Спосіб детонаційного напилювання покриттів і пристрій для його здійснення

1. Спосіб детонаційного напилювання покриттів, що включає заповнення камер згоряння пальною газовою сумішшю і порошковим матеріалом, що напилюють, ініціювання детонації та напилювання, який відрізняється тим, що здійснюють одночасну подачу і змішування компонентів пальної суміші в детонаційній і сферичній кумулятивній камерах згоряння, ініціювання детонації у детонаційній камері здійснюють свічкою запалювання, а в кумулятивній камері ударною хвилею з детонаційної камери, введення порошкового матеріалу, що напилюють, здійснюють у циліндричний ствол перед виходом із кумулятивної камери згоряння, а прискорення і нагрівання порошку здійснюють продуктами згоряння з детонаційної, а потім продуктами згоряння з кумулятивної камер, причому продукти згоряння й ударні хвилі відхиляють від шляху проходження матеріалу, що напилюють, до 2. Спосіб поверхні. детонаційного напилювання покриттів за п.1, який відрізняється тим, що компоненти пальної суміші подають до детонаційної та кумулятивної камери одночасно, безперервними струменями, а їхнє змішування здійснюють у затоплених струменях окислювача, що схре щують з осями камер згоряння. 3. Спосіб детонаційного напилювання покриттів за п.1, який відрізняється тим, що ініціювання детонації в кумулятивній камері здійснюють у місці кумуляції енергії продуктів згоряння. 2 (19) 1 3 83831 4 струменів окислювача, а у стінках каналів, перпендикулярно їхній осі, виконані жиклери для подачі пального газу. 12. Пристрій детонаційного напилювання покриттів за п.7, який відрізняється тим, що в місці сполучення кумулятивної камери і циліндричного ствола встановлена втулка із теплопровідного матеріалу, що містить гвинтові канали на її торцях, не менше трьох, для введення порошкового матеріалу. 13. Пристрій детонаційного напилювання покриттів за п.7, який відрізняється тим, що відкрита частина ствола виконана зрізаною під кутом 45º до осі. Цей винахід відноситься до способів детонаційного напилювання покриттів і до пристроїв для його здійснення у машинобудівному виробництві. Відомий спосіб детонаційного напилювання покриттів [1] [патент США №2714563]. За цим способом ініціювання детонаційного згоряння здійснюється автомобільною свічкою запалювання. У зазначеному способі керування температурою і швидкістю продуктів згоряння здійснюється із застосуванням інертних газів розріджувачів, наприклад, азоту. Після кожного циклу напилювання здійснюється продування камери згоряння інертним газом. Потім здійснюється наступний цикл заповнення камери згоряння та ініціювання детонації. Частота повторення імпульсів від 4 до 8 разів за секунду. Швидкість детонаційної хвилі 1860...3093м/с, а швидкість продуктів згоряння до 1400м/с. Температура продуктів згоряння досягає 4000К. До недоліків цього способу відноситься те, що він не може виконуватися з більшою частотою через інерційність електромеханічних системи подачі газів і порошків. Енергія продуктів згоряння обмежена енергоємністю пальної газової суміші, її об'ємом, витратами на нагрівання стінок камери згоряння і на передачу енергії від газу до порошку. Використання ацетилену обмежує можливості пристрою, коли ініціювання детонації здійснюється з високою частотою. Це ускладнює конструкцію пристрою для нанесення покриттів й обмежує показники продуктивності. Відомий спосіб детонаційного напилювання покриттів [2], що включає такі додаткові ознаки, як використання природного газу і пропан бутану у вигляді компонентів пальної газової суміші, використання енергії вибуху для піролізу пального газу та підвищення енергоємності пальної суміші. Цей спосіб забезпечує більш повне використання енергії пальної газової суміші. До недоліків цього способу відноситься те, що у ньому здійснюється стаціонарний режим детонаційного горіння, а передача енергії порошку, який напилюється, здійснюється від одного імпульсу продуктів детонаційного згоряння, що недостатньо для забезпечення високих швидкостей і температури порошку. Відомий спосіб детонаційного напилювання покриттів і пристрій для його здійснення [3], який включає такі ознаки, як стискання пальної газової суміші зустрічним потоком газів, що підвищує щільність пальної суміші й енергію продуктів згоряння. До недоліків цього способу відноситься обмежена енергія продуктів згоряння, яка залежить від об'єму та щільності пальної суміші. Існуючі спосо би забезпечують формування одиничного імпульсу продуктів згоряння, що недостатньо для нагрівання і прискорення порошку й формування якісних покриттів. Відомий пристрій для детонаційного напилювання покриттів [1] [патент США №2714563], що містить камеру згоряння (пушку), клапанну систему керування газами, систему імпульсної подачі порошкового матеріалу й свічку запалювання. Цей пристрій працює із частотою до 8 разів за секунду, як компоненти пальної суміші використовується кисень, ацетилен і азот. Детонація пальної газової суміші здійснюється при атмосферному тиску. У даному пристрої мають місце великі втрати енергії на нагрівання стінок камери згоряння, неповне згоряння й підмішування інертного газу, а також суттєві втрати при передачі енергії від продуктів згоряння до порошку. Відомий пристрій не забезпечує точної локалізації газопорошкової суміші у камері згоряння і синхронізації між її подачею та ініціюванням детонації. Продуктивність пристрою обмежена енергоємністю камери згоряння і частотою її спрацьовування. Як пальний газ використовують ацетилен, який