Устройство для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов

 

Изобретение относится к устройствам для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности. Устройство содержит источник сжатого воздуха 1, соединенный газопроводом 2 с узлом подогрева 3, выход которого соединен с входом сверхзвукового сопла 4, закритическая часть 5 которого соединена трубопроводом 6 с порошковым питателем-дозатором 7. Сжатый воздух давления P_o от источника сжатого воздуха 1 по газопроводу 2 подается в узел подогрева 4, где нагревается до требуемой температуры. Нагретый воздух непосредственно поступает в сверхзвуковое сопло, где ускоряется до скорости несколько сот метров в секунду. Порошковый материал из питателя-дозатора 7 по трубопроводу 6 подачи порошка поступает в сверхзвуковую часть 5 сопла, где ускоряется потоком воздуха на участке сопла от места ввода до окончания сопла. Такая конструкция позволяет повысить эффективность работы устройства за счет снижения его массы, уменьшения тепловых потерь, повышения безопасности при эксплуатации. 1 з.п. ф., 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности для получения покрытий, придающих различные свойства обрабатываемым поверхностям.

Известно устройство для нанесения покрытий, содержащее порошковый дозатор, соединенный с ним узел подогрева, выход которого соединен со сверхзвуковым соплом [1] Недостатком такой конструкции является то, что порошковый материал приходит в соприкосновение с тепловыделяющим элементом узла подогрева, что приводит к окислению частиц порошкового материала и их налипанию на этот элемент. В целом это устройство имеет низкую эффективность.

Известно устройство для нанесения покрытий напылением [2] содержащее источник сжатого воздуха, питатель-дозатор, узел подогрева, соединенный газопроводом через запорную арматуру с форкамерой, смонтированной перед сверхзвуковым соплом.

Недостатком конструкции этого устройства является то, что питатель-дозатор соединен с форкамерой, расположенной перед соплом. Это приводит к тому, что порошок должен пройти через самую узкую часть сопла (критическое сечение), наиболее подверженную износу порошковым материалом, особенно при использовании порошков твердых веществ (металлов, керамических частиц и так далее). В свою очередь именно критическое сечение, в основном, определяет режим работы сверхзвукового сопла и эффективность устройства в целом.

Кроме того, эта конструкция довольно громоздка, поскольку в ней отдельным элементом присутствует форкамера, а питатель-дозатор должен быть выполнен герметичным и рассчитанным на высокое рабочее давление, а значит должен иметь большую массу. Наличие форкамеры между нагревательным узлом и соплом приводит, кроме того, к дополнительным потерям тепла, а значит к необходимости дополнительных энергозатрат на нагревание воздуха и поддержание заданной его температуры на входе в сверхзвуковое сопло.

Последнее обстоятельство также приводит к повышенной опасности работы с устройством, поскольку в случае разгерметизации питателя произойдет выброс из него порошка под высоким давлением.

В основу изобретения положена задача создания устройства для нанесения покрытий газодинамическим способом, которое бы имело такую конструкцию, которая увеличивала бы стабильность работы соплового узла и повышение срока его службы, а также способствовала снижению энергетических затрат на поддержание температуры воздуха на входе в сверхзвуковое сопло и обеспечивала бы повышение безопасности работы устройства и снижение его массы.

Задача достигается тем, что в устройстве для нанесения покрытий из порошковых материалов, содержащем источник сжатого газа, соединенный газопроводом с узлом подогрева, питатель-дозатор и сверхзвуковое сопло, выход узла подогрева газа соединен непосредственно с входом сверхзвукового сопла, которое в закритической части соединено через трубопровод с выходом питателя-дозатора.

Данная конструкция устройства для нанесения покрытий, в сравнении с известными, позволяет повысить стабильность работы устройства за счет отсутствия износа критического сечения сопла. Это достигается тем, что через него порошок не проходит вообще, а следовательно, не изнашивает его, не изменяет его параметры, и, в силу этого, не изменяет режим работы соплового узла и устройства в целом.

При использовании порошков из твердых металлов или керамики износ стенок сопла происходит только в сверхзвуковой части сопла и не затрагивает критическое сечение сопла. Поскольку режим работы сверхзвукового сопла (в частности расход воздуха, число Маха и т.д.) определяются в первую очередь критическим сечением сопла, износ только сверхзвуковой части сопла обеспечивает более медленное изменение режима работы сопла по сравнению со случаем, когда порошок вводится в форкамеру перед соплом или в дозвуковую часть сопла. Таким образом, обеспечивается больший ресурс работы сопла.

При этом отпадает необходимость в наличии форкамеры, что ведет к упрощению конструкции, снижению ее массы, а то, что узел подогрева непосредственно соединен с входом сопла, позволяет исключить потери тепла в форкамере.

