Термораспылитель
Изобретение относится к нанесению покрытий и может быть использовано для нанесения металлических или керамических покрытий, в частности, на детали аэрокосмических объектов. Термораспылитель содержит генератор пламени с наконечником, направляющим выходящее из него пламя на покрываемую подложку, и предназначенный для инжекции порошка в пламя инжектор с выступающим из наконечника в направлении движения пламени рамочным элементом, по меньшей мере частично охватывающим выходящее из наконечника пламя. При этом по меньшей мере часть выступающего из наконечника рамочного элемента имеет по меньшей мере одно сквозное радиальное отверстие, предназначенное для воздушного охлаждения пламени и стабилизации потока в зоне инжекции порошка. Изобретение обеспечивает повышение качества покрытия и стабильность его работы за счет уменьшения забивания сопла обратным течением порошка. 14 з.п. ф-лы, 8 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к предназначенному для нанесения покрытий термораспылителю, содержащему генератор пламени с наконечником, направляющим пламя на поверхность, на которую наносят покрытие, и инжектор, через который в создаваемое генератором пламя в виде порошка добавляют образующее покрытие вещество.
Под термином "термораспылитель" понимаются любые генераторы пламени, которые можно использовать для нанесения на поверхность подложки или детали металлического или керамического покрытия, например различного рода плазменные распылители, огнеструйные устройства, скоростные кислородно-топливные термораспылители и т.д.
Настоящее изобретение может использоваться, в частности, для нанесения, например, таких покрытий, как металлические или керамические термозащитные покрытия, наносимые, например, на детали аэрокосмических объектов, в частности, на детали используемых в них двигателей. Изобретение, однако, не ограничено этой сравнительно узкой областью и может найти самое широкое применение.
Предпосылки создания изобретения
Известные устройства для плазменного напыления порошка на определенную подложку имеют генератор плазменной струи и одно или несколько инжекторных сопел, через которые в плазменную струю подают образующий покрытие порошок.
Обычные плазменные распылители, например широко распространенный распылитель F4 фирмы Sulzer Metco, имеют наконечник, направляющий выходящую из распылителя плазменную струю на покрываемую поверхность. На наконечнике имеется выступ с соплом, через которое в плазменную струю вводят образующий покрытие порошок.
При плазменном нанесении покрытий и плавлении порошка в структуре потока плазмы происходят определенные изменения. Часто даже при нормальных условиях работы в плазменной струе возникает обратное течение, и попадающий в сопло порошок забивает сопло. Образующиеся при этом в плазменной струе сравнительно крупные частицы порошка нарушают процесс нормального нанесения покрытия и образуют в готовом покрытии различные вздутия или комки.
Задачи изобретения
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать термораспылитель, отличающийся от известных распылителей более эффективным использованием порошка, а следовательно, и более высоким качеством нанесенного покрытия. Иными словами, такой термораспылитель должен обеспечивать получение покрытия, качество которого при меньшем расходе порошка не уступает или даже превосходит качество покрытий, нанесенных с использованием известных в настоящее время устройств.
Еще одна задача изобретения состояла в разработке термораспылителя с существенно меньшим в сравнении с известными распылителями или вообще отсутствующим обратным течением забивающего сопло порошка.
Помимо этого еще одна задача изобретения состояла в разработке распылителя, обеспечивающего оптимальную интенсивность распыления порошка и уменьшающего продолжительность напыления определенного количества порошка при высоком качестве готового покрытия.
Краткое изложение сущности изобретения
Поставленная в изобретении задача решается с помощью предлагаемого в нем термораспылителя, отличающегося тем, что инжектор порошка имеет выступающий из наконечника в направлении струи пламени рамочный элемент, по меньшей мере частично охватывающий выходящую из наконечника струю пламени. Такой рамочный элемент охватывает по меньшей мере 1/4 часть или 90° окружности струи пламени.
Наличие рамочного элемента, даже по меньшей мере частично охватывающего струю пламени, улучшает структуру потока и заметно снижает обратное течение порошка. Форма и/или размеры внутренней поверхности части рамочного элемента соответствуют форме и размерам наконечника генератора пламени. В рамочном элементе расположено(-ы) сопло(-а), выходящая(-ие) из которого(-ых) струя(-и) порошка направлены в радиальном направлении к проходящей через центр выступающего кольцевого элемента струе пламени.
В предпочтительном варианте рамочный элемент охватывает по окружности по меньшей мере 180°, предпочтительно по меньшей мере 270°, наиболее предпочтительно 360° выходящей из наконечника струи пламени.
Рамочный элемент предпочтительно выполнять в виде замкнутого кольцевого элемента со сплошной внутренней поверхностью, охватывающей на 360° струю пламени. Следует, однако, отметить, что рамочный элемент можно выполнить не в виде одной детали, а в виде двух или нескольких отдельных кольцевых секторов. Такой рамочный элемент, состоящий из отдельных кольцевых секторов протяженностью по меньшей мере 180°, предпочтительно по меньшей мере 270°, не обязательно должен иметь сплошную внутреннюю поверхность, а может иметь в окружном направлении свободные промежутки. В образующих рамочный элемент кольцевых секторах можно установить одно или несколько инжекторных сопел.
Форма поперечного сечения внутренней поверхности рамочного элемента предпочтительно должна соответствовать форме поперечного сечения внутренней поверхности наконечника. Поперечное сечение при этом должно обладать вращательной симметрией.
В предпочтительном варианте по меньшей мере одна часть выступающего из наконечника в направлении струи пламени рамочного элемента имеет по меньшей мере одно радиальное сквозное отверстие. Такое(-ия) отверстие(-я) предназначено(-ы) для воздушного охлаждения и стабилизации струи пламени в зоне инжекции порошка. Не считая этого(-их) отверстия(-й) и предназначенных для инжекции порошка сопел (инжекторных сопел), внутренняя поверхность рамочного элемента должна быть гладкой, без всяких неровностей, отрицательно влияющих на структуру струи пламени и находящегося в ней порошка.
Рамочный элемент предпочтительно должен иметь несколько радиальных сквозных отверстий в количестве, большем 6, более предпочтительно большем 10. Отверстия должны быть равномерно распределены по окружности рамочного элемента. Равномерное расположение отверстий способствует стабилизации проходящей в центре рамочного элемента струи пламени.
В одном из вариантов осуществления изобретения внутренний диаметр d наконечника и длина p рамочного элемента связаны между собой определенным соотношением. Это соотношение размеров d и p определяется следующим неравенством: 0,5d<p<2d. Таким соотношением размеров должны обладать не только распылители, у которых внутренний диаметр наконечника составляет 6 или 8 мм, но и большинство используемых на практике распылителей с другим внутренним диаметром наконечника.
Если же наконечник имеет внутренний диаметр d, а рамочный элемент имеет соответственно внутренний диаметр D, то D должен быть равен или больше d, но не должен быть больше 1,2d. Таким соотношением должны обладать по меньшей мере распылители с наконечниками, внутренний диаметр d которых равен 6 или 8 мм.
В еще одном варианте осуществления изобретения на внутренней поверхности рамочного элемента расположено два или несколько инжекторных сопел, направляющих порошок в струю пламени. Такая конструкция рамочного элемента обеспечивает более равномерную подачу порошка в плазменную струю. Подача порошка в плазменную струю через несколько сопел увеличивает количество порошка, попадающего в плазменную струю в единицу времени, и не создает никаких проблем, обычно возникающих при подаче порошка только через одно сопло.
Инжекторные сопла предпочтительно должны быть равномерно распределены по окружности рамочного элемента. Равномерное распределение сопел обеспечивает равномерную подачу порошка в струю пламени. Предлагаемый в изобретении распылитель должен иметь соответствующее устройство, равномерно распределяющее порошок по соплам, или должен быть соединен с таким устройством.
В одном из вариантов осуществления изобретения порошок инжектируют в струю пламени через сопла, которые вставлены в отверстия рамочного элемента, по меньшей мере одно из которых имеет размеры, соответствующие размерам сопла. Выполненный по этому варианту рамочный элемент имеет несколько сквозных радиальных отверстий для прохода воздуха. Несколько из этих отверстий, кроме того, приспособлены для установки в них сопел или других необходимых устройств или деталей. Так, например, несколько отверстий можно выполнить резьбовыми и использовать резьбу для соединения рамочного элемента с соответствующими соплами.
Крепление рамочного элемента к наконечнику должно быть разборным. Для этого, например, рамочный элемент можно надеть на наружную поверхность наконечника и закрепить винтами, проходящими насквозь через стенку рамочного элемента. Для крепления рамочного элемента на наконечнике можно использовать и другие крепежные средства, например, зажимы.
В предлагаемом в изобретении термораспылителе пламя, выходящее из генератора пламени, представляет собой плазменную струю, образующуюся в кольцевом зазоре между катодом и анодом. Обычно температура такой струи достигает 15000°С, и подаваемый в плазму порошок плавится и переносится струей плазмы со скоростью, достигающей на поверхности подложки 500 м/с.
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере предпочтительного варианта выполнения предлагаемого в изобретении термораспылителя.
Краткое описание чертежей
Описанный ниже предпочтительный вариант осуществления изобретения иллюстрируется прилагаемыми к описанию чертежами, на которых показано:
на фиг.1 - аксонометрическая проекция в увеличенном масштабе наконечника известного термораспылителя с инжектором порошка,
на фиг.2 - вид спереди наконечника, показанного на фиг.1,
на фиг.3 - первый вариант выполнения предлагаемого в изобретении термораспылителя с показанным на фиг.1 наконечником, инжектором порошка и двумя соплами, расположенными противоположно друг другу в рамочном элементе, образованном двумя отдельными кольцевыми секторами,
на фиг.4 - вид спереди наконечника, показанного на фиг.3,
на фиг.5 - второй предпочтительный вариант выполнения предлагаемого в изобретении термораспылителя,
на фиг.6 - вид спереди термораспылителя, показанного на фиг.5,
на фиг.7 - поперечное сечение рамочного элемента термораспылителя, показанного на фиг.5 и 6, и
на фиг.8 - продольный разрез обычного плазменного распылителя, выполненного в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 и 2 показан наконечник 1 известного термораспылителя, в частности, плазменного распылителя. Распылитель имеет генератор 2 пламени, в данном случае - плазмы. Показанный на фиг.8 генератор плазмы имеет выполненные известным образом катод и анод, между которыми остается свободное кольцевое пространство. Распылитель имеет также инжектор 3, предназначенный для инжекции порошка в струю плазмы.
Наконечник 1 выполнен в виде трубки круглого сечения, которую можно использовать в качестве анода. На закрепленном на наконечнике инжекторе 3 имеется выступ 4. В радиальное отверстие выступа 4 вставлено инжекторное сопло 5, через которое в струю плазмы подается образующий покрытие порошок.
Как показано на фиг.2, выходящий из инжекторного сопла 5 порошок попадает лишь в небольшую часть струи плазмы. Имеющий небольшую угловую протяженность выступ 4 служит причиной возникновения в струе плазмы обратного потока частично расплавленного порошка, который остается на поверхности сопла 5.
На фиг.3 и 4 показан первый вариант выполнения предлагаемого в изобретении термораспылителя. В этом термораспылителе пламя, или плазменная струя, генерируется таким же путем, что и в распылителе, показанном на фиг.1 и 2. Предлагаемый в изобретении термораспылитель имеет рамочный элемент 6, образованный двумя отдельными выступающими кольцевыми секторами 7 и 8, которые охватывают приблизительно 180° окружности вокруг струи. Иными словами, протяженность этих кольцевых секторов составляет 50% от длины окружности полного рамочного элемента. В показанном на чертеже варианте угловая протяженность каждого кольцевого сектора 7 и 8 составляет по меньшей мере 90°.
В продольном направлении, совпадающем с направлением струи, край рамочного элемента 6 расположен за краем наконечника 1. Каждый кольцевой сектор имеет одно или несколько радиальных отверстий, по меньшей мере в одно из которых вставлено инжекторное сопло 5. Ориентация и крепление сопел 5 идентичны известному распылителю, показанному на фиг.1 и 2. Наличие двух сопел и рамочного элемента 6 снижает вероятность образования обратного потока порошка, способствует более полному насыщению струи плазмы инжектируемым в нее порошком и стабилизирует весь процесс нанесения покрытия. При этом также по сравнению с известными распылителями повышается полезный выход и эффективность использования порошка.
На фиг.5-7 показан второй предпочтительный вариант выполнения предлагаемого в изобретении термораспылителя. Выполненный по этому варианту термораспылитель имеет генератор пламени, предпочтительно такой же, что и показанный на фиг.1-4. Предлагаемый в этом варианте термораспылитель отличается от показанного на фиг.3 и 4 тем, что рамочный элемент 6 образован одним единственным замкнутым кольцом. Рамочный элемент 6 крепится к наконечнику 1 и выступает от торца наконечника на расстояние p в направлении движения струи плазмы. Диаметр отверстия наконечника d связан с размером p соотношением 0,5d<p<2d, предпочтительно приблизительно равен расстоянию p.
Рамочный элемент 6 имеет кольцевую внутреннюю поверхность диаметром D, который приблизительно равен внутреннему диаметру d наконечника 1. В рассматриваемом примере, в частности, внутренний диаметр D рамочного элемента равен наружному диаметру d наконечника 1 плюс толщина стенки наконечника 1.
Рамочный элемент 6 имеет несколько сквозных радиальных отверстий 9, равномерно распределенных по окружности его выступающей части. По меньшей мере в некоторых отверстиях 9 нарезана резьба, предназначенная для крепления инжекторного сопла 5. В другом варианте некоторые из отверстий, расположенных в одном ряду с отверстиями 9 или выходящих из этого ряда, предлагается использовать в качестве сопел для подачи в струю плазмы образующего покрытие порошка.
Обычно отверстия 9 расположены на одной окружности по внутренней поверхности рамочного элемента 6. Отверстия, не занятые соплами 5, образуют радиальные каналы между внутренней и наружной поверхностями рамочного элемента. Обычно термораспылитель работает в воздушной атмосфере, и через отверстия 9 внутрь выступа поступает охлаждающий воздух, который стабилизирует струю и препятствует возникновению обратного течения порошка в направлении сопел 5.
Сопла (или отверстия для подачи порошка) должны быть равномерно распределены (расположены на равном угловом расстоянии друг от друга) по внутренней поверхности рамочного элемента 6. Количество сопел 5 может быть разным, однако, как показало компьютерное моделирование, предпочтительно наличие трех сопел, обеспечивающих оптимальный полезный выход порошка (его небольшие потери) и стабилизирующих структуру потока.
Инжектор 3, который в этом варианте объединен с рамочным элементом 6, устанавливают на конце наконечника 1 и крепят винтами 16. Для крепления инжектора можно использовать и другие крепежные средства, например различные зажимы.
На фиг.8 схематично показана выходная часть предлагаемого в изобретении плазменного термораспылителя. Этот распылитель, который выполнен по типу известных распылителей подобного типа и поэтому не требует подробного описания, имеет анод 10 и расположенный в центре катод 11, которые образуют сопло или кольцевой канал для прохода газов. Под действием регулируемой разности потенциалов между анодом 10 и катодом 11 возникает электрическая дуга и образуется проходящая через сопло плазменная струя 12. Распылитель, кроме того, имеет предлагаемый в изобретении инжектор 3, который предназначен для подачи в плазменную струю 12 образующего покрытие порошка 13. Плазменная струя 12 воздействует на подложку 15 и переносит на нее по меньшей мере частично расплавленные частицы порошка 13.
