FI90738B - Supersoninen lämpösuihkutuspistooli ja päällystysmenetelmä - Google Patents

Description

90738

Supersoninen lämpösuihkutuspistooli ja päällystyömenetelmä Tämä keksintö koskee lämpösuihkutuspistoolia ääntä nopeamman hiukkasia kuljettavan suihkun aikaansaamiseksi siten, että suihku on suojattuna ympäröivältä ilmakehältä, sekä päällys-tysmenetelmää hyvin tiheiden, matalaoksidisten lämpö-suihkutuspinnoitteiden tuottamiseksi alustalle.

Lämpösuihkutustekniikka sisältää lämmityksen ja hiukkasten saattamisen esikäsitellylle alustalle. Useimpia metalleja, oksideja, keramiikkametalleja, kovametalliyhdisteitä, joitakin orgaanisia muoveja ja tiettyjä laseja voidaan saostaa yhdellä tai useammalla tunnetulla lämpösuihkutusprosessilla. Syötettävä raaka-aine voi olla jauheen, langan, joustavan jauhetta sisältävän putken tai sauvan muodossa riippuen kyseisestä prosessista. Materiaalin kulkiessa suihkutuspistoo-lin läpi se lämmitetään pehmentyneeseen tai sulaan tilaan, kiihdytetään ja langan tai sauvan tapauksessa hajotetaan. Kuumien hiukkasten tällä tavalla tuotettu rajoitettu virta kuljetetaan eteenpäin alustalle ja hiukkasten iskeytyessä alustan pintaan ne litistyvät ja muodostavat ohuita levyjä, jotka yhdistyvät ja tarttuvat kiinni aikaisemin valmistettuun pintaan kuten myös toisiinsa. Joko pistoolia tai alustaa voidaan siirtää, ja suihkutettu materiaali rakentuu hiukkanen hiukkaselta suomumaiseksi rakenteeksi, joka muodostaa pinnoituksen. Tämä erityinen pinnoitustekniikka on ollut käytössä lukuisia vuosia pinnan entisöimis- ja suojelukeinona.

Tunnetut lämpösuihkutusprosessit voidaan ryhmitellä kahteen menetelmään, joita käytetään tuottamaan lämpöä, nimittäin kemialliseen palamiseen ja sähkölämmitykseen. Kemiallinen palaminen sisältää jauheliekkisuihkutuksen, lanka/sauvaliek-kisuihkutuksen ja räjähdys/räjähdysaineliekkisuihkutuksen. Sähkölämmitys sisältää johdinkaarisuihkutuksen ja plasma-suihkutuksen.

2

Standardijauheliekkisuihkutus on lämpösuihkutuksen varhaisin muoto ja pitää sisällään jauheliekkisuihkutuspistoolin käytön, joka sisältää voimakastehoisen happea polttoaineena käyttävän kaasupolttimen ja levitettävää jauhetta tai eri-koisvalmistetta sisältävän suppilon. Pieni määrä syötettävän kaasun hapesta suunnataan sivuun, jotta se kuljettaa jauheen imussa happikaasuliekkiin, jossa se lämpenee, ja poisto-liekki kuljettaa sen työkappaleeseen. Polttoainekaasu on yleensä asetyleeniä tai vetyä, ja saavutettavat lämpötilat ovat 1600-2500°C. Hiukkasnopeudet ovat 24-30 m/s. Yleensä tuotetuilla pinnoituksilla on alhainen sidoslujuus, korkea huokoisuus ja alhainen kokonaiskoheesiolujuus.

Suurinopeuksinen jauheliekkisuihkutus kehitettiin suunnilleen 1981, ja se käsittää jatkuvan polttomenetelmän, joka tuottaa poistokaasun nopeuksia arvioituna 1200-1500 m/s ja hiukkasnopeuksia 540-780 m/s. Tämä toteutetaan polttamalla polttoainekaasua (tavallisesti propyleeniä) hapen kanssa korkeassa paineessa (400-600 kPa) sisäpolttokammiossa. Kuumat pakokaasut johdetaan pois polttokammiosta poistoaukkojen läpi ja sen jälkeen paisutetaan purkaussuuttimeen. Jauhe syötetään aksiaalisesti tähän suuttimeen ja pakokaasuvirta rajaa sen, kunnes se poistuu ohuena korkeanopeussuihkuna aikaansaaden pinnoitukset, jotka ovat huomattavasti tiheämpiä kuin tavanomaisilla tai standardijauheliekkisuihkutus-tekniikoilla tuotetut.

Lanka/sauvaliekkisuihkutus käyttää lankaa saostettavana materiaalina ja se tunnetaan metalloimisprosessina. Tässä prosessissa lankaa syötetään jatkuvasti happiasetyleeniliek-kiin, jossa paineilman lisävirta sulattaa ja hajottaa sen ja sen jälkeen se saostuu pinnoitusmateriaalina alustalle. Tätä menetelmää käytetään myös muiden materiaalien, erityisesti hauraiden keraamisten sauvojen tai joustavien jauheella täytettyjen muoviputkien yhteydessä. Lanka/sauvaprosessin etuna jauheliekkisuihkutukseen nähden on se, että voidaan käyttää suhteellisen edullisia kulutusmateriaaleja verrattuna kalliisiin jauheisiin.

li 3 90738 Räjähdys/räjähdysaineliekkisuihkutus esiteltiin suunnilleen 1950-luvun puolivälissä ja se kehiteltiin ohjelmasta asetyleeni räjähdys ten ohjaamiseksi. Päinvastoin kuin lämpösuihku-tuslaitteet, jotka hyödyntävät vakaan palamisliekin energiaa, tämä menetelmä käyttää paineaaltoja happiasetyleenikaa-suseosten toistuvista räjähdyksistä kiihdyttääkseen jauhe-hiukkasia. 800 m/s hiukkasnopeuksia saavutetaan. Pinnoitus-saostumat ovat erittäin vahvoja, kovia, tiiviitä ja tiukasti sidottuja. Tällä menetelmällä levitetyt pinnoitukset ovat kovametalleja, metallikarbidiseoksia ja oksideja.

Johdinkaarisuihkutusmenetelmässä käytetään kahta kulutuslan-kaa, jotka ovat aluksi erillään toisistaan ja etenevät kohdaten hajottavan kaasuvirran kohdalla. Kosketuskärjet ohjaavat tarkasti lankoja aikaansaaden hyvän sähkökosketuksen liikkuvien lankojen ja virtajohdinten välille. Tasavirran jännite-ero levitetään lankojen läpi siten, että kaari muodostuu ja leikkaavat langat sulavat. Kaasusuihku (yleensä paineilmaa) irrottaa sulaneen metallin sulat pisarat ja kuljettaa ne alustaan. Suihkun hiukkaskokoja voidaan muunnella erilaisilla hajotuspäillä ja lankojen leikkauskulmilla. Ta-savirtaa syötetään 18-40 voltin jännitteellä riippuen suihkutettavasta metallista tai metalliseoksesta suihkun hiuk-kaskoon kasvaessa; kaaren väliä pidennetään jännitettä nostettaessa. Siksi jännite pidetään alimmalla tasolla, jolla kaari on stabiili, jolloin aikaansaadaan pienimmät hiukkaset ja tasaiset tiiviit pinnoitukset. Koska saavutetaan korkeat kaarilämpötilat, sähkökaarisuihkutuspinnoitukset ovat voimakkaasti sidottuja ja koheesiolujuus on korkea.

Plasmakaaripistoolilla on etuna se, että aikaansaadaan paljon korkeampia lämpötiloja vähemmillä lämpövahingoilla työ-kappaleeseen kasvattaen siten mahdollisten pinnoitusmateri-aalien ja alustojen määrää, joita voidaan käsitellä. Tyypillinen plasmapistoolijärjestely käsittää kaasu- tai kaasu-seoskäytävän tasavirtakaaren läpi, jota ylläpidetään kammiossa samankeskisestä asetetun katodin ja vesijäähdytteisen anodin välissä. Kaari synnytetään korkeataajuuksisella pur- 4 kauksella. Kaasua ionoidaan osittain luomalla plasma, jonka lämpötilat voivat ylittää 16 600°C. Sula plasma poistuu pistoolista suuttimena toimivan anodin reiän läpi, ja sen lämpötila putoaa nopeasti etäisyyden kasvaessa. Jauhemainen syötettävä raaka-aine johdetaan kuumaan kaasumaiseen poisto-aineeseen sopivassa kohdassa, ja suurinopeuksinen virta kuljettaa sen työkappaleeseen. Plasmakaasun lämpösisältöä, lämpötilaa ja nopeutta ohjataan säätämällä kaarivirtaa, kaasun virtausta, kaasujen lajia ja sekoitussuhdetta sekä anodi/ka-todikokoonpanoa.

1970-luvun alkupuolelle asti kaupallisissa plasmasuihkutus-järjestelmissä käytettiin noin 5-40 kilowatin tehoja, ja plasmakaasun nopeudet olivat yleensä alle äänennopeuden. Sen jälkeen kehitettiin toinen sukupolvi laitteita - tunnettu korkeaenergisenä plasmasuihkutuksena - jossa käytetään noin 80 kilowatin syöttötehoa ja lähentymis/etääntymissuuttimia kriittisillä poistokulmilla varustettuina tuottaen superso-nisia nopeuksia kaasulle. Jauhehiukkasille johdettu suuri energiamäärä aiheuttaa merkittäviä parannuksia hiukkasten muodonmuutosominaisuuksiin ja sidoksiin sekä tuottaa tii-viimmät pinnoitteet korkeammalla hiukkasten välisellä lujuudella.

Hallittu ilmakehän plasmasuihkutus on kehitetty äskettäin käytettäväksi etupäässä metalli- ja metalliseospinnoituksiin hapettumisen ja huokoisuuden vähentämiseksi ja joissakin tapauksissa myös poistamiseksi. Hallittu ilmakehän suihkutus voidaan suorittaa käyttämällä inertin kaasun verhoa suojaamaan plasmaa. Inertillä kaasulla täytettyjä verhoja on myös käytetty jonkinlaisella menestyksellä. Myöhemmin paljon huomiota on kohdistettu "matalapaine"- tai tyhjöplasmasuihku-tusmenetelmiin. Jälkimmäisessä mallissa plasmapistooli ja työkappale asennetaan kammion sisään, joka sen jälkeen tyhjennetään pistoolilla käyttämällä argonia primääriplasmakaa-suna. Samalla kun tämä menetelmä on ollut erittäin menestyksellinen tuotettaessa paksumpien kerrosten, parantuneiden

II

5 90738 sidosten ja saostumistehokkuuden kerrostumaa, laitteiston korkeat kustannukset ovat pitkälti rajoittaneet sen käyttöä.

"Matalapaine"-kehittelyn yhteydessä myönnettiin US-patentti no 3 892 882. Patentissa ali-ilmakehän inertti kaasusuoja muodostetaan plasmakaasusta alhaisen saostumisvirtauksen ja pidentyneiden torjuntaetäisyyksien saavuttamiseksi plasma-suihkutusprosessissa.

Lukuunottamatta muutamia poikkeuksia, jotka havaittiin edellä esitetyissä lyhyesti kuvailluissa lämpösuihkutusprosseis-sa, kaikki pitävät sisällään pinnoitusmateriaalien jonkinasteisen hapettumisen ympäröivän ilmakehän olosuhteissa suoritettuna. Suihkutettaessa metalleja ja metalliseoksia on tärkeintä minimoida hapen mukaantulo niin hyvin kuin mahdollista. Liukoinen happi metalliseoksissa lisää kovuutta ja haurautta, samalla kun happihilseet jauheessa ja sulkeumat päällystyksessä johtavat huonompiin sidoksiin, lisääntyneeseen halkeamia- ja korroosioherkkyyteen.

Tämän keksinnön peruskohteena on saada aikaan supersoninen lämpösuihkutuspistooli, joka käyttää paikallista inerttiä kaasusuojaa hiukkasia kuljettavan liekin ympärillä hiukkasten ja niistä tuotettujen pinnoitteiden hapettumisen vähentämiseksi ja pinnoitteiden tiiviyden, puhtauden ja hiukkasten levitystasaisuuden parantamiseksi.

Keksinnön mukainen lämpösuihkutuspistooli käsittää suuttimen ääntä nopeamman, saostettavia metallihiukkasia kuljettavan suihkun aikaansaamiseksi, joka suutin on varustettu suoja-laitteella, joka käsittää jakoputkielimen paineistetun iner-tin kaasun vastaanottamiseksi ja jakamiseksi elimet jakoputkielimen kiinnittämiseksi suuttimeen, josta hiukkasia kuljettava suihku purkautuu korkeassa lämpötilassa; sekä jakoputkielimeen asennetun avopäisen pakotusputkielimen hiukkasia kuljettavan suihkun olennaisesti sama-akselista läpimenoa varten. Pistoolille on keksinnön mukaan tunnusomaista se, että suojalaitteessa on lukuisia suutinelimiä 6 yhteydessä jakoputkielimeen paineistetun inertin kaasun jakamiseksi olennaisesti tangentiaalisesti pakotusputkielimen sisäseinämille kierukkana isen inertin kaasun virtausverhon muodostamiseksi olennaisesti samankeskisesti hiukkasia kuljettavan suihkun ympärille pakotusputkielimen sisällä ja pakotusputkielimestä poistuneen hiukkasia kuljettavan suihkun eristämiseksi ympäröivästä ilmakehästä.

Keksinnön mukaisen lämpösuihkutuspistoolin eri sovellutus -muotojen suhteen viitataan oheisiin patenttivaatimuksiin, erityisesti vaatimuksiin 2-10.

Suojalaite liitetään lämpösuihkutuspistoolin suuttimeen mieluummin Browning Engineeringin, Hanover, New Hampshire, kehittämällä tavalla, josta esimerkkinä on US-patentin no 4 416 421 mukainen pistooli. Tässä patentissa esitetään ominaisuudet suurinopeuksiselle lämpösuihkutuslaitteelle, joka käyttää happipolttoainetta (propyleeniä) palamistuotteina sisäisessä polttokammiossa, josta kuumat pakokaasut johdetaan ja sen jälkeen paisutetaan vesijäähdytteiseen suuttimeen. Jauhemetallihiukkaset syötetään pakokaasuvirtaukseen ja poistetaan pistoolin suuttimesta ääntä nopeampana suihku-virtauksena.

Keksinnön kohteena on myös menetelmä yhdenmukaisen, tiiviin ja olennaisesti oksidivapaan metallipäällysteen tuottamiseksi alustalle ympäröivässä ilmakehässä suurinopeuksisen lämpösuihkutuspistoolin avulla, joka on tyypiltään sellainen, että siinä on korkeapaineinen sisäinen polttokammio, johon happipolttoainekaasuja syötetään jatkuvasti, sytytetään ja poistetaan sieltä poistoaukkoon ääntä nopeampana, hiukkasia kuljettavana pakokaasusuihkuna. Menetelmälle on tunnusomaista se, että happi- ja vetykaasuja poltetaan polttokammiossa paineessa, joka tuottaa hapelle tilavuusvirran, joka on vähintään noin 4 dm3/s, ja vety/happi-massavirtasuhteen, joka on olennaisesti välillä 2,6-3,8:1, että metallihiukkasia, joiden hiukkaskoko on välillä 10-45 mikronia ja joiden alku-happisisältö alhainen, syötetään sama-akselisesta pakokaasu-

II

7 90738 suihkuun inertin kuljetuskaasun avulla, että hiukkasia kuljettavan suihkun ympärille muodostetaan samankeskisesti sä-teittäisesti rajoitettu, kierukkamaisesti virtaava, paineistettu inertti kaasuverho ja että suihkun kuljettamat hiukkaset törmäytetään päällystettävään alustaan.

Käyttämällä suurinopeuksista länqpösuihkutuspistoolia keksinnön mukaisessa menetelmässä huokoisuuden ja oksidien kokonaisosuudet, jotka syntyvät tavanomaisiin metallisiin läm-pösuihkutuspinnoituksiin, pienenevät olennaisesti normaalista 3-50 prosentista alle 2 prosenttiin. Prosessi suoritetaan ympäröivässä ilmakehässä ilman kalliin tyhjön tai inertin kaasusuojan käyttöä, kuten joudutaan tekemään olemassa olevissa kaasusuojausjärjestelmissä lämpösuihkutusalalla. Välttämättömät tähän menetelmään liittyvät seikat käsittävät kapean kokojakauman metallijauheen käytön, välillä 10-45 mikronia. Jauheen aloitushappisisältö on edullisesti vähemmän kuin 0,18 paino-%. Parannetun menetelmän liekkisuihku-tuspistoolissa käytettävät polttokaasut ovat vety ja happi, jotka syötetään polttokammioon sopivasti yli 550 kPa:n paineessa hapen minimitilavuusvirran 0,004 m3/s ja vety/hap-pimassavirtasuhteen 2,6-3,8:1 saavuttamiseksi. Nämä tila-vuusvirrat perustuvat supersonisten iskutimanttien erityiseen muotoon poltettaessa pistoolin suuttimesta poistuvia pakokaasuja riittävän kaasun nopeuden kiihdyttäessä jauheen supersonisiin nopeuksiin 540-780 m/s. Inertti kaasu kuljettaa metallijauheen suurinopeuksisiin polttokaasuihin edullisesti tilavuusvirrassa 0,58-1,5 dm3/s. Suhteellinen siirtonopeus pistoolin ja pohjan välillä on 0,15-0,36 m/s, edullisesti 0,22-0,33 m/s hiukkassaostumisen ollessa 50-85 g/min. Tällä menetelmällä tuotetut pinnoitukset ovat yhtenäisiä, tiiviimpiä, vähemmän hauraita ja suojaavampia kuin tavanomaisilla suurinopeuksisilla lämpösuihkutusmenetelmillä aikaansaadut.

Keksintöä selostetaan seuraavassa edullisen suoritusmuodon yksityiskohtaisella kuvauksella viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa 8

Kuvio 1 on suurennettu sivukuva, osittain leikkaus, tämän keksinnön mukaisesta verholaitteesta; kuvio 2 on päätykuva kuviossa l esitetystä verholaitteesta; kuvio 3 on kaaviokuva supersonisesta lämpösuihkutuspistoo-lista varustettuna muunnetulla vesijäähdytteisellä verho-laitteella tämän keksinnön mukaan; ja kuviot 4-8 ovat sarja mikrovalokuvia esittäen lämpösuihku-tuspistoolipinnoitusten vertailtavia ominaispiirteitä.

Seuraavaksi esitetään aluksi yksityiskohtaisesti pistooliin kuuluvan inertin kaasun verholaitteen osien toiminnalliset suhteet, ja sen jälkeen tämän keksinnön mukaisen parannetun menetelmän ominaisuudet.

Käsiteltäessä laitteen ominaisuuksia ääntä nopeamman hiukkasia kuljettavan poistosuihkun suojaamiseksi ympäröivältä ilmakehältä viitataan aluksi kuvioihin 1 ja 2, jotka kuvaavat suojalaitetta, jota osoitetaan numerolla 10, joka laite käsittää kaasun jakoputkielimen 11, liitoselimen 12 jakoput-kielimen 11 liittämiseksi lämpösuihkutuspistoolin kotelon ulkopäähän, pakotusputkielimen 13 ja liitoselimen 14 jako-putkielimen 11 ja pakotusputkielimen 13 yhdistämiseksi sama-akseliseen ja samankeskiseen asemaan.

Jakoputkielin 11 käsittää rengasmaisen metallirungon 20, jossa on yhtenäinen lieriömäinen karaosa 21, joka ojentuu samankeskisesti sen toisesta päästä ja on yhteydessä sisäpuolelle muodostetun lieriömäisen käytävän 22 kautta katkaistun kartiokappaleen samankeskisesti laajenevaan kurkku-osaan 23. Jakoputkirungossa 20 on ulkopuoliset kierteet 24, ja se koneistetaan aksiaalisesti sisäänpäin sen toiminnallisesta takapinnasta rengasmaisen sisäisen jakokammion 25 aikaansaamiseksi samankeskisesti suuremman rengasmaisen olakkeisen syvennyksen 26 kanssa, johon sopii sulkurengas 27, joka puristuu syvennykseen 26, jolloin se sulkee kammion 25 kaasutiiviisti. Putken liitin 30 liitetään kierteillä rengasmaiseen sulkuelimeen 27 inertin suojakaasun syöttämiseksi kammioon 25, joka toimii jakoelimenä kaasua jaettaes- li 9 90738 sa. Lukuisia aukkoja (numeroimattomia) muodostetaan jakoput-kirungon 20 etuseinämään 31 ja ne muodostavat yhteyden jako-kammioon 25, ja jokainen näistä aukoista yhdistyy yhteen lukuisista suuttimista 32, jotka on järjestetty ympyrän muotoon samankeskisesti jakoputkirungon 20 keskiakselin ympärille ja on esitetty tässä putkimaisina eliminä, jotka ojentuvat ulospäin pinnasta 31. Kuvion 2 kuvaama suoritusmuoto on varustettu 12 suuttimella 32. Jokainen suutin 32 muodostuu ohutseinäisestä metalliputkesta, joka on ulkohalkaisi-jaltaan olennaisesti 2,4 mm ja tekee 90° mutkan ulospäin jakoputken etuseinämästä 31. Sellaiset suuttimet mieluiten juotetaan jakoputkeen ja sijoitetaan siten, että niistä purkautuva kaasu suuntautuu tangentiaalisesti ulospäin ympyrästä, johon ne on järjestetty, kuten piirustuksista esittää parhaiten kuvio 2.

Jakoputkirungon vastakkainen pää siihen suuntaan nähden, johon lukuisat suuttimet 32 työntyvät, erityisesti sen lieriömäisen karaosan 21 ulkopää, on tasoupotettu toisesta päästä käytävää 22 olakkeisen syvennyksen 35 aikaansaamiseksi sopien suihkutuspistoolin suuhun 36 siten, että se samankeskisesti ohjaa tai keskittää jakoputken pistoolin suuhun.

Jakoputkielimen 11 rengasmainen sulkuelin 27 on kierteitetty ja varustettu kolmella ulospäin työntyvällä tapilla 37, jotka sijaitsevat 120° välein muodostaen kiinnityselimet 12, jotka liittävät jakoputkielimen li suihkutuspistoolin suuhun. Tässä yhteydessä huomautetaan, että tapit 37 liitetään kiristysrenkaaseen 38, joka on kiinnitetty suihkutuspistoolin suun 36 ulkopinnan ympärille liittäen sillä tavalla jakoputkielimen 11 tiukasti pistoolin suun ulkopään yli.

Pakotusputkielin 13 käsittää mieluiten pitkän lieriömäisen ruostumattoman teräsputken 40, jonka sisähalkaisija on olennaisesti 51 mm ja joka on varustettu rengasmaisella ulospäin suuntautuvalla laipalla 41 tukipäässä, jonka avulla pakotus-putki sopii liittymään samankeskisesti jakoputkielimeen 11. Sellainen yhdistyminen jakoputken kanssa aikaansaadaan si- 10 säisesti kierteitetyllä lukitusrenkaalla 42, joka sopii laipan 41 päälle ja on kierteillä kiinnitettävissä ulkopuolisin kiertein 24 jakoputken rungolle 20. Mieluiten laippa 41 tiivistetään jakoputken rungon seinämän 31 kanssa elastomeeri-tiivisteen avulla, kuten O-rengas (ei esitetty).

Hehkusytytystulppa 50 ulottuu mieluiten pakotusputken 40 lieriömäisen seinämän läpi sytyttääkseen liekkisuihkutuspis-toolissa käytettävät polttokaasut. Vaihtoehtoisesti hehku-sytytin 50 voidaan sijoittaa jakoputkielimen li lieriömäiseen napaosaan 21. Hehkusytytyksen käyttö parantaa suihku-tuspistoolin käyttöturvallisuutta.

Esillä olevasta järjestelystä huomautetaan, että laite 10 soveltuu ja se järjestetään irrotettavaan kiinnitykseen suu-rinopeuksisen lämpösuihkutuspistoolin ulkopäähän. Haluttu suihkutusetäisyys määrittää pakotusputken pituuden. Putki 40 on mieluiten 152-229 mm pitkä sen ulkopään sijaitessa käytettäessä 12-178 mm päässä pinnoitettavasta työpinnasta. Useiden inertin kaasun suuttimien 32 varokeino ja järjestely inertin suojakaasun suihkuttamiseksi sisään pakotusputken 40 sisäpinnan lähellä tangentiaalisesti sisäpinnan suuntaisesti aiheuttaa suojakaasun joutumisen kierukkamaiselle radalle putken sisällä sekä sen jälkeen, kunnes se törmää työkappa-leeseen, minkä jälkeen se sekoittuu ympäröivään ilmakehään.

Inertin kaasun jakaminen tangentiaalisesti pakotusputken sisäpinnalle pitää kaasun lähellä pakotusputkea ja poissa keskeisen suurinopeuksisen liekin tieltä. Tämä minimoi energian siirtymisen hiukkasia kuljettavan liekin ja inertin kaasun välillä pitäen samalla inertin kaasun keskittyneenä alueen ympäri, jossa jauhetta levitetään alustalle Kylmän inertin kaasun tehtävänä on myös alentaa pakotusputken lämpötilaa arvoon, joka sallii sen valmistamisen tavanomaisista materiaaleista, kuten teräksestä.

Kuviossa 3 esitetyssä muunnellussa suoritusmuodossa pakotus-putki 40a käsittää kaksiseinämäisen rakenteen, jossa on mo- il 11 90738 nia sisäisiä käytäviä 45, jotka ovat yhteydessä tulo- ja poistoliittimiin 46 ja 47 jäähdytysveden kierrättämistä varten. Tällä tavalla muunneltu putki 40a varustetaan vesijäähdytteisellä vaipalla putken lämpötilojen pitämiseksi haluttavilla käyttötasoilla.

viitaten edelleen piirustuksien kuvioon 3 verholaitteen 10 kokoonpano tyypillisellä supersonisella lämpösuihkutuslait-teella esitetään seuraavaksi.

Kuten jo esitettiin, US-patentin no 4 416 421 esittämää su-personista liekkisuihkutuspistoolia merkitään yleisesti numerolla 60. Tämäntyyppisiä liekkisuihkutuspistooleja myy tavaramerkillä JET-KOTE II yhtiö Stoody Deloro Stellite,

Goshen, Indiana.

Kuten kaaviomaisesti osoitetaan, pistoolikokoonpano 60 käsittää perusrungon 61, joka sulkee sisäänsä sisäisen polt-tokammion 62, jossa on polttokaasun syöttöaukko 63 ja hapen syöttöaukko 64. Pakokaasukäytävät 65, 66 polttokammion 62 yläpäästä johtavat kuumat savukaasut pitkän suutinelimen 67 sisäpäähän, joka on muodostettu varustettuna vesijäähdytteisellä vaipalla 68, jolla on jäähdytysveden syöttöaukko 69 suutinelimen 67 ulkopään lähellä. Erityisessä kuvatussa tapauksessa kierrätettävä jäähdytysvesi vaipassa 68 on yhteydessä myös polttokammion 62 jäähdytysvesivaippaan sen veden poistoaukon 70 tarjotessa kierrätysvesivirran läpi ja ympäri suutinelintä 67 ja pistoolin polttokammiota.

Kuten edellä on esitetty, kuumat polttokammiosta 62 poistuvat pakokaasut ohjataan sisäpäähän ja tarkemmin suutineli-meen 67 rajoittuvaan kurkkuosaan. Keskuskäytäväelin yhdistyy suuttimeen typen tai jonkin muun inertin kaasun johtamiseksi syöttöaukkoon kuljettamaan hiukkaset tai metallijauhe 72 sama-akselisesti pakokaasujen 73 kanssa kulkien pitkin suutinelimen yleensä lieriömäisen käytävän 74 sisäpuolta.

12

Kuten aikaisemmin on havaittu, verholaite 10 asennetaan suihkutuspistoolin suun päälle samankeskisestä suuttimen käytävän 74 kanssa ja kiinnitetään siihen kiristysrenkaalla 38 varmistettuna vesivaipan 68 ulkopuolen ympäri» Suurino-peuksiset hiukkasmateriaalia, kuten pinnoitteeksi alustalle saostettavaa metallijauhetta, kuljettavat pakokaasut kulkevat samankeskisestä pistoolin suutinta pitkin jakoputkieli-men 11 läpi ja kuvion 3 pakotusputkielimen 40a tai kuvion 2 kaksinkertaisilla seinillä varustamattoman putken 40 sisäpuolista keskiakselia pitkin. Jakoputkielimeen 11 johdettu inertti kaasu poistuu useiden suuttimien 32 kautta aikaansaaden kierukkamaisen pyörteisen kaasusuojan suurinopeuksi-sen jauhepitoisen pakosuihkun keskusytimen ympärille. Liekin poistuessa pistoolin suuttimesta 67 se etenee olennaisesti nopeudella Mach 1 tai 335 m/s merenpinnan ilmakehässä, minkä jälkeen se on vapaa laajenemaan pääasiassa akselin suuntaisesti pakotusputkessa 40 tai 40a tuottaakseen olennaisesti Mach 4 tai 1200-1500 m/s poistonopeuden pakotusputken ulkopäässä tuottaen 540-780 m/s hiukkasnopeuksia.