не дозволяє збільшувати частоту ініціювання детонації та виключає можливість стискати пальні суміші. Пристрій для детонаційного нанесення покриттів [3] містить у стволі спеціальні сопла для подачі зустрічного потоку газів, спрямованого у середину ствола до його закритого кінця. Цей конструктивний прийом забезпечує підвищення щільності пальної суміші та більш високу щільність енергії в продуктах згоряння. Відомий також детонаційний пристрій для нанесення покриттів [4], який містить циліндричний ствол, дозатор порошкового матеріалу, систему запалювання і кільцеву форкамеру з жиклерами для роздільної подачі окислювача, пального газу та інертного газу. Для поліпшення змішування компонентів пальної суміші жиклери розміщені тангенційно. Ця конструкція детонаційної установки забезпечує стійку генерацію продуктів згоряння із частотою до 25Гц. До недоліків, властивих як для попередніх, так і для даної конструкції, відноситься однократне генерування енергетичних імпульсів, що знижує ефективність нагрівання та прискорення порошків. Крім того, дана конструкція не вирішує проблеми охолодження свічки запалювання й інших елементів конструкції при високій частоті. Найбільш близьким до винаходу є детонаційний пристрій для нанесення покриттів [5]. Цей пристрій містить циліндричний ствол, кільцеву форкамеру, системи дозування, подачі й змішування компонентів пальної суміші та ініціювання детона 5 83831 ції. Крім того, ця установка має камеру піролізу пального газу, що розміщена з боку, протилежного відкритому кінцю ствола за кільцевою форкамерою і системою запалювання. У закритій частині камери піролізу виконана кільцева щілина для подачі пального газу. Дана конструкція забезпечує корисне використання зворотної детонаційної хвилі й радіації для піролізу пального газу та наступного змішування продуктів піролізу з окислювачем і детонацію цієї суміші. Крім цього, дана конструкція забезпечує формування двох енергетичних струменів продуктів згоряння: перший детонаційний струмінь і другий, відбитий від стінки камери піролізу. До недоліків даної конструкції пристрою відноситься поганий захист свічки запалювання від перегрівання, що не дозволяє працювати із частотою понад 20Гц, і утворення смолистих речовин та вільного вуглецю в результаті піролізу. До недоліків відомих способів і пристроїв детонаційного напилювання відноситься також і те, що ініціювання детонації здійснюється безпосередньо в камері згоряння. Це ускладнює формування енергетичне стабільних імпульсних потоків продуктів згоряння. Крім того, установка свічки запалювання у камері згоряння, де висока щільність енергії, не дозволяє здійснювати ініціювання детонації з частотою 8 і більше Гц. Одним із суттєви х недоліків відомих способів і пристроїв є також неповне згоряння пальної суміші, що знижує її енергетичні можливості. Крім того, продукти неповного згоряння (вуглець, важкі вуглецеві сполучення) забруднюють покриття, що негативно впливає на якість покриття. У процесі напилювання покриттів перед газопорошковим струменем йдуть ударні хвилі. Вони йдуть від обрізу ствола (камери згоряння) перед порошком, що напилюється, і відбиваються від поверхні виробу. Відбита ударна хвиля при зустрічі з газопорошковим струменем знижує її енергію. Це негативно впливає на якість покриття і продуктивність. Внаслідок цього у те хнології детонаційного напилювання покриттів використовують дистанцію 150...200мм. При такій дистанції розсіюється не тільки енергія відбитої хвилі, але й енергія порошку, що напилюється. Усунення вище наведених недоліків дозволить, навіть при використанні пальної газової суміші на основі метану, суттєво підвищити якість покриття і продуктивність технології нанесення покриттів. Крім того, можна спростити конструкції пристроїв і підвищити їхню працездатність, а також підвищити точність дозування порошків і забезпечити стабільність якісних характеристик покриття. Поставлене завдання вирішується тим, що спосіб детонаційного напилювання покриттів включає наступні відомі за прототипом відмінні ознаки: використання пального газу, наприклад, пропан бутану й природного газу; стискання пального газу зустрічним струменем; змішування компонентів пальної суміші в камері згоряння; використання випромінювання і зворотної детонаційної хвилі для піролізу пального газу. 6 Метою винаходу є підвищення продуктивності процесу і якісних характеристик покриття. Досягається це тим, що до способу детонаційного напилювання покриттів включені також і невідомі суттєві ознаки, такі як одночасна подача й змішування компонентів пальної суміші у двох камерах згоряння - детонаційній та сферичній кумулятивній - і здійснення ініціювання детонації в детонаційній камері свічкою запалювання, а в кумулятивній камері - ударною хвилею з детонаційної камери. За способом, який ми пропонуємо, введення порошкового матеріалу, що напилюється, здійснюється в циліндричний ствол, закріплений перед виходом із кумулятивної камери згоряння. Після ініціювання детонації у дво х камерах, прискорення і нагрівання газопорошкової суміші здійснюється двома струменями продуктів згоряння. На початку процесу прискорення і нагрівання здійснюється продуктами згоряння з детонаційної, а потім продуктами згоряння з кумулятивної камери. У результаті напилювання здійснюється порошком, що нагрівається і прискорюється двома імпульсами продуктів згоряння з детонаційної та кумулятивної камер. Для підвищення якості покриття, напилювання здійснюється при відхиленні ударних хвиль і продуктів