УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЕРХЗВУКОВОЙ ГАЗОПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКИ

Полезная модель относится к устройствам для сверхзвуковой газопорошковой наплавки металла на поверхности заготовок или изделий, обеспечивающим образование износостойких покрытий и покрытий, устойчивых к коррозии, из тугоплавких самофлюсующихся порошковых сплавов, при изготовлении и ремонте инструмента, формировании облицовки и различных покрытий, восстановлении и упрочнении дефектных или поврежденных изделий, и может найти применение в различных отраслях промышленности, преимущественно в машиностроении, теплоэнергетике, в железнодорожных транспортных предприятиях и других областях.
4
Известно устройство для сверхзвукового газопорошкового напыления покрытий, содержащее жаровую трубу со сверхзвуковым соплом типа сопла Лаваля, имеющим конические участки сужения и расширения, соединенные горловиной, магистраль подвода порошковых сплавов в поток продуктов сгорания сжатых газов, расположенную в жаровой трубе соосно последней, наконечник, удлиняющий участок разгона напыляемых частиц и установленный соосно сверхзвуковому соплу, насадок, размещенный с кольцевым зазором относительно наконечника. Камера сгорания и узел смешения продуктов сгорания сжатых газов с порошковым сплавом образованы внутри жаровой трубы перед соплом. Наконечник выполнен составным из втулки и удлинителя, между которыми установлен набор регулировочных колец. В насадке выполнены горообразные кольцевые камеры для горючего и радиальные отверстия для сообщения кольцевого зазора с атмосферой (авторское свидетельство SU 1291215, МПК В 05 В 7/20).
Основным недостатком устройства для сверхзвукового газопорошкового напыления покрытий является низкое качество получаемого покрытия, что приводит к изменению режима работы устройства вплоть до выхода из строя вследствие эрозионного износа внутренних стенок сопла и уменьшения проходного сечения его горловины из-за налипания частиц порошковых сплавов, обусловленных образованием узла смешения продуктов сгорания сжатых газов с порошковым сплавом перед соплом. Кроме того, устройства не предназначено для обеспечения монолитного соединения нанесенного покрытия с основой при частичном расплавлении и перемешивании жидкой фазы металла основы и металла, образующего покрытие, что дополнительно снижает качество покрытия.
6
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности (прототипом) является устройство для сверхзвукового газопорошкового напыления покрытий, содержащее камеру сгорания со сверхзвуковым соплом типа сопла Лаваля, имеющим конические участки сужения и расширения, патрубок для смешения продуктов сгорания сжатых газов с порошковым сплавом, установленный последовательно с соплом, магистраль подвода порошковых сплавов в поток продуктов сгорания сжатых газов, сообщенную с этим патрубком через поперечный сквозной канал в его боковой стенке за срезом сопла со стороны выхода из устройства. При этом используются порошковые сплавы сверхмелких фракций - от 5 до 45 мкм (патент RU 2037336, МПК В 05 В 7/20).
Однако вышеописанное устройство не позволяет достичь высокой экономичности при получении покрытий вследствие использования для сверхзвукового газопорошкового напыления порошковых сплавов сверхмелких фракций, от 5 до 45 мкм, стоимость которых в 2,5-3,0 раза превышает стоимость фракций порошковых сплавов, выпускаемых отечественной промышленностью, составляющих от 50 до 100 мкм. При использовании устройства для сверхзвукового газопорошкового напыления покрытий не обеспечивается и высокое качество нанесенного покрытия, так как соединение покрытия с
основой обусловлено только сцеплением оплавленных пластичных частиц порошкового сплава с микрорельефом поверхности основы; при напылении не образуется монолитное соединение покрытия с основой вследствие того, что остаются неподплавленные частицы порошкового сплава и не происходит формирование жидкой металлической ванны в тонких поверхностных слоях обрабатываемого изделия, а, соответственно, на поверхности изделия появляются различные дефекты.
Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения экономичности получаемых покрытий и улучшение их качества.
