Способ импульсного дозирования порошка и устройство для его осуществления

 

Использование: при получении покрытий методами газотермического напыления в устройствах для нанесения защитных покрытий методом детонационного напыления для повышения качества и снижения себестоимости покрытия. Сущность изобретения: подачу транспортирующего газа к напыляемому порошку осуществляют из ограниченного объема высокого давления. Заполнение этого объема ведут со скоростью, равной частоте появления искры поджига. В качестве транспортирующего газа используют газовые продукты горения детонирующей смеси. Давление транспортирующего газа в ограниченном объеме высокого давления фиксируют в пределах от 0,01 до 0,6 МПа. Для этого в устройстве между источником транспортирующего газа и соплом для подвода транспортирующего газа установлена камера высокого давления с запорным клапаном на входе в сопло. Камера высокого давления выполнена с объемом, не превышающим сумму объемов нижнего и верхнего бункеров и объема трубопровода для отвода взвешенного порошка. Нижний бункер выполнен в виде усеченного книзу конуса из материала с коэффициентом теплопроводности не менее 100 Вт / (м К). Камера высокого давления соединена через клапан однонаправленного действия со стволом детонационной установки в промежутке между свечой поджига детонирующей смеси и трубопроводом ввода напыляемого материала в ствол. 2 с. и 4 зп.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для получения покрытий методами газотермического напыления, а именно к устройствам для нанесения защитных покрытий методом детонационного напыления.

Наиболее важным с точки зрения повышения производительности метода детонационного напыления является повышение скорострельности установки и сохранение в этих условиях стабильных доз и повышенного количества подаваемого порошка. Причем чем выше скорострельность детонационной установки, тем сложнее подать необходимую дозу порошка вследствие уменьшающегося промежутка времени между возникающими при детонации скачками давления.

Максимальную эффективность для условий детонационного напыления показали газоструйные дозаторы. Они обеспечивают высокую надежность работы устройства в течение длительного времени в условиях резких скачков давления.

Известен импульсный питатель, содержащий бункер с крышкой, систему подачи импульса транспортирующего газа, газопровод для подачи этого импульса в бункер и транспортирующий трубопровод для отвода из бункера газопорошковой смеси, концы которых расположены соосно, позволяющий при помощи импульсов транспортирующего газа обеспечить циклическое дозирование напыляемого материала. При этом строго фиксируется момент ввода напыляемого порошка в ствол детонационной установки, что способствует качественному формированию покрытия.

Недостатком этого способа является нестабильная подача порошка в первом десятке импульсов. При этом имеет место эффект выноса очень большого количества порошка на напыляемую деталь, что приводит к отслоению напыленного слоя. Кроме того, при повышенной скорострельности практически невозможно обеспечить повышение количества порошка, подаваемого на один цикл, вследствие уменьшения промежутка времени на подачу порошка в ствол, а при встречном воздействии импульса транспортирующего газа и импульса продуктов детонации наблюдается уплотнение порошка в транспортирующем трубопроводе. Описанный процесс играет существенную роль уже при скорострельности более 20 выстр./с, а при некоторых технологических режимах наблюдается полное отсутствие подачи порошка в ствол.

Регулированием зазора между газопроводом и транспортирующим трубопроводом можно повысить количество порошка, подаваемого на один цикл, однако такое конструктивное решение не способствует стабильности подаваемых доз вследствие снижения эффективности воздействия транспортирующих импульсов и повышения вероятности уплотнения порошка в трубопроводе. Кроме того, существенным недостатком конструкции является то, что при увеличении зазора и соответственном повышении площади взаимодействия порошка в бункере с продуктами детонации, на поверхности порошка конденсируется влага. Порошок слипается, прилипает к стенкам дозатора, сыпучесть порошка существенно снижается и процесс дозирования как таковой отсутствует. Имеет место нестабильный выброс отдельных сгустков порошка. Особенно это проявляется при использовании пропан-бутановых детонирующих смесей. К недостаткам конструкции можно отнести и большой расход порошка, так как часть порошка эжектируется вслед за уходящими продуктами детонации, но при этом порошок не успевает расплавляться и соответственно выносится вне пределов напыляемой детали.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и количеству общих существенных признаков является способ циклического дозирования порошка, включающий циклическую подачу транспортирующего газа в изолированное от атмосферы дозирующее устройство, формирование газопорошковой взвеси, а также подачу этой взвеси в ствол детонационной установки [2] Способ обеспечивает циклическое дозирование напыляемого материала.

