RU2237746C1 - Method and apparatus for gas-dynamic deposition of coating - Google Patents
Method and apparatus for gas-dynamic deposition of coating Download PDFInfo
- Publication number
- RU2237746C1 RU2237746C1 RU2003100745/02A RU2003100745A RU2237746C1 RU 2237746 C1 RU2237746 C1 RU 2237746C1 RU 2003100745/02 A RU2003100745/02 A RU 2003100745/02A RU 2003100745 A RU2003100745 A RU 2003100745A RU 2237746 C1 RU2237746 C1 RU 2237746C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nozzle
- section
- powder
- particles
- supersonic
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии получения покрытий на поверхности изделий, а именно к способам получения покрытий с использованием неорганического порошка, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, в частности, при изготовлении и ремонте изделий, требующих восстановления или корректировки их формы и размеров, обеспечения антифрикционных свойств, герметичности, повышенной коррозионной стойкости и других специальных свойств поверхности изделий. Изобретение может использоваться, в частности, для нанесения покрытий из порошковых материалов, содержащих порошки легкоплавких металлов и/или сплавов.The invention relates to a technology for producing coatings on the surface of products, and in particular to methods for producing coatings using inorganic powder, and can be used in various branches of mechanical engineering, in particular, in the manufacture and repair of products that require restoration or adjustment of their shape and size, ensuring antifriction properties, tightness, increased corrosion resistance and other special surface properties of products. The invention can be used, in particular, for coating of powder materials containing powders of low-melting metals and / or alloys.
Нанесение покрытий различного назначения из порошковых материалов широко используется в промышленности.The application of coatings for various purposes of powder materials is widely used in industry.
Особую группу составляют газотермические методы, включающие, в частности, газопламенные, плазменные, электродуговые и детонационные способы напыления покрытий из порошковых материалов. Главной особенностью этих способов является то, что частицы напыляемого материала наносятся на поверхность обрабатываемого изделия в расплавленном состоянии. Быстрая кристаллизация расплавленных частиц на поверхности способствует формированию сильных остаточных напряжений в покрытии. Для плавления частиц напыляемого материала в этих методах формируются высокотемпературные газовые потоки. Поэтому при использовании газотермических методов всегда присутствуют такие опасные факторы, как высокие температуры, интенсивное тепловое и ультрафиолетовое излучение, наличие горючих и/или взрывоопасных газов и продуктов их сгорания, повышенный шум. Кроме того, при напылении покрытий газотермическими методами на обрабатываемую деталь оказывается интенсивное тепловое воздействие, в результате которого могут изменяться физико-механические и геометрические параметры обрабатываемого изделия.A special group consists of gas-thermal methods, including, in particular, gas-flame, plasma, electric-arc and detonation methods of spraying coatings of powder materials. The main feature of these methods is that particles of the sprayed material are applied to the surface of the workpiece in the molten state. The rapid crystallization of molten particles on the surface contributes to the formation of strong residual stresses in the coating. To melt particles of the sprayed material, high-temperature gas flows are formed in these methods. Therefore, when using thermal methods, there are always such dangerous factors as high temperatures, intense thermal and ultraviolet radiation, the presence of combustible and / or explosive gases and their combustion products, and increased noise. In addition, when spraying coatings with gas thermal methods, an intensive thermal effect is exerted on the workpiece, as a result of which the physicomechanical and geometric parameters of the workpiece can change.
Другую группу способов напыления металлических покрытий из порошковых материалов составляют газодинамические методы. Суть этих методов состоит в том, что частицы порошковых материалов ускоряются в сверхзвуковом сопле (сужающемся - расширяющемся сопле Лаваля) сверхзвуковым потоком газа (в частности, воздуха) и наносятся на поверхность изделия в твердом, не расплавленном состоянии. При этом отличительной особенностью газодинамических методов является то, что в процессе нанесения покрытий не используются никакие горючие газы или жидкости, используются только предварительно сжатые не опасные газы. Закрепление частиц на поверхности обрабатываемого изделия происходит обычно за счет энергии, выделяемой в зоне контакта частицы с подложкой при ударе высокоскоростной частицы о подложку. При этом кинетическая энергия частиц в зоне контакта частицы с подложкой преобразуется в тепловую энергию и энергию связи.Another group of methods for spraying metal coatings from powder materials are gas-dynamic methods. The essence of these methods is that particles of powder materials are accelerated in a supersonic nozzle (tapering - expanding Laval nozzle) by a supersonic gas flow (in particular, air) and are applied to the surface of the product in a solid, not molten state. At the same time, a distinctive feature of gas-dynamic methods is that during the coating process no flammable gases or liquids are used, only pre-compressed non-hazardous gases are used. The fixing of particles on the surface of the workpiece is usually due to the energy released in the contact zone of the particle with the substrate upon impact of a high-speed particle on the substrate. In this case, the kinetic energy of the particles in the contact zone of the particle with the substrate is converted into thermal energy and binding energy.
В ряде известных способов ускорение частиц порошкового материала осуществляется неподогреваемым газовым потоком [Авт. свид. СССР №1618778, кл С 23 С 4/00, Авт. свид. СССР №1618782, кл. С 23 С 26/00]. В этих способах интенсивное ударное воздействие на поверхность изделия, хоть и мелких, но относительно твердых частиц, имеющих высокую скорость, может приводить к определенному изменению структуры поверхностного слоя основы (подложки). Для осаждения частиц порошкового материала оказывается необходимым использование дорогостоящих газов, таких как гелий. Кроме того, не всегда удается обеспечить достаточно высокий коэффициент полезного использования (коэффициент напыления) порошкового материала.In a number of known methods, the acceleration of the particles of the powder material is carried out by an unheated gas stream [Auth. testimonial. USSR No. 1618778, class C 23 C 4/00, Aut. testimonial. USSR No. 1618782, class C 23 C 26/00]. In these methods, intense impact on the surface of the product, albeit small, but relatively solid particles having a high speed, can lead to a certain change in the structure of the surface layer of the base (substrate). For the deposition of particles of the powder material, it is necessary to use expensive gases such as helium. In addition, it is not always possible to provide a sufficiently high coefficient of useful use (sputtering coefficient) of the powder material.
Сжатый газ перед подачей в сверхзвуковое сопло Лаваля можно подогревать [Патент РФ №2062820, С 23 С 24/04, Патент США №5302414, В 05 D 1/12, Патент США №6139913, В 05 D 001/12]. Это увеличивает скорость газового потока в сопле и скорость частиц напыляемого порошкового материала на выходе из сопла. Однако степень этого нагрева обычно невелика и не превышает нескольких сот градусов по Цельсию. Кроме того, в указанных способах порошковый материал проходит через горло (самая узкая часть сопла - критическое сечение) сверхзвукового сопла. В случае любого размягчения частиц порошкового материала, они сразу же налипают на стенки горла сопла и нарушают работу сопла и устройства в целом. Именно по этим причинам в известных газодинамических способах частицы наносимого порошкового материала в сопле эффективно ускоряются, но практически не нагреваются, оставаясь в твердом, малопластичном состоянии.The compressed gas can be heated before being fed into the Laval supersonic nozzle [RF Patent No. 2062820, C 23 C 24/04, US Patent No. 5302414, B 05
Известен способ, осуществляемый устройством [Патент РФ №2100474, кл. С 23 С 4/00], в котором частицы порошкового материала вводятся непосредственно в сверхзвуковой поток в сопле, не проходят через горло сверхзвукового сопла, не изнашивают его и не налипают на его стенки. Однако и в этом случае частицы порошкового материала при ускорении в сопле по-прежнему очень слабо нагреваются, оставаясь в твердом, малопластичном состоянии. Это обусловлено тем, что, как известно, в сопле Лаваля сверхзвуковой поток газа (в котором движутся частицы в сопле) имеет невысокую температуру, гораздо меньше исходной температуры сжатого газа.A known method implemented by the device [RF Patent No. 2100474, class. C 23
Отсутствие в существующих способах размягчения частиц порошкового материала препятствует росту коэффициента напыления порошкового материала. Недостаточный коэффициент напыления порошкового материала связан в основном с тем, что кинетической энергии частиц, приобретаемой при ускорении в сопле, не хватает для достижения значительной пластической деформации в процессе ее удара о поверхность. Особенно это проявляется при использовании в качестве рабочего газа воздуха, имеющего более низкую по сравнению с гелием скорость звука и обеспечивающего ускорение частиц в сопле до более низких (по сравнению с гелием) скоростей. Поскольку частицы обычно находятся в твердом состоянии, без какого-нибудь теплового размягчения (уменьшения прочности), то при ударе о поверхность существенную роль играет упругое взаимодействие частиц и подложки, приводящее не к закреплению этих частиц на поверхности подложки, а к их отскоку.The absence of powder material particles in existing methods of softening prevents the growth of the powder material spraying coefficient. The insufficient coefficient of deposition of the powder material is mainly due to the fact that the kinetic energy of the particles acquired during acceleration in the nozzle is not enough to achieve significant plastic deformation during its impact on the surface. This is especially evident when air is used as a working gas, which has a lower sound velocity compared to helium and ensures the acceleration of particles in the nozzle to lower (compared with helium) velocities. Since the particles are usually in the solid state, without any thermal softening (decrease in strength), then upon impact on the surface, the elastic interaction of the particles and the substrate plays a significant role, leading not to fixing these particles on the surface of the substrate, but to their rebound.
