Способ газодинамического напыления порошковых материалов и устройство для его реализации (варианты)
Владельцы патента RU 2396371:
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН (ИТПМ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к способу газодинамического напыления порошковых материалов и устройству (варианты) для его реализации и может быть использовано в машиностроении, энергетике, металлургии и других сферах производства. При газодинамическом напылении в ускоряющем газовом потоке в дозвуковой или сверхзвуковой части сопла формируют течение с устойчивой структурой заданной конфигурации, в поперечном сечении которого получают распределение концентрации порошкового материала, обеспечивающее соответствующую конфигурацию пятна напыления на подложке. Устройство содержит осесимметричное сверхзвуковое сопло с форкамерой и узел подачи порошкового материала в сверхзвуковое сопло. Форкамера сверхзвукового сопла имеет сменную вставку с профилированным каналом, конфигурация которого определяет конфигурацию пятна напыления. В другом варианте в устройстве сверхзвуковое сопло вблизи среза имеет проницаемый участок. Проницаемый участок сопла может быть выполнен в виде щелей или дырчатой перфорации. Проницаемый участок сопла может быть выполнен из пористого газопроницаемого материала. Технический результат состоит в расширении функциональных и технологических возможностей. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к способам и устройствам газодинамического напыления порошковых материалов и может найти применение в машиностроении, энергетике, металлургии и других сферах производства.
Известен способ конструирования пространственных структур /1/, по которому в соответствии с компьютерной моделью создают требуемую объемную форму. Затем методом газодинамического напыления наполняют (напыляют) слой за слоем объемную форму, формируя при этом объемное изделие с заданным рельефом.
Недостатком указанного способа является то, что для получения одной конфигурации детали используют большое количество технологических операций.
За прототип выбран способ газодинамического напыления порошковых материалов, который реализуется благодаря устройству газодинамического напыления порошковых материалов /2/.
Устройство газодинамического напыления порошковых материалов содержит источник сжатого газа, дозатор порошка, блок напыления, состоящий из сверхзвукового сопла и жестко связанного с ним нагревателя газа, а также пневмопровод подачи порошка от дозатора к сверхзвуковому соплу, запорную арматуру и блок управления и контроля напыления, связанные между собой гибкими пневмо- и электропроводами.
Способ напыления осуществляется следующим образом. Устройство подключают к системе сжатого газа и электропитанию. На блоке управления и контроля задают и устанавливают необходимые параметры температуры и давления рабочего газа. Сжатый газ подают к дозатору и блоку напыления. Рабочий газ, проходя через пневмоканалы нагревателя, поступает в сверхзвуковое сопло. К сверхзвуковому соплу по центральному сквозному каналу поступает от дозатора газопорошковая смесь. Газопорошковая смесь вместе с нагретым газом в сопле ускоряется до сверхзвуковой скорости и переносится на обрабатываемое изделие. При этом форма пятна напыления полностью соответствует форме выходного сечения сверхзвукового сопла, например осесимметричная, прямоугольная.
Недостаток прототипа заключается в том, что невозможно получить объемное изделие с различной конфигурацией пятна напыления (в плане) и рельефа.
Задачей изобретения является расширение возможностей метода газодинамического напыления порошковых материалов для создания плоских и рельефных конфигураций.
Поставленная задача достигается благодаря тому, что способ газодинамического напыления порошковых материалов включает подачу порошкового материала в сверхзвуковое сопло, ускорение его газовым потоком и нанесение на подложку. При этом в ускоряющем газовом потоке, в дозвуковой или сверхзвуковой части сопла формируют течение с устойчивой структурой заданной конфигурации, в поперечном сечении которого получают распределение концентрации порошкового материала, обеспечивающее соответствующую конфигурацию пятна напыления на подложке.
Предложенный способ реализуется в двух вариантах устройства.
