RU2505622C2 - Device for gas-dynamic application of coatings onto external cylindrical surfaces of products - Google Patents

Device for gas-dynamic application of coatings onto external cylindrical surfaces of products Download PDF

Info

Publication number
RU2505622C2
RU2505622C2 RU2012119226/02A RU2012119226A RU2505622C2 RU 2505622 C2 RU2505622 C2 RU 2505622C2 RU 2012119226/02 A RU2012119226/02 A RU 2012119226/02A RU 2012119226 A RU2012119226 A RU 2012119226A RU 2505622 C2 RU2505622 C2 RU 2505622C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
channels
sprayed
supersonic
gas
product
Prior art date
Application number
RU2012119226/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012119226A (en
Inventor
Владимир Федорович Косарев
Сергей Владимирович Клинков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки 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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН)
Priority to RU2012119226/02A priority Critical patent/RU2505622C2/en
Publication of RU2012119226A publication Critical patent/RU2012119226A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2505622C2 publication Critical patent/RU2505622C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: device includes a batcher, a supply system of working gas and powder to antechamber (1), a spraying assembly and a longitudinal product movement device. The spraying assembly is made in the form of Ns>1 multichannel circular sections installed along the axis of the sprayed-film product at some distance from each other and fixed relative to each other to the specified angle. Channels formed with flat replaceable inserts (4) are located uniformly along the perimetre of the circular section and form flat supersonic nozzles with the size of the channel in critical section hcr. and opening angle αn, which provide an impingement angle of sprayed particles with the product surface of 60-90° and Mach number at the nozzle section Mex=1-3. Length and width of the supersonic part of the channels provides optimum acceleration of sputtered particles. Selection of the number of channels provides optimum shutoff of supersonic jets immediately at the sprayed-film surface.
EFFECT: enlarging technological and functional capabilities of an application process of coatings onto external cylindrical surfaces of products of different sizes an improving quality of coatings.
2 dwg

Description

Изобретение относится к оборудованию для нанесения покрытий методом холодного газодинамического напыления на внешнюю цилиндрическую поверхность изделий и может быть использовано в машиностроении, авиакосмической технике, в автомобильной промышленности, энергетике, строительстве, нефтегазовой промышленности и других областях хозяйства.The invention relates to equipment for coating by the method of cold gas-dynamic spraying on the outer cylindrical surface of products and can be used in mechanical engineering, aerospace engineering, in the automotive industry, energy, construction, oil and gas industry and other fields of economy.

Известно оборудование для нанесения антикоррозионных покрытий на внешнюю поверхность длинномерных труб холодным газодинамическим напылением (Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое напыление. Теория и практика / Под. Ред. В.М. Фомина. - М.: Физматлит, 2010. с.339-341). Установка работает следующим образом - трубе сообщается вращательное и одновременно поступательное движение и подают ее последовательно через камеры очистки и напыления. В камере очистки поверхность трубы очищается иглофрезами. После камеры очистки труба поступает в камеру напыления, где к этому времени выставлены параметры напыления (давление р0 и температура Т0 торможения газа). При подходе трубы к сопловому узлу включается привод дозатора и происходит процесс напыления на поверхность трубы. При прохождении конца трубы под сопловым узлом, привод дозатора выключается. Частицы порошка, не напыленные на поверхность трубы, утилизируются пылеотсасывающей установкой с последующим возвратом в бункер дозатора.Known equipment for applying anti-corrosion coatings on the outer surface of long pipes with cold gas-dynamic spraying (Alkhimov A.P., Klinkov S.V., Kosarev V.F., Fomin V.M. Cold gas-dynamic spraying. Theory and Practice / Ed. Ed. V.M. Fomina. - M.: Fizmatlit, 2010.S. 339-341). The installation works as follows - a rotational and simultaneous translational motion is communicated to the pipe and it is fed sequentially through the cleaning and spraying chambers. In the cleaning chamber, the surface of the pipe is cleaned with needle cutters. After the cleaning chamber, the pipe enters the spraying chamber, where by this time the spraying parameters are set (pressure p 0 and gas deceleration temperature T 0 ). When the pipe approaches the nozzle assembly, the dispenser drive is switched on and the process of spraying onto the pipe surface occurs. When passing the end of the pipe under the nozzle assembly, the metering drive is turned off. Powder particles not sprayed onto the surface of the pipe are disposed of by a dust suction unit and then returned to the hopper of the dispenser.

Недостатком данного устройства является то, что для получения сплошного слоя покрытия на поверхности трубы, ее необходимо вращать. При этом получается винтообразная дорожка напыления и чтобы получить сплошное покрытие необходимо перекрытие дорожек напыления. Это приводит к тому, что трудно получить равномерность толщины покрытия вдоль оси трубы.The disadvantage of this device is that to obtain a continuous coating layer on the surface of the pipe, it must be rotated. In this case, a spiral-shaped spraying path is obtained, and in order to obtain a continuous coating, overlapping of the spraying paths is necessary. This leads to the fact that it is difficult to obtain a uniform coating thickness along the axis of the pipe.