В некоторых газодинамических способах используют для напыления смеси порошков металлов и керамики [Патент РФ №2038411, кл. С 23 С 4/00, Патент РФ №2183695, кл. С 23 С 24/04]. В этом случае керамические частицы передают значительную часть своей кинетической энергии подложке (или предыдущему слою покрытия), увеличивая температуру поверхности и активируя ее. Они также производят эффективное ударное прессование металлических частиц, закрепившихся на поверхности, увеличивают степень их деформации и прочность сцепления друг с другом. В результате получаются покрытия, имеющие высокую прочность сцепления с подложкой и низкую пористость Тем не менее, присутствие в порошковом материале керамических частиц приводит и к эрозионным эффектам на поверхности подложки и покрытия, что снижает общий коэффициент напыления покрытий.In some gas-dynamic methods, mixtures of powders of metals and ceramics are used for spraying [RF Patent No. 2038411, cl. C 23
Таким образом, во всех существующих в настоящее время газодинамических способах обеспечивается более или менее эффективное ускорение частиц в сверхзвуковом газовом потоке в сопле. Но во всех этих способах практически не обеспечивается сколько-нибудь значительный нагрев частиц. Это происходит, в частности, в силу того, что в сверхзвуковых газовых потоках температура газа сильно уменьшается по сравнению с температурой сжатого газа перед соплом.Thus, in all currently existing gas-dynamic methods, a more or less effective particle acceleration in a supersonic gas stream in a nozzle is provided. But in all these methods, practically no significant heating of the particles is provided. This occurs, in particular, due to the fact that in supersonic gas flows the gas temperature decreases significantly compared to the temperature of the compressed gas in front of the nozzle.
Тем не менее, температура частиц в ряде случаев может играть очень важную роль в процессе закрепления их на подложке, особенно в тех случаях, когда при изменении температуры напыляемых частиц в сопле значительно изменяется пластичность материала, из которого они изготовлены.Nevertheless, the temperature of the particles in some cases can play a very important role in the process of fixing them on the substrate, especially in those cases when the plasticity of the material from which they are made changes significantly when the temperature of the sprayed particles in the nozzle changes.
Наиболее близким к заявляемому решению является способ получения покрытий [Патент РФ №2100474, кл. С 23 С 4/00], включающий нагрев сжатого воздуха, подачу его в сверхзвуковое сопло и формирование сверхзвукового воздушного потока, введение в сверхзвуковой поток порошкового материала, ускорение этим потоком частиц порошкового материала в сопле и направление их на обрабатываемую поверхность. Этот способ, осуществленный устройством, обеспечивает получение покрытий с высокой прочностью сцепления с подложкой и низкой пористостью, особенно при использовании для напыления смеси порошков металлов и керамики. Однако и в этом способе, как упоминалось выше, частицы напыляемого материала нагреваются в сверхзвуковом потоке в сопле лишь незначительно, и поэтому метод не всегда обеспечивает высокий коэффициент напыления покрытий.Closest to the claimed solution is a method for producing coatings [RF Patent No. 2100474, cl. C 23
Задачей заявляемого способа является увеличение коэффициента напыления порошковых материалов при газодинамическом нанесении покрытий за счет повышения температуры напыляемых частиц, причем особенно частиц из тех материалов, у которых прочность и пластичность сильно зависят от температуры, приобретаемой частицами в сопле.The objective of the proposed method is to increase the coefficient of deposition of powder materials during gas-dynamic coating by increasing the temperature of the sprayed particles, especially particles of those materials in which strength and ductility strongly depend on the temperature acquired by the particles in the nozzle.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе нанесения покрытий из порошковых материалов, включающем нагрев сжатого газа, подачу его в сверхзвуковое сопло, формирование в сопле сверхзвукового потока газа, введение в этот поток порошкового материала, содержащего металлические частицы, и ускорение этим потоком частиц порошкового материала в сопле, после ускорения частиц в сопле сверхзвуковым потоком газа осуществляют торможение сверхзвукового потока газа в сопле до скорости, меньшей скорости звука, и производят нагрев движущихся в сопле частиц порошкового материала этим дозвуковым потоком газа, а затем направляют поток частиц из сопла на обрабатываемую поверхность.The problem is solved in that in the known method for coating powder materials, including heating a compressed gas, feeding it into a supersonic nozzle, forming a supersonic gas stream in the nozzle, introducing powder material containing metal particles into this stream, and accelerating the powder particles with this stream material in the nozzle, after the particles in the nozzle are accelerated by a supersonic gas flow, the supersonic gas flow in the nozzle is braked to a speed lower than the speed of sound, and schihsya powder particles in the nozzle, this material subsonic gas flow and then direct the flow of particles from a nozzle onto the surface.
С целью повышения экономической эффективности способа предлагается использовать в качестве сжатого газа сжатый воздух, а также использовать электрический нагрев сжатого газа.In order to increase the economic efficiency of the method, it is proposed to use compressed air as compressed gas, as well as to use electric heating of the compressed gas.
Для обеспечения оптимального ускорения и нагрева частиц порошкового материала предлагается нагревать сжатый воздух до температуры 200-800°С.To ensure optimal acceleration and heating of the particles of the powder material, it is proposed to heat the compressed air to a temperature of 200-800 ° C.
В зависимости от конкретных задач для нанесения покрытия могут быть использованы порошковые материалы, содержащие различные металлы и/или сплавы, например олово, свинец, баббит, цинк и/или их смеси с неметаллическими порошковыми материалами, состоящими, например, из керамики и/или стекла.Depending on the specific application, powder materials containing various metals and / or alloys, for example tin, lead, babbitt, zinc and / or mixtures thereof with non-metallic powder materials consisting, for example, of ceramic and / or glass, can be used for coating. .
Для обеспечения эффективного нанесения покрытий предлагается использовать порошковый материал с размерами частиц от 1 до 100 мкм.To ensure effective coating, it is proposed to use a powder material with particle sizes from 1 to 100 microns.
Указанный способ может быть осуществлен с помощью известного устройства, содержащего нагреватель сжатого газа, сверхзвуковое сопло и порошковый питатель, соединенный с закритической частью сопла, в котором сопло выполнено таким образом, что в закритической части после расширяющегося участка оно содержит участок с практически постоянной площадью поперечного сечения, причем длина этого участка сопла не менее чем в 15 раз превышает его поперечный размер.The specified method can be implemented using a known device containing a compressed gas heater, a supersonic nozzle and a powder feeder connected to the supercritical part of the nozzle, in which the nozzle is designed so that in the supercritical part after the expanding section it contains a section with a practically constant cross-sectional area and the length of this nozzle section is not less than 15 times its transverse dimension.
Следом за этим участком сопла могут присутствовать один или несколько участков с постоянной площадью поперечного сечения, каждая из которых превышает площадь поперечного сечения предыдущего участка. На выходе из сопла может присутствовать участок сопла с увеличивающейся по длине сопла площадью поперечного сечения.Following this nozzle section, one or more sections with a constant cross-sectional area may be present, each of which exceeds the cross-sectional area of the previous section. At the exit of the nozzle, there may be a portion of the nozzle with an increasing cross-sectional area along the length of the nozzle.
Указанный способ может быть осуществлен также с помощью известного устройства, содержащего нагреватель сжатого газа, сверхзвуковое сопло и порошковый питатель, соединенный с закритической частью сопла, отличающегося тем, что сопло выполнено таким образом, что в закритической части после расширяющегося участка оно содержит участок с увеличенной площадью поперечного сечения, не менее чем в 10Р раз превышающей площадь критического сечения сопла, где Р - полное давление сжатого газа на входе в сопло, выраженное в МПа.The specified method can also be carried out using a known device containing a compressed gas heater, a supersonic nozzle and a powder feeder connected to the supercritical part of the nozzle, characterized in that the nozzle is designed so that in the supercritical part after the expanding section it contains a section with an increased area a cross section of not less than 10P times the critical section area of the nozzle, where P is the total pressure of the compressed gas at the nozzle inlet, expressed in MPa.