Недостатком данного способа является отсутствие возможности повысить расход напыляемого материала при большой скорострельности детонационной установки, так как в импульсе транспортирующего газа для данного технического решения расход порошка увеличивают преимущественно за счет скоростной составляющей. Устранение отмеченного недостатка путем изменения конструктивного исполнения приводит к ухудшению стабильности подаваемых доз. Кроме того, для прототипа также характерно наличие выбросов большого количества напыляемого материала в первом десятке циклов, приводящих к снижению прочности сцепления покрытия с основой.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и количеству общих существенных признаков является устройство для циклического дозирования порошка и последующей циклической подачи в ствол детонационной установки, содержащее установленные один над другим сообщающиеся через патрубок бункера, нижний из которых имеет сопло для подвода транспортирующего газа, а также трубопровод для отвода взвешенного порошка [2] Устройство обеспечивает циклическую подачу напыляемого порошка в течение длительного времени. При этом не наблюдается уплотнение порошка в трубопроводе для отвода взвешенного порошка. Однако конструктивное исполнение не обеспечивает повышения количества порошка, подаваемого на один цикл при большой скорострельности без влияния на стабильность дозы порошка, а также отсутствует возможность стабилизации первых циклов работы дозатора. Кроме того, после первых циклов работы дозатора в нижнем бункере наблюдается скопление влажного порошка, снижающее стабильность подачи. К недостаткам конструкции можно отнести и относительно высокую себестоимость покрытия, так как при случайном срыве детонационного процесса в ствол установки продолжает поступать порошок от системы циклической подачи транспортирующего газа. Это приводит к чрезмерному расходу порошка и необходимости проводить дополнительное техническое обслуживание.

Задачей изобретения является повышение количества порошка, подаваемого за один цикл, и обеспечение стабильных доз подаваемого порошка при повышенной частоте следования циклов, а также улучшение качества и снижение себестоимости покрытия.

Для этого в способе импульсного дозирования порошка, включающем циклическую подачу транспортирующего газа в изолированное от атмосферы дозирующее устройство, формирование газопорошковой взвеси и подачу этой взвеси в ствол детонационной установки, согласно изобретению подачу транспортирующего газа к напыляемому порошку осуществляют из ограниченного объема высокого давления, заполнение которого ведут со скоростью, равной частоте давления искры поджига.

Давление транспортирующего газа в ограниченном объеме высокого давления целесообразно фиксировать в пределах от 0,01 до 0,6 МПа.

Для этого в устройстве для импульсного дозирования порошка, содержащем установленные один над другим сообщающиеся через патрубок бункеры, нижний из которых имеет сопло для подвода транспортирующего газа, а также трубопровод для отвода взвешенного порошка, согласно изобретению между источником транспортирующего газа и соплом для подвода транспортирующего газа установлена камера высокого давления с запорным клапаном на входе в сопло, при этом камера высокого давления выполнена с объемом, не превышающим сумму объемов нижнего и верхнего бункеров и объема трубопровода для отвода взвешенного порошка. В устройстве нижний бункер выполнен в виде усеченного книзу конуса из материала с коэффициентом теплопроводности не менее 100 Вт/(м˙К). В качестве транспортирующего газа используют газовые продукты горения детонирующей смеси, а в устройстве камера высокого давления соединена через клапан однонаправленного действия со стволом детонационной установки в промежутке между точкой поджига детонирующей смеси и точкой ввода напыляемого материала в ствол.