Известно устройство для нанесения покрытий низкотемпературным газодинамическим методом (патент РФ №2193454, опубл. 27.11.2002; патент РФ №2222640, опубл. 27.01.2004), которое содержит бункер для загрузки порошковой смеси с питателем-дозатором, камеру смешения, систему подачи рабочего газа в камеру смешения и питатель-дозатор, распыливающую головку, в корпусе которой расположен коллектор с кольцевым сверхзвуковым соплом. При этом в корпусе распыливающей головки расположено поворотное устройство, обеспечивающее поворот потока под углом 90° в сторону продольной оси симметрии головки, а в патенте №2222640 на 90±5°. Поворотное устройство сообщено и сопряжено с выходом сверхзвукового кольцевого сопла. Оно имеет форму кольца и выполнено осесимметричным относительно центральной продольной оси головки.A device for coating the low-temperature gas-dynamic method (RF patent No. 2193454, publ. 11/27/2002; RF patent No. 2222640, publ. 01/27/2004), which contains a hopper for loading the powder mixture with a metering feeder, a mixing chamber, a working feed system gas into the mixing chamber and a feeder-dispenser, a spray head, in the housing of which there is a collector with an annular supersonic nozzle. At the same time, a rotary device is located in the housing of the spray head, which ensures rotation of the flow at an angle of 90 ° towards the longitudinal axis of symmetry of the head, and in patent No. 2222640 by 90 ± 5 °. The rotary device is communicated and associated with the output of a supersonic annular nozzle. It has the shape of a ring and is made axisymmetric with respect to the central longitudinal axis of the head.

Недостатком данного устройства является то, что напыляемые частицы приобретают необходимые скорость и температуру в кольцевом сверхзвуковом сопле, а затем в кольцевом поворотном устройстве разворачиваются на 90±5°. При этом частицы неизбежно сталкиваются с поверхностью поворотного устройства, что приводит к потере их скорости. Кроме того, поверхность поворотного устройства в области столкновения с частицами будет эрозионно изнашиваться и, соответственно, изменится форма канала, что приведет к изменению параметров истечения и, как следствие, условий напыления. К этим же последствиям может приводить и обратный эрозионному процесс - осаждение напыляемых частиц на поверхности поворотного устройства.The disadvantage of this device is that the sprayed particles acquire the necessary speed and temperature in the annular supersonic nozzle, and then in the annular rotary device rotate 90 ± 5 °. In this case, the particles inevitably collide with the surface of the rotary device, which leads to a loss of their speed. In addition, the surface of the rotary device in the area of collision with particles will wear out erosively and, accordingly, the shape of the channel will change, which will lead to a change in the flow parameters and, as a consequence, the spraying conditions. The reverse erosion process can also lead to the same consequences - deposition of sprayed particles on the surface of a rotary device.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для нанесения покрытий, содержащее бункер для порошковой смеси с питателем-дозатором, камеру смешения, распыливающую головку, связанную с камерой смешения, и систему подачи рабочего газа в распыливающую головку, снабжено системой подачи газа к питателю-дозатору, который выполнен в виде сверхзвукового питателя-эжектора, а его распыливающая головка выполнена в виде кольцевого коллектора с кольцевым сверхзвуковым соплом (патент РФ №2089665, опубл. 10.09.1997).Closest to the proposed device is a coating device containing a hopper for a powder mixture with a metering feeder, a mixing chamber, a spray head associated with the mixing chamber, and a system for supplying working gas to the spray head, equipped with a gas supply system to the metering feeder, which made in the form of a supersonic ejector-feeder, and its spray head is made in the form of an annular collector with an annular supersonic nozzle (RF patent No. 2089665, publ. 09/10/1997).

Смесь из газа и порошка формируется в пневмосистемах устройства и с необходимыми термодинамическими параметрами поступает в кольцевой коллектор распиливающей головки. Двухфазная смесь, поступив в кольцевой коллектор, ускоряется вдоль профиля кольцевого сопла, и частицы, приобретя расчетную скорость на срезе кольцевого сопла, достигают поверхности проката и формируют покрытие. Расчетная скорость частиц на срезе сопла и их концентрация в двухфазном потоке рассчитывается исходя из скорости проката, площади боковой поверхности изделия и потребной толщины покрытия.A mixture of gas and powder is formed in the pneumatic systems of the device and with the necessary thermodynamic parameters enters the annular manifold of the saw head. The two-phase mixture, entering the annular collector, is accelerated along the profile of the annular nozzle, and the particles, having acquired a design speed at the section of the annular nozzle, reach the rolled surface and form a coating. The estimated particle velocity at the nozzle exit and their concentration in the two-phase flow is calculated based on the rolling speed, the area of the side surface of the product and the required coating thickness.

Формирование сверхзвуковой двухфазной струи и ее параметров достигается в сверхзвуковом кольцевом сопле распыливающей головки. Потребляемый массовый расход порошка однозначно определяет массовый расход рабочего газа. Температура двухфазного газа, определяющая скорость рабочего газа и частиц на срезе сопла, устанавливается родом покрытия и выбирается значительно меньше температуры плавления материала частицы. Массовый расход порошка, проходящего через звуковой питатель-эжектор, определяется параметрами сжатого газа на входе в питатель-эжектор, который плавно регулируется системой подачи газа. Двухфазная смесь, образованная в питателе-эжекторе, поступает в камеру смешения для смешивания с рабочим газом (газом-носителем) и дальнейшей транспортировки в кольцевой коллектор.The formation of a supersonic two-phase jet and its parameters is achieved in a supersonic annular nozzle of the spray head. The mass flow rate of the powder consumed uniquely determines the mass flow rate of the working gas. The temperature of the two-phase gas, which determines the speed of the working gas and particles at the nozzle exit, is set by the kind of coating and much lower than the melting temperature of the particle material is chosen. The mass flow rate of the powder passing through the sonic feeder-ejector is determined by the parameters of the compressed gas at the inlet to the feeder-ejector, which is continuously regulated by the gas supply system. The two-phase mixture formed in the feeder-ejector enters the mixing chamber for mixing with the working gas (carrier gas) and further transportation to the annular collector.

Предлагаемое устройство создает двухфазную газовую смесь (частицы + газ-носитель) с необходимыми газо- и термодинамическими параметрами, обеспечивающими технологичность нанесения покрытий и качество покрытий. Устройство позволяет получать равномерное заданной толщины покрытие по всей поверхности изделия без ее вращения вокруг своей оси.The proposed device creates a two-phase gas mixture (particles + carrier gas) with the necessary gas and thermodynamic parameters, ensuring the manufacturability of coatings and the quality of coatings. The device allows to obtain a uniform predetermined thickness of the coating over the entire surface of the product without its rotation around its axis.

Недостатком данного устройства является то, что такая конструкция сверхзвукового кольцевого сопла имеет существенные ограничения на размер напыляемого изделия. В этом случае, чтобы сопло было сверхзвуковым необходимо соблюсти следующее условие:The disadvantage of this device is that this design of a supersonic annular nozzle has significant limitations on the size of the sprayed product. In this case, in order for the nozzle to be supersonic, the following condition must be met:

Figure 00000001
Figure 00000001

где rex - радиус выходного сечения сопла, Sex - площадь выходного сечения сопла, Scr - площадь критического сечения сопла и Ln - длина сверхзвуковой части сопла.where r ex is the radius of the exit section of the nozzle, S ex is the area of the exit section of the nozzle, S cr is the area of the critical section of the nozzle, and L n is the length of the supersonic part of the nozzle.

В противном случае площадь сверхзвуковой части сопла будет сначала увеличиваться, а затем уменьшаться до выходного сечения. В сверхзвуковом потоке это невозможно. Учитывая, что длина сверхзвуковой части обычно используемых при ХГН сопел (оптимизированых для использования частиц размером 10-30 мкм) составляет около 100 мм и отношение площадей

Figure 00000002
, получим, что диаметр напыляемого проката (dt≈2rex) должен быть более 250 мм. Чтобы наносить покрытия на прокат, например, диаметром 25 мм, необходимо сопло с длиной сверхзвуковой части около 10 мм. Это, в свою очередь, потребует использование частиц размером примерно в 10 раз меньшим (1-3 мкм), чтобы они успели разогнаться до необходимой скорости на таком коротком расстоянии. Дозирование таких частиц представляет значительные сложности. Стоимость таких порошков также значительно возрастает. Отмеченные недостатки накладывают существенные ограничения на использование такой конструкции. Сложная газодинамика сужающейся сверхзвуковой струи на промежутке между срезом сопла и напыляемой поверхностью приведет к появлению скачков уплотнения, что также затруднит процесс напыления.Otherwise, the area of the supersonic part of the nozzle will first increase, and then decrease to the output section. In a supersonic flow this is not possible. Given that the length of the supersonic part of the nozzles commonly used for CGN (optimized for using particles of 10-30 microns in size) is about 100 mm and the area ratio
Figure 00000002
, we obtain that the diameter of the sprayed steel (d t ≈ 2r ex ) should be more than 250 mm. In order to coat the rolled products, for example, with a diameter of 25 mm, a nozzle with a supersonic part length of about 10 mm is necessary. This, in turn, will require the use of particles about 10 times smaller (1-3 microns) in size so that they can accelerate to the required speed at such a short distance. Dosing of such particles is a significant challenge. The cost of such powders also increases significantly. The noted disadvantages impose significant restrictions on the use of such a design. The complex gas dynamics of a narrowing supersonic jet in the gap between the nozzle exit and the sprayed surface will lead to the appearance of shock waves, which will also complicate the spraying process.

