RU2468123C2 - Method for gas dynamic sputtering of powder materials and device for gas dynamic sputtering of powder materials (versions) - Google Patents

Method for gas dynamic sputtering of powder materials and device for gas dynamic sputtering of powder materials (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2468123C2
RU2468123C2 RU2010140292/02A RU2010140292A RU2468123C2 RU 2468123 C2 RU2468123 C2 RU 2468123C2 RU 2010140292/02 A RU2010140292/02 A RU 2010140292/02A RU 2010140292 A RU2010140292 A RU 2010140292A RU 2468123 C2 RU2468123 C2 RU 2468123C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nozzle
gas
powder
spraying
flat
Prior art date
Application number
RU2010140292/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010140292A (en
Inventor
Владимир Федорович Косарев
Сергей Владимирович Клинков
Виктор Нестерович Зайковский
Борис Михайлович Меламед
Георгий Викторович Трубачеев
Original Assignee
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) filed Critical Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН)
Priority to RU2010140292/02A priority Critical patent/RU2468123C2/en
Publication of RU2010140292A publication Critical patent/RU2010140292A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2468123C2 publication Critical patent/RU2468123C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: compressed gas supplied from a source (1) is heated in an electric heater (4). With a supply unit (5) it is sent into a sonic nozzle of permanent section (6), and a swirled gas flow is formed in the nozzle with a swirler (7), arranged in a forechamber (8) of the nozzle. Particles of the powder material are supplied into the flow, accelerated in the nozzle and applied onto the surface. The nozzle at the outlet has two flat asymmetrical cuts. Spraying is carried out with a flat jet of a gas powder flow with an opening angle equal to β=40÷90°, which is formed by the specified configuration of the output section of the sonic nozzle.
EFFECT: expanded process capabilities of gas dynamic sputtering due to increased width of a sputtering strip and reduced prime cost.
6 cl, 15 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам и способам газодинамического напыления порошкового материала и может быть использовано в различных отраслях машиностроения и других сферах производства для получения покрытий различного функционального назначения.The invention relates to devices and methods for gas-dynamic spraying of a powder material and can be used in various branches of engineering and other areas of production to obtain coatings for various functional purposes.

Известен способ газодинамического напыления порошка на алюминиевый блок головок двигателя, реализованный в устройстве US 2002073982 (опубл. 20.06.2002), которое включает источник сжатого газа, дозатор подачи порошкового материала, сверхзвуковое сопло, изогнутое под углом 30±15°. В этом способе напыление порошка осуществляют путем введения металлических порошков в поток сжатого газа, ускорения газопорошковой смеси в сверхзвуковом сопле и подачи напыляемого порошкового материала под углом 30±15°.A known method of gas-dynamic spraying of powder on an aluminum block of engine heads, implemented in the device US 2002073982 (publ. 06/20/2002), which includes a source of compressed gas, a dispenser for supplying powder material, a supersonic nozzle bent at an angle of 30 ± 15 °. In this method, powder spraying is carried out by introducing metal powders into a stream of compressed gas, accelerating the gas-powder mixture in a supersonic nozzle and feeding the sprayed powder material at an angle of 30 ± 15 °.

Основным недостатком данного изобретения является малый угол удара частиц. Известно, что наибольший коэффициент напыления реализуется при ударе, близком к нормальному. Многие материалы вообще не образуют покрытие при углах соударения менее 45°. Кроме того, устройство не способно сформировать пятно напыления прямоугольной либо близкой к таковой формы и, соответственно, невозможно получить большую ширину полосы напыления.The main disadvantage of this invention is the small angle of impact of the particles. It is known that the highest deposition coefficient is realized upon impact close to normal. Many materials do not form at all at collision angles of less than 45 °. In addition, the device is not able to form a spray spot of a rectangular or close to that shape and, accordingly, it is impossible to obtain a large width of the spray strip.

Известно устройство US 2007181714 (опубл. 09.08.2007), которое включает источник сжатого газа, дозатор подачи порошкового материала, сверхзвуковое сопло и канал, изогнутый под углом 90°, либо рефлектор, отражающий частицы на угол 90°. Стенки изогнутой части сопла либо дефлектора имеют покрытие из мягких материалов (силикон, резина, латекс, уретан, пластик и т.д.) либо твердых материалов (керамика, стекло, нитриды и т.д.), обеспечивающих безадгезионный отскок частиц.A device US 2007181714 (publ. 09.08.2007) is known, which includes a compressed gas source, a powder material dispenser, a supersonic nozzle and a channel bent at an angle of 90 °, or a reflector that reflects particles at an angle of 90 °. The walls of the curved part of the nozzle or deflector are coated with soft materials (silicone, rubber, latex, urethane, plastic, etc.) or hard materials (ceramics, glass, nitrides, etc.), which ensure a particle-free rebound.

Основным недостатком данного изобретения является то, что материал (покрытия) сопла изготавливается из мягких материалов (силикон, резина, латекс, уретан, пластик и т.д.), склонных с сильной эрозии и не позволяющих нагрев как правило более 200-300°C, что сильно ограничивает его применимость и срок его эксплуатации. Кроме того, при ударе частицы теряют свою скорость тем сильнее, чем больше угол удара. Это сильно ограничивает применимость дефлекторов (либо сопел с изгибом) с углом заворота более либо порядка 45°. Кроме того, устройство также не способно сформировать пятно напыления прямоугольной либо близкой к таковой формы и, соответственно, невозможно получить большую ширину полосы напыления.The main disadvantage of this invention is that the material (coating) of the nozzle is made of soft materials (silicone, rubber, latex, urethane, plastic, etc.), prone to severe erosion and not allowing heating, usually more than 200-300 ° C , which greatly limits its applicability and its useful life. In addition, upon impact, the particles lose their speed the stronger, the greater the angle of impact. This severely limits the applicability of deflectors (or bent nozzles) with an inversion angle of more than or about 45 °. In addition, the device is also not able to form a spray spot of a rectangular or close to that shape and, accordingly, it is impossible to obtain a large width of the spray strip.

Известно устройство газодинамического напыления порошковых материалов по патенту РФ №2334827 (опубл. 27.09.2008), содержащее электронагреватель сжатого газа, порошковый питатель, сверхзвуковое сопло, узел ввода в сопло газопорошковой смеси, рабочего газа. Узел ввода газопорошковой смеси содержит центральное тело с переменным по длине сечением и осевым каналом для подачи газопорошковой смеси в сопло. Оно выполнено для образования с внутренней стенкой сопла регулируемых дозвукового и сверхзвукового кольцевых каналов подачи рабочего газа. В форкамере сверхзвукового сопла может быть расположен завихритель рабочего газа и порошкового материала для образования однородного газопорошкового потока.A device for the gas-dynamic spraying of powder materials according to the patent of the Russian Federation No. 2334827 (publ. September 27, 2008), comprising a compressed gas electric heater, a powder feeder, a supersonic nozzle, an assembly for introducing a gas-powder mixture, a working gas into the nozzle. The input site of the gas-powder mixture contains a central body with a cross-section with a variable length along the axial channel for supplying the gas-powder mixture to the nozzle. It is made for the formation with the inner wall of the nozzle of the adjustable subsonic and supersonic annular channels of supply of working gas. In the chamber of the supersonic nozzle, a swirler of the working gas and powder material can be located to form a homogeneous gas-powder flow.

Недостатком данного устройства является то, что невозможно сформировать пятно напыления прямоугольной либо близкой к таковой формы и, соответственно, невозможно получить большую ширину полосы напыления.The disadvantage of this device is that it is impossible to form a spray spot of a rectangular or close to that shape and, accordingly, it is impossible to obtain a large width of the spray strip.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ газодинамического напыления поверхностей, осуществляемый устройством по патенту DE №10119288 (опубл. 24.10.2002), в котором частицы в звуковом сопле с длинным ускоряющим участком ускоряются, при этом на входе в звуковое сопло рабочий газ сжимается в области сжатия и ускоряется до скорости ниже числа M=1. В область сжатия в рабочий газ вводятся частицы порошка, которые вместе ускоряются на длинном участке сопла, затем ускоренный газопорошковый поток со скоростью M=1 направляют на поверхность изделия.Closest to the proposed invention is a method of gas-dynamic spraying of surfaces, carried out by the device according to DE patent No. 10119288 (publ. 24.10.2002), in which particles in a sound nozzle with a long accelerating section are accelerated, while at the entrance to the sound nozzle the working gas is compressed in the region compression and accelerates to a speed below the number M = 1. Powder particles are introduced into the compression region into the working gas, which are accelerated together in a long section of the nozzle, then an accelerated gas-powder flow with a speed of M = 1 is directed to the surface of the product.

