Устройство для нанесения покрытий на внутренние поверхности изделий

 

Изобретение относится к металлургической промышленности, может быть использовано в машиностроении, авиакосмической технике, в автомобильной промышленности, энергетике, строительстве, нефтегазовой промышленности и других областях хозяйства для нанесения покрытий на внутренние поверхности изделий. Устройство содержит бункер для порошковой смеси с питателем-дозатором, камерой смешения, системы подачи рабочего газа в камеру смешения и питатель-дозатор, сообщенные с источником рабочего газа. Устройство содержит распыливающую головку с кольцевым коллектором, кольцевым сверхзвуковым соплом, поворотным устройством, которое выполнено кольцевым, осесимметричным относительно центральной оси распыливающей головки, при этом оно расположено в корпусе распыливающей головки, сопряжено и сообщено с кольцевым сверхзвуковым соплом, а ось кольцевого поворотного устройства, являясь продолжением оси кольцевого сверхзвукового сопла, расположена по отношению к ней под углом 90±5^o, а выходное сечение кольцевого поворотного устройства обращено в сторону, противоположную центральной оси распыливающей головки. Изобретение позволяет увеличить производительность, повысить технологичность, экономичность устройства. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к металлургической промышленности, а также может быть использовано в машиностроении, авиакосмической технике, в автомобильной промышленности, энергетике, строительстве и других отраслях народного хозяйства для нанесения покрытий на внутренние поверхности изделий.

Известно устройство для нанесения покрытий по авторскому свидетельству СССР 1138429 (МПК⁶ С 23 С 4/00), содержащее порошковый дозатор-питатель с бункером для порошка и каналами подвода рабочего газа.

Недостатком этого устройства является нестабилизированность расхода плохосыпучих микродисперсных порошков, что не позволяет контролировать технологический процесс.

Известно устройство для нанесения покрытий по заявке Японии 4-59941 (МПК⁶ В 05 В 1/04), представляющее сопло со сверхшироким углом распыления квадратного или щелевого профиля в плоскости выходного сечения, при этом выходная часть внутреннего канала сопла изогнута под углом по отношению к центральному каналу подачи наносимого материала.

Недостатком данного решения является низкое качество покрытия вследствие того, что не обеспечивается необходимая скорость движения частиц распыляемого порошка из-за наличия сопла со сверхшироким углом раскрытия, кроме того, неэффективно используется порошок для нанесения покрытия в связи с тем, что неоптимален угол атаки взаимодействия частиц порошка с поверхностью нанесения.

Известно также устройство для нанесения покрытий по европейскому патенту ЕР 0484533 (МПК⁶ С 23 С 4/00), содержащее дозирующий питатель, бункер для порошка, камеру смешения, сверхзвуковое сопло, средство подачи сжатого воздуха, регулятор расхода частиц порошка, промежуточное сопло для формирования газового потока.

Недостатками предложенного устройства является невозможность его использования для осесимметричных изделий, так как необходимо вращение устройства относительно изделия.

Известно устройство для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность изделия по патенту РФ 2017544 (МПК⁶ В 05 С 7/02), содержащее центральное распыливающее сопло, газовый коллектор, а также подвижный ротор-распылитель, установленный на центральном неподвижном узле подачи распыливаемой среды и распыливающего газа, с возможностью вращения вокруг продольной оси устройства, причем газовый канал ротора-распылителя соединен с областью распыла с помощью патрубка, срез сопла выходного отверстия которого обращен к продольной оси устройства.

Недостатками данного устройства являются низкое качество покрытия в силу искажения вектора скорости двухфазного потока и, как следствие, его торможение ротором-распылителем.

Наиболее близким аналогом предлагаемому изобретению является устройство, описанное в международной заявке (РСТ) WO 9621513 (МПК⁶ В 05 В 3/00), содержащее бункер для порошковой смеси с питателем-дозатором, камеру смешения, распыливающую головку с системой подачи рабочего газа, коллектором, сверхзвуковым соплом и угловым поворотным устройством относительно оси ориентации с заменяемыми насадками, при этом сама головка сопла распыления образует искривленный канал, состоящий из центральной части и сопряженной с ней наклонной, оканчивающейся седлом под различные насадки с коническими отверстиями.

