Устройство для газодинамического нанесения покрытий
DEVICE FOR GAS-DYNAMIC COATING

Изобретение относится к технологии газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов и может быть использовано в машиностроении, авиакосмической технике, автомобильной промышленности, энергетике, строительстве, нефтегазовой промышленности и других областях хозяйства.
Холодный газодинамический метод (ХГМ) нанесения покрытий имеет ряд преимуществ перед альтернативными газотермическими методами. Проведенные оценки показывают, что при высоком качестве покрытий, превосходящем по всем параметрам покрытия, получаемые известными способами, производительность ХГМ в разы превышает используемые промышленные методы. При этом энергозатраты на формирование покрытий ХГМ-технологией более чем в два раза ниже. Наряду с другими известными газотермическими методами в ХГМ для формирования покрытий также используются сверхзвуковые гетерогенные потоки. Однако исходная температура газа-носителя значительно меньше температуры плавления материала покрытия. Дополнительная энергия частице придается в специальном канале-ускорителе для разгона гетерогенной смеси (газ + порошок) до необходимой сверхзвуковой скорости. При соударении высокоскоростных частиц с твердой поверхностью в результате диссипации кинетической энергии частиц на поверхности формируется высококачественное покрытие. ХГМ-технология является наукоемким методом, основанным на использовании законов термогазодинамики гомогенных и гетерогенных сверхзвуковых потоков. Преимущества ХГМ метода в сравнении с газотермическими методами (плазменным, электродуговым, газопламенным, детонационным):
- более высокая адгезия (появляются электронные связи между материалом подложки и наносимым материалом);
- отсутствие пористости (менее 3%), что позволяет делать покрытия максимально тонкими;
- высокая производительность (скорость линейного перемещения газодинамического ускорителя до 1 м/с при толщине наносимого покрытия 100 мкм);
- возможность набора необходимых композиций (по своему составу практически без ограничений) материалов для нанесения;
- возможность нанесения на неподготовленную поверхность (происходит очистка от ржавчины, обезжиривание);
- простота реализации (в качестве газа-носителя используется сжатый воздух);
- отсутствие физико-химических превращений в процессе нанесения покрытий как наносимого материала, так и материала подложки (температура потока гораздо ниже температуры плавления металлов).
Для реализации процесса формирования покрытия необходимо обеспечить расчетные скорость и температуру порошка. Требуемые температура и скорость частиц порошка обеспечиваются установкой ускорителя оптимальной длины. Однако ускоритель, входящий в состав соплового блока, является сложным элементом, требующим большого объема работ при изготовлении. Чтобы обеспечить требуемый нагрев частиц порошка, не связанный со временем нахождения частицы в потоке и, соответственно, не зависящий от длины ускорителя, необходим нагрев порошка до необходимой температуры перед его подачей в гетерогенный поток.
Обычно в схемах установок холодного газодинамического нанесения покрытий порошок подается в поток уже нагретого до заданных температур газа-носителя. Известны патенты CN 200810158641 А от 02.11.2008, JP 2017074481 A от 04.04.2017, CN 201210043107 A от 24.02.2012, где газ и порошок нагреваются отдельно различными способами (омический нагрев, нагрев сгорающим газом). В патенте RU 2201472 от 27.03.2003 порошок дополнительно нагревается в теплообменнике, отводящем тепло от сверхзвукового сопла. Этот способ не эффективен в виду конструктивной сложности его реализации, инерционности и возможности нагрева только до небольших конечных значений температур, т.к. количество тепловой энергии, получаемой в результате охлаждения соплового блока, сильно ограничено.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является устройство, описанное в патенте US 2007137560 A1 от 21.06.2007. Согласно патенту, предварительный нагрева порошка осуществляется резистивным способом перед его вводом в поток газа для разгона. В устройстве осуществляется нагрев порошка, перемещающегося по трубке, выполненной в виде спирали минимально с 5-ю витками. Это приводит к потере энергии как на перемещение самого порошка по трубке, так и на нагрев большой части всей конструкции.
Кроме того, в описанных выше способах для нагрева порошка по всему объему требуется определенное время, что приводит к предварительному окислению частиц порошка и инерционности самого процесса нагрева.
В предлагаемом устройстве предварительный нагрев порошка, состоящего из токопроводящих металлических частиц, которые наносят на поверхность подложки методом ХГМ, осуществляется индукционным методом.
Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность точной регулировки температуры подаваемого порошка и, исходя из технических возможностей индукционного нагрева, высокий КПД используемой для нагрева частиц порошка энергии. При этом уменьшается время влияния кислорода воздуха на нагретый порошок, т.к. после подогрева порошок поступает в гетерогенный поток перед соплом, которое входит в состав соплового блока, только для разгона до нужной скорости. Это обеспечивает лучшее сохранение свойств материала порошка и, как следствие, улучшает свойства покрытия. Наряду с этим повышается коэффициент использования порошка, т.к. все частички порошка вне зависимости от различной массы нагреваются до расчетной температуры.
Заявленный технический результат достигается тем, в известной установке для холодного газодинамического нанесения покрытий, содержащей источник газа-носителя, нагреватель для нагрева части газа-носителя, расположенный перед камерой смешения с сопловым блоком, систему управления, регулирующую массовый расход другой части газа-носителя и нагреватель наносимого порошка, согласно заявляемому изобретению, установка дополнительно содержит, по меньшей мере один дозатор порошка, при этом упомянутый нагреватель наносимого порошка представляет собой индукционный нагреватель, установленный в магистраль, связывающую по меньшей мере один дозатор порошка и камеру смешения с сопловым блоком, причем упомянутая система управления выполнена с возможностью подачи другой части газа-носителя, через по меньшей мере один дозатор для подачи порошка в индукционный нагреватель, а затем в камеру смешения с сопловым блоком для формирования гетерогенного потока для нанесения покрытия.
На фиг.1 изображена блок-схема установки для холодного газодинамического метода нанесения покрытий. На блок-схеме используются следующие обозначения:
1 - индукционный нагреватель, 2 - камера смешения с сопловым блоком, 3 - система управления параметрами и массовым расходом газа-носителя, 4 - нагреватель газа-носителя, 5 - гетерогенный сверхзвуковой поток, 6 - формируемое покрытие, 7 - баллон сжатого газа, 8- подложка, 9 - дозаторы.
В магистраль между дозатором (дозаторами) (9) и камерой смешения с сопловым блоком (2) установлен индукционный нагреватель порошка (1). Газ-носитель из баллона сжатого воздуха (7) через нагреватель (4) подается в камеру смешения с сопловым блоком
(2), где разгоняется до необходимых скоростей. Другая часть газа-носителя, регулируемая системой управления (3), через дозаторы подает порошок в индукционный нагреватель (1), где осуществляется его нагрев до необходимых температур перед подачей в камеру смешения (2) с сопловым блоком, из которого выходит гетерогенный поток (5), формирующий покрытие (6) на подложке (8).
В магистрали на участке, связывающем дозатор (9) и сопловой блок (2), установлен индукционный нагреватель (1), который осуществляет нагрев порошка, непосредственно подающегося в поток (5). В этом случае обеспечивается экономичный нагрев и точная регулировка температуры подаваемого порошка исходя из возможностей индукционного нагрева, уменьшается время влияния кислорода воздуха на нагретый порошок, что обеспечивает лучшее сохранение свойств материала порошка и, как следствие, улучшение свойств покрытия. Кроме того, индукционный нагрев считается прямонаправленным. Тепловая энергия возникает непосредственно в самом изделии и может проникать внутрь на заданную глубину. Метод экономичен в отношении потребления электроэнергии. Для работы индуктора достаточно немного электричества, а тепловая энергия вырабатывается уже благодаря взаимодействию электроэнергии с индуктором и образованию мощного электромагнитного поля. КПД современных приборов - более 90%. Учитывая малые размеры частиц используемых порошков (5-100) мкм и эффект скин-слоя при использовании данного вида нагрева, можно предположить, что выделение тепловой энергии в частицах будет близко к 100%. Установка ХГН, использующая предварительный нагрев порошка индукционным методом, отличается экономичностью потребления электроэнергии, высоким коэффициентом использования порошка и улучшенным качеством наносимого покрытия.
В сравнении с другими типами нагрева индукционный не загрязняет окружающую среду. В случае с газовыми горелками и при дуговом нагреве загрязнение присутствует, индукционный метод это исключает за счет «чистого» электромагнитного излучения.
К плюсам данного метода нагрева порошка можно отнести простую настройку оборудования на нужный режим и легкость его регулировки.
Изобретение направлено на повышение технологичности и экономичности метода холодного газодинамического нанесения покрытий.