Недостатком данного способа является то, что невозможно сформировать пятно напыления прямоугольной либо близкой к таковой формы и, соответственно, невозможно получить большую ширину полосы напыления.The disadvantage of this method is that it is impossible to form a spray spot of a rectangular or close to that shape and, accordingly, it is impossible to obtain a large width of the spray strip.

В этом же патенте описано устройство для газодинамического напыления поверхностей, наиболее близкое к предлагаемому изобретению. Это устройство содержит ускоряющее звуковое сопло, нагревающий элемент и ввод частиц порошка объединяются в подвижное целое, и ускоряющее звуковое сопло соединено с нагревателем газа. Дозатор порошка выполнен в виде пневматически работающего дозатора и подает порошок через воронку в подготовительную камеру. В подготовительной камере посредством вихревой форсунки создается циркулирующее течение, затем порошок с воздухом перемешивается и направляется в сужение сопла рабочего газа.The same patent describes a device for gas-dynamic spraying of surfaces, closest to the invention. This device contains an accelerating sonic nozzle, a heating element and an input of powder particles are combined into a moving unit, and an accelerating sonic nozzle is connected to a gas heater. The powder dispenser is made in the form of a pneumatically operated dispenser and feeds the powder through a funnel into the preparation chamber. A circulating flow is created in the preparatory chamber by means of a vortex nozzle, then the powder is mixed with air and sent to the narrowing of the working gas nozzle.

Предлагаемыми изобретениями решается задача расширения технологических возможностей устройства и способа газодинамического напыления порошкового материала, а именно увеличения ширины полосы напыления и снижения себестоимости напыления на изделие.The proposed inventions solve the problem of expanding the technological capabilities of the device and method of gas-dynamic spraying of a powder material, namely, increasing the width of the strip of spraying and reducing the cost of spraying on the product.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе газодинамического напыления порошковых материалов, включающем нагрев сжатого газа, подачу его в звуковое сопло постоянного сечения, формирование в сопле закрученного газового потока, подачу в поток частиц порошкового материала, ускорение его в сопле и нанесение на поверхность, согласно изобретению напыление ведут плоской струей газопорошкового потока с углом раскрытия, равным β=40÷90°, который формируют заданной конфигурацией выходного сечения звукового сопла.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of gas-dynamic spraying of powder materials, including heating the compressed gas, supplying it to a sound nozzle of constant cross-section, forming a swirling gas stream in the nozzle, supplying particles of powder material to the stream, accelerating it in the nozzle and applying it to the surface, according to the invention, the spraying is carried out with a flat stream of a gas-powder stream with an opening angle equal to β = 40 ÷ 90 °, which is formed by a given configuration of the output section of the sound nozzle.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом устройстве газодинамического напыления порошкового материала (первый вариант), содержащем электронагреватель сжатого газа, звуковое сопло постоянного сечения, узел подачи порошкового материала в сопло, завихритель потока газа, размещенный в форкамере сопла, новым является то, что сопло на выходе имеет плоский срез с углом α относительно оси сопла в пределах 0 < α < 90° с обеспечением формирования плоской струи газопорошкового потока с углом раскрытия, равным β=40÷90°.To achieve the specified technical result in the proposed device for gas-dynamic spraying of powder material (the first option), containing an electric heater of compressed gas, a sound nozzle of constant cross-section, a unit for supplying powder material to the nozzle, a swirl of gas flow placed in the nozzle chamber, it is new that the nozzle on the outlet has a flat cut with an angle α relative to the axis of the nozzle within 0 <α <90 ° with the provision of the formation of a flat jet of gas-powder flow with an opening angle equal to β = 40 ÷ 90 °.

Предлагаемый способ, осуществленный в данном устройстве, позволяет расширить технологические возможности устройства и способа газодинамического напыления порошкового материала, а именно в несколько раз увеличить ширину полосы напыления в сравнении с шириной полосы напыления, полученной звуковым соплом, используемым в прототипе, а также снизить себестоимость напыления на изделие. Это достигается тем, что благодаря наличию плоского среза газопорошковая смесь истекает через выходное сечение эллиптической формы, где под воздействием избыточного давления (давление на срезе сопла больше давления окружающего воздуха) осесимметричный газопорошковый поток расширяется в одной плоскости, оставаясь практически неизменным в перпендикулярной плоскости, и тем самым преобразуется в плоскую сверхзвуковую веерную струю с углом раскрытия, равным β=40÷90° (см. фиг.1, 2). Кроме того, среднее направление движения плоской сверхзвуковой веерной струи отклоняется от оси звукового сопла, которое зависит от угла плоского среза и давления газа в форкамере. Это также расширяет технологические возможности, позволяя более оптимально проводить напыление на поверхности, к которым невозможно расположить звуковое сопло перпендикулярно. Завихрение потока в форкамере звукового сопла позволяет за счет центробежных сил значительно увеличить ширину полосы напыления.The proposed method implemented in this device allows to expand the technological capabilities of the device and method of gas-dynamic spraying of a powder material, namely, to increase the spraying strip width several times in comparison with the spraying strip width obtained by the sound nozzle used in the prototype, and also to reduce the cost of spraying by product. This is achieved by the fact that due to the presence of a flat cut, the gas-powder mixture flows out through the elliptical outlet section, where under the influence of excessive pressure (the pressure at the nozzle exit is greater than the ambient air pressure), the axisymmetric gas-powder flow expands in one plane, remaining almost unchanged in the perpendicular plane, and thereby thereby converted into a flat supersonic fan stream with an opening angle equal to β = 40 ÷ 90 ° (see Fig. 1, 2). In addition, the average direction of motion of a planar supersonic fan jet deviates from the axis of the sonic nozzle, which depends on the angle of the plane cut and the gas pressure in the prechamber. It also expands technological capabilities, allowing more optimal spraying on surfaces to which it is impossible to position the sonic nozzle perpendicularly. The swirling of the flow in the prechamber of the sound nozzle makes it possible to significantly increase the width of the spraying band due to centrifugal forces.

Для достижения указанного технического результата во втором варианте устройства газодинамического напыления порошковых материалов, содержащего электронагреватель сжатого газа, звуковое сопло постоянного сечения, узел подачи порошкового материала в сопло, завихритель потока газа, размещенный в форкамере сопла, новым является то, что сопло на выходе имеет два плоских среза, расположенных симметрично или несимметрично относительно оси сопла, так что угол α1 равен углу α2 или углы не равны, и каждый угол находится в пределах 0 <α1 < 90° и 0 <α2 < 90°, где α1, α2 - углы между осью сопла и плоскостью среза, с обеспечением формирования плоской струи газопорошкового потока с углом раскрытия, равным β=40÷90°.To achieve the specified technical result in the second embodiment of the device for gas-dynamic spraying of powder materials containing an electric heater of compressed gas, a sound nozzle of constant cross-section, a unit for supplying powder material to the nozzle, a gas flow swirl placed in the nozzle chamber, it is new that the nozzle has two flat cuts located symmetrically or asymmetrically relative to the axis of the nozzle, so that the angle α 1 is equal to the angle α 2 or the angles are not equal, and each angle is in the range 0 <α 1 <90 ° and 0 <α 2 <90 °, where α 1 , α 2 are the angles between the axis of the nozzle and the cut plane, with the formation of a flat jet of a gas-powder stream with an opening angle equal to β = 40 ÷ 90 °.

В результате чего, в зависимости от соотношения углов плоских срезов сопла и положения плоскостей относительно оси сопла, выходное сечение сопла в общем случае представляет собой комбинацию из состыкованных двух частей эллипсов, плоскости которых пространственно расположены под углом α12. В зависимости от конкретных задач и формы обрабатываемой поверхности сопло может быть выполнено симметричным и несимметричным (см. фиг.3-7).As a result, depending on the ratio of the angles of the plane sections of the nozzle and the position of the planes relative to the axis of the nozzle, the output section of the nozzle in the general case is a combination of two joined parts of ellipses whose planes are spatially located at an angle α 1 + α 2 . Depending on the specific tasks and the shape of the surface to be treated, the nozzle can be made symmetrical and asymmetric (see Fig. 3-7).