згоряння від шляху проходження газопорошкової суміші. Повне використання енергії компонентів пальної суміші забезпечується також тим, що при здійсненні способу їхнє змішування здійснюють у затоплених струменях окислювача, які мають тангенціальний напрямок до осі камер. Компоненти пальної суміші подають у детонаційну й кумулятивну камери одночасно, безперервними струменями, а осі затоплених стр уменів, де здійснюється змішування пальної суміші, схрещуються з осями камер згоряння. Це забезпечує високу якість і рівномірність пальної газової суміші, а в кінцевому результаті, повне її згоряння. Для синхронізації ініціювання детонації в кумулятивній камері здійснюють ударною хвилею з детонаційної камери. Це забезпечує подвійне проходження детонаційної хвилі по продуктах згоряння в кумулятивній камері, більш повне згоряння і кумуляцію енергії продуктів згоряння в осьовій області пристрою перед циліндричним стовбуром. Повне заповнення камер згоряння, незалежно від частоти ініціювання детонації забезпечується виконанням наступного технологічного принципу. Сумарна витрата компонентів пальної суміші, розділена на частоту ініціювання детонації, повинна дорівнювати сумарному об'єму детонаційної та кумулятивної камер. Газопорошкову суміш подають у циліндричний ствол перед виходом із кумулятивної камери згоряння так, щоб передній фронт газопорошкової суміші був на відстані 150...300мм від обрізу відкритої частини ствола. Це дозволяє використовувати для прискорення порошку два імпульси продуктів згоряння від детонаційної, а потім від кумулятивної камер згоряння із затримкою 0,0001...0,00001сек. Відомо, що детонаційна хвиля випереджає матеріал, що напилюється, відбивається від поверхні виробу й зустрічається з матеріалом у стволі 7 83831 або на дистанції між стволом і поверхнею виробу. Це перешкоджає формуванню якісних покриттів. У способі, який ми пропонуємо, ударні хвилі й продукти згоряння відхиляються від шляху проходження матеріалу, що напилюється, до поверхні виробу. Це здійснюється бічним підпором або створенням бічного розрядження газу по периферії кінця відкритої частини циліндричного ствола. У винаході високі продуктивність і якість нанесення покриття забезпечуються тим, що до відомих ознак додані такі невідомі суттєві ознаки: одночасне заповнення компонентами пальної суміші детонаційної та кумулятивної камер згоряння і змішування їх у затоплених стр уменях окислювача; ініціювання детонації у детонаційній камерісвічкою запалювання, а в кумулятивній камері детонаційною хвилею із детонаційної камери. Враховуючи те, що енергія продуктів згоряння в детонаційній камері значно менша, ніж у кумулятивній, тепловий вплив на свічку запалювання помірне навіть при високій (>25Гц) частоті ініціювання детонації. Енергетичний імпульс із кумулятивної камери згоряння залежить від її об'єму і конфігурації, а ініціювання детонаційного згоряння детонаційною хвилею виключає витрати енергії на розгін детонації та синхронізацію, що забезпечує повне згоряння пальної суміші. Продукти згоряння від детонаційної камери передають енергію порошку, потім порошок доганяють продукти згоряння із кумулятивної камери й надають йому другий, більш потужніший, поштовх прискорення і нагрівання. Відомо, що енергія детонації залежить від рівномірності змішування пальної суміші. Спосіб пропонує змішування пального газу і окислювача здійснювати безпосередньо в камерах згоряння в затоплених струменях окислювача, осі яких схрещуються з віссю камери згоряння під кутом 15...30град. Пальний газ вводять у затоплені струмені окислювача в необхідній для змішування пропорції. Формування затоплених струменів із компонентів пальної газової суміші відповідно до винаходу здійснюють системою гвинтових каналів, які забезпечують поздовжнє закручування, а розміщення каналів по периферії створює поперечне закручування компонентів пальної суміші. Кількість каналів впливає на рівномірність перемішування суміші, що має значення при високій частоті ініціювання детонації. В остаточному підсумку у камерах згоряння формується турбулізований об'єм пальної суміші. Перешкодою для виходу цієї суміші у ствол є звуження перетину камер згоряння в три - п'ять разів і створення потоків протитиску газу. Для підвищення щільності (тиску) пальної газової суміші збільшують витрату газу протитиску в області відкритої частини камери згоряння. Підвищення повноти згоряння пальної суміші забезпечується тим, що ініціювання детонації в кумулятивній камері здійснюють у фронті потоку пальної суміші, а в детонаційній - у місці її звуження. Ініціювання детонації у місці кумуляції енергії продуктів згоряння дозволяє забезпечити багато 8 разове проходження детонації по пальній суміші і її повне згоряння в кумулятивній камері. Багаторазове проходження детонації по пальній суміші та продуктах згоряння здійснює вторинне їх окислювання і нагрівання. Фізичний зміст цієї відмінної ознаки - вторинне догорання пальної суміші, що не встигла окислитися при первинному проходженні ударної хвилі в режимі детонації. Було виконано чисельне моделювання ударної хвилі, що сходиться, в камері сферичної кумуляції, показаної на Фіг.1. Розміри камери: сферична стінка мала радіус 150мм і мала зазор із плоскої стінки, що дорівнює 3мм. У радіальному напрямку порожнина обмежувалася циліндричною стінкою з радіусом Rmax=50мм. Компоненти пальної суміші, що заповнюють камеру, мали початковий тиск 0,1МРа і показник адіабати g=7/5. Джерелом енергії ініціювання детонації була ударна хвиля