На чертеже представлено устройство для осуществления предлагаемого способа импульсного дозирования порошка.

Устройство для импульсного дозирования порошка содержит нижний бункер 1 с порцией напыляемого порошка, верхний бункер 2 с напыляемым материалом, изолированный от атмосферы при помощи верхней газонепроницаемой крышки 3. Нижний бункер 1 также изолирован от атмосферы нижней газонепроницаемой крышкой 4. Верхний бункер 2 сообщается с нижним бункером 1 при помощи патрубка 5, соосно расположенного внутри сопла 6 подачи транспортирующего газа в нижний бункер 1. В боковой поверхности нижнего бункера 1 имеется отверстие для трубопровода 7 отвода взвешенного порошка. Сопло 6 сообщается с камерой 8 высокого давления через запорный клапан 9. Камера 8 высокого давления сообщается с источником 10 транспортирующего газа.

В качестве транспортирующего газа возможно использование продуктов детонации, поступающих в камеру 8 высокого давления через клапан 11 однонаправленного действия из ствола 12 детонационной установки. При этом штуцер отвода продуктов детонации для транспортировки напыляемого порошка фиксируется между трубопроводом 7 и свечой поджига детонирующей смеси 13. Здесь же могут фиксироваться и штуцера подвода детонирующих газов от соответствующих источников 14 (баллоны пропана, кислорода и т.п.). Переключение используемых источников транспортирующего газа осуществляется при помощи вентилей 15.

Патрубок 16 соединяет сопло 6 с запорным клапаном 9. Между камерой 8 высокого давления и запорным клапаном 9 расположен манометр 17 давления. Особым требованием к патрубку 16 является ограничение его длины в промежутке между соплом 6 и запорным клапаном 9.

Устройство работает следующим образом.

Транспортирующий газ из источника 10 заполняет камеру 8 высокого давления, регулируемого вентилем 15 и контролируемого манометром 17. После открытия запорного клапана 9 (командой на открытие может быть любой вид сигнала: электрический, пневматический, механический или др.) большая масса транспортирующего газа из камеры 8 высокого давления по короткому патрубку 16 мгновенно разряжается в сопло 6. Здесь основным преимуществом является то, что подача газа в сопло осуществляется в очень короткий промежуток времени, при этом точно можно контролировать массу газа, подаваемого к порошку.

Аэродинамический удар транспортирующего газа из сопла 6 взрыхляет в нижнем бункере 1 навеску порошка, поступившего из верхнего бункера 2. Через трубопровод 7 отвода взвешенного порошка порошковая аэрозоль поступает в ствол 12 детонационной установки. За время взрыва в стволе 12 камера 8 высокого давления снова заполняется контролируемой массой транспортирующего газа, и цикл повторяется.

Заполнение камеры высокого давления может проходить и по другому варианту. Во время взрыва продукты детонации под давлением 20 атм заполняют через клапан 11 однонаправленного действия камеру 8. При падении давления в стволе 12 клапан 11 закрывается и камера 8 готова к разрядке. Управление процессом заполнения камеры 8 от конкретного источника, регулирование давлений осуществляется при помощи вентилей 15. При этом возможно их комбинированное действие.

Регулирование давления в камере 8 осуществляется для каждого порошка, для каждого технологического режима индивидуально путем подбора. Подбор давления осуществляется следующим образом: заранее устанавливают заведомо меньшее значение давления транспортирующего газа. При этом во время работы установки за счет постоянной турбулизации порошка в нижнем бункере 1 от транспортирующего газа и обратных ударов продуктов детонации в нижний бункер просыпается значительно большее количество порошка, чем выносится за один цикл. При этом уровень порошка в нижнем бункере 1 фиксируется выше среза патрубка 5. Повышением давления в камере высокого давления повышают количество выносимого порошка. Давление повышают до момента, когда уровень порошка приходится вровень со срезом патрубка 5. Это давление считают оптимальным. Дальнейшее повышение давления приводит к менее благоприятным условиям. При установившемся режиме расход порошка постоянен, так как его выносится ровно столько, сколько просыпается. Однако после остановки устройства при последующем запуске в первых выстрелах может содержаться большая масса напыляемого порошка вследствие того, что порошок просыпается под уровень среза патрубка 5. Поэтому эти режимы неблагоприятны для напыления.

