятно напыления с размерами, зависящими от величины соотношения расходов, давлений и температур
газов в сопле плазмотрона и сопле внешнего расширения, от величины осевого зазора в
сопле внешнего расширения и угла поворота потока в сопле внешнего расширения. Пример конструкции устройства дан на фиг. 3, а на фиг. 4 оно показано в увеличенном масштабе.
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. 5. Поворот трансзвукового потока здесь происходит в пучке волн разрежения (характеристик), исходящих из вершины угла, обтекаемого потоком. При этом
максимальный угол поворота потока относительно первоначального направления определяется разницей давлений на входе и выходе из сопла, а начальный радиус граничной линии тока - величиной зазора, измеренного по нормали к вектору скорости перед
поворотом. Этот зазор можно изменять сменой сопла внешнего расширения или установкой, например, дистанционных шайб в зазор между ними. Эта схематическая картина дана
для иллюстрации и физического представления влияния величины зазора и угла поворота
стенки сопла на конфигурацию граничной линии тока, ограничивающей поток со стороны
плазменной струи. Это наиболее важно, так как мы применяем это сопло для ввода материала в сверхзвуковую плазменную струю, истекающую из сопла плазмотрона, и нам желательно прогнозировать поведение этих струй в зоне встречи. Физически основные
закономерности их поведения сохранятся и в цилиндрической симметрии, более сложной
для аналитического описания.
До тех пор пока плазмотрон и сопло внешнего расширения работают в сверхзвуковых
режимах, при наличии звуковой скорости в их критических сечениях, параметры и поведение сверхзвуковых струй в зоне их встречи не могут оказать влияния на режимы их работы до тех пор, пока на них соблюдаются критические перепады давления. Для их
контроля устройство снабжено приборами измерения давления 11 и 12 на входе в плазмотрон и сопло, в зоне минимальных скоростей, где измеряемое давление близко к полному давлению.
Схема течения газа в плоском сопле внешнего расширения при углах 60 и 90 градусов
между направлением скорости перед поворотом и осью сопла и при изменении величины
зазора от 0,5 до 1 мм показана на фиг. 5 для случая перепада давления 10:1 перед соплом и
на выходе из него и показателей адиабаты газа k = 1,4 и молекулярной массы 28 (азот).
Соответствующие массовые расходы азота равны 1,4 и 2,8 г/с в пересчете на цилиндрическую симметрию с размерами, соответствующими фиг. 5. На фиг. 5а показана схема течения в сопле внешнего расширения для зазора 1 мм и угла поворота стенки сопла 60°.
Буквой "Л" обозначена граничная линия тока со стороны плазменной струи. На фиг. 5б
для сравнения дана та же схема для зазора 0,5 мм. Так как левее граничной линии тока за
счет эжектирующего эффекта кольцевой струи будет создаваться разрежение, это дополнительно способствует созданию критического перепада давления в плазмотроне, способствуя сверхзвуковому истечению плазменной струи и изоляции дугового разряда в нем от
внешних возмущений, повышая стабильность работы. Кроме того, это создает возможность работы плазмотрона с выходом анодной дуговой привязки на торцевую внешнюю
поверхность сопла в эту зону пониженного давления, где пробойное напряжение дуги на
6
BY 16430 C1 2012.10.30
стенку снижается благодаря пониженному давлению и наличию отрывной зоны плазменной струи с высокой турбулентностью. Это должно способствовать увеличению стабильности и ресурса работы плазмотрона.
На фиг. 5в и 5г подобные же схемы представлены для угла поворота стенки сопла 90°.
Мы видим, что размеры зоны разрежения, расположенной левее граничной линии тока,
здесь уменьшаются.
Кривизна линий тока двухфазной струи с выпуклостью, обращенной к оси, должна
увеличивать концентрацию частиц на оси за счет их отклонения центробежными силами
вдоль радиуса. 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 наиболее низких, неплазменных температур, уменьшая их абразивный износ и способствуя увеличению ресурса работы
устройства.
Источники информации:
1. What is thermal spray? Inform. Page of International Thermal Spray Association.
www.thermalspray.org.
2. The processes of thermal spray. Page of ASM Thermal Spray Society. http: //asmcommunity.asminternational.org/portal/site/tss/.
3. US 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. - P. 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. RU 1773072 C, МПК 6 C 23C 4/00, 1995 (прототип).
10. US 5 302 414, 1994.
11. Алхимов А.П., Косарев В.Ф. и 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. - 2006. С. 8. http://www.iwsco.co.kr/cgi/data/ProdLict Data Sheets/TriplexPro.pdf.
13. US 6 139 913, 2000.
14. US 7 491 907 B2, Feb. 17, 2009.
15. US 2005/0211799 A1, 2005.
16. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1969. - 830 с.
17. Сергель О.С. Прикладная гидрогазодинамика. - М.: Машиностроение, 1983. - 374 с.
7
BY 16430 C1 2012.10.30
Фиг. 1
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
8
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
884 Кб
Теги
by16430, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа