Устройство и сопло для холодного напыления порошкового материала
Настоящее изобретение относится к усовершенствованию конструкции сопла для использования в устройстве нанесения покрытий из металлических сплавов на обрабатываемое изделие методом холодного напыления. Сопло имеет канал для распыления порошкового материала, имеющий сужающуюся и расширяющуюся части, и по меньшей мере расширяющаяся часть канала выполнена из полибензимидазола. В одном варианте выполнения сопла из полибензимидазола также выполнена сужающаяся часть канала. Техническим результатом изобретения является отсутствие нарастания распыляемого материала на поверхности сопла при успешном напылении покрытия. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится кусовершенствованию конструкции сопла для использования в устройстве нанесения покрытий из металлических сплавов на обрабатываемое изделие методом холодного напыления. Изобретение было создано при поддержке правительства в рамках Соглашения о совместных НИОКР по заказу № SC001/01589 Департамента энергетики США. Правительство Соединенных Штатов Америки имеет определенные имущественные права в отношении данного изобретения.
Уровень техники
Холодное газодинамическое напыление (например, холодное напыление) - это сравнительно новая технология, предусматривающая нанесение металлопорошкового покрытия посредством сцепления частиц в твердом состоянии. Такой механизм сцепления достигается ускорением частиц материала покрытия до сверхзвуковых скоростей при помощи сужающегося-расширяющегося сопла (сопла Лаваля) с использованием газообразного гелия и/или азота. Устройство для холодного газодинамического напыления раскрыто в патенте США № 5302414 (выдан Алхимову и др.), включенном в данное описание путем ссылки.
Обычно сопло устройства холодного напыления выполняют из таких материалов, как латунь, нержавеющая сталь и инструментальная сталь. При нанесении покрытий из некоторых материалов, а именно алюминия и некоторых никелевых сплавов, происходит сужение проходного сечения сопла вследствие нарастания металлического порошка на стенке сопла, в результате чего устройство выходит из строя и требует ремонта для снятия поврежденного сопла. При работе с алюминиевым материалом сопло забивается через 3-4 минуты, тогда как по условиям рентабельности этой новой технологии желательно, чтобы ресурс сопла составлял как минимум 8 часов непрерывной работы.
Раскрытие изобретения
В соответствии с вышеизложенным решаемая изобретением задача заключается в создании сопла, обеспечивающего требуемую продолжительность непрерывной работы.
В соответствии с настоящим изобретением эта задача решена в усовершенствованном сопле, содержащем канал распыления порошкового материала, имеющий сужающуюся и расширяющуюся части, при этом по меньшей мере расширяющаяся часть канала выполнена из полибензимидазола. В частном варианте изобретения из полибензимидазола может быть выполнена и сужающаяся часть канала.
Другие подробности конструктивного выполнения предложенного сопла холодного напыления, дополнительные задачи, решаемые изобретением, а также достоинства изобретения, приведены в нижеследующем описании осуществления изобретения, поясняемом чертежами, на которых одинаковым элементам конструкции соответствуют одни и те же позиции.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображено устройство холодного напыления, в котором может использоваться предложенное сопло.
На фиг.2 приведено сечение предложенного сопла холодного распыления в увеличенном масштабе.
На фиг.3 приведен график, иллюстрирующий изменение скорости эрозии по времени для сопла, выполненного из полибензимидазола.
На фиг.4 приведена диаграмма, иллюстрирующая характеристики различных материалов, используемых в конструкции сопла.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлено устройство 10 для холодного напыления порошкового покрытия, например, порошка алюминия, на поверхность изделия. Устройство 10 содержит корпус 1′, в котором расположены связанные между собой бункер 2 для порошка с крышкой 2', закрепленной посредством резьбы 2'', средство дозирования порошка, а также средство смешения указанного порошкового материала с газом, выполненное в виде смесительной камеры. Устройство также имеет сопло 4 для ускорения частиц порошка, связанное со смесительной камерой, источник сжатого газа 5 и подключенные к нему средства подачи сжатого газа в смесительную камеру. Средства подачи сжатого газа выполнены в виде пневмопровода 6, связывающего через запорно-регулирующий орган 7 источник сжатого газа 5 с входным патрубком 8 дозатора-питателя 1. Средство дозирования порошка, выполнено в виде цилиндрического барабана 9, имеющего на своей цилиндрической поверхности 9' впадины 10 и связанного со смесительной камерой и соплом 4 ускорения частиц.
Устройство также содержит регулятор расхода частиц порошка 11, установленный с зазором 12 от цилиндрической поверхности 9' барабана 9 с обеспечением заданного удельного массового расхода порошка при нанесении покрытия, а также промежуточное сопло 13, расположенное рядом со смесительной камерой и связанное через входной патрубок 8 со средствами подачи сжатого газа и источником сжатого газа 5.
