УСТАНОВКА ДЛЯ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ПОКРЫТИЯ

Предполагаемая полезная модель относится к устройствам для получения наноструктурированных покрытий поверхности деталей и изделий с использованием методов газотермического напыления, в частности высокоскоростного газопламенного напыления. Наноструктурированные покрытия позволяют существенно повысить прочностные и антикоррозионные свойства поверхности изделий, что обеспечивает увеличение их эксплуатационного ресурса.
Известны устройства для газотермического нанесения покрытий, содержащие камеру сгорания, снабженную средствами для подачи и зажигания горючей газовой смеси и порошка напыляемого материала (см., например, патент РФ №1836161 B05B 7/20). В этих устройствах продукты сгорания газовой смеси осуществляют разгон частиц порошка. При соударении этих частиц с обрабатываемой деталью на их поверхности образуется защитное покрытие. Так как частицы порошка имеют сравнительно большие размеры, то получаемое покрытие имеет значительную пористость, что снижает защитные свойства покрытия.
Известны также установки для газопламенного напыления, содержащие распылитель с устройствами для подачи горючего, окислителя и порошка напыляемого материала (см. книгу Газотермическое напыление: учебное пособие / кол. авторов; под общей редакцией Л.Х. Балдаева. - М.: Маркет ДС, 2007. с.106-114). В распылителе этих устройств в результате сгорания горючего образуется высокотемпературный газовый поток. Порошок напыляемого материала под действием потока горячего газа разгоняется и одновременно, нагреваясь, частично расплавляется. В виду быстротечности процесса частицы порошка не успевают полностью расплавиться. Поэтому на выходе из распылителя формируется двухфазная струя, представляющая собой газовый поток, насыщенный твердыми или расплавленными частицами напыляемого материала (см. ту же книгу, с.25-26). Из этих частиц на поверхности обрабатываемой детали образуется защитное покрытие. Однако из-за того, что эти частицы имеют сравнительно большие размеры, не обеспечивается получение наноструктурированного покрытия.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели по совокупности признаков является установка для газопламенного напыления наноструктурированного покрытия, содержащая распылитель с камерой сгорания и выходным соплом и устройства для подачи в камеру сгорания горючего, окислителя и исходного материала для покрытия (патент РФ №2407700 C2, МКП B82B 3/00, C23C 4/12). В этой установке исходный материал для покрытия представляет собой истинный или коллоидный раствор органических и/или неорганических соединений в жидком топливе, в частности керосине. При сгорании этого раствора в камере сгорания распылителя происходит выгорание растворителя - керосина и превращение раствора в материальные частицы при реакции пиролиза. Эти частицы агломерируются и ускоряются в выходном сопле распылителя, после выхода, из которого осаждаются на подложке, образуя наноструктурированное покрытие.
Недостатком известной установки является использование в качестве исходного материала для покрытия истинного или коллоидного раствора органических и неорганических соединений в органическом растворителе, служащем в качестве топлива. С одной стороны, получение такого раствора в целом усложняет и удорожает технологический процесс нанесения покрытия. С другой стороны, не всякий материал, используемый для покрытия, растворяется в органическом растворителе, служащем в качестве топлива. Это ограничивает технологические возможности данной установки.
Задачей полезной модели является упрощение организации технологического процесса получения наноструктурированного покрытия и расширение технологических возможностей установки для получения такого покрытия.
Технический результат достигается тем, что в установке для газопламенного напыления наноструктурированного покрытия, содержащей распылитель с камерой сгорания и выходным соплом и устройства для подачи в камеру сгорания горючего, окислителя и исходного материала для покрытия, распылитель содержит корпус, в котором размещена камера сгорания с выпускным отверстием, и основание, на котором установлена обрабатываемая заготовка, выходное сопло расположено снизу камеры сгорания и снабжено устройством для его перемещения вверх в направлении камеры сгорания и вниз, при этом установка дополнительно содержит запирающее устройство в виде ленты с механизмом перемещения, расположенное между камерой сгорания и выходным соплом и обеспечивающее перекрывание выпускного отверстия камеры сгорания.
