Спосіб газотермічного напилення порошкових матеріалів

Спосіб газотермічного напилення порошкових матеріалів, що включає три стадії, які полягають в утворенні високотемпературного газового середовища на першій стадії, змішанні його з порошковим матеріалом і переважному нагріві частинок порошкового матеріалу в протяжному каналі газовим потоком з відносно низькою швидкістю на другій стадії, та переважному прискоренні частинок порошкового матеріалу у білязвуковому та надзвуковому газовому потоці на третій стадії з наступним нанесенням їх на оброблювану поверхню, який відрізняється тим, що на початку другої стадії утворюють змішання порошкового матеріалу з частиною газової фази, а решту газової фази вводять у потік у КІНЦІ другої стадії, приводячи витратною дією потік до білязвукової швидкості, причому коефіцієнт первинної витрати KGI газової фази на початку другої стадії становить 0,3-ь 0,8 О Винахід відноситься до способів газотермічного нанесення покриттів з порошкових матеріалів, а саме до технологій розпилення порошкових матеріалів, в яких для нагріву та розгону частинок використовуються стаціонарні високотемпературні газові потоки в протяжних каналах, і може бути використані в машинобудуванні для отримання високоякісних покриттів різного призначення, до яких ставляться підвищені вимоги щодо густини та адгезії Відомий спосіб газотермічного напилення (ЕРВ (ЕР) заявка № 0136978, публ 85 04 10, МКВЗ В05В7/20, Н05Н1/42, В05Д1/06), який передбачає витік високотемпературного газу від електродугового підігрівника або з камери згоряння паливних компонентів через протяжний канал, що являє собою сопло Лаваля з короткою дозвуковою ділянкою та подовженою надзвуковою ділянкою У дозвуковій частині сопла у перерізі, близькому до критичного, аксіальне здійснюється подача порошкового матеріалу з наступним нагрівом та прискорюванням частинок високотемпературним потоком у надзвуковій частині сопла Недоліком відомого способу є недостатня для якісного напилення температура частинок матеріалів, що мають відносно високі значення темпера тури плавлення та теплоємності, при їх нагріві у каналах з надзвуковою течією газу Відомий також спосіб (ЕРВ (ЕР) заявка № 0163776, публ 85 12 11, МКВЗ В05В7/20, С23С4/12, Н05Н1/42), який передбачає, що високотемпературні газоподібні продукти згоряння з камери згоряння витікають через канал, який складається з короткого сопла Лаваля та протяжної циліндричної надзвукової ділянки, в початковий переріз якого радіально подається порошковий матеріал Така організація процесу прискорювання та нагріву частинок забезпечує досягнення максимально можливих швидкостей частинок при їх розгоні стаціонарними газовими потоками у протяжних каналах Недоліком відомого способу також є недостатня у багатьох випадках температура частинок матеріалів, обумовлена тим, що для надзвукових розпнних каналів характерні швидкості газового потоку, ВІДПОВІДНІ діапазону чисел Маху (1,4 + 2,5)М у залежності від ступеня розширення у соплі, його конфігурації та виду паливної пари, що застосовується При цьому температура та густина газу в потоці складають ВІДПОВІДНО (0,75 + 0,45)То та (0,4 -ь 0,12)ро, де То та ро - температура 1 Ю 57147 проходять одночасно Але умови найбільш ефекта густина гальмування газу на вході у канал, які тивного проведення процесів розгону та нагріву визначають умови теплообміну між газовою та частинок виявляються взаємовиключними для дисперсною фазами У той же час, внаслідок висопідвищення температури частинок необхідно збікої швидкості частинок час перебування їх у потоці льшувати час знаходження їх у високотемператувиявляється недостатнім для теплової релаксації рному потоці та температуру і густину самого поз газовою фазою току, а при зростанні швидкості частинок час їх У промисловості широко застосовується метод прольоту через канал зменшується У той же час, газотермічного напилення, що реалізується зокефективність розгону частинок визначається швирема у пристрої для