Предлагаемый способ, осуществленный в данном устройстве, позволяет расширить технологические возможности устройства и способа газодинамического напыления порошкового материала, а именно в несколько раз увеличить ширину полосы напыления в сравнении с шириной полосы напыления, полученной звуковым соплом, используемым в прототипе, а также снизить себестоимость напыления на изделие. Это достигается тем, что благодаря наличию плоских срезов газопорошковая смесь истекает через выходные сечения эллиптической формы, где под воздействием избыточного давления (давление на срезе сопла больше давления окружающего воздуха) осесимметричный газопорошковый поток расширяется в одной плоскости, оставаясь практически неизменным в перпендикулярной плоскости, и тем самым преобразуется в плоскую сверхзвуковую веерную струю с углом раскрытия, равным β=40÷90° (см. фиг.3-7). Кроме того, среднее направление движения плоской сверхзвуковой веерной струи отклоняется от оси звукового сопла на угол, зависящий от соотношения углов плоских срезов и давления газа в форкамере (в случае равных углов струя расширяется симметрично и среднее направление движения плоской сверхзвуковой веерной струи совпадает с осью звукового сопла). Это также расширяет технологические возможности, позволяя более оптимально проводить напыление на поверхности, выбирая, в зависимости от ситуации, сопло с определенными углами срезов. Завихрение потока в форкамере звукового сопла позволяет за счет центробежных сил значительно увеличить ширину полосы напыления.The proposed method implemented in this device allows to expand the technological capabilities of the device and method of gas-dynamic spraying of a powder material, namely, to increase the spraying strip width several times in comparison with the spraying strip width obtained by the sound nozzle used in the prototype, and also to reduce the cost of spraying by product. This is achieved by the fact that due to the presence of flat sections, the gas-powder mixture flows out through elliptical outlet sections, where under the influence of excessive pressure (the pressure at the nozzle exit is greater than the ambient air pressure) the axisymmetric gas-powder flow expands in one plane, remaining almost unchanged in the perpendicular plane, and thereby converted into a flat supersonic fan stream with an opening angle equal to β = 40 ÷ 90 ° (see Fig.3-7). In addition, the average direction of movement of a planar supersonic fan jet deviates from the axis of the sonic nozzle by an angle depending on the ratio of the angles of plane sections and the gas pressure in the prechamber (in the case of equal angles, the jet expands symmetrically and the average direction of motion of a plane supersonic fan jet coincides with the axis of the sonic nozzle ) It also expands technological capabilities, allowing more optimal spraying on the surface, choosing, depending on the situation, a nozzle with certain cutting angles. The swirling of the flow in the prechamber of the sound nozzle makes it possible to significantly increase the width of the spraying band due to centrifugal forces.

Для достижения указанного технического результата в третьем варианте устройства газодинамического напыления порошковых материалов, содержащего электронагреватель сжатого газа, звуковое сопло постоянного сечения, узел подачи порошкового материала в сопло, завихритель потока газа, размещенный в форкамере сопла, согласно изобретению сопло на выходе имеет в продольном сечении сквозной пропил заданной конфигурации шириной, равной внутреннему диаметру звукового сопла, и глубиной 0,5dn < Lcut < 5dn, где dn - внутренний диаметр сопла, мм, Lcut - глубина пропила на выходе сопла, мм, с обеспечением формирования плоской струи газопорошкового потока с углом раскрытия, равным β=40÷90°.To achieve the technical result in the third embodiment of the device for gas-dynamic spraying of powder materials containing an electric heater of compressed gas, a sound nozzle of constant cross section, a unit for supplying powder material to the nozzle, a gas flow swirl placed in the nozzle chamber, according to the invention, the nozzle at the exit has a through section in the longitudinal section cut a predetermined configuration with a width equal to the inner diameter of the sound nozzle and a depth of 0.5d n <L cut <5d n , where d n is the inner diameter of the nozzle, mm, L cut is the depth ina sawed at the nozzle exit, mm, with the formation of a flat jet of a gas-powder stream with an opening angle equal to β = 40 ÷ 90 °.

В зависимости от конкретных задач сопло может быть выполнено с пропилами заданной конфигурации, например прямоугольной, треугольной, эллиптической формы (фиг.8, 9).Depending on the specific tasks, the nozzle can be made with cuts of a given configuration, for example, rectangular, triangular, elliptical in shape (Figs. 8, 9).

Предлагаемый способ, осуществленный в данном устройстве, также позволяет расширить технологические возможности устройства и способа газодинамического напыления порошкового материала, а именно в несколько раз увеличить ширину полосы напыления в сравнении с шириной полосы напыления, полученной звуковым соплом, используемым в прототипе, а также снизить себестоимость напыления на изделие. Это достигается тем, что благодаря наличию сквозного пропила газопорошковая смесь истекает через выходные сечения, где под воздействием избыточного давления (давление на срезе сопла больше давления окружающего воздуха) осесимметричный газопорошковый поток расширяется в одной плоскости, оставаясь практически неизменной в перпендикулярной плоскости и тем самым преобразуется в плоскую сверхзвуковую веерную струю с углом раскрытия, равным β=40÷90° (см. фиг.8, 9). В этом случае, как и в случае равных углов плоских срезов, струя расширяется симметрично, и среднее направление движения плоской сверхзвуковой веерной струи совпадает с осью звукового сопла. Завихрение потока в форкамере звукового сопла позволяет за счет центробежных сил значительно увеличить ширину полосы напыления.The proposed method implemented in this device also allows you to expand the technological capabilities of the device and method of gas-dynamic spraying of a powder material, namely, to increase the spraying strip width several times in comparison with the spraying strip width obtained by the sonic nozzle used in the prototype, and also to reduce the cost of spraying on the product. This is achieved by the fact that, due to the presence of a through cut, the gas-powder mixture flows out through the outlet cross-sections, where under the influence of excessive pressure (the pressure at the nozzle exit is greater than the ambient air pressure), the axisymmetric gas-powder flow expands in one plane, remaining almost unchanged in the perpendicular plane, and thereby transforms into a flat supersonic fan stream with an opening angle equal to β = 40 ÷ 90 ° (see Fig. 8, 9). In this case, as in the case of equal angles of planar sections, the jet expands symmetrically, and the average direction of motion of the planar supersonic fan stream coincides with the axis of the sonic nozzle. The swirling of the flow in the prechamber of the sound nozzle makes it possible to significantly increase the width of the spraying band due to centrifugal forces.

Для достижения указанного технического результата предлагается устройство газодинамического напыления порошкового материала (четвертый вариант), содержащее электронагреватель сжатого газа, звуковое сопло постоянного сечения, узел подачи порошкового материала в сопло, формирование в сопле закрученного газового потока. Новым является то, что сопло на выходе имеет плоский срез с углом α относительно оси сопла в пределах 0 < α < 90°, при этом ось концевой части сопла расположена относительно оси основной части сопла под углом γ в направлении к обрабатываемой, например внутренней или труднодоступной поверхности, с обеспечением формирования плоской струи газопорошкового потока с углом раскрытия, равным β=40÷90°.To achieve the indicated technical result, a gas-dynamic spraying device for a powder material is proposed (the fourth option), comprising a compressed gas electric heater, a constant-pressure sound nozzle, a powder material supply unit into the nozzle, and formation of a swirling gas stream in the nozzle. What is new is that the nozzle at the exit has a flat cut with an angle α relative to the axis of the nozzle in the range 0 <α <90 °, while the axis of the tip of the nozzle is located relative to the axis of the main part of the nozzle at an angle γ in the direction of the workpiece, for example, internal or hard to reach surface, ensuring the formation of a flat jet of gas powder flow with an opening angle equal to β = 40 ÷ 90 °.

Предложенный способ газодинамического напыления порошковых материалов осуществляется в данном разработанном устройстве (вариант 4).The proposed method of gas-dynamic spraying of powder materials is carried out in this developed device (option 4).

Конструктивные особенности устройства позволяют реализовать предложенный способ газодинамического напыления порошкового материала, включающий нагрев сжатого газа, подачу его в звуковое сопло постоянного сечения, формирование в сопле закрученного газового потока, подачу в поток частиц порошкового материала, ускорение в сопле и нанесение на поверхность изделия, согласно изобретению напыление ведут плоской струей газопорошкового потока с углом раскрытия, равным β=40÷60°, который формируют заданной конфигурацией выходного сечения на срезе звукового сопла, или при этом для напыления используют сопло с изогнутой под углом γ концевой частью в направлении к обрабатываемой, например, внутренней труднодоступной поверхности.The design features of the device make it possible to implement the proposed method of gas-dynamic spraying of a powder material, including heating the compressed gas, supplying it to a constant-velocity sound nozzle, forming a swirling gas stream in the nozzle, supplying powder material particles to the stream, accelerating in the nozzle and applying to the surface of the product, according to the invention the spraying is carried out with a flat jet of a gas-powder stream with an opening angle equal to β = 40 ÷ 60 °, which is formed by a given configuration of the output section at se sonic nozzle, or spraying is used for this nozzle with angled γ end portion in the direction to the treated, e.g., internal hard-surface.