Вариант 1
Устройство газодинамического напыления порошковых материалов, содержащее осесимметричное сверхзвуковое сопло с форкамерой и узел подачи порошкового материала в сверхзвуковое сопло, форкамера сверхзвукового сопла снабжена сменной вставкой с профилированным каналом, конфигурация которого формирует заданную структуру потока и обеспечивает заданную конфигурацию пятна напыления на подложке.
Сменная вставка может быть выполнена со звездообразным каналом, имеющим произвольное число лучей.
Вариант 2
Устройство газодинамического напыления порошковых материалов, содержащее осесимметричное сверхзвуковое сопло с форкамерой и узел подачи порошкового материала в сверхзвуковое сопло, в котором сверхзвуковое сопло вблизи среза имеет проницаемый участок. Проницаемый участок сопла может быть выполнен в виде щелей или дырчатой перфорации. Проницаемый участок сопла может быть выполнен из пористого газопроницаемого материала.
Предлагаемый способ и устройство (Варианты) газодинамического напыления порошковых материалов позволяет, не меняя форму сечения сверхзвуковой части сопла, получать рельефные изделия с различной конфигурацией пятна напыления.
Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.
На фиг.1 а), b), с) показано устройство газодинамического напыления порошковых материалов (Вариант 1), где форкамера снабжена сменными вставками с профилированным каналом различной конфигурации; на фиг.2 а), b), с) показано устройство (Вариант 2), где сопло выполнено с концевым проницаемым участком, выполненным в виде щелей; на фиг.3 показано сопло с концевым проницаемым участком, выполненным в виде дырчатой перфорации; на фиг.4-7 приведены примеры изготовления изделий предложенным способом.
Предложенный способ газодинамического напыления порошковых материалов реализуется в двух вариантах устройства.
Вариант 1
Устройство газодинамического напыления порошковых материалов содержит осесимметричное сверхзвукового сопло 1 с форкамерой 2, соединенное с узлом подачи порошкового материала 3, порошковый питатель (не показан), выход которого соединен с узлом подачи порошкового материала в сопло. Сверхзвуковое сопло 1 снабжено в форкамере 2 сменной вставкой 4, например, со звездообразным каналом, заданной конфигурации пятна напыления (фиг.1 a, b, с). Поперечное сечение канала вставки определяет форму создаваемой конфигурации пятна напыления на подложке. Если продолжать напылять порошковый материал заданное по продолжительности время, то можно получить трехмерное изделие с заданным рельефом.
Вариант 2
Устройство газодинамического напыления порошковых материалов содержит блок напыления, осесимметричное сверхзвуковое сопло 1 с форкамерой 2, соединенное с узлом подачи порошкового материала 3, порошковый питатель (не показан), выход которого соединен с узлом подачи порошкового материала в сопло 1. Сверхзвуковое сопло вблизи среза снабжено проницаемым участком 5, который может быть выполнен в зависимости от требуемой конфигурации пятна напыления и рельефа изделия в виде щелей 6 или дырчатой перфорации 7 (см. фиг.2 а), b), с) и фиг.3). Проницаемый участок может быть выполнен из пористого газопроницаемого материала.
Способ газодинамического напыления порошковых материалов реализуется в устройствах следующим образом. Заданную конфигурацию устойчивых структур потока создают или посредством сменных вставок с профилированными каналами, размещенными в форкамере в дозвуковой части сопла, или в сверхзвуковой части сопла за счет проницаемого участка вблизи среза сопла.
Вариант 1 (в дозвуковой части сопла)
Ускоряющий газовый поток и порошковые материалы в виде газопорошковой смеси подают в дозвуковую часть сопла, где в форкамере посредством сменной вставки с профилированным каналом формируют устойчивое течение с заданной структурой потока, которое обеспечивает управление распределением концентрации порошковых материалов в потоке, подобное конфигурации поперечного сечения профилированного канала, формируя при этом на подложке пятно напыления заданной конфигурации и рельефа. Конфигурация профилированного канала соответствует конфигурации пятна напыления (см. фиг.1 а), b), с)),
где а) - двухлучевая конфигурация;
b) - трехлучевая конфигурация;
с) - четырехлучевая конфигурация.