Недостатками этого решения являются низкая скорость двухфазного потока на выходе из насадки, невозможность нанесения равномерного, а следовательно, качественного покрытия на большие внутренние поверхности в силу локальности нанесения покрытий с помощью упомянутого устройства и необходимости вращения обрабатываемой детали.

Задачей предлагаемого изобретения является достижение высокого качества покрытия, увеличение производительности, повышение технологичности и экономичности устройства при нанесении порошковых металлических, неметаллических материалов и их смеси.

Данная задача решается тем, что в устройстве для нанесения покрытий на внутренние поверхности изделий, содержащем бункер для порошковой смеси с питателем-дозатором, камеру смешения, системы подачи рабочего газа в камеру смешения и подачи рабочего газа в питатель-дозатор, сообщенные с источником рабочего газа, распыливающую головку с коллектором, сверхзвуковым соплом и поворотным устройством, которое выполнено кольцевым и осесимметричным относительно центральной оси головки, поворотное устройство расположено в корпусе распыливающей головки, сообщено и сопряжено с кольцевым сверхзвуковым соплом, при этом ось поворотного устройства в центральном сечении головки является продолжением оси сверхзвукового сопла и расположена по отношению к ней под углом 90±5^o, а выходное сечение поворотного устройства обращено в сторону, противоположную центральной оси головки.

На чертеже изображено устройство для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность изделия, где: 1 - бункер; 2 - питатель-дозатор; 3 - камера смешения; 4 - система подачи рабочего газа в питатель-дозатор; 5 - система подачи рабочего газа в камеру смешения; 6 - источник рабочего газа; 7 - распыливающая головка; 8 - кольцевой коллектор; 9 - кольцевое сверхзвуковое сопло;
10 - кольцевое поворотное устройство;
11 - обрабатываемая деталь.

Предлагаемое устройство состоит из бункера 1 для загрузки порошковой смеси, подготовленной в заданном количественном соотношении порошков. Питатель-дозатор 2 сообщен магистралью с бункером 1 и осуществляет забор определенного количества порошковой смеси, необходимого для нанесения покрытия. Камера смешения 3 сообщена через питатель-дозатор 2 с бункером 1, а ее выход - с распыливающей головкой 7. Для формирования двухфазной смеси в заданном соотношении масс частиц порошка и сжатого рабочего газа, хранящегося в источнике рабочего газа 6, устройство содержит две пневмосистемы: систему подачи рабочего газа в камеру смешения 5 и систему подачи рабочего газа в питатель-дозатор 4. Обе системы подключены к источнику рабочего газа 6, выполненного, например, в виде батареи ресиверов сжатого газа.

Распыливающая головка 7 снабжена кольцевым коллектором 8, сообщенным с кольцевым сверхзвуковым соплом 9, предназначенным для формирования двухфазного сверхзвукового потока, разгона его до необходимой скорости.

В корпусе головки 7 выполнено кольцевое поворотное устройство 10, сообщенное с кольцевым сверхзвуковым соплом 9 и сопряженное с ним, при этом ось поворотного устройства в центральном сечении распыливающей головки 7 является продолжением оси сверхзвукового сопла и наклонена по отношению к ней на 90±5^o, а выходное сечение кольцевого поворотного устройства 10 обращено в сторону, противоположную оси головки. Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Из бункера 1 в питатель-дозатор 2 поступает материал покрытия - порошок, при этом в зависимости от назначения покрытия (антикоррозионное, термостойкое, теплозащитное, износостойкое и др.), в качестве материала могут использоваться металлы, сплавы металлов (из оксидов, карбидов, нитридов и др.), керамические композиции, полимерные материалы и т.п. Диаметр частиц порошка может изменяться в широком диапазоне - от нескольких микрон до нескольких десятков микрон.

Рабочий газ, поступая из источника рабочего газа 6 в виде батареи ресиверов для хранения сжатого газа через систему подачи 4, обеспечивает подачу материала покрытия (порошка) из питателя-дозатора 2 в камеру смешения 3, куда также поступает рабочий газ с необходимыми термодинамическими характеристиками (давлением и температурой) из системы 5.

После смешивания в камере смешения 3 двухфазная смесь поступает в коллектор 8 распыливающей головки 7.

