Устройство для плазменно-детонационного напыления покрытий

 

Использование: изобретение относится к области нанесения покрытий из тугоплавких материалов и может быть использовано во всех отраслях машиностроения для упрощения технологии напыления, расширения технологических возможностей за счет применения одновременно различных стержневых или проволочных материалов, а также повышения эффективности использования материалов. Сущность изобретения: устройство снабжено закрепленным по оси детонационной установки электродом, выполненным со сквозным осевым каналом, содержащим токопроводный мундштук, включенный в электрическую цепь источника питания в качестве анода. В стенках камеры сгорания детонационной установки, в месте расположения конца электрода, выполнены одно и более отверстий с размещенными в них токопроводными мундштуками, включенными в электрическую цепь в качестве катодов. На концах мундштуков установлены устройства для подачи проволоки или стержней с постоянной скоростью. 1 ил.

Изобретение относится к области нанесения покрытий из тугоплавких материалов и может быть использовано во всех отраслях машиностроения для улучшения свойств поверхности деталей.

В качестве прототипа принята известная детонационная установка для газотермического напыления, где возле выходного конца ствола с камерой сгорания смонтирована газопламенная горелка, расплавляющая и диспергирующая проволоку или прутковый материал. При этом металлизационный поток горелки и струи продуктов детонации пересекается, что обеспечивает их взаимодействие.

К недостаткам известного устройства можно отнести то, что совмещение непрерывного и импульсного процесса обусловливает большие расходы материала, который, будучи распыленным непрерывно, не попадает в импульс продуктов детонационного сгорания и не напыляется. Кроме того, импульсные газовые струи оказывают импульсное воздействие и на металлизационный поток, ускоряя его от 0 до мах, что отрицательно влияет на качество покрытия.

Целью изобретения является упрощение технологии напыления, расширение технологических возможностей за счет применения одновременно различных стержневых или проволочных материалов, а также повышения эффективности использования материалов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для плазменного детонационного напыления покрытий, содержащего детонационную установку с камерой сгорания, стволом и со свечой зажигания, трубопроводами для подачи компонентов горючей газовой смеси, узлом для подачи напыляемого материала, согласно изобретению, по оси детонационной установки закреплен электрод, имеющий сквозной осевой канал, содержащий токопроводный мундштук, включенный в электрическую цепь источника питания как анод, а в стенках камеры сгорания детонационной установки в месте расположения конца электрода выполнено одно и более отверстий с размещенным в них токопроводимыми мундштуками, включенными в электрическую цепь как катоды на концах мундштуков установлены устройства, подающие проволоку или стержни с необходимой для технологии постоянной скоростью.

Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежом, на котором: показан общий вид устройства для плазменно-детонационного напыления покрытий.

Предложенное устройство плазменно-детонационного напыления состоит из детонационной пушки 1, камеры сгорания 2, электрода 3, и механизмов подачи напыляемого материала 4. Системы подачи компонентов горючей смеси 5, зажигания 6, охлаждения 7, электрического питания 8, на чертеже также не показаны.

Перечисленные выше конструктивные элементы выполнены следующим образом: детонационная пушка 1 состоит из форкамеры 9, трубопроводов 10, подводящих к ней компоненты горючей смеси, автомобильной свечи зажигания 11, кольцевого ствола 12. Камера сгорания 2 имеет кольцевой участок 13 и конический 14, переходящий в ствол 15 для ускорения диспергированного материала. Камера сгорания 2 соединена с детонационной пушкой посредством цилиндрического изолятора 16 и разделяющей их коноидной полости 17. Электрод 3 консольно закреплен в конце ствола 18 и содержит осевой мундштук 19 для подачи стержневого распыляемого материала 20.

Через боковые стенки камеры сгорания введены мундштуки 21 - катоды, через которые также подается проволока 22 или стержни из напыляемого материала.

Перемещение проволоки или стержня осуществляется известными механизмами, которые на чертеже не приведены. К мундштукам, посредством тоководов 23, подключен источник электрического питания 24.

Охлаждение детонационной пушки воздушное, а камеры сгорания 2, электрода 3 - водяное. Для охлаждения выполнена водяная рубашка 25, куда подводится вода штуцером 26. Закрытая часть ствола имеет водяные рубашки 27, куда подводится вода через штуцер 28.

Описанное выше устройство для детонационного напыления работает следующим образом. Компоненты горючей смеси: природный газ, кислород и воздух подаются через штуцеры 10 в форкамеру 9, где смешиваются и через кольцевой ствол 12 заполняют кольцевой участок 13 камеры сгорания 2.

