RU2650471C1 - Method of sputtering gas-thermal coatings on inner surfaces and its implementation device - Google Patents
Method of sputtering gas-thermal coatings on inner surfaces and its implementation device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2650471C1 RU2650471C1 RU2017106606A RU2017106606A RU2650471C1 RU 2650471 C1 RU2650471 C1 RU 2650471C1 RU 2017106606 A RU2017106606 A RU 2017106606A RU 2017106606 A RU2017106606 A RU 2017106606A RU 2650471 C1 RU2650471 C1 RU 2650471C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nozzle
- supersonic
- main
- phase flow
- additional
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
- C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
- C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
- C23C4/126—Detonation spraying
Abstract
Description
Изобретения относятся к технике и технологии напыления газотермических покрытий при помощи сверхзвуковой газовой струи и могут быть широко использованы в машиностроении, авиационной и ракетно-космической технике, станкостроении, нефтегазодобывающей промышленности, энергетике, в городских сетях и т.д.The invention relates to techniques and technologies for spraying gas-thermal coatings using a supersonic gas jet and can be widely used in mechanical engineering, aviation and rocket and space technology, machine tool industry, oil and gas industry, energy, urban networks, etc.
Несмотря на широкое распространение газотермических методов напыления и различных устройств для их реализации, нанесение покрытий на внутренние поверхности, особенно имеющие малые размеры и большую протяженность, вызывает технические затруднения, причиной которых во всех случаях является недостаточная кинетическая энергия частиц при соударении с обрабатываемой поверхностью.Despite the widespread use of thermal spraying methods and various devices for their implementation, coating on internal surfaces, especially those of small size and great length, causes technical difficulties, the cause of which in all cases is the insufficient kinetic energy of the particles upon impact with the treated surface.
Известны два способа для напыления покрытий на внутренние поверхности, которые реализуются разработанными для них устройствами.Two methods are known for spraying coatings on internal surfaces, which are realized by devices developed for them.
Первый способ заключается в ускорении двухфазного потока частиц в направлении, изначально перпендикулярном обрабатываемой внутренней поверхности и не требующем поворота двухфазного потока. Далее в результате столкновения частиц с поверхностью формируется слой покрытия.The first method is to accelerate the two-phase flow of particles in a direction that is initially perpendicular to the machined inner surface and does not require the rotation of the two-phase flow. Further, as a result of the collision of particles with the surface, a coating layer is formed.
Данный способ реализуется следующими устройствами.This method is implemented by the following devices.
Известно устройство для холодного газодинамического напыления (ХГН), описанное в [Установка для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубы: Патент RU 2075535, м.кл. C23C 4/16 /Алхимов А.П.; Гуляев В.П.; Демчук А.Ф. и др.] и представляющее собой закрепленное на штанге сопло Лаваля, в которое подается порошковый материал, причем ось сопла Лаваля расположена перпендикулярно оси обрабатываемой трубы. В состав устройства также входит узел подогрева газа и шаровая опора, определяющая дистанцию от среза сопла Лаваля до напыляемой поверхности. Очевидно, что внутренний диаметр напыляемой трубы не может быть меньше суммы полной длины сопла Лаваля и дистанции до напыляемой поверхности. При этом, учитывая, что дистанция напыления на практике составляет не менее 10-20 мм, длина дозвукового участка сопла не менее 20 мм, а длина сверхзвукового (разгонного) участка сопла – не менее 50 мм, минимальный обрабатываемый диаметр трубы для такого устройства составит 80÷90 мм.A device for cold gas-dynamic spraying (CGN), described in [Installation for coating the inner surface of the pipe: Patent RU 2075535, mcl C23C 4/16 / Alkhimov A.P .; Gulyaev V.P .; Demchuk A.F. and others.] and which is a Laval nozzle fixed to the rod, into which powder material is fed, the axis of the Laval nozzle being perpendicular to the axis of the pipe being processed. The device also includes a gas heating unit and a ball joint, which determines the distance from the cut of the Laval nozzle to the sprayed surface. Obviously, the inner diameter of the sprayed pipe cannot be less than the sum of the total length of the Laval nozzle and the distance to the sprayed surface. Moreover, given that the spraying distance in practice is at least 10-20 mm, the length of the subsonic nozzle section is at least 20 mm, and the length of the supersonic (accelerated) nozzle section is at least 50 mm, the minimum pipe diameter to be processed for such a device will be 80 ÷ 90 mm.
Известно устройство для плазменного напыления покрытий на внутренние поверхности [Способ напыления покрытия на внутреннюю поверхность изделий трубчатой формы: Патент RU 2186148, м.кл. C23C 4/16 /Дубов Е.И.; Болкисев С.А.; Клубникин В.С.] представляет собой закрепленный на длинной штанге плазмотрон, ось которого образует с осью трубы угол 55°. Напыление покрытия под таким углом, близким к критическому значению (как правило, близкому к 45°), существенно снижает качество покрытия, его прочностные характеристики, увеличивает его пористость и шероховатость. При этом диаметр трубы, который был обработан таким способом, составлял 57 мм.A device for the plasma spraying of coatings on internal surfaces [Method of spraying a coating on the inner surface of tubular products: Patent RU 2186148, m.cl. C23C 4/16 / Dubov E.I .; Bolkisev S.A .; Klubnikin V.S.] is a plasmatron fixed on a long rod, the axis of which forms an angle of 55 ° with the axis of the pipe. Spraying the coating at such an angle close to the critical value (as a rule, close to 45 °), significantly reduces the quality of the coating, its strength characteristics, and increases its porosity and roughness. The diameter of the pipe that was processed in this way was 57 mm.
Общим недостатком в перечисленных устройствах является недостаточная длина разгонного участка двухфазного потока. При использовании разгонного участка малой длины кинетическая энергия частиц порошка не сможет обеспечить таких же свойств покрытия, как при использовании длинного сопла для напыления на наружные поверхности при равных энергетических параметрах газового потока. Такое покрытие будет обладать меньшей адгезионной и когезионной прочностью, а также большей пористостью. При увеличении длины разгонного участка способ не обеспечивает обработку поверхностей отверстий малых диаметров.A common drawback in these devices is the insufficient length of the upper stage of the two-phase flow. When using the accelerating section of a short length, the kinetic energy of the powder particles cannot provide the same coating properties as when using a long nozzle for spraying onto external surfaces with equal energy parameters of the gas flow. Such a coating will have less adhesive and cohesive strength, as well as greater porosity. When increasing the length of the starting section, the method does not provide surface treatment for holes of small diameters.
Второй способ нанесения покрытий на внутренние поверхности, наиболее близкий к заявляемому, заключается в том, что двухфазный поток, состоящий из газа и частиц твердого или жидкого материала, формируется в направлении, параллельном оси обрабатываемой внутренней цилиндрической поверхности с последующим поворотом двухфазного потока в направлении, близком к нормали к обрабатываемой поверхности.The second method of coating internal surfaces, which is closest to the claimed one, is that a two-phase stream consisting of gas and particles of solid or liquid material is formed in a direction parallel to the axis of the treated inner cylindrical surface with subsequent rotation of the two-phase stream in a direction close normal to the surface to be treated.
Известен ряд устройств, реализующих данный способ.A number of devices that implement this method are known.
Устройство, представленное в [Устройство для нанесения покрытий на внутренние поверхности деталей: Патент RU 2194091, м.кл. C23C 24/04 /Никитин П.В.; Смолин А.Г.], имеет в своей конструкции распыляющую головку, выполненную в виде продольного сверхзвукового сопла с возможностью протяжки вдоль оси сопла детали со скоростью V, отличающееся тем, что сверхзвуковое сопло выполнено с поворотным устройством, обеспечивающим поворот потока на 90° в сторону от оси детали. При этом очевидно, что сверхзвуковая часть сопла Лаваля с плавным изгибом оси не может обеспечить поворот потока частиц без их удара и скольжения по стенке сопла на поворотном участке. Кроме того, плавный поворот сверхзвуковой части сопла неизбежно приведет к формированию в нем сложной системы скачков уплотнения, приводящих к переходу течения от сверхзвукового режима в дозвуковой. Как следствие, скорость частиц снизится, во-первых, вследствие снижения в скачках уплотнения скорости потока ускоряющего частицы газа, а, во-вторых, в результате передачи части кинетической, а также тепловой энергии стенке сопла в результате соударения с ней частиц.The device presented in [Device for coating on the inner surfaces of parts: Patent RU 2194091, m.cl. C23C 24/04 / Nikitin P.V .; Smolin A.G.], has in its design a spray head made in the form of a longitudinal supersonic nozzle with the possibility of drawing parts along the nozzle axis at a speed V, characterized in that the supersonic nozzle is made with a rotary device, providing a 90 ° flow turn to the side from the axis of the part. It is obvious that the supersonic part of the Laval nozzle with a smooth bending of the axis cannot ensure the rotation of the particle flow without impact and sliding along the nozzle wall in the rotary section. In addition, a smooth rotation of the supersonic part of the nozzle will inevitably lead to the formation in it of a complex system of shock waves, leading to the transition of the flow from the supersonic regime to the subsonic one. As a result, the particle velocity will decrease, firstly, due to a decrease in the flow velocity of the accelerating gas particles in the shock waves, and, secondly, as a result of the transfer of part of the kinetic as well as thermal energy to the nozzle wall as a result of collision of particles.
В результате устройство не сможет обеспечить достаточную для качественного напыления кинетическую энергию частиц при их соударении с напыляемой поверхностью, являющуюся определяющим энергетическим параметром процесса формирования покрытия. Кроме того, распыляющая головка имеет осесимметричную форму, что препятствует эффективному отводу газового потока из зоны напыления, что негативно влияет на работу сопла, поскольку повышение давления в зоне напыления приведет к нерасчетному режиму работы сопла и снижению скорости истечения двухфазного потока.As a result, the device cannot provide the kinetic energy of particles sufficient for high-quality spraying when they collide with the sprayed surface, which is the determining energy parameter of the coating formation process. In addition, the spray head has an axisymmetric shape, which prevents the effective removal of the gas stream from the spray zone, which negatively affects the nozzle, since an increase in pressure in the spray zone will lead to an off-design mode of the nozzle and a decrease in the rate of two-phase flow.