Для достижения этого технического результата в устройстве для сверхзвуковой газопорошковой наплавки, содержащем камеру сгорания со сверхзвуковым соплом типа сопла Лаваля, имеющим конические участки сужения и расширения, патрубок для смешения продуктов сгорания сжатых газов с порошковым сплавом, установленный последовательно с соплом, магистраль подвода порошковых сплавов в поток продуктов сгорания сжатых газов, связанную с названным патрубком, согласно полезной модели у сверхзвукового сопла угол наклона поверхности участка расширения, расположенного за участком минимального поперечного сечения, соединенным с участком сужения, к оси устройства составляет 15-25°. При этом сопло выполнено с числом Маха М5.
Повышение экономичности получаемых покрытий обеспечивается использованием для сверхзвуковой газопорошковой наплавки порошковых сплавов с фракциями от 50 до 100 мкм. Себестоимость покрытий при этом снижается в 2,5-3,0 раза по сравнению с себестоимостью покрытий, изготавливаемых с помощью устройства, выбранного в качестве прототипа.
Улучшение качества покрытий достигается при использовании сверхзвуковой газопорошковой наплавки с помощью формирования газового потока с высокой концентрацией тепловой энергии в пятне нагрева. Это реализуется предлагаемой конструкцией устройства, у которого сверхзвуковое сопло выполнено с углом наклона поверхности участка расширения к оси
устройства, составляющим 15-25°, и числом Маха (отношение скорости течения газа к скорости звука в той же точке газовой среды) М5, что позволяет получить максимальную плотность тепловой мощности в сверхзвуковой газовой струе (фиг.3) и, в свою очередь, позволяет за короткий промежуток времени оплавить порошковый сплав с фракциями от 50 до 100 мкм, а также навести жидкую металлическую ванну из металла основы и металла, образующего покрытие, в тонких поверхностных слоях обрабатываемого изделия с минимальным перемешиванием этих металлов. Образованное посредством предлагаемого устройства покрытие имеет сцепление с металлом основы на уровне металлической связи, а поверхностные дефекты изделия, например, поры, трещины, отслоения, сводятся к минимуму.
Угол наклона участка расширения сверхзвукового сопла к оси устройства, составляющий 15-25°, является оптимальным. Значения угла наклона, лежащие в данном интервале, обеспечивают наиболее стабильное формирование сверхзвуковой газовой струи, а также наиболее высокую концентрацию тепловой мощности в этой струе. При значениях угла наклона, меньших 15°, концентрация тепловой мощности в струе уменьшается, что не обеспечивает осуществление наплавки, а при значениях угла наклона, больших 25°, не обеспечивается стабильное формирование сверхзвуковой газовой струи.
Выбор сверхзвукового сопла с числом Маха М5 (фиг.2) обусловлен тем, что при значениях числа Маха меньших, чем М5, скорость газовой струи, формируемой таким соплом, недостаточна для создания концентрированного высокотемпературного газового потока и, следовательно, для образования пятна нагрева, а при значениях числа Маха больших, чем М5, газовая струя, формируемая таким соплом, имеет гиперзвуковой нестабильный характер истечения, что также нецелесообразно использовать для формирования концентрированного высокотемпературного газового потока.
Предлагаемая полезная модель поясняется фиг.1, где изображена ее принципиальная схема, и фотографиями, где на фиг.2 показан пример использования устройства при сверхзвуковой газопорошковой наплавке
пластаны, а на фиг.3 представлены изготовленные для экспериментальных исследований сверхзвуковые сопла с числами Маха М2; М2,5;. М3; М4; М5. Кроме того, на фиг.1 обозначено следующее:
- тремя параллельными линиями со стрелками, обращенными к входу в устройство для сверхзвуковой газопорошковой наплавки, показаны (сверху вниз) направления подачи окислителя, сжатого воздуха и горючего газа;
- двумя параллельными линиями со стрелками, обращенными от выхода из устройства для сверхзвуковой газопорошковой наплавки, показано направление движения продуктов сгорания сжатых газов с перемешанными в них оплавленными частицами порошкового сплава;
- линией со стрелкой, обращенной сверху вниз, показано направление подачи порошкового сплава.