В камере сгорания 2 к электроду 3 посредством токовводов подведен электрический потенциал от конденсаторного источника энергии 8.

Стержень 20 из напыляемого материала (например, Fe₇₈C₁₂P₁₀) вдвигается в осевой канал мундштука 19 электрода 3 так, чтобы он выступал из мундштука на 10-20 мм. Другой конец стержня защемляется стенками мундштука. Свеча зажигания 11 (периодически 4-6 раз в секунду) инициирует детонационный режим сгорания в стволе детонационной пушки 1, затем детонационная волна перемещается в камеру сгорания 2, где через нее от электрода к стенкам камеры сгорания проходит электрический ток. За счет диссипации электрической энергии стационарный детонационный режим сгорания Чемпен-Жюге переходит в пересжатый режим детонационного сгорания. Температура во фронте детонационной волны увеличивается. При входе в конусную часть 14 камеры 2 давление, плотность и температура фронта детонационной волны возрастают, что объясняется увеличением энергетического вклада электрической энергии по мере увеличения проводимости продуктов сгорания при перемещении их к конусу 14, а также стягиванием плазмы к оси конуса 14 камеры 2 под действием пондеромоторных сил. Неохлаждаемые концы стержней 20 и 22 нагреваются до температуры термоэмиссии электронов, что резко увеличивает проводимость и обеспечивает прохождение электрического тока между концами стержней, что в свою очередь обусловливает перегрев концов стержней и диспергирование их за счет перехода из твердого перегретого (метастабильного) состояния в стабильное жидкое или паровое состояние.

За счет электрического разряда перегревается поверхностный слой стержня, что переводит его в квазитвердое состояние. Нарушение квазитвердого состояния сопровождается расширением жидкого слоя металла, частичным его испарением и диспергированием типа взрыва. Диспергированный металл и пары металла из конца стержней вылетают по ходу следования детонационной волны в ствол 15. Следом за детонационной волной и диспергированным металлом следуют ускоренные продукты детонационного режима сгорания горючей смеси, которые ускоряют капли металла и дополнительно их диспергируют.

Разогнанные жидкие капли материала стержня расплескиваются на холодной твердой теплопроводной поверхности металла детали и мгновенно, со скоростью 10⁵-10^7оС/с застывают. Пары конденсируются.

Таким образом, в зависимости от энергии детонационной установки мы получаем большую или меньшую порцию диспергированного жидкого металла или сплава. Величина этой порции постоянная и является характеристикой системы: материал стержня, мощность электрического питания и энергоемкость устройства для детонационного напыления.

Жидкий диспергированный металл находится в жидком состоянии всего 10^-3 с, при этом он транспортируется нейтральной или восстановительной средой, что исключает его загрязнение или окисление. По мере диспергирования стержни выдвигаются из мундштуков. Скорость перемещения стержня подбирается экспериментально в зависимости от технологических требований.

В качестве материала для напыления можно использовать стержни из любого сплава или металла, а также трубки с различными порошковыми смесями металлов или порошковые проволоки.

Устройство для плазменно-детонационного напыления обладает следующими техническими преимуществами: обеспечивает использование в качестве напыляемого материала стержней (проволоки) из различных металлов, их сплавов и химических соединений. При этом в системе: напыляемый материал и энергетические возможности детонационной установки, образуется автоматически пропорциональная зависимость: чем больше энергии, тем больше диспергируется материала стержня.

Гарантированное расплавление частиц напыляемого материала и точная выдача их перед фронтом детонационной волны обеспечивает все условия для формирования качественных покрытий. (56) Патент Великобритании N 861278, кл. 69(3), 1961.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМЕННО-ДЕТОНАЦИОННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ, содержащее детонационную установку с камерой сгорания, стволом и свечой зажигания, трубопроводы для подачи компонентов горючей газовой смеси, узел подачи напыляемого материала, отличающееся тем, что устройство снабжено закрепленным по оси детонационной установки электродом, выполненным со сквозным осевым каналом, содержащим токопроводный мундштук, включенный в электрическую цепь источника питания в качестве анода, в стенках камеры сгорания детонационной установки в месте расположения конца электрода выполнены одно и более отверстия с размещенными в них токопроводимыми мундштуками, включенными в электрическую цепь в качестве катодов, на концах мундштуков установлены устройства для подачи проволоки или стержней с постоянной скоростью.

РИСУНКИ

Рисунок 1