Аналогичную конструкцию имеет устройство, представленное в [Устройство для нанесения покрытий из порошковых материалов: Патент RU 2087207, м.кл. B05B 7/14, C23C 24/04, B05B 7/20, C23C 4/00 / Дикун Ю.В.], где применяется сверхзвуковой разгонный участок сопла, в котором предполагается поворот газового потока от направления, совпадающего с осью напыляемой изнутри цилиндрической детали, до направления, перпендикулярного ее оси. При этом устройство также выполнено осесимметричным. Очевидно, что газовый поток будет неравномерным на выходе из такого сопла, его плотность будет выше у дальней стенки, а при повороте потока так же, как и в предыдущем примере, будут возникать скачки уплотнения. Так же, как и газовая фаза, поток напыляемых частиц, обладающей большей, чем газ, инерцией, будет сталкиваться с дальней по потоку стенкой сопла, теряя кинетическую энергию и замедляясь. Таким образом, два последних устройства имеют общие недостатки. Кроме того, в силу своей осевой симметрии область их применения ограничена только напылением цилиндрических внутренних поверхностей достаточно большого диаметра.A similar design has the device presented in [Device for coating of powder materials: Patent RU 2087207, mcl B05B 7/14, C23C 24/04, B05B 7/20, C23C 4/00 / Dikun Yu.V.], where a supersonic accelerating section of the nozzle is used, in which the gas flow is supposed to turn from the direction coinciding with the axis of the cylindrical part sprayed from the inside to a direction perpendicular to its axis. Moreover, the device is also made axisymmetric. Obviously, the gas flow will be uneven at the exit of such a nozzle, its density will be higher at the far wall, and when the flow is rotated, as in the previous example, compression shocks will occur. As well as the gas phase, the flow of sprayed particles, which has more inertia than gas, will collide with the nozzle wall upstream, losing kinetic energy and slowing down. Thus, the last two devices have common disadvantages. In addition, due to its axial symmetry, the scope of their application is limited only by spraying cylindrical internal surfaces of a sufficiently large diameter.
Известно устройство [Способ газотермического нанесения покрытий на внутренние поверхности отверстий: Патент RU 2288042, м.кл. B05D 1/08, B05D 7/22, B05B 13/06, D05C 7/02 / Гончаров В.С.; Гончаров М.В.; Криштал М.М. и др.], включающее сопло и конический отражающий элемент, который расположен соосно с напыляемой поверхностью, и вращается вокруг своей оси. Двухфазный поток из сопла, расположенного параллельно оси напыляемой внутренней цилиндрической поверхности, направляется навстречу коническому отражающему элементу, что обеспечивает отражение потока частиц и направление их на напыляемую поверхность под некоторым углом. В данном устройстве за счет удара частиц о поверхность отражающего элемента теряется значительная часть кинетической энергии частиц, которая необходима для формирования покрытия, что отрицательно сказывается на их качестве. Кроме того, возможно налипание частиц на поверхность отражающего элемента или его чрезмерный износ в результате соударений. Вращение отражающего элемента усложняет конструкцию, охлаждение такого элемента затруднительно. Кроме того, конструкция не обеспечивает обработку глухих отверстий и поверхностей нецилиндрической формы.A device is known [Method of thermal spray coating on the inner surface of the holes: Patent RU 2288042, mcl B05D 1/08, B05D 7/22,
Известно также устройство [Устройство для газотермического напыления покрытия на внутреннюю цилиндрическую поверхность: Патент BY 8259, м.кл. B05B 7/16 /Яркович А.М.; Хроленок В.В.], включающее многосопловой наконечник для подачи горючей смеси, наружная поверхность которого выполнена в виде параболического конуса, оси сопел которого перпендикулярны его наружной поверхности, и расположенный соосно с ним патрубок для подачи порошка, позиционирующий и регулирующий механизм для изменения расстояния между многосопловым наконечником и патрубком для подачи порошка, расположенный со стороны вершины многосоплового наконечника.A device is also known [Device for gas-thermal spraying of a coating on an inner cylindrical surface: Patent BY 8259, m.cl. B05B 7/16 / Yarkovich A.M .; Khrolenok VV], including a multi-nozzle tip for supplying a combustible mixture, the outer surface of which is made in the form of a parabolic cone, the axis of the nozzles of which are perpendicular to its outer surface, and a nozzle for powder supply located coaxially with it, a positioning and regulating mechanism for changing the distance between a multi-nozzle tip and a powder supply nozzle located on the top side of the multi-nozzle tip.
Недостатком данного устройства является то, что многосопловой наконечник не имеет равномерного и однородного потока вблизи поверхности параболического конуса, и движущийся навстречу поток частиц будет ускорен и повернут неравномерно. Кроме того, разгон потока частиц осуществляется вне сопел, составляющих многосопловой насадок, и поэтому не является эффективным. Конструкция устройства не позволяет обрабатывать глухие отверстия, поскольку требует доступ к отверстию с противоположных сторон.The disadvantage of this device is that the multi-nozzle tip does not have a uniform and uniform flow near the surface of the parabolic cone, and the moving particle flow will be accelerated and rotated unevenly. In addition, the acceleration of the particle stream is carried out outside the nozzles that make up the multi-nozzle nozzles, and therefore is not effective. The design of the device does not allow to process blind holes, since it requires access to the hole from opposite sides.