Вариант 2 (в сверхзвуковой части сопла)
Ускоряющий газовый поток и порошковые материалы в виде газопорошковой смеси подают в сверхзвуковое сопло, где вблизи среза сопла проницаемый участок, выполненный в виде щелей или дырчатой перфорации, формирует течение с заданной устойчивой структурой, которое обеспечивает управление распределением концентрации порошковых материалов в поперечном сечении потока, формируя при этом на подложке пятно напыления заданной конфигурации и рельефа (см. фиг.2 а, b, с),
где а) - двухщелевая конфигурация;
b) - трехщелевая конфигурация;
с) - четырехщелевая конфигурация.
При продолжении процесса напыления какое-то время можно получить изделие заданной высоты.
Предлагаемые способ и устройства газодинамического напыления порошковых материалов позволяют получить плоские и трехмерные изделия различной конфигурации более простым и технологичным методом.
В Институте на установке газодинамического напыления порошковых материалов были проведены эксперименты по созданию плоских и трехмерных изделий с пятном напыления заданной конфигурации и рельефа. Фотографии полученных образцов прилагаются.
Примеры
На фиг.4, 5, 6, 7 приведены примеры получения изделий заданной конфигурации и рельефа методом газодинамического напыления порошковых материалов с применением предлагаемых устройств. Медный порошок напыляли на стальную подложку.
Вариант 1
Изделие на фиг.4 - «четырехлучевая звезда» - получено газодинамическим напылением порошковых материалов посредством сменной вставки в форкамере сопла (в дозвуковой части) с профилированным каналом - четырехлучевая конфигурация.
Вариант 2
На фиг.5, 6, 7 изделия получены газодинамическим напылением порошковых материалов с применением сверхзвукового сопла с проницаемым участком вблизи среза сопла (в сверхзвуковой части).
Изделие на фиг.5 - «звездочка» - получено на сопле с участком вблизи среза, выполненного из пористого газопроницаемого материала.
Изделия на фиг.6 - «крест» - получено на сопле с участком вблизи среза, выполненного в виде двух щелей.
Изделие на фиг.7 - «гантеля» - получено на сопле с участком вблизи среза, выполненного в виде одной щели.
Источники информации
1. US №6602545 В1, B05D 1/06, 2003 г.
2. Патент RU №2247174, С23С 24/04, 2003 г. - прототип.
1. Способ газодинамического напыления порошковых материалов, включающий подачу порошкового материала в осесимметричное сверхзвуковое сопло, ускорение его газовым потоком и нанесение на подложку, отличающийся тем, что в ускоряющем газовом потоке в дозвуковой или сверхзвуковой части сопла формируют течение с устойчивой структурой заданной конфигурации, в поперечном сечении которого получают распределение концентрации порошкового материала, обеспечивающее соответствующую конфигурацию пятна напыления на подложке.
2. Устройство газодинамического напыления порошковых материалов, содержащее осесимметричное сверхзвуковое сопло с форкамерой и узел подачи порошкового материала в сверхзвуковое сопло, отличающееся тем, что форкамера сверхзвукового сопла снабжена сменной вставкой с профилированным каналом, конфигурация которого определяет конфигурацию пятна напыления на подложке.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что сменная вставка выполнена со звездообразным каналом, имеющим произвольное число лучей.
4. Устройство газодинамического напыления порошковых материалов, содержащее осесимметричное сверхзвуковое сопло с форкамерой и узел подачи порошкового материала в сверхзвуковое сопло, отличающееся тем, что сверхзвуковое сопло вблизи среза имеет проницаемый участок, конфигурация которого формирует заданную структуру потока и обеспечивает заданную конфигурацию пятна напыления на подложке.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что проницаемый участок сопла выполнен в виде щелей.
6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что проницаемый участок сопла выполнен в виде дырчатой перфорации.
7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что проницаемый участок сопла выполнен из пористого газопроницаемого материала.