Одно из преимуществ изобретения заключается в том, что предлагаемый в нем рамочный элемент 6, как уже было отмечено выше, можно использовать вместо имеющегося в обычных плазменных термораспылителях, например в распылителе F4, выступа с соплом, обеспечив при этом оптимальную подачу порошка в струю плазмы, повышенную эффективность и устойчивость струи плазмы и меньшую вероятность забивания порошком инжекторного сопла.
Следует отметить, что приведенное выше описание, в котором рассмотрен только один из примеров возможного осуществления изобретения, не исключает возможности разработки других очевидных для специалистов альтернативных вариантов практической реализации изобретения. Эти варианты, однако, не должны выходить за объем изобретения, определяемый его формулой, приведенным выше описанием и иллюстрирующими его чертежами.
1. Термораспылитель, содержащий генератор (1, 2) пламени с наконечником, направляющим выходящее из него пламя на покрываемую подложку, и предназначенный для инжекции порошка в пламя инжектор (3) с выступающим из наконечника (1) в направлении движения пламени рамочным элементом (6), по меньшей мере частично охватывающим выходящее из наконечника (1) пламя, отличающийся тем, что по меньшей мере часть выступающего из наконечника (1) рамочного элемента (6) имеет по меньшей мере одно сквозное радиальное отверстие (9), предназначенное для воздушного охлаждения пламени и стабилизации потока в зоне инжекции порошка.
2. Термораспылитель по п.1, отличающийся тем, что рамочный элемент (6) охватывает по меньшей мере 90°, предпочтительно 180°, окружности вокруг выходящего из наконечника (1) пламени.
3. Термораспылитель по п.1, отличающийся тем, что рамочный элемент (6) охватывает по меньшей мере 270° окружности вокруг выходящего из наконечника(1) пламени.
4. Термораспылитель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что поперечное сечение внутренней поверхности рамочного элемента (6) соответствует форме поперечного сечения внутренней поверхности наконечника (1).
5. Термораспылитель по п.1, отличающийся тем, что рамочный элемент (6) выполнен в виде кольцевого элемента.
6. Термораспылитель по п.1, отличающийся тем, что он имеет несколько сквозных радиальных отверстий (9).
7. Термораспылитель по п.6, отличающийся тем, что он имеет по меньшей мере 6, предпочтительно более 10, сквозных радиальных отверстий (9).
8. Термораспылитель по п.6 или 7, отличающийся тем, что сквозные отверстия (9) равномерно распределены по окружности рамочного элемента (6).
9. Термораспылитель по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр d наконечника (1) связан с шириной р рамочного элемента (6) соотношением 0,5d<p<6d, предпочтительно 0,5d<p<2d.
10. Термораспылитель по п.1, отличающийся тем, что внутренний размер или внутренний диаметр d наконечника (1) связан с внутренним размером или внутренним диаметром D рамочного элемента (6) соотношением D≥d, предпочтительно D<l,2d.
11. Термораспылитель по п.1, отличающийся тем, что он имеет два или более инжекторных сопел (5), предназначенных для подачи порошка в пламя, которые распределены по внутренней поверхности рамочного элемента (6).
12. Термораспылитель по п.11, отличающийся тем, что инжекторные сопла (5) равномерно распределены по окружности рамочного элемента (6).
13. Термораспылитель по п.11 или 12, отличающийся тем, что каждое инжекторное сопло (5) вставлено в радиальное отверстие рамочного элемента, и по меньшей мере одно или несколько отверстий (9) приспособлены для крепления в них сопел (5).
14. Термораспылитель по п.1, отличающийся тем, что рамочный элемент (6) съемно крепится к наконечнику (1).
15. Термораспылитель по п.1, отличающийся тем, что генерируемое пламя представляет собой плазменную струю.