від де тонаційної камери згоряння. У початковий момент часу надлишковий тиск компонентів становив Р0=10МРа в об'ємі газу, обмеженому стінками і циліндричною поверхнею R1=7mm. На межі цього об'єму виникала сильна ударна хвиля, що розходилася, а потім сходилася до осі симетрії. Розрахунок проводився до досягнення ударної хвилі, що сходиться, радіуса 5мм. На початковій стадії ударна хвиля, що сходиться, зазнавала послідовної нерегулярної взаємодії по черзі з плоскою і сферичною стінкою. Як результат, процес посилення ударної хвилі відбувався стрибкоподібне й супроводжувався появою газодинамічних зрушень, що поширюються в напрямку, поперечному фронту ударної хвилі, що сходиться, від стінки до стінки. По мірі сходження ударної хвилі стрибки тиску відносно слабшають. Це приводить до того, що залежність тиску від радіуса виходить на пряму в логарифмічному масштабі, що вказує на автомодельний характер понад сферичну кум уляцію. Отже, чисельне моделювання демонструє швидкий ріст тиску сферичної кумуляції і вказує на її автомодельний характер. Отриманий при чисельному розрахунку закон росту тиску є більш різким, ніж для сферичної ударної хвилі в газі з таким самим показником адіабати. Накопичення енергії у сферичній кумулятивній камері забезпечує багаторазове підвищення швидкості та щільності продуктів згоряння, які беруть участь у нагріванні й прискоренні порошку. Це, а також і збільшення тиску в камері згоряння, підвищує енергоємність пальної газової суміші. Розміщення свічки запалювання поза кумулятивною камерою згоряння знижує теплове навантаження на неї. Це дозволяє здійснювати ініціювання детонації з частотою більше 20...30 разів за секунду. З метою оптимізації технологічного режиму газопорошкову суміш подають у циліндричний ствол перед виходом із кумулятивної камери згоряння. Виконується така умова, щоб у момент ініціювання детонації передній фронт газопорошкової суміші був на відстані 150...300мм від обрізу відкритої 9 83831 частини ствола. Це забезпечить повне використання енергії продуктів згоряння. При високій частоті ініціювання детонації (>10) немає можливості застосувати імпульсні системи подачі порошків. У способі кумулятивного напилювання покриттів подачу газопорошкової суміші здійснюють безперервно. Струмінь газу, що заповнює камери з боку їхньої відкритої частини, гальмує й формує газопорошкову область у початковій ділянці ствола. Періодичне заповнення камер з боку відкритої частини забезпечує періодичне формування газопорошкової області. З метою виключення забруднення покриття, а також для збереження високої енергії дисперсних матеріалів, ударну хвилю і продукти згоряння відхиляють від шляху проходження порошків. Здійснюється це створенням різниці тиску на стінках відкритої частини ствола. Різниця тиску створюється підпором або розрядженням газу з боку стінки камери. Ця відмінна ознака дозволяє відхиляти відбиту від поверхні виробу ударну хвилю від шля ху проходження газопорошкового струменя і, як наслідок, знизити дистанцію напилювання до 15...40мм. Для реалізації способу створений пристрій для детонаційного напилювання покриттів. Пристрій для детонаційного напилювання покриттів включає такі відомі ознаки: циліндричний ствол для прискорення і нагрівання порошку, канали для введення газів і порошку, свічка запалювання, системи керування газами, порошками й запалюванням. До невідомих істотних ознак, що підвищують якість покриття, відноситься наступне: пристрій містить детонаційну і сферичну кумулятивну камери, а також циліндричний ствол. Ці камери закріплені так, щоб вихід із детонаційної камери й вхід у ствол співпадали з виходом із кумулятивної камери. Крім того, суттєвою ознакою є те, що кумулятивна камера виконана у вигляді коноіда з криволінійними утворюючими, а периферійна стінка кумулятивної камери виконана у вигляді циліндричної поверхні, вісь якої співпадає з віссю пристрою. Ефективна кумулятивна камера виконана з плоскою і сферичною стінками, а радіус сферичної стінки перетинався з віссю пристрою. Можливе розширення технологічних можливостей детонаційної установки для нанесення покриттів. Для цього периферійна стінка кумулятивної камери виконана у формі циліндричної поверхні, вісь якої не співпадає з віссю пристрою. Цей конструктивний прийом збільшує тривалість взаємодії продуктів згоряння із кумулятивної камери з порошковим матеріалом. З метою зниження втрат енергії у пристрої застосовують такі суттєві ознаки: вісь коноіда кумулятивної камери повинна співпадати з віссю пристрою, а сферична стінка камери повинна мати плавне сполучення з циліндричною поверхнею ствола для прискорення порошків. З метою змішування компонентів пальної суміші і її турбулізацію в установці використовують наступні суттєві ознаки: у закритій частині камер виконують гвинтові канали для формування затоплених струменів окислювача, у стінках каналів, перпендикулярно їх осі, виконують жиклери для 10 подачі пального газу. Осі каналів для формування затоплених струменів окислювача схрещуються з осями камер під гострим кутом. Стабільний тепловий режим свічки запалювання у пристрої забезпечується тим, що свічка запалювання встановлена в детонаційній камері, що має набагато менший об'єм, ніж об'єм кумулятивної камери. Кумулятивна камера згоряння по периферії плоскої стінки містять канали для змішування компонентів пальної газової суміші. Осі каналів схрещуються з віссю камери під гострим кутом, що має величину 15...30град. Ефективна робота каналів забезпечується при відношенні поперечного перетину каналу до перетину отвор у для введення пального газу, що повинне бути більше 5...6 разів. Відкриті частини камер згоряння сполучаються з циліндричним стволом для нагрівання й прискорення порошків. У місці сполучення встановлена спеціальна втулка, в якій зроблені отвори або канали на її торцях (не менше трьох) для введення газопорошкової суміші, при цьому осі отворів (каналів) перетинають стінкициліндричного стовбура під гострим кутом й орієнтовані до відкритої частини. Для захисту отворів, для подачі газопорошкової суміші, від дії ударної хвилі вони розміщені в циліндричній частині ствола за кільцевим виступом, що розширює перетин ствола. Кільцевий виступ, що розширює перетин ствола, має величину не більше 10% від радіуса ствола. Для забезпечення повного згоряння пальної суміші і захисту свічки запалювання від перегрівання детонаційна камера має звуження. Перед звуженням встановлена свічка запалювання. Ініціювання детонації пальної газової суміші в детонаційній камері забезпечує поширення її до місця сполучення кумулятивної та циліндричної камер. При цьому детонація буде поширюватися в напрямку до відкритої частини циліндричної камери. Детонація поширюється до закритої частини коноїда кумулятивної камери, де багаторазово відбивається від її стінок і здійснює вторинне окислювання та прискорення компонентів продуктів згоряння. Результуюча складова енергії продуктів згоряння передається порошковому матеріалу в циліндричному стволі. За хвилею продуктів згоряння йде хвиля розрядження, яка полегшує заповнення камери згоряння з трьох сторін. Компоненти пальної газової суміші вводяться з боку закритої частини камер. Повітря протитиску з боку відкритої частини ствола і газопорошковою сумішшю з бічних стінок ствола. У момент заповнення камер пальною сумішшю, порошком і газом протитиску здійснюється ініціювання детонації, і процес повторюється. З метою підвищення ефективності нанесення покриття в пристрій введена така відмінна ознака: кінець ствола виконаний зі зрізом під гострим кутом. Найбільш ефективний зріз кінця ствола під кутом 45град. Із цією ж метою можливе виконання отворів у стінці для подачі або відсмоктування газу. Отвори для подачі стискаючого газу можуть бути також 11 83831 зроблені й у вигляді кільцевої щілини на кінці циліндричної камери перед зрізом камери. Осі отворів або щілини повинні бути орієнтовані назустріч траєкторії проходження продуктів згоряння. Порошок і гази подаються в камеру згоряння безперервно. Це дозволяє їх дозувати із застосуванням сучасних приладів і пристроїв. Після ініціювання детонації тиск продуктів згоряння в камері підвищується, що спричиняє закриття каналів для подачі компонентів пальної та газопорошкової суміші. Газодинамічне відсікання газів і порошків дозволяє розділяти безперервні потоки компонентів пальної та газопорошкової суміші й робити їх імпульсними. Збільшення частоти ініціювання детонації підвищує точність поділу безперервних потоків. Після витікання продуктів згоряння і падіння тиску до камери згоряння знову починають надходити гази й порошки. Чим вища частота ініціювання детонації, тим більш точно дозується порція порошку на кожен імпульс, точніше він локалізується у стволі. Винахід пояснюється описом прикладів його виконання і доданих креслень: Фіг.1. Схема пристрою зі сферичною кумулятивною детонаційною камерою, що має симетрію і одну плоску стінку (поздовжній розріз); Фіг.2. Схема пристрою зі сферичною кумулятивною детонаційною камерою, що має сферичні стінки й несиметричну циліндричну стінку (поздовжній розріз); Фіг.3. Схема розподілу результуючи х стр уменів продуктів згоряння, які йдуть із детонаційної та кумулятивної камер. Для детонаційного напилювання покриттів, що реалізують спосіб, розроблений пристрій зі сферичною кумулятивною детонаційною камерою. Ця камера має симетрію і одну плоску стінку, Фіг.1. Пристрій містить малогабаритну детонаційну камеру -1, з вбудованою свічкою запалювання - 2, сферичну кум улятивну камеру - 3 із системами подачі компонентів пальної газової суміші - 4, кільцеві трубопроводи для рівномірного розподілу газів 5, 6 і канали для змішування пальної суміші 7. Пристрій має сферичну кумулятивн у камеру -8 із плоскою стінкою коноіду - 9. Порошок, що напилюється, подається на виході з кумулятивної камери за допомогою спеціальної насадки - 10, через штуцер - 11 порошок проходить у спеціалізовані канали - 12. До кумулятивної камери кріпиться спеціальний пристрій - 13 для розгону і нагрівання порошку у циліндричній камері-стволі 14. Відкрита частина ствола закінчується зрізом 15 під кутом 45 град. Пристрій для розгону і прискорення порошку охолоджується водою, за допомогою спеціального кожуха - 16. Кумулятивна камера має кожух - 17 для охолодження водою сферичної стінки камери. Кумуляція енергії здійснюється в коноідному сполученні камер зі стовбуром - 18. Охолодження плоскої стінки кумулятивної камери здійснюватися за допомогою порожнини з водою - 19. Ініціювання детонації в циліндричній ділянці детонаційної камери - 20 здійснюється свічкою запалювання - 2, 12 подача і змішування компонентів пальної суміші здійснюється через штуцери 21 та 22. Для детонаційного напилювання покриттів розроблений пристрій зі сферичною кумулятивною детонаційною камерою, що має сферичні стінки і несиметричну циліндричну стінку, Фіг.2. Вісь циліндричної стінки зміщена на величину є відносно осі всього пристрою. Цей пристрій виконаний аналогічно пристрою за Фіг.1, але відрізняється