напилення (ЕРВ (ЕР) заявка дкістю несучого газового потоку, із зростанням якої № 0049915, публ 82 04 21, МКВЗ В05 В7/18, 7/20), температура та густина газу в потоці, які визначаякий передбачає нагрів та прискорювання частиють ефективність нагріву частинок, значно знижунок матеріалу, що напилюється, у дозвуковому ються сопловому каналі (ДЗСК), який являє собою протяжне циліндричне сопло, в якому потік розганяНайбільш близьким по технічній суті та реється за рахунок роботи сил тертя на СТІНЦІ каназультатам, що досягаються, до рішення, яке заявлу У вихідному перерізі ДЗСК (при наявності ляється, є спосіб нанесення покриттів, що реалізукритичного перепаду між тиском на вході та тисється у "Надзвуковому пальнику для ком оточуючого середовища) в потоці встановлюгазополум'яного напилення покриттів" ється швидкість звуку, а на вході в нього швидкість (авт свідоцтво СРСР № 1554986, МКВЗ В 05 В потоку відповідає числу Маха (0,5 -ь 0,75)М в за7/20, 28 09 1987), кий передбачає витратне керулежності від зведеної довжини Для характерного вання параметрами несучого газового потоку з значення швидкості в ДЗСК при числі Маха 0,8М метою створення оптимальних умов нагріву та параметри потоку складають (0,88 -ь 0,9)То та (0,73 прискорення порошку на значній протяжності по-ь 0,75)ро, що забезпечує значно кращі умови для току Цей спосіб передбачає проведення процесу нагріву частинок, ніж у надзвукових каналах, при спалювання палива у дві стадії На першій провоПОМІТНІЙ втраті їх швидкості дять спалювання всього палива з коефіцієнтом співвідношення компонентів значно меншим за Недоліком відомого способу напилення з настехіометричний На другій стадії у рухомий в прогрівом та прискорюванням частинок у дозвуковому тяжному каналі високотемпературний газ провосопловому каналі є принципова неможливість їх дять подачу окислювача, доводячи коефіцієнт нагріву до температур вище 0,9То, недостатній для співвідношення компонентів до стехіометричного нагріву частинок деяких класів матеріалів час знаВ результаті допалювання газу зростає його темходження їх у високотемпературному потоці, обупература За рахунок комбінованої витратної та мовлений відносно високими характерними швидтеплової дії відбувається прискорення потоку в костями газу та, ВІДПОВІДНО, частинок у каналі та, в каналі до швидкості звуку з подальшим прискотой же час, недостатня швидкість частинок на виренням до надзвукових швидкостей у розширному ході з пристрою Великі теплові втрати газу внаслідок інтенсифікації теплообмінних процесів при СОПЛІ русі з білязвуковими швидкостями також привоНедоліком відомого способу є невисока темдять до зниження температури несучого потоку пература газового середовища у початкових стадіях проведення процесу Це обумовлено тим, що Недоліки існуючих способів нагріву та присковитратне діяння здійснюється розподіленою подарювання частинок високотемпературними газовичею окислювача і максимальна температура проми потоками в протяжних каналах обумовлені тім, дуктів згоряння, відповідна стехіометричному співщо в них не реалізується у повній мірі енергетичвідношенню компонентів, досягається ний потенціал високотемпературних газових потобезпосередньо перед стадією розгону порошку у ків, тому енергетичний стан частинок багатьох надзвуковому потоці матеріалів виявляється недостатнім для отримання якісних покриттів Енергетичний стан частинок Задачею винаходу "Спосіб газотермічного навизначається їх питомою ентальпією, що здобувапилення порошкових матеріалів" є оптимізація ється у результаті нагріву, та кінетичною енергією, процесу нагріву частинок матеріалу, що напилюяку вони дістають при розгоні Для отримання якіється, високотемпературним газовим потоком в сних покриттів частинки повинні мати можливо протяжному каналі по критерію максимуму питомої більшу швидкість та знаходитися у розплавленому ентальпії або, принаймні, у пластичному стані Розрахунки Задача досягається шляхом проведення провиявляють, що при однакових довжині