Предлагаемый способ, осуществленный в данном устройстве, позволяет расширить технологические возможности устройства и способа газодинамического напыления порошкового материала, а именно в несколько раз увеличить ширину полосы напыления в сравнении с шириной полосы напыления полученной звуковым соплом, используемым в прототипе, а также снизить себестоимость напыления на изделие. Это достигается тем, что благодаря наличию плоского среза газопорошковая смесь истекает через выходное сечение эллиптической формы, где под воздействием избыточного давления (давление на срезе сопла больше давления окружающего воздуха) осесимметричный газопорошковый поток расширяется в одной плоскости, оставаясь практически неизменным в перпендикулярной плоскости, и тем самым преобразуется в плоскую сверхзвуковую веерную струю с углом раскрытия, равным β=40÷60° (см. фиг.10, 11). Кроме того, среднее направление движения плоской сверхзвуковой веерной струи отклоняется от оси основной части звукового сопла на угол, равный 90±15°, за счет изогнутости концевой части сопла и плоского среза на выходе сопла. Это также расширяет технологические возможности и обеспечивает возможность нанесения покрытия на труднодоступные или внутренние поверхности под требуемым углом между направлением потока и обрабатываемой поверхностью изделия. Завихрение потока в форкамере звукового сопла позволяет за счет центробежных сил значительно увеличить ширину полосы напыления (см. фиг.10, 11).The proposed method implemented in this device allows to expand the technological capabilities of the device and method of gas-dynamic spraying of a powder material, namely, to increase the spraying strip width several times in comparison with the spraying strip width obtained by the sound nozzle used in the prototype, and also to reduce the cost of spraying on the product . This is achieved by the fact that due to the presence of a flat cut, the gas-powder mixture flows out through the elliptical outlet section, where under the influence of excessive pressure (the pressure at the nozzle exit is greater than the ambient air pressure), the axisymmetric gas-powder flow expands in one plane, remaining almost unchanged in the perpendicular plane, and thereby it is converted into a flat supersonic fan stream with an opening angle equal to β = 40 ÷ 60 ° (see Fig. 10, 11). In addition, the average direction of movement of a flat supersonic fan stream deviates from the axis of the main part of the sonic nozzle by an angle equal to 90 ± 15 ° due to the curvature of the end part of the nozzle and a flat cut at the nozzle exit. It also expands the technological capabilities and provides the possibility of coating hard-to-reach or internal surfaces at the required angle between the direction of flow and the workpiece surface. The swirling of the flow in the prechamber of the sound nozzle allows, due to centrifugal forces, to significantly increase the width of the spraying band (see Fig. 10, 11).

Для обеспечения оптимального ускорения и нагрева частиц порошкового материала предлагается использовать электротермический подогреватель сжатого воздуха. Температура сжатого газа задается в следующих пределах Т0=473-873 К.To ensure optimal acceleration and heating of the particles of the powder material, it is proposed to use an electrothermal heater for compressed air. The temperature of the compressed gas is set in the following limits T 0 = 473-873 K.

В зависимости от поставленных задач для нанесения защитных покрытий в качестве порошкового материала могут быть использованы различные металлы, сплавы и их смеси, например медь, алюминий, цинк, никель и др., а также их смеси с неметаллическими порошковыми материалами, например металл в сочетании с керамикой.Depending on the tasks set for the application of protective coatings, various metals, alloys and their mixtures, for example copper, aluminum, zinc, nickel, etc., as well as their mixtures with non-metallic powder materials, for example metal in combination with ceramics.

Для обеспечения эффективного нанесения покрытий предлагается использовать порошковый материал с размерами частиц от 5 до 40 мкм.To ensure effective coating, it is proposed to use powder material with particle sizes from 5 to 40 microns.

Предлагаемые варианты изобретения поясняются схемами устройств, фотографиями струй, истекающих из таких устройств и напыленных покрытий, на которых изображено:The proposed variants of the invention are illustrated by device diagrams, photographs of the jets flowing from such devices and sprayed coatings, which depict:

на фиг.1 показана схема устройства газодинамического напыления порошковых материалов (Вариант 1), где сопло на выходе имеет плоский срез; фиг.2 - Теплеровская визуализация плоской струи, сформированной соплом, имеющим на выходе плоский срез (вид в направлении, перпендикулярном плоскости плоской струи); на фиг.3 - показана схема устройства газодинамического напыления порошковых материалов (Вариант 2), где сопло на выходе имеет два симметричных плоских среза; на фиг.4 - Теплеровская визуализация плоской струи, сформированной соплом, имеющим на выходе два плоских среза, расположенных симметрично относительно оси сопла с углами, равными друг другу (вид в направлении, перпендикулярном плоскости плоской струи) (Вариант 2); на фиг.5 - Теплеровская визуализация плоской струи, сформированной соплом, имеющим на выходе два плоских среза, расположенных симметрично относительно оси сопла с углами, равными друг другу (вид в направлении, параллельном плоскости плоской струи) (Вариант 2); на фиг.6 показана схема устройства газодинамического напыления порошковых материалов (Вариант 2), где сопло на выходе имеет два несимметричных плоских среза; на фиг.7 - Теплеровская визуализация плоской струи, сформированной соплом, имеющим на выходе два плоских среза, расположенных несимметрично относительно оси сопла с углами, не равными друг другу (вид в направлении, перпендикулярном плоскости плоской струи) (Вариант 2); на фиг.8 - показаны схемы устройства (Вариант 3), где сопло на выходе имеет в продольном сечении сквозной пропил; на фиг.9 - Теплеровская визуализация плоской струи, сформированной соплом, имеющим на выходе сквозной пропил (вид в направлении, перпендикулярном плоскости плоской струи) (Вариант 3); на фиг.10 показана схема устройства (Вариант 4), где сопло выполнено с изогнутой концевой частью и плоским срезом на выходе; на фиг.11 - Теплеровская визуализация конечного разворота течения и процесса взаимодействия плоской струи с напыляемым изделием (вид в направлении, перпендикулярном плоскости плоской струи) (Вариант 4); на фиг.12 показаны фотографии покрытий, полученных звуковым соплом без боковых срезов; на фиг.13 - фотографии покрытий, полученных звуковым соплом с двумя симметричными боковыми срезами с углами α=7,5° без завихрения газопорошковой смеси в форкамере сопла (Вариант 2); фиг.14 - фотографии покрытий, полученных звуковым соплом с двумя симметричными боковыми срезами с углами α=7,5°, с завихрением газопорошковой смеси в форкамере сопла (Вариант 2); на фиг.15 - фотография медного покрытия, нанесенного на внутреннюю цилиндрическую поверхность, полученного соплом, выполненным с изогнутой концевой частью сопла и плоским срезом на выходе (вариант 4).figure 1 shows a diagram of a device for gas-dynamic spraying of powder materials (Option 1), where the nozzle at the exit has a flat cut; figure 2 - Teplerovsky visualization of a plane jet formed by a nozzle having a flat section at the exit (view in the direction perpendicular to the plane of the plane jet); figure 3 shows a diagram of a device for gas-dynamic spraying of powder materials (Option 2), where the nozzle at the exit has two symmetrical flat sections; figure 4 - Tepler imaging of a plane jet formed by a nozzle having two flat sections at the exit, located symmetrically relative to the axis of the nozzle with angles equal to each other (view in the direction perpendicular to the plane of the plane jet) (Option 2); figure 5 - Tepler imaging of a flat jet formed by a nozzle having two flat sections at the exit, located symmetrically relative to the axis of the nozzle with angles equal to each other (view in a direction parallel to the plane of the plane jet) (Option 2); figure 6 shows a diagram of a device for gas-dynamic spraying of powder materials (Option 2), where the nozzle at the exit has two asymmetric flat sections; Fig. 7 - Tepler imaging of a plane jet formed by a nozzle having two flat sections at the exit, located asymmetrically with respect to the nozzle axis with angles not equal to each other (view in the direction perpendicular to the plane of the plane jet) (Option 2); on Fig - shows a diagram of the device (Option 3), where the nozzle at the exit has a longitudinal section through the cut; figure 9 - Teplerovsky visualization of a flat jet formed by a nozzle having a through cut at the exit (view in the direction perpendicular to the plane of the flat jet) (Option 3); figure 10 shows a diagram of the device (Option 4), where the nozzle is made with a curved end part and a flat cut at the exit; figure 11 - Teplerovsky visualization of the final reversal of the flow and the process of interaction of a flat jet with a sprayed product (view in the direction perpendicular to the plane of a flat jet) (Option 4); on Fig shows photographs of coatings obtained by a sound nozzle without side sections; on Fig - photographs of coatings obtained by a sound nozzle with two symmetric side sections with angles α = 7.5 ° without swirling the gas-powder mixture in the nozzle chamber (Option 2); Fig - photographs of coatings obtained by a sonic nozzle with two symmetric side sections with angles α = 7.5 °, with the swirling of the gas-powder mixture in the nozzle chamber (Option 2); on Fig - photograph of a copper coating deposited on the inner cylindrical surface obtained by a nozzle made with a curved end of the nozzle and a flat cut at the exit (option 4).