Для предотвращения попадания частиц порошка в зазор 14 между барабаном 9 и корпусом 1' дозатора-питателя 1 и, соответственно, для предотвращения заклинивания барабана 9, внизу бункера расположена отражающая пластина 15, непосредственно контактирующая с цилиндрической поверхностью 9' барабана 9.
Для обеспечения равномерности заполнения впадин 10 порошком и надежности подачи порошка в смесительную камеру барабан 9 установлен горизонтально таким образом, чтобы одна часть его цилиндрической поверхности 9' использовалась в качестве дна 16 бункера 2, а другая часть образовывала стенку 17 смесительной камеры. Впадины 10 в цилиндрической поверхности 9' барабана 9 расположены проходящими по винтовой линии, что уменьшает неравномерность расхода частиц порошка при дозировании. Для сообщения потоку газа сверхзвуковой скорости с заданным профилем струи, высокой плотностью частиц и низкой температурой, а также для обеспечения ускорения частиц порошка до скорости 300-1200 м/с, сопло 4 ускорения частиц порошка выполнено сверхзвуковым и содержит канал 18 профилированного сечения. Канал 18 сопла 4 содержит сужающуюся часть 100 и расширяющуюся часть 102. Также у канала 18 одно измерение проточной части предпочтительно больше другого измерения, и отношение меньшего измерения на срезе 19 сопла к длине "I" сверхзвуковой (закритической) части 20 находится примерно в интервале от 0,04 до 0,01.
Конструкция канала 18 позволяет создать газопорошковую струю заданного профиля, обеспечивает эффективное ускорение порошка и снижает потерю скорости в слое сжатого газа, находящемся перед поверхностью, на которую наносится покрытие.
На внутренней поверхности промежуточного сопла 13, в области его выхода в смесительную камеру, расположен турбулизатор 21 потока сжатого газа, поступающего в сопло 13 из средств подачи сжатого газа через патрубок 8. Этот турбулизатор 21 обеспечивает эффективное удаление порошка с барабана и образование газопорошковой смеси. Для обеспечения отражения потока и эффективного перемешивания порошка и газа при прохождении газа через ту часть цилиндрической поверхности 9' барабана 9, которая образует стенку 17 смесительной камеры, промежуточное сопло 13 установлено таким образом, чтобы его продольная ось проходила под углом от 80 до 85 градусов к нормали, проведенной к цилиндрической поверхности 9' барабана 9.
Устройство напыления покрытий на поверхность изделия также содержит средство подачи сжатого газа к впадинам 10 в цилиндрической поверхности 9' барабана 9 и в верхнюю часть 22 бункера 2 для выравнивания давлений в бункере 2 и смесительной камере. Наличие этого средства снимает давление, воздействующее на дозирование порошка.
Это средство подачи газа в виде канала 23, выполненного в корпусе 1' дозатора-питателя 1, связывающего внутреннюю полость промежуточного сопла 13 с верхней частью 22 бункера 2 и имеющего трубопровод 25, связанный с промежуточным соплом 13, проходит через бункер 2 и в верхней части последнего изгибается на 180 градусов.
Барабан 9 установлен с возможностью вращения во втулке 48, выполненной из пластмассы и контактирующей с цилиндрической поверхностью 9' барабана 9. Пластмассой, из которой выполнена втулка 48, является фторопласт TEFLON, который обеспечивает сохранение формы барабана 9, поглощая частицы порошка. Наличие втулки 48 уменьшает износ барабана 9 и изменение его поверхности 9', а также исключает его заклинивание.
Изображенное на фиг.1 устройство напыления покрытий работает следующим образом. Сжатый газ поступает от источника сжатого газа 5 по пневмопроводу 6 через запорно-регулирующий орган 7 во входной патрубок 8 дозатора-питателя 1, при этом подаваемый газ ускоряется посредством промежуточного сопла 13 и направляется под углом от 80 до 85 градусов на цилиндрическую поверхность 9' барабана 9, который в этот момент неподвижен. Затем, после столкновения с указанной поверхностью, газ попадает в смесительную камеру, из которой он выходит через профилированное сверхзвуковое сопло 4. Сверхзвуковое сопло 4 выводится на рабочий режим (5-20 атм) посредством запорно-регулирующего органа 7, создавая при этом сверхзвуковую газовую струю, истекающую со скоростью 300-1200 м/с.