В зависимости от конкретных задач сопло целесообразно выполнить круглого или прямоугольного поперечного сечения.Depending on the specific tasks, it is advisable to make a nozzle of circular or rectangular cross section.
Для упрощения технологии изготовления сопла можно начальные сужающийся и расширяющийся участки сопла выполнить круглого сечения, а остальные участки - овального или прямоугольного поперечного сечения.To simplify the manufacturing technology of the nozzle, you can perform the initial tapering and expanding sections of the nozzle of circular cross section, and the remaining sections - oval or rectangular cross section.
Для увеличения срока службы сопла в целом участки сопла от примерно места ввода порошка в сопло до выхода сопла целесообразно выполнить сменными. В этом случае износ стенок сопла напыляемым порошковым материалом будет приводить к необходимости замены не всего сопла целиком, а только его части.To increase the service life of the nozzle as a whole, sections of the nozzle from approximately the place where the powder is introduced into the nozzle to the exit of the nozzle are expediently replaceable. In this case, wear of the nozzle walls with the sprayed powder material will lead to the need to replace not only the entire nozzle, but only its parts.
Для уменьшения вероятности налипания частиц порошкового материала на внутренние стенки сопла целесообразно выполнить неметаллическими, в частности из термостойкой резины или пластмассы.To reduce the likelihood of particles of powder material sticking to the inner walls of the nozzle, it is advisable to perform non-metallic, in particular of heat-resistant rubber or plastic.
В предлагаемых устройствах соединение порошкового питателя с соплом может осуществляться через отверстие в стенке сопла, которое может быть ориентировано перпендикулярна или под углом к оси сопла.In the proposed devices, the connection of the powder feeder with the nozzle can be through a hole in the wall of the nozzle, which can be oriented perpendicular or at an angle to the axis of the nozzle.
Соединение закритической части сопла с порошковым питателем может быть выполнено также через трубопровод, проведенный через горло сопла и открытый в закритической части сопла, при этом трубопровод на выходе может иметь одно или более выходных отверстий, которые обеспечивают ввод порошка в сопло по оси сопла или под углом к оси сопла.The supercritical part of the nozzle can also be connected to the powder feeder through a pipe passed through the nozzle throat and open in the supercritical part of the nozzle, and the outlet pipe can have one or more outlet openings that allow powder to enter the nozzle along the nozzle axis or at an angle to the axis of the nozzle.
От известного способа (прототипа) заявляемый способ отличается тем, что после ускорения частиц напыляемого порошкового материала на закритическом участке сопла, где сформирован сверхзвуковой поток газа (воздуха), осуществляют торможение сверхзвукового потока воздуха в сопле до скорости, меньшей скорости звука, и производят нагрев движущихся в сопле частиц порошкового материала этим дозвуковым потоком воздуха и только затем направляют поток частиц из сопла на обрабатываемую поверхность.The inventive method differs from the known method (prototype) in that after acceleration of the particles of the sprayed powder material in the supercritical section of the nozzle, where a supersonic gas (air) flow is formed, the supersonic air flow in the nozzle is braked to a speed lower than the speed of sound, and moving in a nozzle of particles of powder material by this subsonic air flow and only then direct the flow of particles from the nozzle to the surface to be treated.
Оба варианта устройства для осуществления способа отличаются от известного устройства для газодинамического нанесения покрытий тем, что сопло выполнено таким образом, что в закритической части после расширяющегося участка оно содержит участок с практически постоянной площадью поперечного сечения, причем длина этого участка сопла не менее чем в 15 раз превышает его поперечный размер, или тем, что сопло выполнено таким образом, что после расширяющегося участка оно содержит участок с увеличенной площадью поперечного сечения, не менее чем в 10Р раз превышающей площадь критического сечения сопла, где Р - полное давление сжатого газа на входе в сопло, выраженное в МПа.Both versions of the device for implementing the method differ from the known device for gas-dynamic coating in that the nozzle is designed in such a way that in the supercritical part after the expanding section it contains a section with a practically constant cross-sectional area, and the length of this section of the nozzle is not less than 15 times exceeds its transverse size, or in that the nozzle is designed in such a way that after the expanding section it contains a section with an increased cross-sectional area of not less than 10P times the nozzle critical section area, where P is the total pressure of the compressed gas at the nozzle inlet, expressed in MPa.
Указанные отличия позволяют судить о соответствии критерию изобретения “новизна”.These differences allow us to judge compliance with the criteria of the invention of "novelty."
Для пояснения сущности способа на фиг.1 приведены графики, где 1a - распределение вдоль сопла скорости газа и частиц, 1б - распределение вдоль сопла давления газа внутри сопла, 1в - распределение вдоль сопла температуры газа и частиц.To explain the essence of the method, Fig. 1 shows graphs where 1a is the distribution of gas and particle velocity along the nozzle, 1b is the distribution of gas pressure along the nozzle inside the nozzle, 1c is the distribution of gas and particle temperature along the nozzle.
Сущность изобретения состоит в следующем.The invention consists in the following.
Закрепление наносимых на подложку частиц порошкового материала происходит в результате комплекса процессов, происходящих при высокоскоростном ударе каждой частицы о подложку В процессе высокоскоростного удара кинетическая и тепловая энергии, запасенные в частице порошка, преобразуются в энергию связи частицы с подложкой. При этом результат такого взаимодействия в большой степени зависит как от запасенных в частице (к моменту удара) кинетической и тепловой энергии, так и от физических характеристик материала, из которого изготовлены частицы.The fixing of the particles of powder material applied to the substrate occurs as a result of a complex of processes that occur during the high-speed impact of each particle on the substrate. During the high-speed impact, the kinetic and thermal energy stored in the powder particle are converted into the binding energy of the particle with the substrate. Moreover, the result of this interaction to a large extent depends both on the kinetic and thermal energy stored in the particle (at the time of impact) and on the physical characteristics of the material from which the particles are made.
Основные связи между частицами напыляемого порошкового материала образуются при пластической деформации частиц в процессе высокоскоростного удара. При этом при прочих равных условиях суммарная сила сцепления частиц друг с другом зависит от площади пятна контакта, которое увеличивается при увеличении степени пластической деформации частиц. Естественно, что степень деформации зависит от прочности и пластичности материала, из которого изготовлены частицы. Чем меньше прочность и выше пластичность, тем больше площадь пятна контакта.The main bonds between the particles of the sprayed powder material are formed during plastic deformation of the particles during high-speed impact. Moreover, ceteris paribus, the total cohesive force of the particles with each other depends on the area of the contact spot, which increases with increasing degree of plastic deformation of the particles. Naturally, the degree of deformation depends on the strength and ductility of the material from which the particles are made. The lower the strength and the higher ductility, the larger the area of the contact spot.
Хорошо известно, что прочность металлов снижается при увеличении их температуры, а пластичность увеличивается. Эти изменения обычно бывают особенно значительными при приближении к температуре плавления соответствующего металла.It is well known that the strength of metals decreases with increasing temperature, and ductility increases. These changes are usually especially significant when approaching the melting temperature of the corresponding metal.
Таким образом, степень пластической деформации частиц при напылении покрытий газодинамическими способами может зависеть не только от скорости этих частиц, но и от их температуры. Причем можно полагать, что в определенном диапазоне температур и скоростей частиц порошкового материала температура частиц может играть более важную роль, чем их скорость.Thus, the degree of plastic deformation of particles during coating spraying by gas-dynamic methods can depend not only on the speed of these particles, but also on their temperature. Moreover, it can be assumed that in a certain range of temperatures and velocities of the particles of the powder material, the temperature of the particles can play a more important role than their speed.
В известных газодинамических способах обычно используются сжатые газы, предварительно нагреваемые до температуры несколько сот градусов. При этом во всех известных случаях частицы напыляемого материала обычно остаются в слабонагретом, малопластичном состоянии. В случае введения частиц порошкового материала в газовый поток до горла сопла, их нельзя разогревать до размягчения, так как они налипают на стенки горла сопла. В случае же введения частиц в газовый поток после горла сопла, частицы слабо нагреваются, так как сверхзвуковой поток газа в сопле после горла имеет слишком низкую температуру.Known gasdynamic methods typically use compressed gases preheated to a temperature of several hundred degrees. Moreover, in all known cases, particles of the sprayed material usually remain in a slightly heated, low-plastic state. In the case of introducing particles of the powder material into the gas stream to the throat of the nozzle, they cannot be heated until softened, since they stick to the walls of the throat of the nozzle. If particles are introduced into the gas stream after the throat of the nozzle, the particles are slightly heated, since the supersonic gas flow in the nozzle after the throat is too low.
Для решения поставленной задачи необходимо было найти, каким образом в рамках газодинамического способа нанесения покрытия, то есть используя только нейтральный сжатый газ и не используя никаких горючих газов или жидкостей, обеспечить получение высокоскоростного потока частиц напыляемого порошкового материала, в котором частицы имеют температуру, при которой по крайней мере у части из этих частиц происходит уменьшение прочности и увеличение пластичности (тепловое размягчение) материала, из которого они изготовлены.To solve this problem, it was necessary to find how, within the framework of the gas-dynamic coating method, that is, using only neutral compressed gas and not using any combustible gases or liquids, to ensure a high-speed particle flow of the sprayed powder material, in which the particles have a temperature at which at least some of these particles have a decrease in strength and an increase in ductility (thermal softening) of the material from which they are made.
Однако, как уже упоминалось, в традиционных газодинамических способах это сделать не удается. И вот почему.However, as already mentioned, in traditional gas-dynamic methods this cannot be done. And that's why.
Известно, что в сверхзвуковом потоке газа в сопле (сопле Лаваля) температура газа всегда сильно уменьшается по сравнению с температурой газа на входе в сопло (так называемой “температурой торможения”), то есть по сравнению с той температурой, до которой предварительно нагревается сжатый газ. Это приводит к тому, что частицы, ускоряемые таким потоком, нагреваются лишь незначительно до температуры, значительно меньшей, чем температура торможения газа. Характерные распределения параметров газа и металлических частиц в сопле (скорости, давления газа, температуры), в сверхзвуковом сопле, типичном для устройств для газодинамического нанесения покрытий, приведены на фиг.1 штриховой линией. Как видно, частицы напыляемого металла быстро нагреваются до сравнительно небольшой температуры (гораздо меньшей, чем исходная температура сжатого газа), а затем их температура практически не изменяется на всем участке движения в сопле.It is known that in a supersonic gas flow in a nozzle (Laval nozzle) the gas temperature always decreases significantly compared to the gas temperature at the inlet of the nozzle (the so-called “stagnation temperature”), that is, compared with the temperature to which the compressed gas is preheated . This leads to the fact that the particles accelerated by such a flow are heated only slightly to a temperature much lower than the stagnation temperature of the gas. The characteristic distributions of the parameters of gas and metal particles in the nozzle (velocity, gas pressure, temperature), in a supersonic nozzle, typical for devices for gas-dynamic coating, are shown in Fig. 1 by a dashed line. As can be seen, the particles of the sprayed metal quickly heat up to a relatively low temperature (much lower than the initial temperature of the compressed gas), and then their temperature remains almost unchanged over the entire area of motion in the nozzle.
Если теперь в сопле (внутри сопла) на участке, располагающемся после некоторого участка сопла со сверхзвуковым потоком газа, осуществить торможение сверхзвукового потока газа до скорости, меньшей скорости звука (то есть сформировать дозвуковой поток), то температура воздуха в этом потоке увеличится до значения, сопоставимого с температурой торможения газа (температурой газа перед вводом его в сопло), и будет существенно выше, чем в сверхзвуковом потоке газа. На фиг.1 такое распределение температуры, давления и скорости газа в сопле показано сплошными линиями. Металлические частицы, входящие в напыляемый порошковый материал, движущиеся в таком потоке, будут дополнительно нагреваться, как это показано на фиг.1в сплошной линией.If now in the nozzle (inside the nozzle) in a section located after a certain section of the nozzle with a supersonic gas flow, the supersonic gas flow is decelerated to a speed lower than the speed of sound (i.e. to form a subsonic flow), then the air temperature in this flow will increase to a value comparable to the gas stagnation temperature (gas temperature before entering it into the nozzle), and will be significantly higher than in a supersonic gas flow. In Fig. 1, such a distribution of temperature, pressure and gas velocity in a nozzle is shown by solid lines. Metal particles included in the sprayed powder material moving in such a stream will be additionally heated, as shown in Fig. 1c by a solid line.
При этом при подходящем выборе параметров сопла на этом участке скорость дозвукового потока газа может быть достаточно высока (и даже близка к скорости звука). В этом, уже не сверхзвуковом, но еще достаточно высокоскоростном газовом потоке ускоренные (на предыдущем сверхзвуковом участке сопла) частицы порошкового материала будут тормозиться незначительно, так как их скорость после ускорения на сверхзвуковом участке обычно составляет несколько сот метров в секунду и не слишком сильно отличается от скорости звука и от скорости газового потока.Moreover, with a suitable choice of nozzle parameters in this section, the speed of the subsonic gas flow can be quite high (and even close to the speed of sound). In this, not already supersonic, but still rather high-speed gas flow, accelerated (in the previous supersonic nozzle section) particles of the powder material will slow down slightly, since their speed after acceleration in the supersonic section is usually several hundred meters per second and does not differ too much from the speed of sound and the speed of the gas stream.
При этом частицы более крупных размеров, не успевшие вследствие большой массы приобрести высокую (выше скорости звука) скорость на участке сопла со сверхзвуковым потоком, могут даже немного ускоряться на участке сопла с дозвуковым течением, как это показано на фиг.1а сплошной линией. Увеличение скорости и температуры таких частиц одновременно будет способствовать увеличению вероятности их закрепления на подложке.Moreover, particles of larger sizes, which did not manage to acquire a high (higher than the speed of sound) speed in the nozzle section with a supersonic flow, can even be slightly accelerated in the nozzle section with a subsonic flow, as shown in Fig. 1a by a solid line. An increase in the speed and temperature of such particles will simultaneously increase the likelihood of their attachment to the substrate.
В целом, дополнительное существенное повышение температуры частиц и небольшое изменение скорости этих частиц ведет к увеличению вероятности закрепления частиц на подложке и, следовательно, к увеличению коэффициента напыления.On the whole, an additional substantial increase in the temperature of the particles and a small change in the velocity of these particles leads to an increase in the probability of particle attachment to the substrate and, consequently, to an increase in the deposition coefficient.
Наибольшей величины этот эффект достигает при напылении легкоплавких металлов или сплавов, например олова, свинца, баббита, цинка. В этом случае частицы в сопле на участке с дозвуковым потоком газа могут разогреться вплоть до температуры плавления. Обладая при этом скоростью несколько сот метров в секунду, такие частицы хорошо закрепляются на обрабатываемой поверхности.This effect is greatest when spraying low-melting metals or alloys, for example, tin, lead, babbitt, zinc. In this case, the particles in the nozzle in the area with a subsonic gas flow can be heated up to the melting point. With a speed of several hundred meters per second, such particles are well fixed on the treated surface.
В случае использования в качестве порошкового материала смеси порошков нескольких металлов и/или сплавов, а также порошков металлов с порошком керамики для повышения коэффициента напыления порошкового материала достаточно, чтобы указанное выше уменьшение прочности и увеличение пластичности материала произошло хотя бы у некоторых частиц из состава порошкового материала. Такие частицы будут служить пластичной связкой для более прочных и менее пластичных частиц.In the case of using as a powder material a mixture of powders of several metals and / or alloys, as well as metal powders with ceramic powder, in order to increase the spraying coefficient of the powder material, it is sufficient that the aforementioned decrease in strength and increase in plasticity of the material occur at least for some particles from the composition of the powder material . Such particles will serve as a plastic bond for more durable and less plastic particles.
Очевидно, что в процессе движения в сопле частицы порошкового материала нагреваются до температуры не выше, чем температура предварительного нагрева сжатого газа. При этом известно, что механические свойства большинства обычно используемых для напыления металлов при их нагреве до температуры менее 100-200°С обычно слабо зависят от этой температуры. Поэтому при нагреве сжатого газа до температуры менее 200°С дополнительный нагрев частиц напыляемого порошкового материала на выходном участке сопла с дозвуковым течением практически не увеличивает коэффициент напыления порошкового материала. При температуре нагрева сжатого воздуха более 800°С дополнительный нагрев частиц на участке сопла с дозвуковым течением приводит к значительному увеличению вероятности налипания частиц порошкового материала на внутренние стенки сопла. Значительно возрастает также термическое воздействие на основу и степень окисления ее поверхности. Кроме того, нагрев сжатого газа до более высокой температуры технически сложен.Obviously, during the movement in the nozzle, the particles of the powder material are heated to a temperature no higher than the temperature of the preheating of the compressed gas. It is known that the mechanical properties of most metals commonly used for spraying when they are heated to a temperature of less than 100-200 ° C are usually weakly dependent on this temperature. Therefore, when the compressed gas is heated to a temperature of less than 200 ° C, additional heating of the particles of the sprayed powder material at the outlet section of the nozzle with a subsonic flow practically does not increase the coefficient of spraying of the powder material. When the heating temperature of compressed air is more than 800 ° C, additional heating of particles in the nozzle section with a subsonic flow leads to a significant increase in the likelihood of particles of powder material sticking to the inner walls of the nozzle. The thermal effect on the substrate and the degree of oxidation of its surface also increase significantly. In addition, heating the compressed gas to a higher temperature is technically difficult.
В ряде случаев для получения специальных свойств покрытий целесообразно использовать для напыления порошковый материал, содержащий частицы нескольких металлов или сплавов. В этом случае для увеличения коэффициента напыления порошкового материала достаточно, чтобы хотя бы у одного из компонентов этого материала при напылении предлагаемым способом (то есть при дополнительном нагреве в сопле) увеличивалась вероятность закрепления частиц на обрабатываемой поверхности.In some cases, to obtain special properties of coatings, it is advisable to use a powder material containing particles of several metals or alloys for spraying. In this case, to increase the coefficient of deposition of the powder material, it is sufficient that at least one of the components of this material during spraying by the proposed method (that is, with additional heating in the nozzle) increases the likelihood of fixing the particles on the treated surface.
Наиболее целесообразно для напыления покрытий данным способом использовать порошковые материалы с размером металлических частиц от 1 до 100 мкм. Частицы меньшего размера легко тормозятся в заторможенном газовом слое перед поверхностью подложки и слабо скрепляются с подложкой. Частицы большего размера недостаточно ускоряются в сопле и также слабо скрепляются с подложкой.It is most expedient to use powder materials with a metal particle size of 1 to 100 microns for spraying coatings in this way. Smaller particles are easily inhibited in the inhibited gas layer in front of the substrate surface and weakly bonded to the substrate. Larger particles are not sufficiently accelerated in the nozzle and are also weakly bonded to the substrate.
Для повышения прочности сцепления покрытия с подложкой целесообразно использовать в качестве порошкового материала механическую смесь металлического и неметаллического порошков, в частности порошков керамики и/или стекла. Частицы керамики (и/или стекла), ускоренные в сопле, очищают поверхность подложки от загрязнений и создают развитый микрорельеф ее поверхности. В качестве неметаллического порошка удобно и экономически целесообразно использовать частицы из оксида алюминия и/или карбида кремния, а также частицы из оксида кремния или стекла.To increase the adhesion strength of the coating to the substrate, it is advisable to use a mechanical mixture of metallic and non-metallic powders, in particular ceramic and / or glass powders, as a powder material. Particles of ceramics (and / or glass), accelerated in the nozzle, clean the surface of the substrate from impurities and create a developed microrelief of its surface. As a non-metallic powder, it is convenient and economically feasible to use particles of aluminum oxide and / or silicon carbide, as well as particles of silicon oxide or glass.
В качестве керамического порошка в составе порошкового материала целесообразно использовать порошки, имеющие размер частиц 1-100 мкм. Частицы с размером более 100 мкм производят значительный абразивный эффект и снижают коэффициент использования (коэффициент напыления) порошкового материала, срезая значительную часть закрепившихся металлических частиц. Частицы, имеющие размер менее 1 мкм, легко тормозятся в слое заторможенного перед основой газа и не взаимодействуют с основой или покрытием.It is advisable to use powders having a particle size of 1-100 μm as a ceramic powder in the composition of the powder material. Particles with a size of more than 100 microns produce a significant abrasive effect and reduce the utilization (spraying coefficient) of the powder material, cutting off a significant part of the fixed metal particles. Particles having a size of less than 1 μm are easily inhibited in the layer of gas inhibited in front of the base and do not interact with the base or coating.
Для повышения экономичности процесса нанесения покрытий, для ускорения и нагрева частиц порошкового материала наиболее целесообразно использовать сжатый воздух, как наиболее дешевый газ.To increase the efficiency of the coating process, to accelerate and heat the particles of powder material, it is most advisable to use compressed air as the cheapest gas.
Для обеспечения экологической чистоты и безопасности процесса нанесения покрытия наиболее целесообразно использовать электрический нагрев сжатого газа.To ensure environmental cleanliness and safety of the coating process, it is most advisable to use electric heating of compressed gas.
Способ может быть осуществлен с использованием устройства, общая схема которого показана фиг.2 и 3. Схема первого варианта устройства приведена на фиг 2, схема второго варианта устройства приведена на фиг.3. На фиг.4-8 и фиг.14 приведены схемы различных модификаций сопла, а на фиг.9-13 - варианты соединения порошкового питателя с закритической частью сопла.The method can be implemented using a device whose general diagram is shown in FIGS. 2 and 3. A diagram of a first embodiment of the device is shown in FIG. 2, a diagram of a second embodiment of the device is shown in FIG. 3. Figure 4-8 and Fig.14 shows a diagram of various modifications of the nozzle, and Fig.9-13 - options for connecting a powder feeder with supercritical part of the nozzle.
Устройство содержит нагреватель сжатого газа 1, сверхзвуковое сопло 2 и порошковый питатель 3, соединенный трубопроводом 4 с закритической (расположенной после горла 5 сопла) частью сверхзвукового сопла, в которой присутствует сверхзвуковой поток газа. В первом варианте устройства (фиг.2) сопло 2 выполнено таким образом, что непосредственно после горла 5 сопла (в направлении движения газа) располагается расширяющийся участок 6, после которого сопло содержит участок 7 с практически постоянной площадью поперечного сечения, причем длина этого участка 7 сопла не менее чем в 15 раз превышает его поперечный размер. Во втором варианте устройства (фиг.3) сопло 2 также выполнено таким образом, что после расширяющегося участка 6 оно содержит участок 8 с увеличенной площадью поперечного сечения, не менее чем в 10Р раз превышающей площадь критического сечения (горла) 5 сопла, где Р - полное давление сжатого газа на входе в сопло, выраженное в МПа.The device comprises a
На фиг.4-7 показаны схемы модификаций сверхзвукового сопла для варианта 1 устройства для осуществления способа нанесения покрытия. В этом варианте для того чтобы затормозить сверхзвуковой поток газа в сопле до скорости меньше скорости звука, после расширяющегося участка 6 обязательно имеется участок 7 с практически постоянной площадью поперечного сечения.Figure 4-7 shows a diagram of modifications of a supersonic nozzle for
В таком сопле, если участок сопла 7 с постоянной площадью поперечного сечения имеет достаточную длину, сверхзвуковой газовый поток тормозится о стенки сопла, и в некотором сечении формируется скачок уплотнения (на фиг.2, 3, 4 и последующих рисунках скачок показан штриховой линией). В этом скачке уплотнения сверхзвуковой поток газа преобразуется в дозвуковой поток. При этом резко уменьшается скорость газа, а температура и давление газа увеличиваются. Распределения скорости, давления и температуры газа в таком сопле показаны на фиг.1 сплошными линиями. Для сравнения на фиг.1 штриховыми линиями показано распределение этих же параметров в случае, когда на этом же участке сопла его поперечное сечение монотонно увеличивается и течение газа остается сверхзвуковым. Проведенные эксперименты показали, что для преобразования (необходимого для осуществления заявляемого способа) в указанном сопле сверхзвукового газового потока в дозвуковой поток газа отношение длины участка сопла с постоянной площадью поперечного сечения к его поперечному размеру должно быть не менее 15.In such a nozzle, if the portion of the
Если значение этого отношения для участка сопла с постоянным поперечным сечением невелико, то скорость газа на этом участке остается выше скорости звука, хотя и уменьшается в направлении течения газа за счет торможения газового потока о стенки сопла. При увеличении длины этого участка до некоторого определенного значения характер течения газа на этом участке сопла резко изменяется, а именно формируется два интервала, на которых газовый поток имеет различный характер: до скачка уплотнения (штриховая линия на фиг.4) в сопле присутствует сверхзвуковой поток газа, после скачка уплотнения присутствует дозвуковой поток газа.If the value of this ratio for a nozzle section with a constant cross section is small, then the gas velocity in this section remains above the speed of sound, although it decreases in the direction of gas flow due to the inhibition of the gas flow on the nozzle walls. When the length of this section increases to a certain value, the nature of the gas flow in this section of the nozzle changes sharply, namely, two intervals are formed in which the gas flow has a different character: before the shock wave (dashed line in Fig. 4), the supersonic gas flow is present in the nozzle , after the shock wave there is a subsonic gas flow.
Конкретное значение длины участка с постоянной площадью поперечного сечения, при котором реализуется такой характер течения газа в сопле, зависит от многих факторов (например, от шероховатости внутренних стенок сопла), но, как показали эксперименты, отношение длины этого участка к его поперечному размеру во всех случаях составляет величину не менее 15.The specific value of the length of a section with a constant cross-sectional area at which this type of gas flow in the nozzle is realized depends on many factors (for example, on the roughness of the inner walls of the nozzle), but, as experiments have shown, the ratio of the length of this section to its transverse size in all cases is not less than 15.
В зависимости от конкретных конструктивных особенностей сопла участок 7 сопла с постоянной площадью поперечного сечения, на котором происходит преобразование сверхзвукового потока газа в дозвуковой поток, может иметь площадь сечения, несколько превышающую площадь поперечного сечения сопла в конце расширяющегося участка сопла 6, как это показано на фиг.5. Это не изменяет принципиально характер распределения скорости газа в сопле, но часто бывает технически и технологически удобно при изготовлении сопел.Depending on the specific design features of the nozzle, the
В случае необходимости расширения выходного сечения сопла с целью, например, обработки большей площади поверхности детали, следом за участком сопла 7 с постоянным поперечным сечением может располагаться один (позиция 9 на фиг 6) или несколько аналогичных участков, площадь поперечного сечения каждого из которых постоянна и превышает площадь поперечного сечения предыдущего участка.If it is necessary to expand the output section of the nozzle for the purpose, for example, of processing a larger surface area of the part, one or more similar sections can be located next to the
В случае необходимости дополнительного расширения выходного сечения сопла следом за участком сопла с постоянным поперечным сечением может также располагаться участок (позиция 10 на фиг.7), площадь поперечного сечения которого монотонно увеличивается вдоль сопла.If it is necessary to further expand the exit section of the nozzle, a section (
На фиг.8 показана схема сверхзвукового сопла для варианта 2 устройства для осуществления способа нанесения покрытия. В этом варианте для того, чтобы затормозить сверхзвуковой поток газа в сопле до скорости меньше скорости звука после расширяющегося участка 6 обязательно имеется участок 8 с увеличенной площадью поперечного сечения, не менее чем в 10Р раза превышающей площадь критического сечения (горла) сопла, где Р - полное давление сжатого газа на входе в сопло, выраженное в МПа.On Fig shows a diagram of a supersonic nozzle for
В таком сопле, за счет сильного расширения сопла, истечение сверхзвукового потока в среду с атмосферным давлением оказывается невозможным, так как при таком расширении сопла давление в сверхзвуковом потоке газа становится много меньше атмосферного давления. При таких условиях в сопле устанавливается течение газа, в котором вблизи начала участка сопла с увеличенной площадью поперечного сечения образуется скачок уплотнения (на фиг.8 скачок показан штриховой линией) и сверхзвуковой поток газа преобразуется в дозвуковой поток, имеющий скорость меньше скорости звука. При этом резко увеличивается температура и давление газа. Проведенные эксперименты показали, что для формирования в указанном сопле перехода сверхзвукового газового потока в дозвуковой поток достаточно, чтобы площадь поперечного сечения не менее чем в 10Р раз превышала площадь критического сечения (горла) сопла, где Р - полное давление сжатого газа на входе в сопло, выраженное в МПа.In such a nozzle, due to the strong expansion of the nozzle, the outflow of a supersonic flow into a medium with atmospheric pressure is impossible, since with such an expansion of the nozzle, the pressure in the supersonic gas flow becomes much lower than atmospheric pressure. Under these conditions, a gas flow is established in the nozzle, in which a shock wave is formed near the beginning of the nozzle section with an increased cross-sectional area (the jump is shown by a dashed line in Fig. 8) and the supersonic gas flow is converted into a subsonic flow having a speed lower than the speed of sound. In this case, the temperature and gas pressure sharply increase. The experiments showed that for the formation of a supersonic gas flow into a subsonic flow in the specified nozzle, it is sufficient that the cross-sectional area is not less than 10P times the nozzle critical section (neck) area, where P is the total pressure of the compressed gas at the nozzle inlet, expressed in MPa.
После резкого увеличения площади поперечного сечения этот участок сопла может иметь увеличивающуюся или постоянную, или даже уменьшающуюся по длине сопла площадь поперечного сечения. Распределения скорости, давления и температуры газа в таком сопле аналогичны распределениям, показанным на фиг.1 сплошными линиями.After a sharp increase in the cross-sectional area, this section of the nozzle may have an increasing or constant, or even decreasing along the length of the nozzle, cross-sectional area. The distributions of gas velocity, pressure and temperature in such a nozzle are similar to the distributions shown in Fig. 1 by solid lines.
В зависимости от конкретных практически решаемых задач целесообразно сопло выполнить круглого или прямоугольного поперечного сечения.Depending on the specific practically solved problems, it is advisable to perform a nozzle of circular or rectangular cross section.
Для упрощения технологии изготовления сопла можно входной сужающийся участок сопла, горло сопла и расширяющийся участок сопла выполнить круглого сечения, а остальные участки - овального или прямоугольного поперечного сечения.To simplify the manufacturing technology of the nozzle, the inlet narrowing section of the nozzle, the nozzle throat and the expanding section of the nozzle can be made circular, and the remaining sections are oval or rectangular cross-section.
Для увеличения срока службы сопла в целом участки сопла от примерно места ввода порошка в сопло до выхода из сопла целесообразно выполнить сменными. В этом случае износ стенок сопла напыляемым порошковым материалом будет приводить к необходимости замены не всего сопла целиком, а только его части.To increase the service life of the nozzle as a whole, sections of the nozzle from approximately the place where the powder was introduced into the nozzle to exit the nozzle are expediently made replaceable. In this case, wear of the nozzle walls with the sprayed powder material will lead to the need to replace not only the entire nozzle, but only its parts.
Для уменьшения вероятности налипания частиц порошкового материала на внутренние стенки сопла целесообразно выполнить их неметаллическими, в частности из термостойкой резины или пластмассы.To reduce the likelihood of particles of powder material sticking to the inner walls of the nozzle, it is advisable to make them non-metallic, in particular from heat-resistant rubber or plastic.
В предлагаемых устройствах соединение порошкового питателя с соплом может быть выполнено (фиг.9-11) через отверстие 11 в стенке сопла, выходящее в закритическую часть сопла и расположенное перпендикулярно оси сопла (фиг.9, 10) или под углом к нему (фиг.11).In the proposed devices, the connection of the powder feeder with the nozzle can be performed (Figs. 9-11) through an opening 11 in the nozzle wall extending into the supercritical part of the nozzle and located perpendicular to the axis of the nozzle (Figs. 9, 10) or at an angle to it (Fig. eleven).
Соединение порошкового питателя с соплом может быть выполнено (фиг.12 и 13) и через трубопровод 4, проходящий через горло 5 сопла и открытый в закритической части сопла, причем этот трубопровод на выходе может иметь одно или более выходных отверстий 12 (фиг.13), которые обеспечивают ввод порошка в сопло по оси сопла или под углом к оси сопла. При этом трубопровод может проходить через горло сопла по оси сопла или вблизи его стенки.The connection of the powder feeder with the nozzle can be performed (Figs. 12 and 13) and through a
В зависимости от конкретных конструктивных особенностей сопла (фиг.14) расширяющийся участок 6 сопла (расположенный в закритической части за горлом 5 сопла), на котором скорость потока газа превышает скорость звука, может иметь интервалы с непрерывным или ступенчатым увеличением площади поперечного сечения, например усеченный конус 13, а затем несколько цилиндров 14, диаметр каждого из которых больше предыдущего.Depending on the specific design features of the nozzle (Fig. 14), the expanding nozzle portion 6 (located in the supercritical part behind the nozzle neck 5), at which the gas flow rate exceeds the speed of sound, may have intervals with a continuous or stepwise increase in the cross-sectional area, for example,
В зависимости от конкретных конструктивных особенностей сопла расширяющийся участок сопла (расположенный в закритической части за горлом сопла), на котором скорость потока газа превышает скорость звука, может иметь несколько интервалов 6 с различной скоростью расширения сопла в направлении течения газа, как это показано на фиг.8.Depending on the specific design features of the nozzle, the expanding section of the nozzle (located in the supercritical part behind the nozzle neck), at which the gas flow rate exceeds the speed of sound, may have
Для обеспечения экологической чистоты и безопасности процесса нанесения покрытия нагреватель сжатого газа 1 (фиг.2, 3) целесообразно выполнить электрическим.To ensure environmental cleanliness and safety of the coating process, the compressed gas heater 1 (Fig.2, 3), it is advisable to perform electric.
Устройство работает следующим образом (фиг 2, 3).The device operates as follows (Figs. 2, 3).
Сжатый газ, например воздух, подается в нагреватель 1, где поток этого газа нагревается до необходимой температуры. Затем нагретый сжатый газ подается в сверхзвуковое сопло 2, в котором сжатый газ проходит входной сужающийся участок, горло 5 сопла, расширяющийся участок 6 и приобретает сверхзвуковую скорость. В этот сверхзвуковой поток газа из порошкового питателя 3 через трубопровод 4 вводится порошковый материал, которой ускоряется в сопле сверхзвуковым потоком газа.Compressed gas, such as air, is supplied to
Затем на участке сопла 7 с практически постоянной площадью поперечного сечения и длиной, не менее чем в 15 раз превышающей поперечный размер этого участка (вариант 1 устройства, фиг.2), или на участке сопла 8 (вариант 2 устройства, фиг.3) с увеличенной площадью поперечного сечения, не менее чем в 10Р раз превышающей площадь критического сечения (горла 5) сопла, где Р - полное давление сжатого газа на входе в сопло, выраженное в МПа, формируется скачок уплотнения (показан на фиг.1, 2 и 3 штриховой линией) и происходит торможение газового потока до скорости, меньшей скорости звука. При этом значительно увеличивается температура газа. Далее, до самого выхода из сопла частицы порошкового материала движутся в потоке газа, имеющего скорость меньше скорости звука и температуру, сравнимую с температурой (немного ниже) предварительного нагрева сжатого газа. При этом частицы порошкового материала незначительно изменяют свою скорость, но значительно нагреваются, достигая температуры, при которой происходит уменьшение их прочности и увеличение их пластичности (вплоть до размягчения и даже плавления). Поток таких “мягких” частиц, имеющих скорость несколько сот метров в секунду, направляется на подложку, где формируется покрытие.Then, on the
Практически способ может быть осуществлен, например, с помощью оборудования типа “ДИМЕТ”, разработанного и изготавливаемого Обнинским центром порошкового напыления. Две модели оборудования построены по схемам, изображенным на фиг.2 и фиг.3. Это оборудование с разными модификациями сопел было использовано во всех примерах конкретной реализации способа. При этом в сверхзвуковом воздушном потоке в месте ввода порошка в сопло поддерживалось статическое давление 0,7-0,8 атм. Место расположения скачка уплотнения, то есть перехода от сверхзвукового режима течения в сопле к дозвуковому, контролировалось путем измерения распределения статического давления в сопле.In practice, the method can be carried out, for example, using equipment of the "DIMET" type, developed and manufactured by the Obninsky powder spraying center. Two models of equipment are built according to the schemes depicted in figure 2 and figure 3. This equipment with various modifications of the nozzles was used in all examples of a specific implementation of the method. At the same time, in a supersonic air flow at the place of powder input into the nozzle, a static pressure of 0.7-0.8 atm was maintained. The location of the shock wave, that is, the transition from the supersonic flow regime in the nozzle to the subsonic, was controlled by measuring the distribution of static pressure in the nozzle.
Примеры конкретного использования.Examples of specific use.
Пример 1Example 1
Наносилось антикоррозионное цинковое покрытие на стальную основу. Порошковый материал, предназначенный для формирования покрытия, содержал порошок цинка с размером частиц 1-40 мкм и порошок оксида алюминия с размером частиц 1-28 мкм. Сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло нагревался до температуры 500°С. При использовании в составе оборудования стандартного сверхзвукового сопла круглого поперечного сечения с длиной сверхзвукового участка 130 мм был получен коэффициент напыления порошкового материала 30%.An anti-corrosion zinc coating was applied to the steel base. The powder material for coating formation contained zinc powder with a particle size of 1-40 μm and aluminum oxide powder with a particle size of 1-28 μm. Compressed air was heated to a temperature of 500 ° C before being fed into a supersonic nozzle. When a standard supersonic nozzle of circular cross section with a supersonic length of 130 mm was used as part of the equipment, a powder material spraying coefficient of 30% was obtained.
Затем для сравнения было использовано специальное сопло круглого поперечного сечения, в котором расширяющийся участок после горла сопла составлял 15 мм, а затем располагался цилиндрический участок длиной 120 мм и диаметром 5 мм. Порошковый материал вводился в сверхзвуковой поток в сопле на расстоянии 13 мм от горла сопла. Измерения давления в сопле показали, что резкое торможение потока воздуха в сопле и переход сверхзвукового воздушного потока в сопле в дозвуковой поток происходит на расстоянии около 45 мм от горла сопла (около 30 мм от начала цилиндрического участка сопла). При напылении цинкового покрытия с использованием данного устройства был получен коэффициент напыления порошкового материала 41%.Then, for comparison, a special nozzle of circular cross section was used, in which the expanding section after the nozzle throat was 15 mm, and then a cylindrical section 120 mm long and 5 mm in diameter was located. Powder material was introduced into the supersonic flow in the nozzle at a distance of 13 mm from the nozzle throat. Measurements of pressure in the nozzle showed that a sharp deceleration of the air flow in the nozzle and the transition of the supersonic air flow in the nozzle into the subsonic flow occurs at a distance of about 45 mm from the nozzle neck (about 30 mm from the beginning of the cylindrical section of the nozzle). When spraying a zinc coating using this device, a powder spraying coefficient of 41% was obtained.
Пример 2Example 2
Наносилось покрытие из баббита на стальную основу. Для нанесения покрытия использовался порошок баббита с размером частиц 1-50 мкм. Сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло нагревался до температуры 400°С. Коэффициент напыления порошкового материала при использовании в составе оборудования стандартного сверхзвукового сопла круглого поперечного сечения с длиной сверхзвукового участка 130 мм составил 12%.A coating of babbitt was applied to a steel base. For coating, babbitt powder with a particle size of 1-50 microns was used. Compressed air was heated to a temperature of 400 ° C before being fed into a supersonic nozzle. The spraying coefficient of the powder material when using a standard circular supersonic nozzle with a supersonic length of 130 mm as part of the equipment was 12%.
Затем было использовано специальное сопло круглого поперечного сечения, в котором расширяющийся участок после горла сопла составлял 15 мм, а затем располагались первый цилиндрический участок длиной 150 мм и второй цилиндрический участок большего сечения длиной 100 мм. Порошковый материал вводился в сверхзвуковой поток в сопле на дистанции 13 мм от горла сопла. Измерения давления в сопле показали, что резкое торможение потока воздуха в сопле и переход сверхзвукового воздушного потока в сопле в дозвуковой происходит на расстоянии около 35 мм от горла сопла (около 20 мм от начала цилиндрического участка сопла). При напылении баббитового покрытия с использованием данного устройства был получен коэффициент напыления порошкового материала 25%.Then, a special nozzle of circular cross section was used, in which the expanding section after the nozzle throat was 15 mm, and then the first cylindrical section was 150 mm long and the second cylindrical section was a
Пример 3Example 3
Наносилось оловянное покрытие на стальную основу. Для нанесения покрытия использовался порошок олова с размером частиц 1-70 мкм. Сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло нагревался до температуры 300°С. Коэффициент напыления порошкового материала при использовании в составе оборудования стандартного сверхзвукового сопла круглого поперечного сечения с длиной сверхзвукового участка 130 мм составил 9%.A tin coating was applied to the steel base. For coating, tin powder with a particle size of 1-70 μm was used. Compressed air was heated to a temperature of 300 ° C before being fed into a supersonic nozzle. The spraying coefficient of the powder material when using a standard supersonic nozzle of circular cross section with a supersonic length of 130 mm as a part of the equipment was 9%.
Далее было использовано специальное сопло круглого поперечного сечения, в котором расширяющийся участок после горла сопла составлял 15 мм, затем располагался первый цилиндрический участок длиной 120 мм, второй цилиндрический участок большего сечения длиной 60 мм и конусный расширяющийся участок сопла длиной 70 мм. Порошковый материал вводился в сверхзвуковой поток в сопле на расстоянии 13 мм от горла сопла. Измерения давления в сопле показали, что резкое торможение потока воздуха в сопле и переход сверхзвукового воздушного потока в сопле в дозвуковой происходит на расстоянии около 35 мм от горла сопла (около 20 мм от начала цилиндрического участка сопла). При напылении оловянного покрытия с использованием данного устройства был получен коэффициент напыления порошкового материала 16%.Then a special nozzle of circular cross section was used, in which the expanding section after the nozzle throat was 15 mm, then the first cylindrical section was 120 mm long, the second cylindrical section was a larger section 60 mm long and the conical expanding nozzle section was 70 mm long. Powder material was introduced into the supersonic flow in the nozzle at a distance of 13 mm from the nozzle throat. Measurements of the pressure in the nozzle showed that a sharp deceleration of the air flow in the nozzle and the transition of the supersonic air flow in the nozzle to the subsonic occurs at a distance of about 35 mm from the nozzle neck (about 20 mm from the beginning of the cylindrical section of the nozzle). When spraying a tin coating using this device, a powder spraying coefficient of 16% was obtained.
Пример 4Example 4
Наносилось покрытие из смеси алюминия с цинком на алюминиевую основу. Для нанесения покрытия использовалась механическая смесь порошков алюминия с размером частиц 1-50 мкм и цинка с размером частиц 1-63 мкм. Сжатый воздух перед подачей в сверхзвуковое сопло нагревался до температуры 600°С. Коэффициент напыления порошкового материала при использовании в составе оборудования стандартного сверхзвукового сопла круглого поперечного сечения с длиной сверхзвукового участка 130 мм составил 28%.A mixture of aluminum and zinc was coated on an aluminum base. For coating, a mechanical mixture of aluminum powders with a particle size of 1-50 microns and zinc with a particle size of 1-63 microns was used. Compressed air was heated to a temperature of 600 ° C before being fed into a supersonic nozzle. The spraying coefficient of the powder material when using a standard supersonic nozzle of circular cross section with a supersonic length of 130 mm as part of the equipment was 28%.
Далее было использовано специальное сопло круглого поперечного сечения, в котором расширяющийся участок после горла сопла составлял 130 мм, затем располагался цилиндрический участок сопла длиной 70 мм, площадью поперечного сечения, в 14 раз превышающей площадь горла сопла. При этом рабочее давление газа составляло 6 атм. Порошковый материал вводился в сверхзвуковой поток в сопле на расстоянии 20 мм от горла сопла. Измерения давления в сопле показали, что резкое торможение потока воздуха в сопле и переход сверхзвукового воздушного потока в сопле в дозвуковой поток происходит на расстоянии около 10 мм от начала цилиндрического участка сопла. При напылении цинково-алюминиевого покрытия с использованием данного устройства был получен коэффициент напыления порошкового материала 35%.Next, a special nozzle of circular cross section was used, in which the expanding section after the nozzle throat was 130 mm, then a cylindrical section of the nozzle was 70 mm long, with a
Приведенные выше, а также многие другие результаты конкретного использования показывают, что при реализации заявляемого способа достигается значительное увеличение коэффициента напыления (коэффициента полезного использования) порошкового материала.The above, as well as many other results of specific use show that when implementing the proposed method, a significant increase in the deposition coefficient (coefficient of useful use) of the powder material is achieved.
Предложенный новый эффективный способ нанесения металлических покрытий не имеет ограничений на толщину наносимых металлических и металлокерамических покрытий и с успехом может быть использован для антикоррозионной защиты деталей и изделий в атмосфере и агрессивных жидкостях, восстановления антикоррозионных покрытий на локальных участках деталей и изделий, для нанесения антифрикционных материалов при восстановлении, ремонте или изготовлении подшипников скольжения, для наращивания металла с целью восстановления размеров и формы металлических деталей, для ремонта дефектов литья, герметизации пор, трещин, каверн и других локальных дефектов деталей, изделий и конструкций, а также для решения многих других задач.The proposed new effective method for applying metal coatings does not have restrictions on the thickness of the applied metal and ceramic-metal coatings and can be successfully used for corrosion protection of parts and products in the atmosphere and aggressive fluids, restoration of anti-corrosion coatings on local areas of parts and products, for applying antifriction materials at restoration, repair or manufacture of plain bearings, for building metal in order to restore the size and shape of m -metallic parts for the repair of casting defects, seal the pores, cracks, cavities and other local defects of parts, components and structures, as well as for many other purposes.
Claims (48)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003100745/02A RU2237746C1 (en) | 2003-01-14 | 2003-01-14 | Method and apparatus for gas-dynamic deposition of coating |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003100745/02A RU2237746C1 (en) | 2003-01-14 | 2003-01-14 | Method and apparatus for gas-dynamic deposition of coating |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2237746C1 true RU2237746C1 (en) | 2004-10-10 |
| RU2003100745A RU2003100745A (en) | 2004-12-27 |
Family
ID=33537480
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003100745/02A RU2237746C1 (en) | 2003-01-14 | 2003-01-14 | Method and apparatus for gas-dynamic deposition of coating |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2237746C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2014795A1 (en) * | 2007-07-10 | 2009-01-14 | Linde Aktiengesellschaft | Cold gas jet nozzle |
| WO2013080031A1 (en) * | 2011-11-28 | 2013-06-06 | Chivel Yuri | Method for producing high-energy particle flows and device for implementing same |
| RU2699691C2 (en) * | 2017-12-08 | 2019-09-09 | Матвей Антонович Дегтярев | Method of restoration of art works and their elements made of ferrous metal |
-
2003
- 2003-01-14 RU RU2003100745/02A patent/RU2237746C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2014795A1 (en) * | 2007-07-10 | 2009-01-14 | Linde Aktiengesellschaft | Cold gas jet nozzle |
| WO2013080031A1 (en) * | 2011-11-28 | 2013-06-06 | Chivel Yuri | Method for producing high-energy particle flows and device for implementing same |
| RU2539559C2 (en) * | 2011-11-28 | 2015-01-20 | Юрий Александрович Чивель | Method of producing high-energy particle streams and apparatus therefor |
| RU2699691C2 (en) * | 2017-12-08 | 2019-09-09 | Матвей Антонович Дегтярев | Method of restoration of art works and their elements made of ferrous metal |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6623796B1 (en) | Method of producing a coating using a kinetic spray process with large particles and nozzles for the same | |
| Shkodkin et al. | Metal particle deposition stimulation by surface abrasive treatment in gas dynamic spraying | |
| US6811812B2 (en) | Low pressure powder injection method and system for a kinetic spray process | |
| US7108893B2 (en) | Spray system with combined kinetic spray and thermal spray ability | |
| EP1629899A1 (en) | Replaceable throat insert for a kinetic spray nozzle | |
| RU2288970C1 (en) | Device for the gas-dynamic deposition of the coatings and the method for the gas-dynamic deposition of the coatings | |
| US6743468B2 (en) | Method of coating with combined kinetic spray and thermal spray | |
| EP1579921A2 (en) | Improved kinetic spray nozzle system design | |
| US8651394B2 (en) | Laval nozzle for thermal spraying and kinetic spraying | |
| WO2005072249A2 (en) | A modified high efficiency kinetic spray nozzle | |
| GB2439934A (en) | Laser-assisted spray system and nozzle | |
| RU2183695C2 (en) | Method of applying coatings | |
| EP2576138B1 (en) | Method for removal of ceramic coatings by solid co² blasting | |
| EP2110178A1 (en) | Cold gas-dynamic spray nozzle | |
| CN101218369B (en) | Methods and apparatuses for material deposition | |
| US7244466B2 (en) | Kinetic spray nozzle design for small spot coatings and narrow width structures | |
| WO2007091102A1 (en) | Kinetic spraying apparatus and method | |
| RU2205897C1 (en) | Coating method | |
| RU2237746C1 (en) | Method and apparatus for gas-dynamic deposition of coating | |
| US10279365B2 (en) | Thermal spray method integrating selected removal of particulates | |
| US7351450B2 (en) | Correcting defective kinetically sprayed surfaces | |
| CA2967578C (en) | Thermal spray method integrating selected removal of particulates | |
| KR100591982B1 (en) | Method for reforming metal surface | |
| Shkodkin et al. | The basic principles of DYMET technology | |
| RU2195515C2 (en) | Method for applying coats of powder materials |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110115 |