Verrattuna olemassa oleviin inertin kaasun suojausjärjestelmiin lämpösuihkutuslaitteita varten, jotka luottavat voimakkaasti liekin läheisen alueen huuhteluun inertillä kaasulla, tämän keksinnön laitteella aikaansaatu säteittäisesti pakotettu kierukkamainen inertti kaasusuoja välttää sellaisen suojakaasun tuhlauksen ja taipumuksen ilman joutumiselle suihkuun inertin kaasun ja ilman pakokaasujen kanssa turbu-lenttisen sekoittumisen seurauksena. Muissa esimerkeissä, kuten US-patentissa no 3 470 347, on käytetty ulkomuodoltaan rengasmaisia inerttejä kaasusuojia, jotka virtaavat rinnakkain suihkullekin ympäri. Kuitenkin kokemukset tämäntyyppisestä rengasmaisesta ei-kierukkamaisesta virtausmuodosta kylmemmälle inertille kaasulle osoittavat huomattavia häiriöitä suihkun supersonisessa vapaassa laajentumisessa ympäröivän matalanopeuksisen tiheän inertin kaasun takia. Johtamalla paineistettu inertti kaasu ulospäin suuntautuvalla säteittäisellä komponentilla varustettuna ohjaten siten inertin kaasun virtausta tangentiaalisesti vasten pakotus- li 13 90738 putken sisäseinämiä, kuten tämän keksinnön selitetyssä laitteessa, tapahtuu pienin energian siirtyminen suurino-peuksisen suihkun ja pieninopeuksisen inertin kaasun välillä, samalla kun inertti kaasusuoja pysyy keskittyneenä ympäri aluetta, jossa jauhetta lopulta levitetään alustapinnal-le. Toisin sanoen tämän keksinnön laitteella 10 aikaansaatu inertin kaasusuojan kierukkamainen muoto suojaa pinnoite-hiukkasta ympäröivältä ilmakehältä hidastamatta tuntuvasti ääntä nopeampaa hiukkasia kuljettavaa pakosuihkua.

Tässä esitetyn verholaitteen toiminnallisen ylivoimaisuuden vahvistamiseksi suurinopeuksinen videoanalyysi suojauslait-teesta ilman lämpösuihkua tuo esiin tiiviin kerroksen inert-tiä kaasua pakotusputken lähellä ja hyvin vähän inerttiä kaasua putken keskellä, jossa tavallisesti ovat suihkukaa-sut. Samanlaiset analyysit tuovat esiin hyvin vakiintuneen kierukkavirtausmuodon käytettäessä verhoa muodostettuna 90° suuttimilla edellä kuvatulla tavalla, samalla kun turbulent-tista sekoitusvirtausta tapahtuu koko matkalla pakotusputken läpi, jos rinnakkainen virtausverho muodostetaan edellä mainitun US-patentin no 3 470 347 mukaisesti. Vastaavat kokeet ilman verhoa, tällä kierukkavirtausverholla ja rinnakkais-virtausverholla esitetään jäljempänä taulukkomuodossa. Nämä kokeet osoittavat alhaisempia kokonaishappi- ja happisulkeu-matasoja kierukkavirtausverholla levitetyissä pinnoitteissa.

Sekä rinnakkais- että kierukkavirtausverhojärjestelmät johtavat alhaisempiin kokonaishappi- ja happisulkeumatasoihin kuin ilman mitään inerttiä kaasusuojaa suoritetut pinnoitukset.

Verho vastaan ilman verhoa Näyte Pinnoituksen no Selitys happisisältö Materiaali 208A Ei-kierukkamainen verho 2,61 % Hastelloy (1380 kPa Ar) C™ 14 203B "Säätö"--(samanlainen kuin 3,17 % Hastelloy 208A paitsi ilman verhoa) C™ 208B Ei-kierukkamainen verho 2,31 % Hastelloy (1380 kPa Ar) C™ 204A "Säätö"--(samanlainen kuin 3,13 % Hastelloy 2088 paitsi ilman verhoa) C™ 282A Kierukkamainen verho 0,54 % Hastelloy (1380 kPa Ar) C™ 28IA "Säätö--(samanlainen kuin 1,91 % Hastelloy 282A paitsi ilman verhoa) C™ Tämän keksinnön parannettu menetelmä suunnataan äärimmäisen puhtaiden ja tiiviiden metallipinnoitusten tuottamiseen läm-pösuihkutuslaitteella suihkutusprosessin tapahtuessa ympäröivässä ilmakehässä käyttämättä kallista tyhjöä tai inert-tiä kaasua suojana.

Kuten edellä on huomautettu, tämän keksinnön mukaisessa menetelmässä käytetään mieluiten suurinopeuksista lämpösuih-kutuslaitetta, kuten esimerkiksi myynnissä olevaa kuvion 3 esittämää JET KOTE II -suihkutuspistoolia, mutta muunnettuna varustettuna edellä esitetyllä verholaitteella ja levittämällä hiukkaset sen toimintatavalla.

Keksinnön mukaan vetyä ja happea käytetään polttokaasuina lämpösuihkutuspistoolissa. H2/02-massavirtasuhteen on havaittu olevan eniten vaikuttava muuttuja pinnoituksen laatuun, kun arvioidaan oksidisisältöä, huokoisuutta, paksuutta, pinnan karheutta ja pinnan väriä; avaintekijöiden ollessa huokoisuus ja oksidisisältö. Näistä kahdesta kaasusta happi on kriittiseirqpi tavoiteltaessa supersonista toimintatilaa. On määritetty, että vaaditaan vähintään 02-virta olennaisesti 4 dm3 tarvittavien nopeustasojen varmistamiseksi. Säätämällä vety/happisuhteita stökiometrisesti vetyrik-kaille tasoille kaikkea vetyä ei polteta pistoolin poltto-kammiossa. Ylimääräinen vety ilmenee parantaen pinnoituksen n 15 90738 laatua toimimalla pelkistävänä ympäristönä pistoolin hiukkasia kuljettaville pakokaasuille. On kuitenkin olemassa raja sallitun ylimääräisen vedyn määrälle. Esimerkiksi 02-virralla 4,8 dm3/s läheinen vetyvirta 17,5 dm3 voi aiheuttaa riittävän rakenteen muodostumisen sulkemaan pistoolin suutin ja keskeyttämään käyttö.

Käyttämällä polttokaasuina vetyä ja happea, jolloin kaasut syötetään yli 5500 kPa paineessa hapen tilavuusvirran saamiseksi välille 4,0-4,8 dm3/s (mieluiten 4,5 dm3/s) ja Hj/02-massavirtasuhteen välille 2,6/1-3,8/1, pistoolin palamispa-kokaasujen nopeus on riittävä kiihdyttämään metallijauheet supersonisille nopeuksille (540-780 m/s) ja tuottamaan erittäin tiiviitä, matalaoksidisia korkealaatuisia pinnoituksia alustalle.

Jauheen hiukkauskoon jakauma pidetään kapeana, yleensä välillä 10-45 mikronia, koitettaessa jauheen happisisältö pidetään pienempänä kuin 0,18 paino-% ruostumattomalla te-räsjauheella ja 0,06 % Hastelloy C:llä. Sopivat pakokaasun nopeudet perustuvat supersonisten iskutimanttien erityiseen muotoon poltettaessa pakokaasua laitteen pakotusputkessa 40, kuten edellä on kuvailtu, pakokaasun poistuessa pakotusput-kesta noin 1200-1500 m/s nopeudella. Jauhetta kuljettava kaasu on mieluiten typpeä tai muuta inerttiä kaasua tila-vuusvirralla 0,58-1,5 dm3/s, kun taas inerttinä verhokaasuna on mieluiten typpi tai argon 1300-1700 kPa paineessa.

Pidetään parempana, että pistooli liikkuu automaattisesti suhteessa alustaan tai pinnoitettavaan työkappaleeseen 0,15-0,36 m/s nopeudella ja mieluiten nopeudella 0,25 m/s keskilinjan jättäessä saostettavan materiaalin pinnoitusrai-toihin 3,2-7,9 mm etäisyyden.

Etäisyys pistoolin suuttimen kärjestä alustaan pidetään mieluiten 165-381 mm välillä etäisyyden verhon pakotusputken ulkopään ja työkappaleen välillä ollessa 13-178 mm tämän 16 jälkimmäisen etäisyyden ollessa alalla tunnettu "stand off" -etäisyytenä. Verhon pituutta (jakoputki + pakotusputki) 150-225 mm pidetään parhaana.

Tavanomaiset lämpösuihkutusmetallipinnoitteet, kuten liekillä, johdinkaarella, plasmalla, räjähdyksellä tuotetut ja JET KOTE II -prosessit yleensä johtavat 3 % tai korkeampiin huo-koisuustasoihin. Tavallisesti sellaisia huokoisuustasoja on 5-10 %:ssa mitatuista metallografisissä poikkileikkauksissa. Lisäksi happitasot ovat yleensä korkeita, tavallisesti noin 25 % ja ajoittain 50 %. Pinnoitusrakenteet ovat yleensä tyhjien onteloiden ja oksidien jakauman osalta epäyhdenmukaisia samoin kuin hiukkasten välisten sidosten osalta. Nauhamaiset tai liuskaiset rakenteet ovat tavallisia.

Viitaten erityisesti piirustuksen kuvioihin 4-6 kuvataan edellä mainitut tavanomaisten lämpösuihkutuspinnoitusten ominaispiirteet.

Kuvion 4 mikrovalokuva esittää metallografisesti hiottua poikkileikkausta 316L ruostumattomasta teräspinnoitteesta, joka on tuotettu johdinkaarisuihkutuksella. Voidaan nähdä suuria huokosia samoin kuin leveitä välejä hiukkasnauhojen väleissä. Suuria oksidiverkostojen sulkeumia voidaan myös havaita.

Kuvio 5 esittää samanlaista esimerkkiä Hastelloy C (nikkeli-pohjainen metalliseos) pinnoituksesta, joka on tuotettu tavanomaisella plasmasuihkutuksella ilmassa. Samanlainen nauhamainen rakenne huokoisuuden ja oksidiverkostojen kanssa on ilmeinen.

Kuvio 6 esittää esimerkkiä 316L ruostumattomasta teräspin-noituksesta, joka on tuotettu JET KOTE II -menetelmällä US-patentin no 4 370 538 mukaan käyttämällä propyleeniä poltto-kaasuna. Saatu pinnoitus on ulkomuodoltaan epähomogeeninen ja sisältää suuren määrän oksidisulkeumia.

Il 17 90738

Merkittävät parannukset metallipinnoituksen tiiviydessä, puhtaudessa ja yhdenmukaisuudessa johtuvat tämän keksinnön edellä kuvaillun menetelmän käytöstä, kuten kuvioissa 7 ja 8 esitetään.

Kuvio 7 esittää metallografisesti hiottua poikkileikkausta Hastelloy C -pinnoituksesta, joka on tuotettu ilman inertin kaasun verhoa, mutta muuten seuraten asetettuja selitetyn menetelmän rajoituksia. Kokonaishuokoisuus ja oksiditaso ovat vähentyneet, ja oksidit ovat erillisiä (epäyhtenäisiä).

Verrattaessa kuviota 8 kuvioon 7 nähdään vastaava poikkileikkaus Hastelloy C -pinnoituksesta, joka on tuotettu edellä selitetyllä menetelmällä kierukkavirtauksellista inertin kaasun (argon) verhoa käyttäen. Huokoisuuden ja ok-sidisulkeumien kokonaisosuus kuvion 8 pinnoituksessa on edelleen laskenut alle yhden prosentin.

Tämän menetelmän mukaisesti tuotettavalla lämpösuihkutuspin-noituksella aikaansaadaan merkittävästi yhdenmuka i s empiä, tiiviimpiä, vähemmän hauraita, korkealaatuisempia ja suojaa-vampia pinnoituksia kuin tavanomaisilla alalla tunnetuilla lämpösuihkutusmenetelmillä on mahdollista aikaansaada. Lisäetuna on se, että tämän keksinnön prosessi voidaan suorittaa ympäröivässä ilmassa ilman kalliin tyhjön tarvetta tai inertin kaasusuojan tarvetta. Verholaitteen laadun takia suihku-tuspistooli voidaan valmistaa kannettavaksi etäiskohteissa käyttöä varten.

Alan ammattimiehelle on selvää, että edellä esimerkkeinä esitettyä on mahdollista muunnella seuraavien patenttivaatimusten rajoissa.

Claims (19)

18

1. Supersoninen lämpösuihkutuspistooli (60)» joka käsittää suuttimen (67, 36) ääntä nopeamman, saostettavia metallihiukkasia (72) kuljettavan suihkun (73) aikaansaamiseksi ja jossa suutin on varustettu suojalaitteella, joka käsittää: jakoputkielimen (11) paineistetun inertin kaasun vastaanottamiseksi ja jakamiseksi; elimet (12) jakoputkielimen kiinnittämiseksi suuttimeen (36), josta hiukkasia kuljettava suihku purkautuu korkeassa lämpötilassa; sekä jakoputkielimeen asennetun avopäisen pakotusputkielimen (13) hiukkasia kuljettavan suihkun olennaisesti sama-akselista läpimenoa varten, tunnettu siitä, että suojalaitteessa on lukuisia suutinelimiä (32) yhteydessä jakoputkielimeen (11) paineistetun inertin kaasun jakamiseksi olennaisesti tangen-tiaalisesti pakotusputkielimen (13) sisäseinämille kieruk-kamaisen inertin kaasun virtausverhon muodostamiseksi olennaisesti samankeskisesti hiukkasia kuljettavan suihkun ympärille pakotusputkielimen sisällä ja pakotusputkielimestä poistuneen hiukkasia kuljettavan suihkun eristämiseksi ympäröivästä ilmakehästä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämpösuihkutuspistooli, tunnettu siitä, että inertti kaasu syötetään olennaisesti 1380-1730 kPa paineessa.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämpösuihkutuspistooli, tunnettu siitä, että pakotusputkielin (13) on olennaisesti 152-229 mm pitkä.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämpösuihkutuspistooli, tunnettu siitä, että pakotusputkielimeen (13) on asennettu elin (50) suuttimesta (36) poistuvien polttokaasujen sytyttämiseksi.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämpösuihkutuspistooli, tunnettu siitä, että pakotusputkielin (13) käsittää lieriö- I! 19 90738 maisen metallielimen (40a), jossa on vesijäähdytteinen vaip-paelin (45).

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen supersoninen lämpösuihkutuspistooli, tunnettu siitä, että suojalaite käsittää pitkän verhoelimen (10), jossa on elin, joka kiinnittää verho-elimen irrotettavasti suuttimen ulkopäähän (36) hiukkasia kuljettavan suihkun vastaanottamista varten verhoelimen käsittäessä jakoputkielimen (11) ja avopäisen pakotusput-kielimen (13).

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen lämpösuihkutuspistooli, tunnettu siitä, että pakotusputkielin (13) on lieriömäinen ja varustettu sisäisillä käytävillä (45) jäähdytysnesteen kierrättämiseksi sen läpi.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämpösuihkutuspistooli, tunnettu siitä, että inerttiä kaasua jakavat suutinelimet (32) on järjestetty ympyrämäiseen muotoon samankeskisesti suuttimen (67) keskiakselin ympärille kunkin suutinelimen ollessa muotoiltu suuntaamaan siitä jaettava inertti kaasu säteittäisesti poispäin kuumista kaasuista ja hiukkasista, jotka virtaavat samankeskisesti pakotusputkielimessä (13), minkä avulla minimoidaan niiden turbulenssi.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämpösuihkutuspistooli, tunnettu siitä, että jakoputkielin (11) on asennettu irrotettavasti suihkutuspistoolin (60) suuttimen (67) ulkopään (36) päälle, ja että pakotusputkielin (13) on lieriömäinen ja irrotettavasti kiinnitetty jakoputkielimeen.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämpösuihkutuspistooli, tunnettu siitä, että kukin inerttiä kaasua jakavista suu-tinelimistä (32) käsittää lyhyen putkimaisen elimen, jossa on keskellä mutka järjestettynä suuntaamaan jackoputkielimen (11) syöttämä inertti kaasu säteittäisesti poispäin suuttimen (67) akselista. 20

11. Menetelmä yhdenmukaisen, tiiviin ja olennaisesti oksi-divapaan metallipäällysteen tuottamiseksi alustalle ympäröivässä ilmakehässä suurinopeuksisen lämpösuihkutuspistoo-lin (60) avulla, joka on tyypiltään sellainen, että siinä on korkeapaineinen sisäinen polttokammio (62), johon happipolt-toainekaasuja syötetään jatkuvasti, sytytetään ja poistetaan sieltä poistoaukkoon ääntä nopeampana, hiukkasia (72) kuljettavana pakokaasusuihkuna (73), tunnettu siitä, että happi- ja vetykaasuja poltetaan polttokammiossa (62) paineessa, joka tuottaa hapelle tilavuusvirran, joka on vähintään noin 4 dm3/s, ja vety/happi-massavirtasuhteen, joka on olennaisesti välillä 2,6-3,8:1, että metallihiukkasia (72), joiden hiukkaskoko on välillä 10-45 mikronia ja joiden alku-happisisältö alhainen, syötetään sama-akselisesta pakokaasu-suihkuun (73) inertin kuljetuskaasun avulla, että hiukkasia kuljettavan suihkun ympärille muodostetaan samankeskisestä säteittäisesti rajoitettu, kierukkamaisesti virtaava, paineistettu inertti kaasuverho ja että suihkun kuljettamat hiukkaset törmäytetään päällystettävään alustaan.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapen tilavuusvirta pidetään välillä 4,0-4,8 dm3/s.

13. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että inertti kuljetuskaasu pidetään olennaisesti ti-lavuusvirrassa 0,58-1,5 dmVs.

14. Patenttivaatimuksen li mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että happi- ja vetykaasut syötetään polttokammioon (62) yli 550 kPa paineessa.

15. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että inertti verhokaasu on argonia tai typpeä 1380-1730 kPa paineessa.

16. Patenttivaatimuksen li mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kierukkamaisesti virtaava kaasuverho järjeste- II 21 90738 tään virtaamaan säteittäisesti ulospäin suuntautuneella komponentilla varustettuna turbulenssin minimoimiseksi hiukkasia kuljettavassa suihkussa.

17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että metallihiukkaset (72) syötetään pakokaasusuih-kuun (73) olennaisesti massavirralla 0,83-1,4 g/s.

18. Patenttivaatimuksen 16 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että alkuperäinen metallihiukkasten (72) happisisältö on pienempi kuin 0,18 paino-%.

19. Patenttivaatimuksen 16 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pistoolia (60) liikutetaan alustaan nähden olennaisesti nopeudella 0,15-0,36 m/s.