каналів та цесу напилення у три стадії, на першій з ' яких тепловій потужності процесу питома ентальпія створюється високотемпературне газове середочастинок у дозвуковому каналі на ЗО -ь 50% перевище, на другій - здійснюється переважний нагрів вищує таку у надзвуковому, а їх швидкість у дозвучастинок, що відбувається у несучому газовому ковому каналі на 60 -ь 80% менша за таку у надпотоці з високою температурою та малою швидкісзвуковому У комбінованих соплових каналах, тю, на-третій стадії здійснюється переважний розстворених поєднанням дозвукової та надзвукової гін нагрітих частинок у білязвуковому потоці та їх ділянок, можуть бути отримані проміжні значення нанесення на оброблювану поверхню, згідно випитомої ентальпії та кінетичної енергії частинок находу, змішання високотемпературного газового ВІДПОВІДНО співвідношенню довжин цих ділянок середовища з потоком порошкового матеріалу здійснюється на початку та у КІНЦІ другої стадії, на У відомих способах газотермічного напилення якій витратною дією потік приводять до білязвукоз нагрівом та прискорюванням частинок у протяжвоі швидкості, причому коефіцієнт, первинної виних каналах той чи іншої конфігурації ці процеси 57147 усіх відомих способів для здійснення процесу нагріву частинок У КІНЦІ другої стадії питома ентальпія частинок складає не менш 90% її кінцевого значення, а швидкість - не більше 30%, що дозволяє вважати и стадією переважного нагріву частинок Вищевикладене слушно і у випадку проведення процесу в розширному каналі, але в цьому випадку значення параметрів газу в потоці зміщуються у сторону значень, що відповідають меншим числам Маха Після введення у КІНЦІ другої стадії (у другому вузлі підводу) решти витрати газової фази у результаті витратної дм в потоці встановлюється білязвукова течія та відбувається третя стадія процесу, на якій при наявності необхідного перепаду тиску потік прискорюється геометричною дією до надзвукових швидкостей Умови у надзвуковому потоці найбільш сприятливі для розгону дисперсних частинок, тому на цій стадії відбувається переважно прискорення нагрітих на попередній стадії частинок до швидкостей, які характерні витрати) K G I для способів напилення з нагрівом та прискоренПри подачі через передній вузол підводу ЗО + ням частинок у каналах з надзвуковою течією газу 80% всієї витрати газової фази (коефіцієнт перТаким чином, в способі газотермічного напивинної витрати KGI = 0,3 -ь 0,8) у каналі постійної лення порошкових матеріалів, що заявляється, площі перерізу між вузлами підводу встановлюздійснюється функціональний розподіл процесу ється течія, яка характеризується невисокою швинагріву та прискорення частинок дисперсного мадкістю газового потоку, а також його високими тетеріалу високотемпературним газовим потоком на мпературою та густиною (швидкість газу дві окремі стадії, кожна з яких відбувається на ДІвідповідає діапазону чисел Маха 0.18М -ь 0.46М, ЛЯНЦІ з параметрами газового потоку, які забезпетемпература та густина газу в потоці складають чують найбільш ефективний її перебіг ВІДПОВІДНО (0,99 -ь 0,96)Т0 та (0,98 -ь 0,9)р0), що забезпечує створення умов найбільш оптимальних з трати KGI газової фази на початку другої стадії становить 0,3 -ь 0,8 Таким чином, керування параметрами потоку у каналі здійснюється витратною дією високотемпературного газового середовища, що створюється в одному чи кількох газогенераторах, у якості яких можуть застосовуватися камери згоряння паливних компонентів, електродугові підігрівники, ОМІЧНІ або ІНШІ нагрівники газу Виділення стадії нагріву здійснюється послідовним введенням високотемпературного газу у несучий потік у двох рознесених по потоку вузлах підводу, на ДІЛЯНЦІ МІЖ ЯКИМИ реалізується течія з оптимальними для нагріву частинок параметрами потоку Частка високотемпературного газу, що надходить у потік на початку другої стадії (через перший - передній по потоку - вузол підводу) ВІДНОСНО сумарної КІЛЬКОСТІ, що генерується на першій стадії, характеризується