Недостатки, присущие устройствам, реализующим второй указанный способ, сводятся к тому, что при повороте двухфазного потока происходит либо трение частиц о стенки сопла либо их столкновение со стенками, в том числе многократные, что приводит к снижению кинетической энергии частиц напыляемого материала и ухудшению физико-механических характеристик покрытия. Кроме того, реализация этого способа в различных вариантах известных устройств не обеспечивает сверхзвуковое истечение потока, поскольку скорость потока снижается до дозвуковых величин в скачках уплотнения, неизбежно присутствующих при плавном повороте сверхзвуковых потоков.The disadvantages inherent in devices that implement the second specified method are that when the two-phase flow is rotated, either the particles friction against the nozzle walls or collide with the walls, including multiple ones, which leads to a decrease in the kinetic energy of the particles of the sprayed material and the physical mechanical characteristics of the coating. In addition, the implementation of this method in various embodiments of the known devices does not provide supersonic flow outflow, since the flow velocity decreases to subsonic values in the shock waves, which are inevitably present during a smooth rotation of supersonic flows.
Известен способ и устройство для его реализации, описанные в [Способ газодинамического напыления порошковых материалов и устройство для газодинамического напыления порошковых материалов (варианты): Патент RU 2468123 м.кл. C23C 24/04 /Косарев В.Ф.; Зайковский В.Н.; Меламед Б.М. и др.].A known method and device for its implementation, described in [Method of gas-dynamic spraying of powder materials and a device for gas-dynamic spraying of powder materials (options): Patent RU 2468123 mcl C23C 24/04 / Kosarev V.F .; Zaykovsky V.N .; Melamed B.M. and etc.].
В данной работе описан 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 40÷90°, который формируют заданной конфигурацией выходного сечения звукового сопла.This paper describes a method for gas-dynamic spraying of powder materials, including heating 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 lead a flat stream of gas-powder flow with an opening angle equal to 40 ÷ 90 °, which is formed by a given configuration of the output section of the sound nozzle.
Для реализации данного способа предлагается вариант устройства газодинамического напыления порошкового материала, содержащего электронагреватель сжатого газа, звуковое сопло постоянного сечения, узел подачи порошкового материала в сопло, которое на выходе является плоским и может быть выполнено с различными симметричными или асимметричными вариантами косого среза, обеспечивающими формирование плоской струи газопорошкового потока с углом раскрытия, равным 40÷90° и направленным симметрично или асимметрично относительно оси сопла. Таким образом, за счет асимметричного среза сопла и наличия в некоторых вариантах исполнения устройства плоских боковых стенок осуществляется отклонение оси двухфазного потока от первоначального направления.To implement this method, a variant of a device for gas-dynamic spraying of a powder material containing an electric heater of compressed gas, a sound nozzle of constant cross-section, a node for supplying powder material to the nozzle, which is flat at the exit and can be made with various symmetric or asymmetric options for oblique cut, ensuring the formation of a flat jets of gas powder flow with an opening angle equal to 40 ÷ 90 ° and directed symmetrically or asymmetrically with respect to the axis of the nozzle. Thus, due to the asymmetric cut of the nozzle and the presence in some embodiments of the device of the flat side walls, the axis of the two-phase flow is deflected from the original direction.
К недостаткам данного способа и устройства относится то, что несмотря на эффективный безударный поворот двухфазного потока, невозможно обеспечить приемлемый угол падения частиц напыляемого материала на внутреннюю напыляемую поверхность, вследствие чего ни один из представленных вариантов исполнения устройства не обеспечивает возможности нанесения покрытия на внутренние поверхности. Дополнительным недостатком является то, что скорость потока в устройстве, реализующем способ напыления, по данным авторов, не превышает величины числа Маха М=1, что является в большинстве случаев недостаточным для напыления.The disadvantages of this method and device include the fact that despite the effective shockless rotation of the two-phase flow, it is impossible to provide an acceptable angle of incidence of the particles of the sprayed material on the internal sprayed surface, as a result of which none of the presented embodiments of the device provides the possibility of coating the internal surfaces. An additional disadvantage is that the flow rate in the device that implements the spraying method, according to the authors, does not exceed the Mach number M = 1, which in most cases is insufficient for spraying.
Наиболее близким по своей сути техническим решением являются способ и устройство для его реализации, описанные в источнике US 2007181714 (опубл. 09.08.2007), где сопловой блок представляет собой трубку с сужением и последующим расширением во входной части, которая согласно схеме выполнена с изгибом под углом 90°. При этом с внешней стороны изгиба расположены дополнительные отверстия для подвода газа. Данное устройство реализует способ, заключающийся в том, что двухфазный поток, состоящий из газа и частиц твердого или жидкого материала, формируется в направлении, параллельном оси предполагаемой внутренней цилиндрической поверхности с последующим поворотом двухфазного потока в направлении, близком к нормали к обрабатываемой поверхности.The closest technical solution in essence is the method and device for its implementation, described in the source US 2007181714 (publ. 09.08.2007), where the nozzle block is a tube with a narrowing and subsequent expansion in the input part, which according to the scheme is made with a bend under angle of 90 °. At the same time, additional openings for gas supply are located on the outside of the bend. This device implements a method in which a two-phase stream consisting of gas and particles of solid or liquid material is formed in a direction parallel to the axis of the proposed inner cylindrical surface, followed by rotation of the two-phase stream in a direction close to the normal to the surface being treated.
Недостатком прототипа является то, что данное устройство и реализуемый на нем способ не может обеспечить сверхзвуковое истечение двухфазного потока, исключающее соударения частиц напыляемого материала с поверхностью участка трубы на изгибе, поскольку плавный поворот потока предполагает снижение скорости потока до дозвуковых величин в скачках уплотнения, неизбежно присутствующих при плавном повороте сверхзвуковых потоков. Кроме того, газовые потоки, поступающие через дополнительные отверстия на изгибе трубы, препятствуют расширению и ускорению двухфазного потока на разгонном участке трубы соплового блока. Наличие дополнительных отверстий для подвода газа в соответствии с приведенной в прототипе схемой, предполагает увеличение габаритов устройства и, соответственно, невозможность использования его для обработки отверстий малого диаметра. Причем выполнение каналов с постоянным сечением, подводящих потоки газа через дополнительные отверстия, не обеспечивает ввод газа в основной поток со сверхзвуковой скоростью, поскольку подводящие каналы не имеют сужающихся и расширяющихся участков. Таким образом, указанные недостатки препятствуют формированию сверхзвукового двухфазного потока, что снижает качество получаемого покрытия.The disadvantage of the prototype is that this device and the method implemented on it cannot provide supersonic outflow of a two-phase flow, eliminating the collision of particles of the sprayed material with the surface of the pipe section in bending, since a smooth rotation of the flow involves reducing the flow rate to subsonic values in the shock waves, inevitably present with a smooth rotation of supersonic flows. In addition, the gas flows entering through additional openings on the bend of the pipe prevent the expansion and acceleration of the two-phase flow in the upper section of the pipe nozzle block. The presence of additional holes for supplying gas in accordance with the scheme shown in the prototype implies an increase in the dimensions of the device and, consequently, the inability to use it for processing holes of small diameter. Moreover, the implementation of channels with a constant cross-section, supplying gas flows through additional holes, does not provide gas entry into the main stream at a supersonic speed, since the supply channels do not have tapering and expanding sections. Thus, these disadvantages prevent the formation of a supersonic two-phase flow, which reduces the quality of the resulting coating.
Задача, на решение которой направлена группа изобретений, – расширение технологических возможностей способа и устройства газотермического напыления покрытий на сквозные и глухие внутренние поверхности с устранением недостатков прототипа. The task to which the group of inventions is directed is to expand the technological capabilities of the method and device for the thermal spraying of coatings on through and deaf internal surfaces with the elimination of the disadvantages of the prototype.
Технический результат: поворот двухфазного потока на угол, близкий к нормали к напыляемой внутренней поверхности, сопровождающийся ускорением двухфазного потока до сверхзвукового, исключение столкновений напыляемых частиц со стенками соплового блока благодаря выполнению соплового блока в форме плоского сверхзвукового основного сопла прямоугольного или трапецеидального сечения с косым срезом, в которое совместно с газовым потоком подается применяемый для напыления порошковый материал, а также наличия одного или нескольких плоских сверхзвуковых дополнительных сопел прямоугольного или трапецеидального сечения для газового потока, каждое из которых последовательно поворачивает двухфазный поток на определенный угол в результате смешения основного двухфазного потока и дополнительных газовых потоков на их сверхзвуковых участках за счет того, что задняя стенка сверхзвукового участка каждого дополнительного сопла направлена под углом к текущему направлению основного потока таким образом, что увеличивает отклонение результирующего потока от первоначального состояния в направлении, близком к нормали к напыляемой поверхности.Technical result: rotation of the two-phase flow at an angle close to the normal to the sprayed inner surface, accompanied by acceleration of the two-phase flow to supersonic, elimination of collisions of the sprayed particles with the walls of the nozzle block due to the execution of the nozzle block in the form of a flat supersonic main nozzle of a rectangular or trapezoidal section with an oblique cut, into which the powder material used for spraying, as well as the presence of one or more flat supersonic additional nozzles of rectangular or trapezoidal cross section for a gas stream, each of which sequentially rotates the two-phase stream by a certain angle as a result of mixing the main two-phase stream and additional gas flows in their supersonic sections due to the fact that the rear wall of the supersonic section of each additional nozzle is angled to the current direction of the main stream in such a way that increases the deviation of the resulting stream from the original state action in a direction close to the normal to the sprayed surface.
Дополнительный технический результат - возможность минимизировать габариты соплового блока, что обеспечивает нанесение покрытий в отверстиях малого диаметра и большой протяженности, а также на внутренних поверхностях неправильной формы.An additional technical result is the ability to minimize the dimensions of the nozzle block, which provides coating in the holes of small diameter and large length, as well as on the internal surfaces of irregular shape.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в способ напыления газотермических покрытий на внутренние поверхности, включающий подачу частиц напыляемого материала в газовый поток, ускорение полученного двухфазного потока в сопловом блоке и нанесение покрытия на внутреннюю поверхность изделия в направлении, близком к нормали к напыляемой поверхности, согласно изобретению внесены следующие новые признаки:These technical results are achieved by the fact that in the method of spraying gas-thermal coatings on the internal surfaces, including feeding particles of the sprayed material into the gas stream, accelerating the obtained two-phase flow in the nozzle block and coating the inner surface of the product in a direction close to the normal to the sprayed surface, according to The invention introduced the following new features:
- газовый поток разделяют на основной и один или несколько дополнительных газовых потоков;- the gas stream is divided into the main and one or more additional gas streams;
- после подачи частиц порошкового материала путем ввода в основной поток газа на дозвуковом участке основного сопла соплового блока и достижения сверхзвуковой скорости двухфазного потока на него воздействуют дополнительно одним или последовательно несколькими газовыми сверхзвуковыми потоками, при этом первый дополнительный поток направлен под углом к основному двухфазному потоку, а каждый из последующих дополнительных потоков направлен под углом к предыдущему дополнительному газовому потоку таким образом, что суммарный двухфазный поток в результате каждого смешения отклоняется от первоначального направления в сторону нормали к напыляемой поверхности и получает дополнительное ускорение.- after feeding the particles of the powder material by introducing a nozzle block into the main gas stream at a subsonic section of the main nozzle and achieving a supersonic speed of a two-phase stream, it is additionally affected by one or more of several supersonic gas streams, while the first additional stream is directed at an angle to the main two-phase stream, and each of the subsequent additional flows is directed at an angle to the previous additional gas flow so that the total two-phase the resultant stream as a result of each mixing deviates from the initial direction in the direction of the normal to the sprayed surface and receives additional acceleration.
Предложенный способ реализуют на устройстве, включающем сопловой блок в виде трубки с сужением и последующим расширением во входной части, в который внесены следующие новые признаки:The proposed method is implemented on a device including a nozzle block in the form of a tube with a narrowing and subsequent expansion in the input part, which introduced the following new features:
- сопловый блок содержит основное сверхзвуковое сопло с косым срезом, выполненное в виде трубки прямоугольного или трапецеидального сечения с несимметричными сужающимся и расширяющимся участками;- the nozzle block contains the main supersonic nozzle with an oblique cut, made in the form of a tube of rectangular or trapezoidal section with asymmetric tapering and expanding sections;
- указанный сопловый блок в выходной части содержит дополнительно одно или несколько расположенных последовательно за основным соплом плоских сопел прямоугольного или трапецеидального сечения;- the specified nozzle block in the output part additionally contains one or more plane nozzles of a rectangular or trapezoidal section arranged sequentially behind the main nozzle;
- задняя стенка сверхзвукового участка первого дополнительного сопла направлена под углом к направлению основного двухфазного потока, а задняя стенка сверхзвукового участка каждого дополнительного сопла направлена под углом к направлению результирующего двухфазного потока, что увеличивает отклонение результирующего двухфазного потока в направлении, близком к нормали к напыляемой поверхности.- the rear wall of the supersonic section of the first additional nozzle is directed at an angle to the direction of the main two-phase flow, and the rear wall of the supersonic section of each additional nozzle is directed at an angle to the direction of the resulting two-phase flow, which increases the deviation of the resulting two-phase flow in a direction close to the normal to the sprayed surface.
Достижение указанного технического результата поясняется:The achievement of the specified technical result is illustrated:
фигурой 1, где показана схема устройства с двумя дополнительными соплами; figure 1, which shows a diagram of a device with two additional nozzles;
фигурой 2, где представлено изображение траекторий частиц напыляемого материала через сопловой блок с двумя дополнительными соплами.figure 2, which shows the image of the trajectories of the particles of the sprayed material through the nozzle block with two additional nozzles.
Предлагаемое устройство для напыления газотермических покрытий на внутренние поверхности, содержит систему 1 подачи рабочих газов, узел 2 нагрева рабочих газов, систему 3 управления узлом 2, закрепленным на удлинительной штанге 4, сопловой блок 5, соединенный с узлом 2, узел подачи порошкового материала 6, устройство ввода порошкового материала 7, закрепленную на сопловом блоке 5 опору 8, при этом сопловой блок включает несимметричное плоское сверхзвуковое основное сопло 9, имеющее несимметричную форму с косым срезом, одно или несколько несимметричных плоских сверхзвуковых дополнительных сопел 10, каждое из которых расположено последовательно за основным соплом 9 и под углом по отношению к предыдущему соплу. Устройство ввода порошкового материала 7, соединенное с узлом подачи порошкового материала 6 расположено в дозвуковой сужающейся части основного сопла 9, например, на уровне критического сечения основного сопла.The proposed device for spraying thermal coatings on internal surfaces, contains a working gas supply system 1, a working gas heating unit 2, a control system 3 of a unit 2 mounted on an extension rod 4, a nozzle unit 5 connected to the unit 2, a powder material supply unit 6, the input device of the powder material 7, mounted on the nozzle block 5 of the
Нагрев рабочих газов может быть осуществлен в узле 2 путем конвективного нагрева, дугового или высокочастотного разряда либо с использованием химической реакции горения в газовой смеси, или при их комплексном воздействии.Heating of the working gases can be carried out in unit 2 by convective heating, an arc or high-frequency discharge, or by using a chemical reaction of combustion in a gas mixture, or by their combined action.
Пример реализации заявленной группы изобретений.An example implementation of the claimed group of inventions.
Устройство, представленное на фиг.1 реализует предложенный способ следующим образом.The device shown in figure 1 implements the proposed method as follows.
Сжатый газ или смесь газов поступает из системы 1 подачи рабочих газов в закрепленный на удлинительной штанге 4 узел 2 нагрева газа, в котором газ нагревается до рабочей температуры под контролем системы 3 управления узлом 2.Compressed gas or a mixture of gases comes from the working gas supply system 1 to the gas heating unit 2 fixed on the extension rod 4, in which the gas is heated to the operating temperature under the control of the control system 3 of the control unit 2.