Представлены схемы предлагаемых вариантов устройств.The schemes of the proposed device options are presented.

На фиг.1 показана схема устройства для осуществления способа напыления варианта 1.Figure 1 shows a diagram of a device for implementing the spraying method of option 1.

Устройство (вариант 1) газодинамического напыления содержит источник сжатого газа 1, пульт управления и контроля параметров напыления 2, дозатор порошка 3, электронагреватель сжатого газа 4, узел подачи порошкового материала 5, соединенный трубопроводом со звуковым соплом постоянного сечения 6, завихритель потока газа 7, размещенный в форкамере сопла 8. Звуковое сопло постоянного сечения на выходе имеет плоский срез (фиг.1).The gas-dynamic spraying device (option 1) comprises a source of compressed gas 1, a control and monitoring panel for spraying parameters 2, a powder dispenser 3, an electric heater of compressed gas 4, a powder material supply unit 5 connected by a pipe to a sound nozzle of constant cross section 6, a gas flow swirl 7, located in the prechamber of the nozzle 8. The sound nozzle of constant cross section at the exit has a flat cut (Fig. 1).

Устройство (вариант 2) газодинамического напыления (фиг.3, 6) содержит источник сжатого газа 1, пульт управления и контроля параметров напыления 2, дозатор порошка 3, электронагреватель сжатого газа 4, узел подачи порошкового материала 5, соединенный трубопроводом со звуковым соплом постоянного сечения 6, завихритель потока газа 7, размещенный в форкамере сопла 8. Звуковое сопло постоянного сечения на выходе имеет два плоских симметричных (фиг.3) и несимметричных (фиг.6) среза на выходе.The device (option 2) of gas-dynamic spraying (Fig. 3, 6) contains a source of compressed gas 1, a control and monitoring panel for spraying parameters 2, a powder dispenser 3, an electric heater for compressed gas 4, a powder material supply unit 5 connected by a pipe with a constant-section sound nozzle 6, a gas flow swirl 7 located in the prechamber of the nozzle 8. The sonic nozzle of constant cross section at the outlet has two symmetrical (section 3) and asymmetric (section 6) exit sections.

Устройство (вариант 3) газодинамического напыления (фиг.8) содержит источник сжатого газа 1, пульт управления и контроля параметров напыления 2, дозатор порошка 3, электронагреватель сжатого газа 4, узел подачи порошкового материала 5, соединенный трубопроводом со звуковым соплом постоянного сечения 6, завихритель потока газа 7, размещенный в форкамере сопла 8. Звуковое сопло на выходе имеет в продольном сечении сквозной пропил заданной конфигурации. Сквозной пропил может быть выбран, например, прямоугольной, треугольной, эллипсовидной формы.The device (option 3) of gas-dynamic spraying (Fig. 8) contains a source of compressed gas 1, a control and monitoring panel for spraying parameters 2, a powder dispenser 3, an electric heater for compressed gas 4, a powder material supply unit 5 connected by a pipe to a sound nozzle of constant cross section 6, a gas flow swirl 7 located in the pre-chamber of the nozzle 8. The sound nozzle at the outlet has a through cut of a given configuration in a longitudinal section. The through cut can be selected, for example, in a rectangular, triangular, elliptical shape.

На фиг.10 показана схема устройства для осуществления способа напыления варианта 4. Устройство содержит источник сжатого газа 1, пульт управления и контроля параметров напыления 2, дозатор порошка 3, электронагреватель сжатого газа 4, узел подачи порошкового материала 5, соединенный трубопроводом со звуковым соплом постоянного сечения 6, завихритель потока газа 7 размещенный в форкамере сопла 8. Звуковое сопло постоянного сечения содержит основную и концевую части сопла с плоским срезом на выходе, при этом ось концевой части сопла расположена относительно оси основной части сопла под углом γ в направлении к обрабатываемой поверхности.Figure 10 shows a diagram of a device for implementing the method of spraying option 4. The device contains a source of compressed gas 1, a control panel for controlling the parameters of the spraying 2, a powder dispenser 3, an electric heater of compressed gas 4, a node for supplying powder material 5, connected by a pipe with a constant sound nozzle section 6, the swirl of the gas flow 7 located in the chamber of the nozzle 8. The sonic nozzle of constant cross section contains the main and end parts of the nozzle with a flat cut at the exit, while the axis of the end part of the nozzle is located relative to the main portion of the nozzle axis at an angle γ towards the surface to be treated.

Устройство газодинамического напыления (вариант 1) работает следующим образом.The gas-dynamic spraying device (option 1) works as follows.

Сжатый газ, например воздух, по пневмопроводу подается в электронагреватель 4, где поток этого газа нагревается до необходимой температуры. Затем нагретый сжатый газ по пневмопроводу подается в форкамеру сопла 8, где в завихрителе 7 формируется закрученный газовый поток. В этот закрученный газовый поток из дозатора порошка 3 через узел подачи порошкового материала 5, в осевом направлении через заднюю стенку форкамеры 8, вводится порошковый материал. Под воздействием закрученного нагретого газового потока частицы порошкового материала вовлекаются в вихревое движение. Закрученная однородная газопорошковая смесь ускоряется в сужающей части звукового сопла 6 и далее до звуковой скорости в цилиндрической части, имеющей на выходе плоский срез (фиг.1) с углом, выбранным в пределах 0 < α < 90° и образующим выходное сечение эллипсовидной формы, при этом температура газопорошковой смеси остается достаточно высокой. Далее закрученная газопорошковая смесь истекает через выходное сечение эллипсовидной формы, где под воздействием избыточного давления (давление на срезе сопла больше давления окружающего воздуха) и центробежных сил газопорошковый поток преобразуется в плоскую веерную струю (см., например, фиг.2). Образовавшаяся плоская веерная струя с большим углом раскрытия β (до 90°) позволяет увеличить ширину полосы напыления 10 на обрабатываемой поверхности 9 за один проход до 25 раз по отношению к диаметру цилиндрического канала сопла.Compressed gas, such as air, is supplied through an air line to an electric heater 4, where the flow of this gas is heated to the required temperature. Then, the heated compressed gas is supplied through a pneumatic pipeline to the pre-chamber of the nozzle 8, where a swirling gas flow is formed in the swirl 7. Powdered material is introduced into this swirling gas stream from the powder dispenser 3 through the powder material supply unit 5, in the axial direction through the rear wall of the prechamber 8. Under the influence of a swirling heated gas stream, particles of powder material are involved in a vortex motion. The swirling homogeneous gas-powder mixture is accelerated in the narrowing part of the sonic nozzle 6 and further to the sound velocity in the cylindrical part having a flat section at the exit (Fig. 1) with an angle selected within 0 <α <90 ° and forming an ellipsoidal exit section, at the temperature of the gas-powder mixture remains quite high. Next, the swirling gas-powder mixture flows through an elliptical outlet section, where under the influence of excessive pressure (the pressure at the nozzle exit is greater than the pressure of the ambient air) and centrifugal forces, the gas-powder flow is converted into a flat fan stream (see, for example, FIG. 2). The resulting flat fan stream with a large opening angle β (up to 90 °) allows to increase the width of the spraying strip 10 on the treated surface 9 in one pass up to 25 times with respect to the diameter of the cylindrical channel of the nozzle.

Устройство газодинамического напыления (вариант 2) работает следующим образом.The gas-dynamic spraying device (option 2) works as follows.

Сжатый газ, например воздух, по пневмопроводу подается в электронагреватель 4, где поток этого газа нагревается до необходимой температуры. Затем нагретый сжатый газ по пневмопроводу подается в форкамеру сопла 8, где в завихрителе 7 формируется закрученный газовый поток. В этот закрученный газовый поток из дозатора порошка 3 через узел подачи порошкового материала 5, в осевом направлении через заднюю стенку форкамеры 8, вводится порошковый материал. Под воздействием закрученного нагретого газового потока частицы порошкового материала вовлекаются в вихревое движение. Закрученная однородная газопорошковая смесь ускоряется в сужающей части звукового сопла 6 и далее в цилиндрической части, имеющей на выходе два симметричных (фиг.3) или два несимметричных (фиг.6) плоских среза с углами, выбранными в пределах 0 < α < 90° и образующими выходные сечения эллипсовидной формы, до звуковой скорости, при этом температура газопорошковой смеси остается достаточно высокой. Далее закрученная газопорошковая смесь истекает через выходные сечения эллипсовидной формы, где под воздействием избыточного давления (давление на срезе сопла больше давления окружающего воздуха) и центробежных сил газопорошковый поток преобразуется в плоскую веерную струю (см., например, фиг.4, 5 и 7), Образовавшаяся плоская веерная струя с большим углом раскрытия β (до 90°) позволяет увеличить ширину полосы напыления 10 на обрабатываемой поверхности 9 за один проход до 25 раз по отношению к диаметру цилиндрического канала сопла.Compressed gas, such as air, is supplied through an air line to an electric heater 4, where the flow of this gas is heated to the required temperature. Then, the heated compressed gas is supplied through a pneumatic pipeline to the pre-chamber of the nozzle 8, where a swirling gas flow is formed in the swirl 7. Powdered material is introduced into this swirling gas stream from the powder dispenser 3 through the powder material supply unit 5, in the axial direction through the rear wall of the prechamber 8. Under the influence of a swirling heated gas stream, particles of powder material are involved in a vortex motion. The swirling homogeneous gas-powder mixture is accelerated in the narrowing part of the sonic nozzle 6 and then in the cylindrical part, which has two symmetrical (3) or two asymmetric (6) flat cuts at the output with angles selected in the range 0 <α <90 ° and forming output sections of an ellipsoidal shape, up to sound speed, while the temperature of the gas-powder mixture remains quite high. Then, the swirling gas-powder mixture flows through elliptical outlet sections, where under the influence of excessive pressure (the pressure at the nozzle exit is greater than the ambient air pressure) and centrifugal forces, the gas-powder flow is converted into a flat fan stream (see, for example, Figs. 4, 5 and 7) , The resulting flat fan stream with a large opening angle β (up to 90 °) allows to increase the width of the spray strip 10 on the treated surface 9 in one pass up to 25 times with respect to the diameter of the cylindrical channel of the nozzle.

В качестве примера на фотографиях (фиг.12, 13 и 14) показаны примеры покрытий, полученных звуковым соплом без боковых срезов (фиг.12), звуковым соплом с двумя симметричными боковыми срезами с углами α=7,5° без завихрения газопорошковой смеси в форкамере сопла (фиг.13) и звуковым соплом с двумя симметричными боковыми срезами с углами α=7,5° с завихрением газопорошковой смеси в форкамере сопла (фиг.14). Напыление проводилось при следующих заданных параметрах: диаметр цилиндрического канала звукового сопла dn=4 мм, длина цилиндрического участка Ln=40 мм, расстояние от среза сопла до подложки lns=50 мм, давление в форкамере перед завихрителем р0=3,0 МПа, температура торможения воздуха в форкамере Т0=673 К. Видно, что ширина полосы напыления равна Нс=13 мм в первом случае (фиг.12), Нс=50 мм во втором случае (фиг.13) и Нc=100 мм в третьем случае (фиг.14).As an example, the photographs (Figs. 12, 13 and 14) show examples of coatings obtained by a sonic nozzle without side sections (Fig. 12), a sonic nozzle with two symmetric side slices with angles α = 7.5 ° without swirling the gas-powder mixture in nozzle prechamber (Fig. 13) and a sonic nozzle with two symmetric side sections with angles α = 7.5 ° with swirling of the gas-powder mixture in the nozzle prechamber (Fig. 14). The spraying was carried out at the following specified parameters: diameter of the cylindrical channel of the sonic nozzle d n = 4 mm, length of the cylindrical section L n = 40 mm, distance from the nozzle exit to the substrate l ns = 50 mm, pressure in the prechamber before the swirler p 0 = 3.0 MPa, air braking temperature in the prechamber T 0 = 673 K. It can be seen that the width of the spraying strip is N s = 13 mm in the first case (Fig. 12), N s = 50 mm in the second case (Fig. 13) and N c = 100 mm in the third case (Fig. 14).

Устройство газодинамического напыления (вариант 3) работает следующим образом.The gas-dynamic spraying device (option 3) works as follows.

Сжатый газ, например воздух, по пневмопроводу подается в электронагреватель 4, где поток этого газа нагревается до необходимой температуры. Затем нагретый сжатый газ по пневмопроводу подается в форкамеру сопла 8, где в завихрителе 7 формируется закрученный газовый поток. В этот закрученный газовый поток из дозатора порошка 3 через узел подачи порошкового материала 5, в осевом направлении через заднюю стенку форкамеры 8, вводится порошковый материал. Под воздействием закрученного нагретого газового потока частицы порошкового материала вовлекаются в вихревое движение. Закрученная однородная газопорошковая смесь ускоряется в сужающей части звукового сопла 6 и далее в цилиндрической части, имеющей на выходе в продольном сечении сквозной пропил (фиг.8) заданной конфигурации: шириной, равной внутреннему диаметру звукового сопла, и глубиной 0,5dn < Lcut < 5dn, где dn - внутренний диаметр сопла, мм, Lcut - глубина пропила, мм, до звуковой скорости, при этом температура газопорошковой смеси остается достаточно высокой. Далее закрученная газопорошковая смесь истекает через образованные пропилом боковые выходные сечения, где под воздействием избыточного давления (давление на срезе сопла больше давления окружающего воздуха) и центробежных сил газопорошковый поток преобразуется в плоскую веерную струю (см., например, фиг.9). Образовавшаяся плоская веерная струя с большим углом раскрытия β (до 90°) позволяет увеличить ширину полосы напыления 10 на обрабатываемой поверхности 9 за один проход до 25 раз по отношению к диаметру цилиндрического канала сопла. Сквозной пропил может быть выбран, например, прямоугольной, треугольной, эллипсовидной формы.Compressed gas, such as air, is supplied through an air line to an electric heater 4, where the flow of this gas is heated to the required temperature. Then, the heated compressed gas is supplied through a pneumatic pipeline to the pre-chamber of the nozzle 8, where a swirling gas flow is formed in the swirl 7. Powdered material is introduced into this swirling gas stream from the powder dispenser 3 through the powder material supply unit 5, in the axial direction through the rear wall of the prechamber 8. Under the influence of a swirling heated gas stream, the particles of the powder material are involved in a swirling motion. The swirling homogeneous gas-powder mixture is accelerated in the narrowing part of the sound nozzle 6 and then in the cylindrical part having a through cut at the exit in the longitudinal section (Fig. 8) of a given configuration: with a width equal to the inner diameter of the sound nozzle and a depth of 0.5d n <L cut <5d n , where d n is the internal diameter of the nozzle, mm, L cut is the cut depth, mm, to sound speed, while the temperature of the gas-powder mixture remains quite high. Then the swirling gas-powder mixture flows through the lateral outlet sections formed by the cut, where under the influence of excessive pressure (the pressure at the nozzle exit is greater than the pressure of the ambient air) and centrifugal forces, the gas-powder flow is converted into a flat fan stream (see, for example, Fig. 9). The resulting flat fan stream with a large opening angle β (up to 90 °) allows to increase the width of the spraying strip 10 on the treated surface 9 in one pass up to 25 times with respect to the diameter of the cylindrical channel of the nozzle. The through cut can be selected, for example, in a rectangular, triangular, elliptical shape.

Устройство газодинамического напыления (вариант 4) работает следующим образом.The gas-dynamic spraying device (option 4) works as follows.

Сжатый газ, например воздух, по пневмопроводу подается в электронагреватель 4, где поток этого газа нагревается до необходимой температуры. Затем нагретый сжатый газ по пневмопроводу подается в форкамеру сопла 8, где в завихрителе 7 формируется закрученный газовый поток. В этот закрученный газовый поток из дозатора порошка 3 через узел подачи порошкового материала 5, в осевом направлении через заднюю стенку форкамеры 8, вводится порошковый материал. Под воздействием закрученного нагретого газового потока частицы порошкового материала вовлекаются в вихревое движение, закрученная однородная газопорошковая смесь ускоряется в сужающей части звукового сопла 6.Compressed gas, such as air, is supplied through an air line to an electric heater 4, where the flow of this gas is heated to the required temperature. Then, the heated compressed gas is supplied through a pneumatic pipeline to the pre-chamber of the nozzle 8, where a swirling gas flow is formed in the swirl 7. Powdered material is introduced into this swirling gas stream from the powder dispenser 3 through the powder material supply unit 5, in the axial direction through the rear wall of the prechamber 8. Under the influence of a swirling heated gas stream, particles of powder material are involved in a swirling motion, a swirling homogeneous powder mixture is accelerated in the narrowing part of the sonic nozzle 6.

И далее ускоренная газопорошковая смесь, проходя через основную (длиной Lg (мм)) и концевую (длиной Lend (мм)) части звукового сопла с изгибом центральной оси на угол γ=30-45° (фиг.10), ускоряется до трансзвуковой скорости. При этом температура газопорошковой смеси остается достаточно высокой. Минимальная длина концевой части определяется из выраженияAnd then the accelerated gas-powder mixture, passing through the main (length L g (mm)) and end (length L end (mm)) parts of the sound nozzle with a bend of the central axis by an angle γ = 30-45 ° (Fig. 10), is accelerated to transonic speed. In this case, the temperature of the gas-powder mixture remains quite high. The minimum length of the end part is determined from the expression

Figure 00000001
Figure 00000001

Например, при γ=45° и α=15° Lmin≈5,2dn, а при γ=45° и α=7,5° Lmin≈11dn.For example, at γ = 45 ° and α = 15 ° L min ≈ 5.2d n , and at γ = 45 ° and α = 7.5 ° L min ≈ 11d n .

Далее закрученная газопорошковая смесь истекает через выходное сечение эллипсовидной формы, где под воздействием избыточного давления (давление на срезе сопла больше давления окружающего воздуха) и центробежных сил газопорошковый поток преобразуется в плоскую несимметричную веерную струю (фиг.11) с углом раскрытия β=40÷60°. Полный угол разворота струи от направления оси основной части сопла составляет 90±15°, после чего поток натекает на обрабатываемую поверхность 9 заданной конфигурации, например плоскую, цилиндрическую. Тем самым обеспечивается возможность нанесения покрытия на труднодоступные или внутренние поверхности под требуемым углом между направлением потока и обрабатываемой поверхностью 9 изделия и качественное нанесение защитного покрытия. Плоская веерная струя обеспечивает увеличение ширины полосы напыления 10 за один проход (до 50 мм).Next, the swirling gas-powder mixture flows through an elliptical outlet section, where under the influence of excessive pressure (the pressure at the nozzle exit is greater than the ambient air pressure) and centrifugal forces, the gas-powder flow is converted into a flat asymmetric fan stream (Fig. 11) with an opening angle β = 40 ÷ 60 °. The full angle of rotation of the jet from the direction of the axis of the main part of the nozzle is 90 ± 15 °, after which the flow flows onto the treated surface 9 of a given configuration, for example, flat, cylindrical. This makes it possible to apply coating to hard-to-reach or internal surfaces at the required angle between the flow direction and the workpiece surface 9 and to provide a high-quality protective coating. A flat fan stream provides an increase in the width of the spraying strip 10 in one pass (up to 50 mm).

Образец медного покрытия, нанесенного на внутреннюю цилиндрическую поверхность, показан на фиг.15. В качестве примера, подтверждающего высокое качество покрытия из медного порошка, нанесенного на внутреннюю поверхность трубы, можно отметить возможность его токарной обработки.A sample of a copper coating deposited on an inner cylindrical surface is shown in FIG. As an example, confirming the high quality of the coating of copper powder deposited on the inner surface of the pipe, we can note the possibility of its turning.

К основным преимуществам данного устройства напыления на поверхности заданной конфигурации следует отнести возможность наносить покрытия с шириной полосы напыления, значительно превосходящей внутренний диаметр звукового сопла, что обеспечивает высокую производительность по площади напыления данного устройства, а также компактность напыляемого устройства, что позволяет использовать его для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность труб достаточно малого диаметра. Минимальный диаметр трубы, в которой можно обеспечить процесс напыления таким устройством, определяется из выражения

Figure 00000002
The main advantages of this spraying device on the surface of a given configuration include the ability to apply coatings with a spraying strip width that significantly exceeds the internal diameter of the sound nozzle, which ensures high productivity over the spraying area of this device, as well as the compactness of the sprayed device, which allows it to be used for coating on the inner surface of the pipes of a sufficiently small diameter. The minimum diameter of the pipe in which the spraying process can be provided with such a device is determined from the expression
Figure 00000002

где δn - толщина стенки звукового сопла. Например, при dn=4 ммwhere δ n is the wall thickness of the sound nozzle. For example, with d n = 4 mm

и γ=45° и α=15° и dmin≈21 мм, а при γ=45° и α=7,5° dmin≈37 мм.and γ = 45 ° and α = 15 ° and d min ≈21 mm, and at γ = 45 ° and α = 7.5 ° d min ≈37 mm

Таким образом, представленные изобретения, а также примеры их реализации обеспечивают расширение технологических возможностей при формировании покрытий, а также позволяют увеличить ширину полосы напыления и снизить себестоимость напыления на изделие.Thus, the presented inventions, as well as examples of their implementation, provide the expansion of technological capabilities in the formation of coatings, and also allow to increase the width of the spraying strip and reduce the cost of spraying on the product.

Claims (6)