П р и м е р 1. Исследовалась эффективность работы дозирующего устройства в соответствии [1] Установлено, что при скорострельности 16 выстрелов в секунду и более количество напыляемого порошка (при различных конструкционных и технологических вариантах для дозирующего устройства) составляет не более 10 мкм покрытия на выстрел, а при скорострельности более 35 выстрелов в секунду подача порошка в ствол детонационной установки практически прекращается.

П р и м е р 2. В аналогичных условиях исследовалась эффективность работы дозирующего устройства в соответствии с [2] Установлено, что при скорострельности 16 выстрелов в секунду и более количество напыляемого порошка (при различных конструкционных и технологических вариантах для дозирующего устройства) составляет не более 15 мкм покрытия на выстрел. При этом в течение первых пяти выстрелов наблюдается повышенный вынос порошка в количестве до 100 мкм покрытия на выстрел, после чего подача порошка стабилизируется. Дальнейшее повышение скорострельности приводит к уменьшению количества подаваемого порошка вне зависимости от расхода транспортирующего газа.

П р и м е р 3. В аналогичных условиях исследовалась эффективность работы дозирующего устройства в соответствии с предлагаемым техническим решением (см. чертеж). Установлено, что при скорострельности 100 выстрелов в секунду обеспечивается подача порошка в количестве 50 мкм покрытия на выстрел, что свидетельствует о существенном повышении производительности. Исследование разнотолщинности 30 подряд напыленных пятен, получаемых при каждом выстреле, показало, что исследуемая величина колеблется в пределах погрешности измерения используемого инструмента (микрометр).

Приведенные характеристики свидетельствуют о существенном положительном эффекте. При этом для всех исследуемых режимов давление транспортирующего газа в камере высокого давления находилось в пределах от 0,01 до 0,6 МПа.

Использование продуктов детонации в качестве транспортирующего газа также показало высокую эффективность данного технического решения.

Формула изобретения

1. Способ импульсного дозирования порошка, включающий циклическую подачу транспортирующего газа в изолированное от атмосферы дозирующее устройство, формирование газопорошковой взвеси и подачу этой взвеси в ствол детонационной установки, отличающийся тем, что подачу транспортирующего газа к напыляемому порошку осуществляют из ограниченного объема высокого давления, заполнение которого ведут со скоростью, равной частоте появления искры поджига.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве транспортирующего газа используют газовые продукты горения детонирующей смеси.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление транспортирующего газа в ограниченном объеме высокого давления фиксируют в пределах 0,01 0,6 МПа.

4. Устройство для импульсного дозирования порошка и последующей циклической подачи в ствол детонационной установки, содержащее установленные один над другим сообщающиеся через патрубок бункеры, нижний из которых имеет сопло для подвода транспортирующего газа, и трубопровод для отвода взвешенного порошка, отличающееся тем, что между источником транспортирующего газа и соплом для подвода транспортирующего газа установлена камера высокого давления с запорным клапаном на входе в сопло, при этом камера высокого давления выполнена с объемом, не превышающим сумму объемов нижнего и верхнего бункеров и объема трубопровода для отвода взвешенного порошка.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что нижний бункер выполнен в виде усеченного книзу конуса из материала с коэффициентом теплопроводности не менее 100 Вт/(м · К).

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что камера высокого давления соединена через клапан однонаправленного действия со стволом детонационной установки в промежутке между свечой поджига детонирующей смеси и трубопроводом ввода напыляемого материала в ствол.

РИСУНКИ

Рисунок 1