тим, що кумулятивна камера має дві сферичні стінки і периферійну циліндричну стінку, яка асиметрична відносно камер. Така конструкція пристрою забезпечує асиметрію відбиття ударних хвиль і формує розтягнуту область кумуляції енергії. Зміна зміщення - є осі кумулятивної камери від осі пристрою забезпечує керування щільністю енергії кумуляції. Суттєві ознаки винаходу забезпечують такий режим роботи пристрою (Фіг.3): компоненти пальної суміші змішуються в камерах, а потім підпалюються в області - 23 детонаційної камери свічкою запалювання. Детонаційна хвиля поширюється в циліндричній частині - 24 детонаційної камери й поширюється по каналу 25 у кумулятивну камеру. Енергія продуктів детонаційного згоряння - 26 стискається в місці кумуляції - 18 й утворює щільний струмінь продуктів згоряння - 27, що проходить через хмару газопорошкової суміші - 28 і віддає їй енергію. Зріз ствола -29, служить для відхилення ударних хвиль і продуктів згоряння від траєкторії руху порошку - 30, що напилюється на підкладку - 31. На Фіг.1. і Фіг.2. показано схему розміщення трубопроводів для подачі та камер для змішування компонентів пального газу. У закритій частині камер згоряння є канали для змішування компонентів пальної суміші, які схрещуються з віссю камери, що служить для закручування потоку газів у двох перпендикулярних напрямках. Це забезпечує одержання якісної пальної суміші. У паузі між імпульсами детонації йде заповнення детонаційної та сферичної кумулятивної камер компонентами суміші, змішування компонентів, заповнення циліндричного ствола газопорошковою сумішшю і газом протитиску. Виконання умови, де сумарна витрата компонентів пальної суміші, розділена на частоту ініціювання детонації, буде дорівнювати об'єму камер згоряння до місця кумуляції енергії, дозволяє сформувати зустрічний струмінь газу в циліндричній камері від відкритої її частини. Це забезпечує локалізацію газопорошкової суміші на початку циліндричного ствола. В остаточному підсумку ця умова забезпечує рівномірне нагрівання і прискорення порошкового матеріалу. Пальна газова суміш у кумулятивній камері підпалюється з боку відкритої її частини. Здійснюється багаторазове відбиття ударних хвиль об стінки камер і сходження енергії детонаційного згоряння до місця ініціювання детонації. Це забезпечує вторинне окислювання компонентів продуктів згоряння і кумуляцію енергії. Старт ініціювання детонації здійснюється свічкою запалювання в детонаційній камері, що дозволяє зменшити її нагрівання. 13 83831 Косий зріз ствола створюють тиск, який відхиляється, що ефективно відхиляє газову складову імпульсного струменя й ударну хвилю. Порошковий матеріал практично без відхилення наноситься на поверхню виробу. Продукти згоряння віддають свою енергію порошковому матеріалу в циліндричному стволі. За хвилею продуктів згоряння йде хвиля розрядження, яка полегшує заповнення камери згоряння з трьох сторін. На момент заповнення камери згоряння пальною сумішшю, порошком і газом протитиску здійснюється ініціювання детонації. Процес нанесення покриття повторюється. Приклад 1 Використали пристрій зі сферичною кумулятивною детонаційною камерою, що має симетрію і одну плоску стінку, обмежену циліндром, (див. Фіг.1). Розміри камери: сферична стінка мала радіус 150мм і торкалась плоскої стінки з зазором 3мм. У радіальному напрямку порожнина обмежувалася циліндричною стінкою з радіусом Rmax=60мм. Компоненти пальної суміші, що заповнюють камеру, мали початковий тиск 1atm і показник адіабати g=7/5. Детонаційна камера мала діаметр 16мм. Детонаційну і сферичну кумулятивн у камери заповнювали компонентами пальної суміші: пропаном, киснем і повітрям. Гази подавали в стехіометричному співвідношенні так, щоб на момент ініціювання детонації весь об'єм камер був заповнений пальною газовою сумішшю. Ініціювання детонації здійснюють свічкою запалювання у детонаційній камері. Стискання пальної газової суміші здійснює потік газу від відкритого кінця ствола. Витрати пального газу, кисню, повітря і порошку встановлюють залежно від частоти ініціювання детонації та вимог те хнології так, щоб заповнення камер пальною сумішшю здійснювалося до місця кумуляції енергії. Проводилося напилювання сплаву на основі нікелю ПГ-СР4, що містить 16,5% Сr, 3,3% В, 3,70% Si, до 5,0% Fe, 0,8% С. При напилюванні використовували порошки дисперсністю 50-63 мкм. Напилювання здійснювали на зразки, виготовлені зі сталі 45. Твердість покриття визначали при навантаженні 49 Н на твердомірі ТП-7Р. Пористість покриття визначали металографічним методом на приладі "ОМНІМЕТ". На першому етапі апробації способу проводилося визначення коефіцієнта використання порошкового матеріалу. Використовували ствол зі зрізаним кінцем відкритої частини під 45град. Компоненти пальної газової суміші подавалися у пропорції 1:5. Частота ініціювання детонації змінювалася від 10 до 40Гц. Відповідно, змінювалася витрата компонентів пальної суміші. Коефіцієнт використання порошку визначався методами зважування. При частоті ініціювання детонації 20Гц витрата пропану становив 0,6м 3/год., кисню 3м 3/год., повітря 1м 3/год., а порошку матеріалу, що напилюється, 1г/с або 3,6кг/година. Виміри показали, що максимальне значення коефіцієнта використання матеріалу ви ходить у діапазоні частот 20...30Гц і досягає 70...72% (див. пп.1...4 таблиці). Приклад 2 14 Другий варіант виконання способу здійснювали аналогічно першому варіанту. Відмінність полягає у тому, що нанесення покриття здійснювалося при частоті ініціювання