1. Способ газодинамического напыления порошковых материалов, включающий нагрев сжатого газа, подачу его в звуковое сопло постоянного сечения, формирование в сопле закрученного газового потока, подачу в поток частиц порошкового материала, ускорение в сопле и нанесение на поверхность, отличающийся тем, что напыление ведут плоской струей газопорошкового потока с углом раскрытия, равным β=40÷90°, который формируют заданной конфигурацией выходного сечения звукового сопла.1. The method of gas-dynamic spraying of powder materials, including heating the compressed gas, supplying it to a constant-velocity sound nozzle, forming a swirling gas stream in the nozzle, feeding powder particles into the stream, accelerating in the nozzle and applying to the surface, characterized in that the spraying is conducted flat a jet of gas powder flow with an opening angle equal to β = 40 ÷ 90 °, which is formed by a given configuration of the output section of the sound nozzle. 2. Устройство газодинамического напыления порошковых материалов, содержащее электронагреватель сжатого газа, звуковое сопло постоянного сечения, узел подачи порошкового материала в сопло, завихритель потока газа, размещенный в форкамере сопла, отличающееся тем, что сопло на выходе имеет плоский срез с углом α относительно оси сопла в пределах 0<α<90° с обеспечением формирования плоской струи газопорошкового потока с углом раскрытия, равным β=40÷90°.2. A device for gas-dynamic spraying of powder materials containing an electric heater of compressed gas, a sound nozzle of constant cross-section, a unit for supplying powder material to the nozzle, a gas flow swirl placed in the nozzle chamber, characterized in that the nozzle at the outlet has a flat cut with an angle α relative to the axis of the nozzle within 0 <α <90 ° with the provision of the formation of a flat jet of gas powder flow with an opening angle equal to β = 40 ÷ 90 °. 3. Устройство газодинамического напыления порошковых материалов, содержащее электронагреватель сжатого газа, звуковое сопло постоянного сечения, узел подачи порошкового материала в сопло, завихритель потока газа, размещенный в форкамере сопла, отличающееся тем, что сопло на выходе имеет два плоских среза, расположенных симметрично или несимметрично относительно оси сопла, так что угол α1, равен углу α2 или углы не равны, и каждый угол находится в пределах 0<α1<90° и 0<α2<90°, где α1, α2, - угол между осью сопла и плоскостью среза, с обеспечением формирования плоской струи газопорошкового потока с углом раскрытия, равным β=40÷90°.3. A device for gas-dynamic spraying of powder materials containing an electric heater of compressed gas, a sound nozzle of constant cross-section, a unit for supplying powder material to the nozzle, a gas flow swirl placed in the nozzle chamber, characterized in that the nozzle at the outlet has two flat sections symmetrically or asymmetrically located relative to the axis of the nozzle, so that the angle α 1 is equal to the angle α 2 or the angles are not equal, and each angle is in the range 0 <α 1 <90 ° and 0 <α 2 <90 °, where α 1 , α 2 , is the angle between the axis of the nozzle and the cut plane, to ensure m-powder forming a flat jet stream with an opening angle equal to β = 40 ÷ 90 °. 4. Устройство газодинамического напыления порошковых материалов, содержащее электронагреватель сжатого газа, звуковое сопло постоянного сечения, узел подачи порошкового материала в сопло, завихритель потока газа, размещенный в форкамере сопла, отличающееся тем, что сопло на выходе имеет сквозной пропил в продольном сечении заданной конфигурации, шириной, равной внутреннему диаметру звукового сопла и глубиной 0,5dn<Lcut<5dn, где dn - внутренний диаметр сопла, Lcut - глубина пропила, с обеспечением формирования плоской струи газопорошкового потока с углом раскрытия, равным β=40÷90°.4. A device for gas-dynamic spraying of powder materials containing an electric heater of compressed gas, a sound nozzle of constant cross section, a unit for supplying powder material to the nozzle, a gas flow swirl placed in the nozzle chamber, characterized in that the nozzle has a through cut in the longitudinal section of a given configuration, width equal to the inner diameter of the sonic nozzle and a depth of 0.5d n <L cut <5d n , where d n is the inner diameter of the nozzle, L cut is the depth of cut, with the formation of a flat jet of gas powder along current with an opening angle equal to β = 40 ÷ 90 °. 5. Способ газодинамического напыления порошковых материалов, включающий нагрев сжатого газа, подачу его в звуковое сопло постоянного сечения, формирование в сопле закрученного газового потока, подачу в поток частиц порошкового материала, ускорение в сопле и нанесение на поверхность, отличающийся тем, что напыление ведут плоской струей газопорошкового потока с углом раскрытия, равным β=40÷60°, который формируют заданной конфигурацией выходного сечения на срезе звукового сопла, при этом для напыления используют сопло с изогнутой под углом γ концевой частью в направлении к обрабатываемой, например, внутренней или труднодоступной поверхности.5. The method of gas-dynamic spraying of powder materials, including heating the compressed gas, supplying it to a constant-velocity sound nozzle, forming a swirling gas stream in the nozzle, supplying powder material particles to the stream, accelerating in the nozzle and applying to the surface, characterized in that the spraying is flat a jet of gas powder flow with an opening angle equal to β = 40 ÷ 60 °, which is formed by a given configuration of the output section at the cut of the sound nozzle, while a nozzle with an angle bent for spraying is used the end portion in the direction to the treated, for example, or inaccessible internal surfaces. 6. Устройство газодинамического напыления порошковых материалов, содержащее электронагреватель сжатого газа, звуковое сопло постоянного сечения, узел подачи порошкового материала в сопло, завихритель потока газа, размещенный в форкамере сопла, отличающееся тем, что сопло на выходе имеет плоский срез с углом α относительно оси сопла в пределах 0<α<90°, при этом ось концевой части сопла расположена относительно оси основной части сопла под углом γ в направлении к обрабатываемой, например, внутренней или труднодоступной поверхности, с обеспечением формирования плоской струи газопорошкового потока с углом раскрытия, равным β=40÷90°. 6. A device for gas-dynamic spraying of powder materials containing an electric heater of compressed gas, a sound nozzle of constant cross-section, a unit for supplying powder material to the nozzle, a gas flow swirl placed in the nozzle chamber, characterized in that the nozzle has a flat cut at the exit with an angle α relative to the axis of the nozzle within 0 <α <90 °, while the axis of the tip of the nozzle is located relative to the axis of the main part of the nozzle at an angle γ in the direction to the machined, for example, internal or hard-to-reach surface, with the formation of a flat jet of a gas-powder stream with an opening angle equal to β = 40 ÷ 90 °.
RU2010140292/02A 2010-10-01 2010-10-01 Method for gas dynamic sputtering of powder materials and device for gas dynamic sputtering of powder materials (versions) RU2468123C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010140292/02A RU2468123C2 (en) 2010-10-01 2010-10-01 Method for gas dynamic sputtering of powder materials and device for gas dynamic sputtering of powder materials (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010140292/02A RU2468123C2 (en) 2010-10-01 2010-10-01 Method for gas dynamic sputtering of powder materials and device for gas dynamic sputtering of powder materials (versions)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010140292A RU2010140292A (en) 2012-04-10
RU2468123C2 true RU2468123C2 (en) 2012-11-27

Family

ID=46031373

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010140292/02A RU2468123C2 (en) 2010-10-01 2010-10-01 Method for gas dynamic sputtering of powder materials and device for gas dynamic sputtering of powder materials (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2468123C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107761092A (en) * 2017-11-08 2018-03-06 新疆亚中易德环保科技有限公司 A kind of aerodynamic force sprays copper alloy coating intensifying method

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2505622C2 (en) * 2012-05-10 2014-01-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) Device for gas-dynamic application of coatings onto external cylindrical surfaces of products

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4933211A (en) * 1988-02-09 1990-06-12 Saint Gobain Vitrage Process and device for coating a substrate with a pulverulent product
DE10119288A1 (en) * 2001-04-20 2002-10-24 Georg Koppenwallner Process for coating surfaces comprises feeding propellant gas and particles through an acceleration path, and releasing the particles and propellant gas with a specified speed and directing onto the surface to be coated
WO2008031185A1 (en) * 2006-09-13 2008-03-20 Doben Limited Nozzle assembly for cold gas dynamic spray system
RU2396371C2 (en) * 2008-07-09 2010-08-10 Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН (ИТПМ СО РАН) Procedure for powder materials gas-dynamic sputtering and device for its implementation (versions)
RU2399694C1 (en) * 2008-12-29 2010-09-20 Учреждение Российской академии наук Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН (ИТПМ СО РАН) Procedure for surface gas-dynamic processing with powder material and facility for its implementation

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4933211A (en) * 1988-02-09 1990-06-12 Saint Gobain Vitrage Process and device for coating a substrate with a pulverulent product
DE10119288A1 (en) * 2001-04-20 2002-10-24 Georg Koppenwallner Process for coating surfaces comprises feeding propellant gas and particles through an acceleration path, and releasing the particles and propellant gas with a specified speed and directing onto the surface to be coated
WO2008031185A1 (en) * 2006-09-13 2008-03-20 Doben Limited Nozzle assembly for cold gas dynamic spray system
RU2396371C2 (en) * 2008-07-09 2010-08-10 Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН (ИТПМ СО РАН) Procedure for powder materials gas-dynamic sputtering and device for its implementation (versions)
RU2399694C1 (en) * 2008-12-29 2010-09-20 Учреждение Российской академии наук Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН (ИТПМ СО РАН) Procedure for surface gas-dynamic processing with powder material and facility for its implementation

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107761092A (en) * 2017-11-08 2018-03-06 新疆亚中易德环保科技有限公司 A kind of aerodynamic force sprays copper alloy coating intensifying method

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010140292A (en) 2012-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1700638B1 (en) Nozzle for cold spray and cold spray apparatus using the same
EP1888803B1 (en) Apparatus for gas-dynamic applying coatings and method of coating
EP2110178A1 (en) Cold gas-dynamic spray nozzle
CN106525627B (en) Supersonic sand-blasting gun
US20100019058A1 (en) Nozzle assembly for cold gas dynamic spray system
WO2008024032A1 (en) Liquid sprayer
RU2145644C1 (en) Method and device for producing coat from powder materials
CA2701886C (en) Two stage kinetic energy spray device
KR20060097411A (en) Nozzle for cold spray and cold spray apparatus using the same
RU2468123C2 (en) Method for gas dynamic sputtering of powder materials and device for gas dynamic sputtering of powder materials (versions)
US9561515B2 (en) Cold gas spraying gun with powder injector
CA2792211C (en) Nozzle for a thermal spray gun and method of thermal spraying
CN1887443A (en) Cold air powered spraying method and device
RU2399694C1 (en) Procedure for surface gas-dynamic processing with powder material and facility for its implementation
US20150239010A1 (en) Method of forming an abradable coating for a gas turbine engine
US20190388186A1 (en) Mixing chamber and handpiece
RU2650471C1 (en) Method of sputtering gas-thermal coatings on inner surfaces and its implementation device
EP2835221B1 (en) Blast processing device and blast processing method
JP3143449B2 (en) Applicator
RU2334827C2 (en) Device for gas dynamic sputtering of powder materials
RU2503745C2 (en) Device for gas dynamic deposition of coating on part inner cylindrical surface
RU2505622C2 (en) Device for gas-dynamic application of coatings onto external cylindrical surfaces of products
RU163644U1 (en) ELECTRIC ARC METALIZATION DEVICE
RU2160640C1 (en) Nozzle of gas-dynamic tool
RU6528U1 (en) GAS-FLAME BURNER FOR SUPERSONIC COATING SPRAYING