В предлагаемой установке в качестве исходного материала для покрытия используются порошковые материалы, широко применяемые в промышленности, в частности в порошковой металлургии. Достижение технического результата основано на том, что наличие запирающего устройства позволяет существенно увеличить время нагрева порошка напыляемого материала. Благодаря этому в камере сгорания частицы порошка, нагреваясь под воздействием продуктов сгорания, полностью расплавляются и частично испаряются. Причем, в процессе постепенного расплавления движущихся частиц порошка образуется множество капель расплава. Поэтому размеры этих капель соизмеримы с размерами наночастиц. При открытии запирающего устройства камеры сгорания в выходном сопле формируется высокоскоростной поток газа с наночастицами в виде капель расплава и парами исходного материала. Вследствие расширения газового потока в сопле его температура уменьшается. Благодаря этому пары исходного материала переходят в жидкое состояние, образуя в газовом потоке дополнительно наночастицы. Оседая на поверхности подложки, наночастицы образуют нанноструктурированное покрытие.
Предлагаемая установка для газопламенного напыления наноструктурированного покрытия показана на фиг.1, 2, 3: на фиг.1 представлена общая схема установки для газопламенного напыления, на фиг.2 показан вид сбоку распылителя в разрезе, а на фиг.3 представлен дозатор порошка напыляемого материала в рабочем положении. Установка содержит распылитель и устройства для подачи в камеру сгорания горючего, окислителя и исходного материала для покрытия. Распылитель содержит корпус 1 и основание 2, соединенные между собой при помощи шпилек 3 и гаек 4. В корпусе 1 расположена камера сгорания 5. На крышке 6 камеры сгорания установлены впускные клапаны 7 и 8, свеча зажигания 9 и форсунка 10. В нижней части камеры сгорания 5 имеется выпускное отверстие 11. Снизу камеры сгорания 5 расположено выходное сопло 12, опирающееся на балку 13, которая имеет два сквозных отверстия для прохода шпилек 3. Балка 13 опирается на штоки 14 пневмоциллиндров 15. На шпильках 3 между балкой 13 и корпусом 1 установлены пружины 16. Выпускное отверстие 11 камеры сгорания 5 перекрывается запирающим устройством, включающим в себя ленту 17 и механизм для ее перемещения. Лента 17 расположена между камерой сгорания 5 и выходным соплом 12 и намотана на катушки 18 и 19 (фиг.2) которые присоединены к корпусу 1 при помощи пластин 20 и 21. Катушка 19 присоединена к шаговому двигателю, который на чертеже не показан. При включении шагового двигателя катушка 19 поворачивается на определенный угол и лента 17 перемещается на расстояние, превышающее в 1,5…2 раза диаметр выходного отверстия 11 камеры сгорания 5.
Устройство для подачи в камеру сгорания 5 горючего газа включает в себя баллон 22 с газом, например пропан-бутаном, регулятор давления 23 и электропневматический клапан 24, которые трубопроводом присоединены к впускному клапану 8. Устройство для подачи окислителя состоит из воздушного компрессора 25, кислородного баллона 26, регуляторов давления 27 и 28, электропневматических клапанов 29 и 30 и вентилей 31 и 32, которые трубопроводом присоединены к впускному клапану 7. При использовании в качестве окислителя сжатого воздуха кислородный баллон 26 не используется, и вентиль 32 находится в закрытом положении.
Устройство для подачи в камеру сгорания 5 порошка исходного материала для покрытия включает в себя баллон 33 с инертным газом, например азотом, регулятор давления 34, электропневматические клапаны 35, 36 и дозатор 37, который содержит сообщающиеся между собой полости 38, 39 и поршень 40 со штоком 41. В полость 38 засыпается порошок напыляемого материала. Полость, примыкающая к поршню 40, соединена трубопроводом через клапан 36 и регулятор давления 27 с компрессором 25, а полость 39 соединена через клапан 35 и регулятор давления 34 с баллоном инертного газа. Полость 39 дозатора соединена также трубопроводом с форсункой 10. Компрессор 25 через электропневматический клапан 36 присоединен также с пневмоцилиндрами 15.