Поток сжатого нагретого газа поступает в дозвуковую часть соплового блока 5, где разделяется на три потока, проходящих через критические сечения основного сопла 9 и двух дополнительных сопел 10. При этом частицы порошкового материала из узла подачи порошкового материала 6 через устройство ввода порошкового материала 7 поступают в сверхзвуковую часть основного сопла 9. За счет косого среза сопла 9 двухфазный поток отклоняется в сторону напыляемой поверхности на некоторый угол. Далее двухфазный сверхзвуковой поток из основного сопла 9 сталкивается со сверхзвуковым газовым потоком из первого дополнительного сопла 10, задняя стенка которого расположена под углом к направлению двухфазного потока из основного сопла 9. В результате взаимодействия потоков результирующий поток отклоняется на дополнительный угол, а скорость двухфазного потока увеличивается. Затем результирующий двухфазный поток сталкивается со сверхзвуковым потоком из следующего дополнительного сопла 10, что в результате приводит к повороту результирующего сверхзвукового двухфазного потока в направлении близком к нормали к напыляемой поверхности с одновременным его ускорением. При этом траектория частиц порошкового материала огибает стенки всех дополнительных сопел 10 в сопловом блоке 5, что полностью исключает столкновения частиц с элементами соплового блока 5 на расчетном режиме его работы (Фиг.2).The stream of compressed heated gas enters the subsonic part of the nozzle block 5, where it is divided into three flows passing through the critical sections of the main nozzle 9 and two additional nozzles 10. In this case, particles of powder material from the powder material supply unit 6 through the powder material input device 7 enter the supersonic part of the main nozzle 9. Due to the oblique cut of the nozzle 9, the two-phase flow deviates towards the sprayed surface by an angle. Further, a two-phase supersonic flow from the main nozzle 9 collides with a supersonic gas flow from the first additional nozzle 10, the rear wall of which is located at an angle to the direction of the two-phase flow from the main nozzle 9. As a result of the interaction of the flows, the resulting flow deviates by an additional angle, and the speed of the two-phase flow increases . Then, the resulting two-phase flow collides with the supersonic flow from the next additional nozzle 10, which results in a rotation of the resulting supersonic two-phase flow in a direction close to the normal to the sprayed surface with its acceleration. In this case, the trajectory of the particles of the powder material goes around the walls of all additional nozzles 10 in the nozzle block 5, which completely eliminates the collision of particles with the elements of the nozzle block 5 in the design mode of its operation (Figure 2).
При дальнейшем увеличении количества дополнительных сопел 10 увеличивается как угол поворота двухфазного потока, так и его скорость.With a further increase in the number of additional nozzles 10, both the rotation angle of the two-phase flow and its speed increase.
Таким образом, важным преимуществом предложенной группы изобретений является то, что поворот потока частиц напыляемого материала в сопловом блоке 5 сопровождается их ускорением за счет последовательного парного взаимодействия пересекающихся сверхзвуковых потоков. Кроме того, поскольку сопловой блок 5 обеспечивает работу сопел с внешним расширением результирующего потока, частицы наносимого материала ускоряются также и за пределами соплового блока 5.Thus, an important advantage of the proposed group of inventions is that the rotation of the flow of particles of the sprayed material in the nozzle block 5 is accompanied by their acceleration due to the successive pairwise interaction of intersecting supersonic flows. In addition, since the nozzle block 5 provides the nozzles with external expansion of the resulting stream, the particles of the applied material are also accelerated outside the nozzle block 5.
Например, для напыления алюминиевым сплавом глухого отверстия диаметром 30 мм и глубиной 120 мм был использован сопловой блок с основным и двумя дополнительными соплами, предназначенный для холодного газодинамического напыления (ХГН). Нагрев газа осуществлялся конвективным способом от электрической спирали.For example, for spraying a blind hole with a diameter of 30 mm and a depth of 120 mm with aluminum alloy, a nozzle block with a main and two additional nozzles was used, designed for cold gas-dynamic spraying (CGN). The gas was heated convectively from an electric spiral.
Габаритные размеры соплового блока:Overall dimensions of the nozzle block:
- длина рабочей части – 163 мм;- length of the working part - 163 mm;
- высота соплового блока – 22 мм;- height of the nozzle block - 22 mm;
- длина разгонного участка – 60 мм;- length of the acceleration section - 60 mm;
- толщина соплового блока 9 мм.- nozzle block thickness 9 mm.
Технологические режимы:Technological modes:
- рабочий газ – азот;- working gas - nitrogen;
- рабочее давление – 40 105 Па;- working pressure - 40 105 Pa;
- температура газа на входе в сопло – 600°С;- gas temperature at the inlet to the nozzle - 600 ° C;
- расход порошка – 0,8 г/с;- powder consumption - 0.8 g / s;
- материал частиц – алюминиевый сплав Al 2024;- particle material - aluminum alloy Al 2024;
- размер частиц – 20 мкм.- particle size - 20 microns.
В результате испытаний устройства достигнуты следующие параметры:As a result of testing the device, the following parameters were achieved:
- угол поворота потока газа – 800;- the angle of rotation of the gas flow is 800;
- угол поворота потока частиц – 70…750; - the angle of rotation of the particle stream is 70 ... 750;
- скорость газового потока после поворота – 1140 м/с;- the gas flow velocity after turning is 1140 m / s;
- скорость потока частиц после поворота – 800 м/с;- particle flow velocity after rotation - 800 m / s;
- давление газа на срезе сопла – 1.99 105 Па.- gas pressure at the nozzle exit is 1.99 105 Pa.
Таким образом, представленные примеры подтверждают, что заявленный технический результат достигнут и поставленная задача решена.Thus, the presented examples confirm that the claimed technical result is achieved and the task is solved.