коефіцієнтом витрати газової фази на другій стадії (далі - коефіцієнт первинної Таблиця Температура розпилених частинок хрому у залежності від коефіцієнту первинної витрати та дисперсності (розрахункові значення) Коефіцієнт первинної витрати KGI 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Прототип при оптимізованому початковому значенні коефіцієнту надлишку окислювачу Відомий газодинамічний тракт з надзвуковим сопловим каналом по ЕР № 0163776 У таблиці наведені результати розрахунку теплового стану (температура, К) частинок у залежності від коефіцієнту витрати газової фази через передній вузол подачі та їх дисперсності для одного конкретного випадку здійснення способу Розглядався нагрів частинок хрому при їх високошвидкісному газополум'яному напиленні пальниковим пристроєм, працюючим на паливній парі воденьповітря, при тиску у камері згоряння 1 МПа і температурі - 2380К Довжина каналу нагріву пристрою дорівнює довжині його каналу прискорення і становить 150мм Температура, К частинок хрому дисперсності ЗОмкм 40мкм 50мкм 1625 1580 1540 1695 1640 1590 1720 1660 1595 1720 1650 1580 1710 1630 1555 1690 1600 1520 1650 1555 1475 1610 1510 1425 1645 1550 1465 1550 1450 1360 Як видно з таблиці температура частинок хрому, що не зазнають фазових перетворень та розпилюються способом, що заявляється, у вказаному діапазоні значень коефіцієнту KGI на 170° - 235° перевищує температуру частинок, що розпилюються відомим способом, та на 65° - 130° перевищує температуру частинок, що досягається в прототипі при оптимізованому початковому значенні коефіцієнту надлишку окислювачу при повній геометричній подібності газодинамічних трактів, рівності термодинамічних параметрів та ентальпій газової фази на першій стадії процесу Розрахунки виявляють, що реалізація способу газотермічного напилення порошкових матеріалів для кожного конкретного випадку, який характеризується теплофізичними властивостями матеріалу, що напилюється, та газової фази, дисперсністю частинок, температурою газової фази, формою та геометричними розмірами каналу, існує оптимальне значення коефіцієнту первинної витрати KGI, яке забезпечує максимум питомої ентальпії матеріалу, що напилюється Найбільш визначальним фактором, що впливає на положення оптимуму, є дисперсність частинок - з и збільшенням оптимум зміщується в сторону менших значень коефіцієнту витрати KGI Але у всьому практично інтересному діапазоні змінювання умов здійснення способу, що заявляється, максимальній питомій ентальпії частинок відповідають значення коефіцієнту первинної витрати KGI В межах інтервалу від 0,3 до 0,8 Саме в цьому діапазоні значень коефіцієнту первинної витрати KGI спосіб забезпечує максимальне підвищення теплової складової в порівнянні з відомими способами Таким чином, за межами заявленого інтервалу значень вказаного коефіціє Комп'ютерна верстка Т Чепелєва 57147 8 нту поставлена задача не досягається Приклад здійснення способу порошок алюмінію марки А7 з дисперсністю 60 - ЮОмкм напилювали пальниковим пристроєм, працюючим на паливній парі водень-повітря, при тиску в камері згоряння 1МПа та температурі - 2100К Довжина каналу нагріву пристрою становила 150мм і дорівнювала довжині його прискорювального каналу При значенні коефіцієнту первинної витрати KGI = 0,5 було отримано покриття з пористістю менше 0,75% та адгезією до сталевої підкладки 35МПа Потенціальною областю промислового застосування способу газотермічного напилення порошкових матеріалів є напилення тугоплавких металокерамічних композиційних порошків способом високошвидкісного газополум'яного напилення з киснем у якості окислювача в машинобудуванні, нанесення антикорозійних металевих покриттів тім же способом з повітрям у якості окислювача в суднобудуванні та промисловому будівництві, нанесення функціональних покриттів газодинамічним способом з омічним підігрівом газу в приладобудуванні та точному машинобудуванні Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна