СПОСОБ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OFGAS-DYNAMIC SPUTTERING OF POWDER MATERIALS AND FACILITY FOR ITS REALISATION

Способ и устройство газодинамического напыления порошковых материалов могут быть использованы в машиностроении и других отраслях промышленности для получения покрытий, придающих различные свойства обрабатываемым поверхностям.
Известен способ газодинамического напыления, реализованный в устройстве /1/, которое включает источник сжатого газа, дозатор порошка, узел подогрева рабочего газа, смесительную форкамеру и сверхзвуковое сопло. В данном устройстве технология напыления реализуется следующим образом. Сжатый газ поступает в дозатор порошка и в узел подогрева газа, нагревается и подается в смесительную форкамеру. Далее газ поступает в сверхзвуковое сопло, где ускоряется до необходимой (заданной) скорости. Газопорошковую смесь вводят в смесительную форкамеру, оттуда она поступает в сверхзвуковое сопло, ускоряющее частицы порошка. На выходе из сверхзвукового сопла частицы порошка с заданной скоростью и концентрацией соударяются с напыляемой поверхностью, образуя покрытие.
Недостатком этого технического решения является то, что ввод напыляемого порошка можно осуществить только в докритическую область сверхзвукового сопла. Это приводит к тому, что отсутствует возможность регулирования в широких диапазонах параметров течения двухфазного потока. Недостатком также является то, что при нанесении многокомпонентных покрытий отсутствует возможность раздельной подачи компонентов в сверхзвуковое сопло одновременно по времени. Возможно нанесение многокомпонентных покрытий только из предварительно приготовленных механических смесей различных порошков. Это не позволяет создать условия напыления, оптимальные одновременно для двух и более порошков, имеющих существенно различные свойства.
Известно изобретение по патенту /2/ «Устройство газодинамического напыления порошковых материалов», взятое за прототип, в котором возможен ввод газопорошковой смеси в докритическую или закритическую часть сверхзвукового сопла, что позволяет варьировать параметры процесса напыления.
Недостатком данного устройства является то, что нанесение многокомпонентных покрытий в нем также возможно только из предварительно приготовленных механических смесей различных порошков. Однако в этом случае невозможно обеспечить оптимальные параметры напыления одновременно для различных порошков. Возможна поочередная подача различных порошков через один и тот же узел подачи порошка. Однако в таком случае можно получить только многослойные покрытия, а не многокомпонентные с равномерным распределением компонентов в покрытии.
Задачей данного технического решения является расширение функциональных и технологических возможностей способа и устройства, в том числе нанесение многокомпонентных покрытий в оптимальном для всех компонентов смеси режиме.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в предлагаемом способе газодинамического напыления порошковых материалов, который включает подачу порошкового материала через основной узел подачи в сверхзвуковое сопло, ускорение его нагретым газовым потоком и нанесение на поверхность изделия, порошковые материалы с различными свойствами подают одновременно через различные узлы подачи порошковых материалов в дозвуковую и/или сверхзвуковую части сопла и обеспечивают оптимальный режим напыления каждому порошковому материалу.
Устройство для реализации предложенного способа газодинамического напыления порошковых материалов, содержит электронагреватель сжатого газа и сверхзвуковое сопло, соединенное с выходом электронагревателя и основным узлом подачи порошкового материала в сверхзвуковое сопло, дозатор порошков, выход которого соединен с основным узлом подачи порошкового материала в сопло. Сверхзвуковое сопло содержит основной узел подачи порошковых материалов, выполненный с возможностью раздельной подачи различных порошковых материалов одновременно в дозвуковую и/или сверхзвуковую части сопла. Устройство снабжено дополнительными узлами подачи различных порошковых материалов в сверхзвуковую часть сопла, которые выполнены в виде сменных элементов, размещенных соосно вдоль сверхзвуковой части сопла один за другим. Первый дополнительный узел смонтирован на выходе сверхзвукового сопла с зазором относительно его внешней стенки, с образованием кольцевого канала для подачи порошкового материала, а последующие узлы смонтированы с зазором относительно внешних стенок друг друга, так что каждый последующий дополнительный узел образует с предыдущим кольцевой канал для подачи порошковых материалов и содержит электронагреватель и порошковый питатель. Дополнительные узлы подачи порошковых материалов установлены с возможностью телескопического перемещения относительно друг друга и сверхзвукового сопла.
Кольцевые каналы дополнительных узлов подачи порошковых материалов выполнены в поперечном сечении любой геометрической формы, например круглой, овальной, прямоугольной или щелевидной.
Дополнительные узлы подачи порошковых материалов выполнены с постоянным или переменным внутренним поперечным сечением.
Предлагаемые способ и устройство газодинамического напыления порошковых материалов благодаря конструктивному решению позволяют создать условия напыления, оптимальные одновременно для двух и более порошков, имеющих существенно различные свойства.
Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.
На чертеже приведена схема устройства.
Устройство для газодинамического напыления порошковых материалов состоит из электронагревателя сжатого газа 1, сверхзвукового сопла 2 с форкамерой 3, узла ввода рабочего газа 4, основного узла подачи газопорошковой смеси, выполненного с возможностью раздельной подачи порошкововых материалов в дозвуковые части 5 и 6 или в дозвуковую 5 и сверхзвуковую 2 части сопла и с помощью гибкого пневмопровода соединеного с дозаторами порошков 7 и 8. Сверхзвуковое сопло 2 содержит дополнительные узлы 9, 10 подачи порошковых материалов с различными свойствами в сверхзвуковую часть сопла. Дополнительные узлы подачи порошкового материала (один и более) 9, 10, выполнены в виде сменных элементов, размещенных по оси сверхзвуковой части сопла один за другим, при этом первый дополнительный узел смонтирован на выходе сверхзвукового сопла с зазором относительно внешней стенки сопла, с образованием кольцевого канала 11 для подачи порошкового материала, а последующие узлы смонтированы с зазором относительно внешних стенок друг друга, так что каждый последующий дополнительный узел образует с предыдущим кольцевой канал 12 для подачи порошкового материала. При этом дополнительные узлы 9, 10 подачи порошковых материалов установлены с возможностью телескопического перемещения относительно друг друга и сверхзвукового сопла. Кольцевые каналы 11, 12 дополнительных узлов подачи порошковых материалов могут быть выполнены любой геометрической формы в поперечном сечении, например круглой, овальной, прямоугольной или щелевидной. Каждый дополнительный узел 9, 10 подачи порошкового материала содержит электронагреватель 13, 14 и дозаторы порошков 15, 16. Дополнительные узлы подачи порошковых материалов могут быть выполнены с постоянным или переменным внутренним сечением.
Способ реализуется следующим образом.
Рабочий газ из нагревателя 1 через узел ввода рабочего газа 4 подают в форкамеру 3 сверхзвукового сопла 2. С помощью пульта управления (не показано) задают в форкамере 3 требуемые давление и температуру рабочего газа, который, проходя по сверхзвуковому соплу 2, ускоряется до сверхзвуковой скорости. Из дозаторов порошка 7 и 8 через основной узел подачи порошковых материалов, выполненный с возможностью раздельной подачи порошков в дозвуковую 5, 6 и/или сверхзвуковую часть сопла 2, подают газопорошковую смесь. Из дозаторов порошка 15, 16 подают газопорошковые смеси различных материалов, которые, проходя через электронагреватели 13, 14, нагреваются до требуемой температуры и через кольцевые каналы 11, 12 дополнительных узлов подачи подаются в сверхзвуковую часть сопла. Далее идет процесс турбулентного смешения потоков, и на выходе образуется многокомпонентный газопорошковый поток, который направляется на подложку 17, и наносится многокомпонентное покрытие.
Техническое решение имеет следующие преимущества.
Конструктивные особенности устройства позволяют реализовать предложенный способ, а именно одновременную подачу порошковых материалов с различными свойствами через раздельные узлы подачи порошковых материалов. Это, в свою очередь, позволяет производить настройку режима напыления многокомпонентных покрытий в зависимости от класса используемых порошков. Предложенный способ улучшает качество покрытий и позволяет наносить многокомпонентные покрытия из материалов, существенно различающихся по своим физико-техническим свойствам.
Возможность телескопического перемещения дополнительных узлов подачи относительно сверхзвукового сопла и относительно друг друга позволяет менять длину зоны турбулентного смешения потоков и, тем самым, оптимизировать параметры напыления для различных порошков.
Выбирая кольцевые каналы дополнительных узлов подачи порошковых материалов с той или иной формой поперечного сечения (круглая, эллипсовидная и прямоугольная), можно оптимизировать процесс напыления под выполнение конкретных задач. Например, если необходимо наносить покрытие на большие площади, используют дополнительные узлы подачи порошковых материалов с эллипсовидной или прямоугольной формой поперечного сечения. Если необходимо наносить покрытие на локальные участки поверхности, используют дополнительные узлы подачи порошковых материалов с круговой формой поперечного сечения.
Использование отдельных электронагревателя и дозатора порошков для каждого дополнительного узла подачи порошковых материалов позволяет индивидуально подбирать параметры, оптимальные для каждого компонента смеси. В итоге это приводит к повышению качества напыляемых покрытий.
Использование дополнительных узлов подачи порошковых материалов, выполненных с постоянным или переменным сечением, позволяет расширить диапазон, применения способа напыления.
Источники информации
1. Патент РФ № 1674585, МКИ С23С 26/00, 1989.
2. Патент № 2190695, МПК С23С 24/04, 2000 - прототип.