Обрабатываемая заготовка 42 устанавливается на основании 2. При обработке листовой заготовки подача ее может осуществляться при помощи валков 43 и 44.
Работа установки осуществляется следующим образом. Включается элекропневматический клапан 36. При этом сжатый воздух подается в цилиндры 15. Под действием давления воздуха штоки 14 перемещают вверх балку 13. При этом торец сопла 12 зажимает ленту 17, обеспечивая надежное запирание выходного отверстия 11 камеры сгорания 5. Одновременно сжатый воздух из компрессора 25 поступает в полость, примыкающую к поршню 40 дозатора 37. Под действием давления воздуха поршень 40 перемещается влево, при этом шток 41 отодвигает порцию порошка в левую часть полости 39, а также отсоединяет эту полость от полости 38 (фиг.3). После этого на определенное время включаются клапаны 24 и 29. При этом горючий газ из баллона 22 через впускной клапан 8 поступает в камеру сгорания 5. Одновременно через клапан 7 в нее подается сжатый воздух из компрессора 25. В камере сгорания 5 образуется топливная смесь, Которая зажигается при помощи свечи 9. В результате сгорания смеси температура в камере сгорания многократно повышается и достигает до 2000…2200°C. В конце процесса сгорания включается на определенное время электропневматический клапан 35, и в полость 39 дозатора 37 подается инертный газ из баллона 33. При этом под давлением этого газа порошок из полости 39 (фиг.3) вытесняется и через форсунку 10 подается в камеру сгорания 5 (фиг.1). Частички порошка, имея значительную начальную скорость и двигаясь в среде продуктов сгорания, интенсивно нагреваются и расплавляются. При этом из каждой частички порошка, благодаря ее движению относительно газовой среды, образуется множество капель расплава. Размеры этих капель соизмеримы с размерами наночастиц. Под воздействием продуктов сгорания капельки расплава частично испаряются, что также уменьшает размеры капель. При использовании тугоплавких порошков в качестве окислителя используется кислород. При этом температура продуктов сгорания достигает порядка 3500°C, что обеспечивает расплавление частичек порошка и частичное их испарение.
Под действием продуктов сгорания лента 17 в зоне отверстия 11 частично прогорает и прорывается, либо происходит вырубка материала ленты 17 по контуру входного отверстия сопла 12. Толщина и материал ленты 17 подбираются таким образом, чтобы прорыв ленты происходил после расплавления частичек порошка. Продукты сгорания через отверстие 11 устремляются в сопло 12. На выходе из камеры сгорания 5 формируется газовый поток, насыщенный каплями и парами напыляемого материала. В сопле 12 газовый поток интенсивно ускоряется, и его температура уменьшается. Благодаря этому пары напыляемого материала конденсируются, образуя дополнительно наночастицы. Из сопла 12 выходит высокоскоростной газовый поток с наночастицами. Эти наночастицы, оседая на поверхности заготовки 42, образуют наноструктурированное покрытие.
После окончания выпуска продуктов сгорания из камеры сгорания 5 клапан 36 выключается. При этом в дозаторе 37 под действием пружины поршень 40 возвращается в свое исходное положение, сообщая полость 38 с полостью 39. Воздух из пневмоцилиндров 15 стравливается. Под действием пружин 16 балка 13 перемещается вниз, и сопло 12 опускается, освобождая ленту 17. Включается шаговый двигатель, и катушка 19 поворачивается на определенный угол. При этом порванный участок ленты 17 смещается влево, и отверстие 11 перекрывается новым участком ленты 17. Далее рабочий цикл установки повторяется в той же последовательности. В зависимости от объема камеры сгорания 5 длительность рабочего цикла составляет 3…10 с.
В предлагаемой установке в качестве исходного материала для покрытия используются порошковые материалы, выпускаемые промышленностью. Это существенно упрощает организацию технологического процесса напыления наноструктурированного покрытия. Кроме того покрытие может наноситься из различных порошковых материалов и их смесей. Это значительно расширяет технологические возможности установки для напыления наноструктурированного покрытия.