Предлагаемым изобретением решается задача расширение технологических и функциональных возможностей процесса нанесения покрытий на внешние цилиндрические поверхности изделий различных размеров без вращения их вокруг своей оси и повышение качества покрытий.The present invention solves the problem of expanding the technological and functional capabilities of the coating process on the outer cylindrical surfaces of products of various sizes without rotating them around its axis and improving the quality of coatings.

Для достижения названного технического результата в предполагаемом устройстве для газодинамического нанесения покрытий на внешние цилиндрические поверхности изделий, содержащем питатель-дозатор, систему подачи рабочего газа и порошка в форкамеру, узел напыления и средство продольного перемещения изделия, новым является то, что узел напыления выполнен в виде Ns кольцевых секций, при этом число секций удовлетворяет условию Ns≥1, установленных вдоль оси напыляемого изделия на расстоянии друг от друга и зафиксированных относительно друг друга на заданный угол, обеспечивающий равномерное нанесение покрытия. При этом каждая секция узла напыления выполнена многоканальной, где каналы образованы плоскими сменными вставками расположенными равномерно по периметру кольцевой секции, образующими плоские сверхзвуковые сопла с размером канала в критическом сечении hcr и углом раскрытия αn, обеспечивающими угол соударения напыляемых частиц с поверхностью изделия 60÷90° и число Маха на срезе сопла М=1÷3, при этом длину (Ln) и ширину (δn) сверхзвуковой части каналов, определяют из соотношений:To achieve the named technical result in the proposed device for gas-dynamic coating on the outer cylindrical surfaces of the products, containing a feeder-dispenser, a system for supplying working gas and powder to the prechamber, a spraying unit and means for longitudinal movement of the product, it is new that the spraying unit is made in the form N s annular sections, wherein the number of sections satisfies condition N s ≥1, arranged along the axis of the sprayed product at a distance from each other and fixed relative Dru other at a predetermined angle, which provides a uniform coating. Moreover, each section of the spraying unit is multichannel, where the channels are formed by flat removable inserts located uniformly around the perimeter of the annular section, forming flat supersonic nozzles with a channel size in the critical section h cr and an opening angle α n that provide an angle of impact of the sprayed particles with the surface of the product 60 ÷ 90 ° and the Mach number at the nozzle exit M ex = 1 ÷ 3, while the length (L n ) and width (δ n ) of the supersonic part of the channels are determined from the relations:

Figure 00000003
Figure 00000003

гдеWhere

Ln - длина сверхзвуковой части каналов, м;L n - the length of the supersonic part of the channels, m;

δn - ширина сверхзвуковой части каналов, м;δ n is the width of the supersonic part of the channels, m;

ρр - плотность материала напыляемого порошка, кг/м3;ρ p - the density of the material of the sprayed powder, kg / m 3 ;

dp - диаметр напыляемых частиц, м,d p - the diameter of the sprayed particles, m,

число каналов определяют из выражения:

Figure 00000004
, гдеthe number of channels is determined from the expression:
Figure 00000004
where

hcr - размер канала в критическом сечении, м;h cr is the channel size in the critical section, m;

αn - угол раскрытия плоских сверхзвуковых сопел, рад;α n is the opening angle of plane supersonic nozzles, rad;

а подачу порошка осуществляют через каналы расположенные соосно соплам.and the powder is supplied through channels located coaxially to the nozzles.

Выполнение узла напыления в виде Ns кольцевых секций, установленных на необходимом расстоянии друг от друга вдоль оси напыляемого изделия и повернутых относительно друг друга на заданный угол, обеспечивает, во-первых, равномерное нанесение покрытия за счет наложения напыленных слоев от различных секций.The implementation of the spraying unit in the form of N s annular sections installed at the required distance from each other along the axis of the sprayed product and rotated relative to each other at a given angle, provides, firstly, uniform coating due to the application of the sprayed layers from different sections.

Например, если мы имеем Ns секций, в каждой из которых Nn каналов, мы должны повернуть каждую последующую секцию относительно предыдущей вокруг оси напыляемого изделия на угол

Figure 00000005
или кратный ему. Во-вторых, изменением числа секций мы можем достичь требуемую толщину покрытия.For example, if we have N s sections, each of which has N n channels, we must rotate each subsequent section relative to the previous one around the axis of the sprayed product by an angle
Figure 00000005
or a multiple to him. Secondly, by changing the number of sections we can achieve the required coating thickness.

То, что каналы расположены равномерно по периметру кольцевой секции, также обеспечивает равномерность толщины покрытия, а то, что они выполнены в виде плоских сверхзвуковых сопел с углом раскрытия αn, обеспечивающем соударение напыляемых частиц с поверхностью под углом 60÷90°, в свою очередь, обеспечивает высокий коэффициент напыления. Для того, чтобы частицы сталкивались с напыляемой поверхностью под углом 60÷90°, необходимо, чтобы выполнялось условие

Figure 00000006
. Из условия задания числа Маха на срезе сопла 1≤Mex≤3 можно получить условие на угол раскрытия плоского сверхзвукового сопла
Figure 00000007
, полученному из условия
Figure 00000008
.The fact that the channels are arranged uniformly around the perimeter of the annular section also ensures uniformity of the coating thickness, and the fact that they are made in the form of flat supersonic nozzles with an opening angle α n , which ensures the impact of the sprayed particles with the surface at an angle of 60 ÷ 90 °, in turn provides a high coefficient of spraying. In order for particles to collide with the sprayed surface at an angle of 60 ÷ 90 °, it is necessary that the condition
Figure 00000006
. From the condition for specifying the Mach number on the nozzle exit 1≤M ex ≤3, we can obtain the condition on the opening angle of a planar supersonic nozzle
Figure 00000007
obtained from the condition
Figure 00000008
.

Выбор длины и ширины сверхзвуковой части каналов по соотношениям Ln=4,35ρpdp±50%, δn=0,065ρpdp±50%, обеспечивает оптимальное ускорение напыляемых частиц и, соответственно, высокое качество покрытия.The choice of the length and width of the supersonic part of the channels according to the ratios L n = 4.35ρ p d p ± 50%, δ n = 0.065ρ p d p ± 50%, provides optimal acceleration of the sprayed particles and, accordingly, high quality coating.

Сменяемость вставок позволяет менять в определенных пределах длину и ширину сверхзвуковой части каналов при неизменных прочих размерах секции и, тем самым, оптимизировать их при смене напыляемого порошка.The interchangeability of the inserts allows changing, within certain limits, the length and width of the supersonic part of the channels with the other dimensions of the section unchanged and, thereby, optimizing them when changing the sprayed powder.

Выбор числа каналов из соотношения:

Figure 00000009
, обеспечивает оптимальное перекрытие сверхзвуковых струй непосредственно у напыляемой поверхности, что исключает возникновение скачков уплотнения, ухудшающих процесс напыления.The choice of the number of channels from the ratio:
Figure 00000009
, provides optimal overlap of supersonic jets directly at the sprayed surface, which eliminates the occurrence of shock waves, worsening the spraying process.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг.1 - схема узла напыления, выполненного в виде связанных между собой двух кольцевых секций;figure 1 - diagram of the spraying unit, made in the form of interconnected two annular sections;

на фиг.2 - схема многоканальной секции узла напыления, вид сбоку по А-А фиг.1.figure 2 is a diagram of a multi-channel section of the spraying unit, a side view along aa of figure 1.

Устройство газодинамического нанесения покрытий на внешнюю цилиндрическую поверхность изделий, содержит средство продольного перемещения изделия, питатель-дозатор, систему подачи рабочего газа и порошка (на чертеже не показаны) в форкамеры 1, кольцевых многоканальных секций 2 узла напыления, установленных на расстоянии друг от друга вдоль оси напыляемого изделия и зафиксированных относительно друг друга на заданный угол; каналы 3, образованные плоскими сменными вставками 4, расположенные равномерно по периметру кольцевой секции; каналы 5 подачи рабочего газа и каналы 6 подачи газопорошковой смеси, расположенные соосно соплам.The device for gas-dynamic coating on the outer cylindrical surface of the product contains a means of longitudinal movement of the product, a feeder-dispenser, a system for supplying working gas and powder (not shown in the drawing) to the pre-chambers 1, ring multichannel sections 2 of the deposition unit, installed at a distance from each other along the axis of the sprayed product and fixed relative to each other at a given angle; channels 3 formed by flat interchangeable inserts 4 located uniformly around the perimeter of the annular section; channels 5 for supplying the working gas and channels 6 for supplying the gas-powder mixture located coaxially with the nozzles.

Предлагаемое устройство для нанесения покрытий на внешнюю цилиндрическую поверхность изделия работает следующим образом.The proposed device for coating the outer cylindrical surface of the product operates as follows.

Сжатый газ, например воздух, по пневмопроводу подается в электронагреватель (на чертеже не показано), где поток этого газа нагревается до необходимой температуры. Далее рабочий газ, имеющий заданную температуру и давление, поступает из электронагревателя газа через каналы 5 в форкамеры 1 многоканальных кольцевых секций 2. Газопорошковая смесь из дозатора порошка через каналы 6, расположенные соосно соплам также поступает в форкамеры. Далее газопорошковая смесь ускоряется в сверхзвуковых частях сопл, приобретает необходимые для напыления параметры и при высокоскоростном натекании образует покрытие 7 на внешней поверхности изделия 8, двигающегося относительно кольцевых секций узла напыления (фиг.1) с заданной скоростью νs.Compressed gas, such as air, is supplied through an air line to an electric heater (not shown in the drawing), where the flow of this gas is heated to the required temperature. Further, the working gas having a predetermined temperature and pressure is supplied from the gas heater through the channels 5 to the prechambers 1 of the multi-channel annular sections 2. The gas-powder mixture from the powder dispenser through the channels 6 located coaxially to the nozzles also enters the prechambers. Next, the gas-powder mixture is accelerated in the supersonic parts of the nozzles, acquires the parameters necessary for spraying, and when high-speed leakage forms a coating 7 on the outer surface of the product 8, moving relative to the annular sections of the spraying unit (Fig. 1) with a given speed ν s .

Чтобы изменить в определенных пределах длину и ширину сверхзвуковой части каналов при неизменных прочих размерах секции и, тем самым, оптимизировать их при смене напыляемого порошка необходимо сменить плоские вставки 4 (фиг.2), открутив крепежные болты 9, убрав вставки, поставив новые и вновь закрутив болты.To change, within certain limits, the length and width of the supersonic part of the channels with the other dimensions of the section unchanged and, thereby, to optimize them when changing the sprayed powder, it is necessary to change the flat inserts 4 (Fig. 2) by unscrewing the fixing bolts 9, removing the inserts, placing new ones and again tightening the bolts.

Множитель перед δn в соотношениях

Figure 00000010
и
Figure 00000011
выбирается из точности поперечного позиционирования движущегося напыляемого изделия при напылении.The factor before δ n in the relations
Figure 00000010
and
Figure 00000011
selected from the accuracy of the transverse positioning of the moving sprayed product during spraying.

Пример 1.Example 1

Нанесение антикоррозионного алюминиевого покрытия толщиной около 150 мкм на поверхность проката в процессе его производства (в потоке).Application of an anti-corrosion aluminum coating with a thickness of about 150 microns on the surface of the rolled metal during its production (in the stream).

Рассчитаем узел напыления для круга диаметром 32 мм, движущегося со скоростью 10 м/с. В качестве напыляемого порошка выберем порошок алюминия со средним размером частиц 10 мкм. По условиям Ln=4,35ρpdp±50%, δn=0,065ρpdp±50% получим Ln≈100 мм и δn=1,75 мм. Множитель перед δn выбираем равным 10 вследствие высокой амплитуды поперечных колебаний проката при его движении. Далее из условий

Figure 00000012
(эквивалентно тому, что частицы сталкиваются с напыляемой поверхностью под углом не менее 60°) и
Figure 00000013
(эквивалентно тому, что число Маха на срезе сопла лежит в диапазоне 1≤Мex≤3) выбираем размер канала в критическом сечении и угол раскрытия сверхзвуковой части сопла. Например, для αn=60° и Мex=2.5 получаем hcr=5,3 мм αn=4,93°. Из уравнения
Figure 00000014
выбираем максимальное число каналов Nn=15. Расход газа через рассчитанную секцию можно найти из выражения
Figure 00000015
, где p0 и Т0 - давление и температура торможения воздуха в форкамере. Для p0=2,0 МПа и Т0=500 K получаем G0=0,495 кг/с. Максимальный расход порошка, который можно использовать без существенного падения параметров рабочего газа должен быть менее половины расхода газа, выбираем Gp=0,20 кг/с. С учетом коэффициента напыления порошка 0,75, получаем среднюю толщину покрытия, напыляемого одной секцией узла напыления δc1≈55 мкм. В итоге, если узел напыления будет состоять из трех секций, повернутых каждая относительно предыдущей вокруг оси напыляемого изделия на угол
Figure 00000016
мы получим требуемую толщину покрытия δс≈150 мкм. Если выбрать число каналов в каждой секции, например, Nn=3, то в этом случае, средняя толщина напыленного одной секцией слоя будет примерно равна 15 мкм. Для получения требуемой толщины покрытия (δс≈150 мкм) нам необходимо применить сопловой узел, состоящий из десяти секций (Ns=10), повернутых каждая относительно предыдущей вокруг оси напыляемого изделия на угол
Figure 00000017
.We calculate the spraying unit for a circle with a diameter of 32 mm, moving at a speed of 10 m / s. As the sprayed powder, we choose aluminum powder with an average particle size of 10 μm. According to the conditions L n = 4.35ρ p d p ± 50%, δ n = 0.065ρ p d p ± 50%, we obtain L n ≈ 100 mm and δ n = 1.75 mm. The factor in front of δ n is chosen equal to 10 due to the high amplitude of the transverse vibrations of the rolling stock during its movement. Further from the conditions
Figure 00000012
(equivalent to particles colliding with the sprayed surface at an angle of at least 60 °) and
Figure 00000013
(equivalent to the fact that the Mach number on the nozzle exit is in the range 1≤M ex ≤3) we select the channel size in the critical section and the opening angle of the supersonic part of the nozzle. For example, for α n = 60 ° and M ex = 2.5 we get h cr = 5.3 mm α n = 4.93 °. From the equation
Figure 00000014
select the maximum number of channels N n = 15. The gas flow through the calculated section can be found from the expression
Figure 00000015
where p 0 and T 0 - pressure and temperature of braking air in the prechamber. For p 0 = 2.0 MPa and T 0 = 500 K, we obtain G 0 = 0.495 kg / s. The maximum powder flow rate that can be used without a significant drop in the working gas parameters should be less than half the gas flow rate, choose G p = 0.20 kg / s. Taking into account the powder spraying coefficient of 0.75, we obtain the average thickness of the coating sprayed by one section of the spraying unit δ c1 ≈55 μm. As a result, if the spraying unit will consist of three sections, each rotated relative to the previous one around the axis of the sprayed product by an angle
Figure 00000016
we obtain the required coating thickness δ with ≈150 μm. If you select the number of channels in each section, for example, N n = 3, then in this case, the average thickness of the layer sprayed by one section will be approximately equal to 15 μm. To obtain the required coating thickness (δ with ≈150 μm), we need to use a nozzle assembly consisting of ten sections (N s = 10), each rotated relative to the previous one around the axis of the sprayed product by an angle
Figure 00000017
.

Таким образом, представленные конструктивные особенности устройства данного изобретения, а также примеры его реализации, обеспечивают расширение технологических и функциональных возможностей процесса нанесения покрытий на внешнюю цилиндрическую поверхность изделий различных размеров без вращения их вокруг своей оси, а также позволяют повысить качество покрытий.Thus, the presented design features of the device of the present invention, as well as examples of its implementation, provide the expansion of technological and functional capabilities of the coating process on the outer cylindrical surface of products of various sizes without rotating them around its axis, and also improve the quality of coatings.

Claims (1)

Устройство для газодинамического нанесения покрытий на внешние цилиндрические поверхности изделий, содержащее питатель-дозатор, систему подачи рабочего газа и порошка в форкамеру, узел напыления и средство продольного перемещения изделия, отличающееся тем, что узел напыления выполнен в виде Ns кольцевых секций, при этом число секций удовлетворяет условию Ns>1, установленных вдоль оси напыляемого изделия на расстоянии друг от друга и зафиксированных относительно друг друга на заданный угол, обеспечивающий равномерное нанесение покрытия, при этом каждая секция узла напыления выполнена многоканальной, причем каналы, образованные плоскими сменными вставками, расположены равномерно по периметру кольцевой секции с образованием плоских сверхзвуковых сопел с размером канала в критическом сечении hcr и углом раскрытия αn, обеспечивающими угол соударения напыляемых частиц с поверхностью изделия 60÷90° и число Маха на срезе сопла Mex=1÷3, а каналы, расположенные соосно соплам, предназначены для подачи порошка, при этом длина (Ln) и ширина (δn) сверхзвуковой части каналов выбрана из соотношений:
Ln=4,35ρpdp±50%, δn=0,065ρpdp±50%,
где Ln - длина сверхзвуковой части каналов, м;
δn - ширина сверхзвуковой части каналов, м;
ρр - плотность материала напыляемого порошка, кг/м3;
dp - диаметр напыляемых частиц, м,
а число каналов - из соотношения:
Figure 00000018

где hcr - размер канала в критическом сечении, м;
αn - угол раскрытия плоских сверхзвуковых сопел, рад.
A device for gas-dynamic coating on the outer cylindrical surfaces of products containing a feeder-dispenser, a system for supplying working gas and powder to the prechamber, a spraying unit and means for longitudinal movement of the product, characterized in that the spraying unit is made in the form of N s ring sections, the number sections satisfies the condition N s > 1, installed along the axis of the sprayed product at a distance from each other and fixed relative to each other at a predetermined angle, providing uniform coating I, each section of the spraying unit is multichannel, and the channels formed by flat interchangeable inserts are located uniformly around the perimeter of the annular section with the formation of flat supersonic nozzles with a channel size in the critical section h cr and an opening angle α n providing an angle of impact of the sprayed particles with the surface of the product is 60 ÷ 90 ° and the Mach number at the nozzle exit M ex = 1 ÷ 3, and the channels located coaxially with the nozzles are designed to supply powder, while the length (L n ) and width (δ n ) of the supersonic part of the channels are selected and h ratios:
L n = 4.35ρ p d p ± 50%, δ n = 0.065ρ p d p ± 50%,
where L n is the length of the supersonic part of the channels, m;
δ n is the width of the supersonic part of the channels, m;
ρ p - the density of the material of the sprayed powder, kg / m 3 ;
d p - the diameter of the sprayed particles, m,
and the number of channels is from the ratio:
Figure 00000018

where h cr is the channel size in the critical section, m;
α n is the opening angle of plane supersonic nozzles, rad.
RU2012119226/02A 2012-05-10 2012-05-10 Device for gas-dynamic application of coatings onto external cylindrical surfaces of products RU2505622C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012119226/02A RU2505622C2 (en) 2012-05-10 2012-05-10 Device for gas-dynamic application of coatings onto external cylindrical surfaces of products

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012119226/02A RU2505622C2 (en) 2012-05-10 2012-05-10 Device for gas-dynamic application of coatings onto external cylindrical surfaces of products

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012119226A RU2012119226A (en) 2013-11-20
RU2505622C2 true RU2505622C2 (en) 2014-01-27

Family

ID=49554978

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012119226/02A RU2505622C2 (en) 2012-05-10 2012-05-10 Device for gas-dynamic application of coatings onto external cylindrical surfaces of products

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2505622C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2681858C2 (en) * 2017-07-25 2019-03-13 Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" Portable device for gas dynamic spray coating

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2087207C1 (en) * 1995-08-14 1997-08-20 Акционерное общество закрытого типа "ТОТЕМ" Apparatus for applying powder coats
RU2089665C1 (en) * 1995-06-23 1997-09-10 Акционерное общество закрытого типа "ТОТЭМ" Device for application of coatings
US6042892A (en) * 1996-10-25 2000-03-28 Pohang Iron & Steel Co., Ltd. Apparatus for coating zinc on steel sheet, and method therefor
EP1390152B1 (en) * 2001-05-29 2007-09-05 Linde Aktiengesellschaft Cold gas spraying method and device
RU2311964C1 (en) * 2006-04-13 2007-12-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") Liquid sprayer
EP2289630A1 (en) * 2009-08-27 2011-03-02 General Electric Company Apparatus and process for depositing coatings
WO2011088818A1 (en) * 2010-01-22 2011-07-28 Mtu Aero Engines Gmbh Device and method for powder spraying at an elevated gas flow speed
RU2010140292A (en) * 2010-10-01 2012-04-10 Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской Академии наук (ИТПМ СО РАН) (RU) METHOD FOR GAS-DYNAMIC SPRAYING OF POWDER MATERIALS AND DEVICE FOR GAS-DYNAMIC SPRAYING OF POWDER MATERIALS (OPTIONS)

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2089665C1 (en) * 1995-06-23 1997-09-10 Акционерное общество закрытого типа "ТОТЭМ" Device for application of coatings
RU2087207C1 (en) * 1995-08-14 1997-08-20 Акционерное общество закрытого типа "ТОТЕМ" Apparatus for applying powder coats
US6042892A (en) * 1996-10-25 2000-03-28 Pohang Iron & Steel Co., Ltd. Apparatus for coating zinc on steel sheet, and method therefor
EP1390152B1 (en) * 2001-05-29 2007-09-05 Linde Aktiengesellschaft Cold gas spraying method and device
RU2311964C1 (en) * 2006-04-13 2007-12-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") Liquid sprayer
EP2289630A1 (en) * 2009-08-27 2011-03-02 General Electric Company Apparatus and process for depositing coatings
WO2011088818A1 (en) * 2010-01-22 2011-07-28 Mtu Aero Engines Gmbh Device and method for powder spraying at an elevated gas flow speed
RU2010140292A (en) * 2010-10-01 2012-04-10 Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской Академии наук (ИТПМ СО РАН) (RU) METHOD FOR GAS-DYNAMIC SPRAYING OF POWDER MATERIALS AND DEVICE FOR GAS-DYNAMIC SPRAYING OF POWDER MATERIALS (OPTIONS)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2681858C2 (en) * 2017-07-25 2019-03-13 Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" Portable device for gas dynamic spray coating

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012119226A (en) 2013-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2261763C1 (en) Device and nozzle for cold powder spraying
RU2213805C2 (en) Method of application of coats made from powder materials and device for realization of this method
US4866240A (en) Nozzle for plasma torch and method for introducing powder into the plasma plume of a plasma torch
JP4989859B2 (en) Cold spray nozzle and cold spray apparatus and method using the same
US4064295A (en) Spraying atomized particles
US3970249A (en) Spraying atomized particles
US20180021793A1 (en) Directional cold spray method
US20100019058A1 (en) Nozzle assembly for cold gas dynamic spray system
RU2145644C1 (en) Method and device for producing coat from powder materials
EP2110178A1 (en) Cold gas-dynamic spray nozzle
US9561515B2 (en) Cold gas spraying gun with powder injector
RU2505622C2 (en) Device for gas-dynamic application of coatings onto external cylindrical surfaces of products
CN1887443A (en) Cold air powered spraying method and device
CN102527542A (en) Nozzle for use with a spray coating gun
CA2792211C (en) Nozzle for a thermal spray gun and method of thermal spraying
RU2399694C1 (en) Procedure for surface gas-dynamic processing with powder material and facility for its implementation
WO2007091102A1 (en) Kinetic spraying apparatus and method
TW201544193A (en) Film formation apparatus
RU2353705C2 (en) Method ofgas-dynamic sputtering of powder materials and facility for its realisation
RU2503745C2 (en) Device for gas dynamic deposition of coating on part inner cylindrical surface
RU2650471C1 (en) Method of sputtering gas-thermal coatings on inner surfaces and its implementation device
RU2468123C2 (en) Method for gas dynamic sputtering of powder materials and device for gas dynamic sputtering of powder materials (versions)
RU2334827C2 (en) Device for gas dynamic sputtering of powder materials
RU2229944C2 (en) Apparatus for gasodynamic applying of coatings of powder materials
RU2222639C2 (en) The device for deposition of coatings on the internal surfaces of items