детонації 30Гц і постійних витратах компонентів пальної газової суміші. Витрата пропану становила 0,9м 3/год., кисню 4,5м 3/год., повітря 1,5м 3/год., а витрата порошку матеріалу, що напилюється, 5,4кг/год. Змінювався кут зрізу відкритої частини ствола від 75° до 0°. Дистанція напилювання дорівнювала 30мм і 100мм. Результати виконання способу оцінювалися виміром коефіцієнта використання матеріалу, що напилюється. Також визначалися пористість і міцність зчеплення. Результати виконання способу наведені в таблиці (див. пп.5...16, таблиці). Аналіз результатів показав, що при зрізі відкритої частини камери згоряння під кутом 45° покриття має найкращі характеристики. Із збільшенням дистанції енергія порошку, що напилюється, зменшується і, відповідно, збільшується пористість, зменшується адгезія. Коефіцієнт використання порошку при дистанції напилювання 30мм досягає 72%. При цій дистанції характеристики покриття і коефіцієнт використання порошку залежать від кута зрізу кінця ствола та при кутах 0 і 15град. покриття взагалі не формується. При дистанції напилювання 100мм, характеристики покриття не залежать від кута зрізу ствола, але коефіцієнт використання матеріалу нижчий на 20...40%, ніж при напилюванні на дистанції 30мм і зрізаним під 45 град. стволом. Приклад 3 Третій варіант виконання способу здійснюється аналогічно першому. Відмінність полягає у тому, що нанесення покриттів здійснювалося при частоті 30Гц. Витрата компонентів пальної газової суміші становила: пропану - 1,0м 3/год., кисню 5,5м 3/год., повітря - 6м 3/год., порошку матеріалу, що напилюється, - 2г/с або 7,2кг/год. Зріз відкритої частини камери згоряння - 45°. Дистанція напилювання - 30мм. Напилювання здійснювалося зі сферичною кумулятивною детонаційною камерою, що має симетрію і одну плоску стінку. Для порівняння, напилювання здійснювалося з циліндричною камерою, рівною за об'ємом кумулятивній. Результати здійснення способу наведені в таблиці (див. пп.17* і 18*). Результати дослідження показали, що використання для напилювання сферичної кумулятивної детонаційної камери, що має симетрію і одну плоску стінку (п.17* таблиця) на 50% підвищує ефективність напилювання, що пояснюється ефектом кумуляції енергії та більш повним згорянням пальної газової суміші у кум улятивній камері через багаторазове проходження детонаційної хвилі. Приклад 4 Четвертий варіант виконання способу здійснюється аналогічно першому й третьому варіантам. Відмінність полягає у тому, що нанесення покриттів здійснювалося при різних витратах газу, що стискає пальну суміш. Пропорційно збільшен 15 83831 ню витрати стискаючого газу збільшували подачу компонентів пальної суміші та порошку. У результаті зі збільшенням витрати стискаючого газу, тиск і, відповідно, щільність пальної газової суміші зростає. Для повного заповнення камери згоряння і відповідності об'єму пальної суміші та об'єму порошку, що напилюється, їхня витрата була збільшена майже у два рази, але якість покриття при цьому погіршилася, хоча продуктивність напилювання збільшилася (див. таблицю пп.19...23). Збільшення витрати компонентів пальної газової суміші відповідно до витрати повітря (протитиску) підвищило якість покриття (див. таблицю пп.24...27). Кількість подачі порошку на один імпульс не змінювалася. Приклад 5 П'ятий варіант виконання способу здійснюється аналогічно другому варіанту виконання способу. Відмінність полягає у тому, що при незмінному куті зрізу кінця ствола в 45° змінювалася дистанція напилювання. Найкраща якість покриття була при дистанції 30...50мм. Зі зменшенням дистанції та збільшенням кута зрізу якість покриття погіршилася (див. приклад 2), (див. таблицю пп.28...35). Нижче наводиться опис роботи пристрою, що патентується, для кумулятивного напилювання покриттів. Порошок і гази подаються до камер згоряння безперервно, що дозволяє їх точно дозувати із застосуванням сучасних відомих методів і пристроїв для регулювання та стабілізації витрат газів і порошків. Після згоряння пальної газової суміші тиск продуктів згоряння підвищується, що забезпечує запирання каналів для подачі компонентів пальної суміші та газопорошкової суміші. Після витікання продуктів згоряння і падіння тиску до камери згоряння знову починають надходити гази й порошки. Чим вище частота запалення пальної суміші, тим більше точно дозується витрата порошку на кожен імпульс, тим точніше локалізується матеріал, що напилюється, у циліндричній камері, де здійснюється нагрівання і прискорення порошку. Відхилення ударної хвилі від напрямку проходження порошкового матеріалу дозволяє знизити дистанцію напилювання до 30...40мм, що знижує втрати енергії порошку при напилюванні. Зріз ствола забезпечує відхилення ударної хвилі щодо площини зрізу. Порошок, що напилюється, зберігає свою траєкторію польоту, паралельно осі ствола. При зустрічі з поверхнею, що напилюється, ударна хвиля відбивається від неї під кутом падіння, що навіть при невеликих змінах кута падіння практично виключає зустріч порошку, що напилюється, з ударною хвилею. Дана відмінна ознака дозволяє здійснювати технологію напилювання при малих дистанціях, 16 виключивши при цьому втрати на подолання енергії зустрічної (відбитої) ударної хвилі. Залежно від вимог технології і складу пальної суміші тиск у камері може змінюватися за рахунок зміни витрати газу протитиску. Безперервне подання компонентів спрощує конструкцію пристрою і забезпечує його надійну роботу в діапазоні частот до 30Гц. При цьому точно дозуються складові суміші, що припадає на кожен імпульс, незалежно від частоти ініціювання детонації. Ініціювання детонації у детонаційній камері дозволяє вирішувати кілька суперечливих завдань: перша - ініціювання детонації з високою частотою, др уга - збереження теплового режиму свічки запалювання. Безперервне подання порошку, при високій частоті ініціювання детонації, забезпечує точне дозування його на 1 імпульс і компактне розміщення в циліндричному стволі. Косий зріз циліндричної камери забезпечує відхилення ударної хвилі й дозволяє здійснювати напилювання при дистанціях до 30мм, що підвищує як якість покриття, так і коефіцієнт використання порошку до 80%. Випробування пристрою з різною кількістю каналів для змішування у кумулятивній камері показало, що при 4 каналах спостерігаються пропуски ініціювання детонації. Збільшення кількості камер до 8 і більше забезпечило ритмічне ініціювання детонації, відповідно до частоти комутації енергії у свічці запалювання. Пропуски ініціювання детонації не спостерігалися навіть при частоті комутації енергії 40Гц. Випробовували варіант пристрою з різними каналами для змішування компонентів пальної суміші. Змінювали співвідношення перетину отворів для введення пального газу і окислювача Випробування показали, що при величині співвідношення 1 пристрій не працює у всьому діапазоні частот. Немає ініціювання детонації. Це є наслідком введення окислювача до каналів для подання пального газу під тиском продуктів згоряння. Або, інакше кажучи, відсутність окислювача, що ежектує дії стр уменя, який йде по каналу, спричиняє введення окислювача в отвори з пальним газом і, як наслідок, підтримка в отворах горіння, що служить постійним накальним воспламенителем пальної суміші. Збільшення співвідношення перетину каналів (отворів) для уведення газів до 5, що забезпечує стабільне ініціювання детонації у всьому досліджуваному діапазоні частот (2...40Гц). Далі наводиться таблиця з результатами дослідження при реалізації способу й пристрою. Пристрій, що патентується, значно підвищує якість покриття, знижує витрату порошку, економить компоненти пальної суміші, підвищує продуктивність, що видно з таблиць. Найбільш оптимальними є варіанти способу №№4, 5, 20, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36 (див. таблицю). Відзначено, що якість напилювання і продуктивність вище, ніж по способі-прототипі. 17 83831 18 Таблиця Результати апробації способу при напилюв анні порошку ПГ-СР4 № з/п 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17* 18* 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 (прототип) Витрата компонентів пальної Витрати Дистанція Кут зрізу Частота Порис- Міцність Тв ердість Викорисгазов ої суміші, зчептання порошку напилю- ств ола імпульсів тість попокриття пропан Кисень пов ітря в ання криття лення порошку 3 3 3 м /год. м /год. м /год. кг/год. мм град. Гц % МПа МПа % 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13 0,3 1,5 0,5 1,8 30 45 10 1,4 68 800 60 0,6 3 1,0 3,6 30 45 20 1,5 70 810 70 0,9 4,5 1,5 5,4 30 45 30 1,4 68 800 72 1,2 6 2,0 7,2 40 45 40 1,3 67 800 66 0,9 4,5 1,5 5,4 30 75 30 1,4 68 800 66 0,9 4,5 1,5 5,4 30 60 30 1,5 70 810 68 0,9 4,5 1,5 5,4 30 45 30 1,5 70 810 72 0,9 4,5 1,5 5,4 30 30 30 2,4 62 700 40 0,9 4.5 1,5 5,4 30 15 30 0,9 4,5 1,5 5,4 30 0 30 0,9 4,5 1,5 5,4 100 75 30 3,0 52 640 48 0,9 4,5 1,5 5,4 100 60 30 3,0 52 640 50 0,9 4,5 1,5 5,4 100 45 30 3,0 52 640 52 0,9 4,5 1,5 5,4 100 30 30 3,0 52 640 52 0,9 4,5 1,5 5,4 100 15 30 3,0 52 640 52 0,9 4,5 1.5 5,4 100 0 30 3,0 52 640 52 0,9 4,5 1,5 5,4 30 45 30 1,3 66 810 68 0,9 4,5 1,5 5,4 30 45 30 5,0 15 420 36 0,9 4,5 0,5 5,4 30 45 30 1,4 70 810 66 1,2 6,0 4,0 6,2 30 45 30 2,3 62 760 63 1,5 7,5 8 7,5 30 45 30 4,1 53 710 60 1,8 9,0 16 9,0 30 45 30 5,3 42 670 55 2,0 10,0 24 10,0 30 45 30 6,5 40 630 40 1,2 6,0 4,0 5,4 30 45 30 1.4 71 810 68 1,5 7,5 8 5,4 30 45 30 0,6 71 860 70 1,8 9,0 16 5,4 30 45 30 0,2 73 890 78 2,0 10,0 24 5,4 30 45 30 0 74 920 85 1,2 6,0 4 5,4 20 45 30 0,8 74 890 66 1,2 6,0 4 5,4 30 45 30 1,2 75 880 72 1,2 6,0 4 5,4 40 45 30 1,6 74 860 70 1,2 6,0 4 5,4 50 45 30 1,8 74 820 68 1,2 6,0 4 5,4 70 45 30 2,0 65 770 61 1,2 6,0 4 5,4 80 45 30 2,2 52 690 53 1,2 6,0 4 5.4 120 45 30 4,6 42 640 46 1,2 6,0 4 5,4 140 45 30 7,2 40 610 40 1,2 6,0 2,0 3,4 120 8,0 3,6 46 680 46 1,0 5,5 1,5 3,4 120 8,0 4,4 40 700 40 0,8 4,5 1,0 3,4 120 8,0 5,6 36 590 38 Примітка: Досліди 17* і 18* здійснюв алися за однаков их умов , тільки у в ипадку 18* заміст сферичної кумулятивної камери, що має симетрію і одну плоску стінку встанов лювалась рів на за об'є мом циліндрична детонаційна камера. Промислова застосовність Пристрій, що здійснює спосіб сферичного кумулятивного напилювання покриттів, може бути використаний в різних галузях промисловості. У металургії для напилювання плит кристалізаторів. У машинобудуванні, при ремонті та відновленні деталей машин. Список літератури 1. Спосіб детонаційного напилювання покриттів і пристрій для його здійснення (патент США №2714563. Кл3. В05В7/20). 2. Спосіб детонаційного напилювання покриттів. (А. С. СРСР. №1045491. М. Кл 3. В05В7/20). 3. Спосіб детонаційного напилювання покриттів і пристрій для його здійснення (Патент Росії. №879862. М. Кл 3. В05В7/20. 4. Детонаційна установка для нанесення покриттів. (А. С. СРСР. №719000. М. Кл3. В05В7/20. 5. Детонаційна установка для нанесення покриттів. (А. С. СРСР. №1083450. М. Кл 3. В05В7/20. 19 Комп’ютерна в ерстка Т. Чепелева 83831 Підписне 20 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601