Присоединение питателя к сверхзвуковой части сопла позволяет поддерживать в питателе более низкое давление, чем давление на входе в сопло, так как в сверхзвуковой части любого сопла Лаваля (сверхзвукового сопла) давление всегда ниже, чем в дозвуковой его части. Это приводит к уменьшению массы питателя и повышению безопасности его функционирования.

Такая конструкция устройства позволяет использовать для транспортировки порошка от питателя-дозатора к соплу не сжатый воздух, а атмосферный. Это еще в большей степени снижает массу устройства и повышает безопасность работы устройства, так как в этом случае можно использовать негерметичный питатель-дозатор, для чего в точке ввода порошка в сопло должно поддерживаться давление меньше атмосферного, что обеспечит транспортировку порошка потоком непосредственно атмосферного воздуха.

Эффективную транспортировку порошка непосредственно атмосферным воздухом возможно реализовать, если в месте соединения сопла с трубопроводом питателя-дозатора площадь поперечного сечения сверхзвукового сопла будет связана с площадью его критического сечения следующим соотношением: S_i/S_k≥1,3P_o+0,8, где S_i площадь поперечного сечения сверхзвукового сопла в месте соединения с трубопроводом питателя-дозатора, S_k площадь критического сечения сверхзвукового сопла, P_o полное давление газа на входе в сверхзвуковое сопло, выраженное в МПа.

На чертеже изображена схема устройства.

Устройство содержит источник сжатого воздуха 1, соединенный газопроводом 2 с узлом подогрева 3, выход которого соединен с входом сверхзвукового сопла 4, закритическая (сверхзвуковая) часть 5 которого соединена трубопроводом 6 с порошковым питателем-дозатором 7.

Устройство работает следующим образом.

Сжатый воздух давления P_o от источника сжатого воздуха 1 по газопроводу 2 подается в узел подогрева 4, где нагревается до требуемой температуры. Нагретый воздух непосредственно поступает в сверхзвуковое сопло, где ускоряется до скорости несколько сот метров в секунду.

Порошковый материал из питателя-дозатора 7 по трубопроводу 6 подачи порошка поступает в сверхзвуковую часть 5 сопла, где подхватывается потоком воздуха и ускоряется на участке сопла от места ввода до окончания сопла. При этом в сечении сопла, где трубопровод 6 подачи порошка сообщается со сверхзвуковым соплом 4, поддерживается статическое давление меньше атмосферного, что обеспечивает эффективное всасывание воздуха с порошком из порошкового питателя-дозатора.

Поддержание в точке ввода в сопло порошка давления меньше атмосферного можно обеспечить при условии, что площадь поперечного сечения сверхзвукового сопла в этой части будет превышать его критическое сечение в определенное число раз. Многочисленными экспериментами и расчетами было установлено, что для эффективной работы устройства площадь поперечного сечения сверхзвукового сопла в месте соединения сопла с трубопроводом питателя-дозатора должна соотноситься с критическим сечением сопла соотношением: S_i/S_k≥1,3P_o+0,8, где S_i площадь поперечного сечения сверхзвукового сопла в месте соединения с трубопроводом питателя-дозатора, S_k площадь критического сечения сверхзвукового сопла, P_o полное давление газа на входе в сверхзвуковое сопло, выраженное в МПа.

Такая конструкция обеспечивает отсутствие в порошковом питателе-дозаторе избыточного (выше атмосферного) давления, что в свою очередь увеличивает безопасность работы питателя-дозатора и упрощает его обслуживание.

Устройство может быть использовано для нанесения покрытий из порошковых материалов для придания поверхностям изделий различных свойств, таких как коррозионная стойкость, жаростойкость, изменение излучательной способности поверхности и т.д. кроме того, устройство можно использовать для нанесения декоративных покрытий.

Формула изобретения

1. Устройство для газодинамического нанесения покрытий из порошковых материалов, содержащее источник сжатого газа, соединенный газопроводом с узлом подогрева, дозатор-питатель и сверхзвуковое сопло, отличающееся тем, что выход узла подогрева газа соединен непосредственно с входом сверхзвукового сопла, которое в закритической части соединено через трубопровод с выходом питателя-дозатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дозатор-питатель выполнен негерметичным, а поперечное сечение сверхзвукового сопла в месте соединения сопла с трубопроводом питателя-дозатора выполнено в соответствии со следующим трубованием:
S_i / S_к ≥ 1,3 P₀ + 0,8,
где S_i площадь поперечного сечения сверхвукового сопла в месте соединения с трубопроводом питателя-дозатора;
S_к площадь критического сечения сверхзвукового сопла;
P₀ полное давление газа на входе в сверхзвуковое сопло, МПа.

РИСУНКИ

Рисунок 1