Устройство для сверхзвуковой газопорошковой наплавки содержит камеру 1 сгорания со сверхзвуковым соплом 2 типа сопла Лаваля, систему 3 подачи окислителя, сжатого воздуха и горючего газа в камеру сгорания, магистраль 4 подвода порошковых сплавов в поток продуктов сгорания сжатых газов, патрубок 5 для смешения продуктов сгорания сжатых газов с порошковым сплавом.
Сверхзвуковое сопло 2 содержит конический участок 6 сужения, связанный с камерой 1 сгорания, участок 7 минимального поперечного сечения, соединенный с участком 6 сужения, и конический участок 8 расширения, подсоединенный к участку 7 минимального поперечного сечения и патрубку 5. Таким образом, участки 6, 7, 8 сверхзвукового сопла 2 соединены между собой последовательно. Угол 9 наклона поверхности участка расширения к оси устройства составляет 15-25°. При этом сопло 2 выполнено с числом Маха М5.
Патрубок 5 для смешения продуктов сгорания сжатых газов с порошковым сплавом установлен последовательно со сверхзвуковым соплом 2. Магистраль 4 подвода порошковых сплавов в поток продуктов сгорания сжатых
газов связана с патрубком 5 (фиг.1). Порошковые сплавы для сверхзвуковой наплавки используются с размерами фракций от 50 до 100 мкм.
В качестве окислителя может быть использован кислород, а в качестве горючего газа - пропан.
Устройство для сверхзвуковой газопорошковой наплавки работает следующим образом. Окислитель и горючий газ при помощи системы 3 поступают в камеру 1 сгорания, где происходит их сгорание и тепловое расширение. При этом в камере 1 сгорания создается избыточное давление, величина которого дополнительно повышается за счет подачи под давлением в камеру 1 сгорания сжатого воздуха. После этого продукты сгорания за счет избыточного давления разгоняются до сверхзвуковых скоростей в сопле 2, формируя тем самым концентрированный высокотемпературный газовый поток. Частицы порошкового сплава с фракциями от 50 до 100 мкм подаются через магистраль 4 подвода порошка в патрубок 5, где происходит их смешение с потоком продуктов сгорания сжатых газов и оплавление. Затем газовый поток с перемешанными в нем оплавленными частицами порошкового сплава подается на обрабатываемую поверхность. Под воздействием высококонцентрированного высокотемпературного газового потока в тонких слоях поверхности наплавляемого изделия формируется жидкая металлическая ванна из металла основы и металла, образующего покрытие (фиг.2). При этом высокая концентрация тепловой энергии в пятне нагрева сводит к минимуму образование различных дефектов (пор, трещин, отслоений, напряжений и т.д.). Оплавленные частицы порошкового сплава, подаваемые из патрубка 5 в жидкую ванну, дополнительно расплавляются, частично перемешиваются с металлом жидкой ванны, тем самым осуществляя наплавку. После кристаллизации расплавленного металла создается высококачественное защитное покрытие со сцеплением с металлом основы на уровне металлической связи, что не достигается при напылении, где соединение покрытия с основой производится за счет сцепления оплавленных пластичных частиц покрытия с микрорельефом поверхности изделия.
В процессе проведения экспериментальных исследований были изготовлены пять сверхзвуковых сопел с числами Маха М2; М2,5;. М3; М4; М5 (фиг.3) и сравнивались их теплоэнергетические характеристики. Для каждого сопла в устройстве для сверхзвуковой газопорошковой наплавки подбирался оптимальный угол наклона поверхности участка расширения к оси устройства. В результате проведенных исследований было выяснено, что максимальными значениями плотности тепловой мощности обладает сверхзвуковая газовая струя, сформированная профилем сопла 2 с числом Маха 5 и углом 9 наклона поверхности участка расширения к оси устройства, составляющим 15-25°.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет обеспечить экономичное и качественное нанесение покрытий из порошковых сплавов с фракциями 50-100 мкм путем выполнения ее с оптимальной конфигурацией, обеспечивающей формирование газового потока с высокой концентрацией тепловой энергии в пятне нагрева. При этом себестоимость получаемого покрытия в 2,5-3,0 раза ниже себестоимости покрытия, получаемого в соответствии с функционированием устройства, выбранного в качестве ближайшего аналога.