Порошок из бункера 2 попадает на цилиндрическую поверхность 9' барабана 9, заполняя впадины 10, и при вращении барабана происходит перенос порошка в смесительную камеру. Газовый поток, формируемый промежуточным соплом 13 и возмущаемый турбулизатором 21, сдувает порошок с цилиндрической поверхности 9' барабана 9 в смесительную камеру, в которой образуется газопорошковая смесь. Расход порошка задают числом оборотов барабана 9 и зазором 12 между барабаном 9 и регулятором 11 расхода порошка. Отражающая пластина 15 препятствует попаданию порошка в зазор 14 между корпусом 1′ и барабаном 9. Из промежуточного сопла 13 газ дополнительно отводят по каналам 23 и подают в зазор 12 между барабаном 9 и корпусом 1' для его продувки и очистки от остатков порошка, а по трубопроводу 25 газ попадает в верхнюю часть 22 бункера 2, выравнивая давления в бункере 2 и смесительной камере. Поступающая из смесительной камеры газопорошковая смесь ускоряется в сверхзвуковой (расширяющейся) части 20 канала 18. Таким образом, образуется высокоскоростная газопорошковая струя, определяемая конфигурацией поперечного сечения канала 18, со скоростью частиц и их удельным расходом, необходимыми для формирования покрытия. Для заданного профиля сверхзвуковой части 20 канала 18 удельный расход порошка (интенсивность расхода) устанавливают дозатором-питателем 1, а скорость частиц определяется используемым газом. Например, изменяя содержание гелия в смеси с воздухом от нуля до 100%, скорость частиц порошка можно регулировать между 300 и 1200 м/с.
В соответствии с настоящим изобретением забивание канала 18 в представленном на фиг.2 сверхзвуковом сопле 4 предотвращается выполнением по меньшей мере его расширяющейся части 102 из полибензимидазола. Полибензимидазол имеет состав поли(2,2'-(m-фенилен)-5,5'-бибензимидазол). Для еще большего эффекта из этого материала могут быть выполнены как сужающаяся часть 100, так и расширяющаяся часть 102, с получением сопла цельной конструкции. Такое выполнение сопла как единого целого особенно выгодно при напылении на обрабатываемое изделие алюминия и алюминиевых сплавов. Полибензимидазол сохраняет стабильность до 800°F (427°C). Это очень твердый полимер, обладающий твердостью по Роквеллу по шкале Е, равной 105, и отличными характеристиками эрозионной стойкости. Кроме того, этот материал можно формовать прямым прессованием с получением деталей любых требуемых размеров. Он также легко поддается механической обработке, что позволяет с очень жесткими допусками изготавливать детали из брусковых заготовок.
Для иллюстрации преимуществ использования полибензимидазола в сопле холодного распыления был проведен эксперимент по определению эрозионного износа сопла с использованием сопла цельной конструкции, выполненного из полибензимидазола. Условия формирования струи были следующими: рабочий газ - гелий под избыточным давлением 250 фунт на кв. дюйм (1,73 МПа) при 300°С, распыляемый материал - чистый алюминий со степенью чистоты 99,7%, поставляемый под маркой Н-20 компанией "Вэлимет Копэрейшн", подававшийся со скоростью около 12 грамм в минуту. На фиг.3 показано изменение скорости эрозии по времени для исследовавшегося сопла. Наибольшая интенсивность эрозии наблюдалась в течение первых пяти минут работы. При этом эрозия имела место по окружности горла (критического сечения) сопла, расположенного между его сужающейся и расширяющейся частями. После этой начальной эрозии интенсивность потери веса сопла составляла примерно 0,64 мг в минуту. На фиг.4 представлена диаграмма, иллюстрирующая эффективность материалов сопла, выраженная изменением веса сопла по времени работы. На этой фигуре показано, что полибензимидазол как материал для изготовления сопла превзошел многие другие возможные материалы.
Проведенный эксперимент также показал отсутствие нарастания распыляемого материала на поверхности сопла при использовании полибензимидазола. Испытания предложенного сопла, проводимые в процессе эксплуатации устройства, продолжают демонстрировать успешное напыление алюминия, проводимое в течение восьми часов без нарастания распыляемого материала на стенке сопла.
Таким образом, предложенное выполнение сопла холодного распыления полностью решает указанные выше задачи изобретения с достижением рассмотренных выше преимуществ. Хотя изобретение описано на примере конкретных вариантов конструкции, его осуществление возможно и в других вариантах, а также с изменениями, которые должны быть очевидны специалистам, прочитавшим приведенное выше описание. Соответственно, такие варианты и изменения рассматриваются как подпадающие под патентные притязания, выраженные формулой изобретения.
1. Сопло для холодного напыления, содержащее канал распыления порошкового материала, имеющий сужающуюся и расширяющуюся части, отличающееся тем, что по меньшей мере расширяющаяся часть канала выполнена из полибензимидазола.
2. Сопло по п.1, отличающееся тем, что сужающаяся часть канала также выполнена из полибензимидазола.
3. Устройство холодного напыления, содержащее источник порошкового материала, средство смешения указанного порошкового материала с газом, и связанное с вышеупомянутым средством сопло распыления порошкового материала на обрабатываемое изделие, причем сопло имеет сужающуюся и расширяющуюся части, отличающееся тем, что по меньшей мере расширяющаяся часть сопла выполнена из полибензимидазола.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что сужающаяся часть сопла также выполнена из полибензимидазола.
5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что сопло выполнено как единое целое.