Вышеприведенные примеры не ограничивают всех возможностей заявляемого способа и устройства для его реализации.The above examples do not limit all the possibilities of the proposed method and device for its implementation.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017106606A RU2650471C1 (en) | 2017-02-28 | 2017-02-28 | Method of sputtering gas-thermal coatings on inner surfaces and its implementation device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017106606A RU2650471C1 (en) | 2017-02-28 | 2017-02-28 | Method of sputtering gas-thermal coatings on inner surfaces and its implementation device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2650471C1 true RU2650471C1 (en) | 2018-04-13 |
Family
ID=61976696
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017106606A RU2650471C1 (en) | 2017-02-28 | 2017-02-28 | Method of sputtering gas-thermal coatings on inner surfaces and its implementation device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2650471C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2714002C1 (en) * | 2019-09-02 | 2020-02-11 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) | Device for gas-dynamic application of coatings on cylindrical parts inner surfaces |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002060923A (en) * | 2000-08-23 | 2002-02-28 | Shinwa Kogyo Kk | Method for forming sprayed coating on inner surface of metal tube, and thermal spraying gun and thermal spraying apparatus for forming spray coating |
| RU2278904C1 (en) * | 2004-11-26 | 2006-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью научно-производственная фирма региональный плазмотехнический центр "ПЛАЗТЕХ" | Installation for spraying of the gas-thermal coatings |
| UA102991C2 (en) * | 2008-12-12 | 2013-09-10 | Открытое Акционерное Общество "Нпо" Энергомаш Имени Академика В.П. Глушко | Method for application of slurry of cermet coating on internal surface of turbine stator |
| RU2593041C2 (en) * | 2014-10-23 | 2016-07-27 | Акционерное общество "Конструкторское бюро специального машиностроения" | Method of gas-dynamic sputtering of anticorrosion coating from a corrosion-resistant composition onto the surface of container for transporting and/or storing spent nuclear fuel, made from high-strength iron with globular graphite |
-
2017
- 2017-02-28 RU RU2017106606A patent/RU2650471C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002060923A (en) * | 2000-08-23 | 2002-02-28 | Shinwa Kogyo Kk | Method for forming sprayed coating on inner surface of metal tube, and thermal spraying gun and thermal spraying apparatus for forming spray coating |
| RU2278904C1 (en) * | 2004-11-26 | 2006-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью научно-производственная фирма региональный плазмотехнический центр "ПЛАЗТЕХ" | Installation for spraying of the gas-thermal coatings |
| UA102991C2 (en) * | 2008-12-12 | 2013-09-10 | Открытое Акционерное Общество "Нпо" Энергомаш Имени Академика В.П. Глушко | Method for application of slurry of cermet coating on internal surface of turbine stator |
| RU2593041C2 (en) * | 2014-10-23 | 2016-07-27 | Акционерное общество "Конструкторское бюро специального машиностроения" | Method of gas-dynamic sputtering of anticorrosion coating from a corrosion-resistant composition onto the surface of container for transporting and/or storing spent nuclear fuel, made from high-strength iron with globular graphite |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2714002C1 (en) * | 2019-09-02 | 2020-02-11 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) | Device for gas-dynamic application of coatings on cylindrical parts inner surfaces |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1700638B1 (en) | Nozzle for cold spray and cold spray apparatus using the same | |
| US5573682A (en) | Plasma spray nozzle with low overspray and collimated flow | |
| CA3000947A1 (en) | Cold gas dynamic spray apparatus, system and method | |
| EP2110178A1 (en) | Cold gas-dynamic spray nozzle | |
| US20200376507A1 (en) | Internally Cooled Aerodynamically Centralizing Nozzle (ICCN) | |
| KR100776194B1 (en) | Nozzle for cold spray and cold spray apparatus using the same | |
| RU2145644C1 (en) | Method and device for producing coat from powder materials | |
| EP2052788B1 (en) | Apparatus and method for improved mixing of axial injected material in thermal spray guns | |
| RU2650471C1 (en) | Method of sputtering gas-thermal coatings on inner surfaces and its implementation device | |
| EP2411554B1 (en) | Nozzle for a thermal spray gun and method of thermal spraying | |
| JP7412416B2 (en) | Apparatus and method for surface treating materials | |
| WO2007091102A1 (en) | Kinetic spraying apparatus and method | |
| RU2353705C2 (en) | Method ofgas-dynamic sputtering of powder materials and facility for its realisation | |
| JP2013049025A (en) | Nozzle for cold spray and cold spray apparatus | |
| JP2009120913A (en) | Film forming nozzle, film forming method and film forming member | |
| 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 | |
| RU2505622C2 (en) | Device for gas-dynamic application of coatings onto external cylindrical surfaces of products | |
| RU2503745C2 (en) | Device for gas dynamic deposition of coating on part inner cylindrical surface | |
| RU2714002C1 (en) | Device for gas-dynamic application of coatings on cylindrical parts inner surfaces | |
| RU2036022C1 (en) | Device for application of coatings to article internal surfaces by detonation | |
| CN217973370U (en) | Tail end spray gun suitable for explosion spraying device | |
| RU2037336C1 (en) | Equipment for ultrasonic gas-flame spraying | |
| US20170335441A1 (en) | Nozzle for thermal spray gun and method of thermal spraying | |
| Klinkov et al. | Cold spray deposition on inner side of pipe with aid of radial supersonic nozzle |