Затем смесь перемещается вдоль кольцевого сверхзвукового сопла 9 расчетной длины и профиля, ускоряется, приобретая расчетную скорость на входе поворотного устройства 10. Изменив вектор скорости в направлении, противоположном и перпендикулярном центральной оси распыливающей головки 7, двухфазный поток достигает внутренней поверхности обрабатываемого изделия, во внутренней полости которой движется головка 7 и формирует покрытие.

Ось поворотного устройства 10 является продолжением оси сверхзвукового сопла и находится под углом к ней 90±5^o (в центральной плоскости сечения головки), при этом наиболее оптимальным из соображений экономии расходуемого порошка является угол 90^o (т.е. оптимальный угол атаки летящих частиц порошка по отношению к обрабатываемой поверхности).

Конечная скорость частиц порошка в двухфазном потоке определяется типом покрытия, а массовая концентрация порошка - толщиной покрытия, скоростью перемещения обрабатываемого изделия вдоль оси головки и размером изделия.

Уровень температуры двухфазного потока устанавливается родом покрытия и выбирается значительно меньшим температуры плавления материала частиц порошка.

Приведем пример экспериментальной реализации при нанесении антикоррозийного покрытия из алюминия (А1) толщиной 50 мкм на внутреннюю поверхность стальной трубы (СТ.3) диаметром 100 мм и длиной 6 м.

Порошок А1 дисперсностью до 50 мкм подают из дозатора в смеситель с массовым расходом ~ 15 г/с. Одновременно в смеситель подается рабочий газ (воздух) с расходом 150 г/с при давлении 1 μПа и температуре 450К. На входе в поворотное устройство воздух имеет скорость, соответствующую числу Маха ≈2, среднемассовая скорость частиц составляет 600 м/с. Пройдя через поворотное устройство, двухфазный поток достигает внутренней поверхности трубы, которая перемещается вдоль распыливающей головки со скоростью 0,3 м/с. На внутренней поверхности трубы без ее предварительной очистки формируется покрытие из алюминия со следующими характеристиками:
толщина покрытия δ=50 мкм±2 мкм;
- микротвердость покрытия равна 450 μПа;
- адгезия по отношению к Аl - 0,85;
- коэффициент использования порошка - 0,98;
закрытая пористость покрытия <1%.

Кроме того, использование данного устройства повышает технологичность процесса, т.к. нет необходимости вращения изделия вокруг оси.

Угол наклона оси поворотного устройства 90±5^o является оптимальным углом атаки взаимодействия частиц с напыляемой поверхностью, что обеспечивает максимальность коэффициента использования порошка и в свою очередь увеличивает высокую экономичность устройства в целом. Так экспериментально установлено, что отклонение от этих углов приводит к потерям напыляемого порошка на 20% и более.

Предлагаемое устройство несложно в исполнении. Бункер, камера смешения, питатель-дозатор - стандартные промышленно проводимые устройства.

Система подачи рабочего газа в камеру смешения может быть выполнена в виде редуктора, манометра, обратного клапана, нагревателя с термопарой (стандартные комплектующие).

В систему подачи рабочего газа к питателю-дозатору могут входить редуктор, обратный клапан, запорные вентили, манометр (также стандартные промышленно производимые комплектующие).

Распыливающая головка может быть изготовлена методами штамповки, фрезерования, токарным способом.

Источник рабочего газа может быть выполнен в виде промышленного блока ресиверов.

Формула изобретения

Устройство для нанесения покрытий на внутренние поверхности изделий, содержащее бункер для порошковой смеси с питателем-дозатором, камеру смешения, системы подачи рабочего газа в камеру смешения и подачи рабочего газа в питатель-дозатор, сообщенные с источником рабочего газа, распыливающую головку с коллектором, сверхзвуковым соплом и поворотным устройством, отличающееся тем, что поворотное устройство выполнено кольцевым и осесимметричным относительно центральной оси распыливающей головки, расположено в корпусе распыливающей головки, сообщено и сопряжено с кольцевым сверхзвуковым соплом, при этом ось кольцевого поворотного устройства в центральном сечении распыливающей головки является продолжением оси кольцевого сверхзвукового сопла и расположена по отношению к ней под углом 90±5°, а выходное сечение кольцевого поворотного устройства обращено в сторону, противоположную центральной оси распыливающей головки.

РИСУНКИ

Рисунок 1