Устройство для нанесения покрытий
Использование: полезная модель относится к области газотермического напыления, и может быть использована в машиностроении и других областях промышленности для нанесения металлических покрытий.
Технический результат: повышение производительности газопламенного напыления покрытий и обеспечение высоких качественных характеристик по адгезии и пористости за счет повышения скорости потока, применения сопла, формирующего поток, теплоотвода; расширение функциональных возможностей оборудования.
Сущность полезной модели:
1. Устройство для напыления покрытий из проволочных материалов, устанавливаемое на газовую головку (1) газопламенного пистолета, и содержащее горелку из двух блоков, направляющую для подачи проволоки, корпус, состоящий из двух коаксиально расположенных труб (22 и 24), и профилированное сопло (27) для формирования потока напыляемых частиц, установленное внутри корпуса и закрепленное при помощи крышки и гайки, отличающееся тем, что на внешней поверхности сопла выполнены продольные теплообменные ребра (29), а внутренняя поверхность выполнена с сужением в начальной части и с расширением в конечной части по направлению движения газопламенного потока.
2. Устройство, по п.1 отличающееся тем, что между трубами корпуса образована полость, закрытая с торцов; в наружной (22) и внутренней (24) трубах корпуса выполнены радиальные отверстия, а на внутренней поверхности внутренней трубы корпуса выполнен кольцевой выступ, что обеспечивает подачу поступающего воздуха или газа, перенаправление и распределение его потока вдоль наружной поверхности сопла и теплообменных ребер.
3. Устройство, по п.1 отличающееся тем, что кольцевая камера (19), в которой осуществляется перемешивание горючего газа и окислителя, кольцевой канал (20), через который горючая смесь поступает в камеру сгорания и камера сгорания образованы за счет профильных поверхностей направляющей и составной горелки, состоящей из наружного (6), и внутреннего (7) блоков.
Полезная модель относится к области технологий машиностроения, и в частности, к технологиям нанесения покрытий газотермическими методами. Устройство предназначено для газопламенного напыления, в том числе в ручном режиме, металлических покрытий с низким уровнем пористости. Покрытия, наносимые с использованием данного устройства, могут быть использованы для защиты от коррозии и износа элементов конструкций и деталей машин, например, работающих в химически агрессивных средах, при переменном давлении среды.
В качестве ближайших аналогов могут служить устройства для напыления покрытий из проволочных материалов (патент США US 3148818 и др.), которые содержат механизм подачи напыляемой проволоки, блок газораспределения, сопло, и газовую крышку. Для плавления проволоки в данных устройствах [3, с.346], в качестве горючего используется пропан или ацетилен, в качестве окислителя - кислород. Типичным техническим решением для конструкций данных устройств является применение, вместе с взаимодействующим с проволокой основным потоком, дополнительных воздушных потоков, для формирования факела расплавленных частиц в виде расширяющегося конуса. Недостатками данных устройств для газопламенного напыления, являются быстрое охлаждение расплавленного металла струями холодного воздуха, большой разброс распыляемых частиц по гранулометрическому составу, формирование в процессе плавления и распыления проволоки по краям потока крупных капель, и повышенное образование оксидов. Покрытия, наносимые при помощи данных устройств, имеют высокий уровень пористости, которая для отдельных типов оборудования превышает 15% [1, с.17], и низкий уровень адгезии к напыляемой поверхности. Данные покрытия, обладают недостаточной стойкостью в условиях воздействия коррозионно-активных сред, газоабразивного и эрозионного износа, и в частности не могут быть использованы при защите внутренних поверхностей резервуарного, емкостного, колонного оборудования, работающего под давлением, или в средах с изменяющимся давлением. Несмотря на закрытые поры, при изменении давления, происходит перетекание среды из областей с высоким давлением в области с более низким давлением - по границам зерен, на границе между покрытием и основой - по микродефектам. С течением времени, либо при резком изменении давления, это приводит к отслоению или разрушению покрытий. Согласно ряду источников [1, с.51], допустимый перепад давлений, для газопламенных покрытий, наносимых при помощи оборудования на дозвуковых скоростях, не превышает 1 МПа. Используемые в отдельных конструкциях сверхзвуковые горелки и насадки [2, с.114], не позволяют обеспечить нанесение покрытий с требуемым качеством, либо с достаточной производительностью.
Значительно лучшие показатели адгезии и пористости обеспечивают устройства напыления металлических покрытий, реализующие процесс HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), представленные в [2, с.134-146], в патенте Германии DE 4016412, и т.д. Отличительным свойством данных устройств являются гиперзвуковые скорости потока напыляемых частиц (5-7 Махов), что позволяет наносить плотные покрытия с высоким уровнем адгезии. Однако возможности применения гиперзвукового оборудования в полевых условиях ограничены, а напыление в ручном режиме практически невозможно. Для выполнения работ при помощи высокоскоростных установок, требуется развертывание и настройка роботизированного привода, систем охлаждения, а для отдельных типов оборудования - водородного поджига. Вместе со сложностью эксплуатации и высокой стоимостью оборудования и его обслуживания, это приводит к значительному удорожанию оборудования и стоимости наносимых покрытий, что снижает экономическую эффективность их применения.
Целью полезной модели является реализация возможностей нанесения в ручном режиме, либо с использованием простой оснастки, в полевых условиях, покрытий с высоким уровнем качества и адгезии, низкой пористостью, а также, повышение производительности процесса и расширение технологических возможностей.
Поставленная цель достигается тем, что на пистолет для газопламенного напыления металлических проволочных материалов устанавливается устройство, показанное на фиг.1, в конструкцию которого входит профилированное сопло, внутренняя поверхность которого выполнена с коническим сужением в начальной части, наличием цилиндрического участка - критического сечения, и с расширением в конечной части по направлению движения потока. Профилированное сопло обеспечивает формирование направленного потока, в т.ч., на сверхзвуковых скоростях. На наружной поверхности сопла выполнены продольные ребра, обеспечивающие эффективный теплоотвод, который необходим для повышения производительности напыления и предупреждения налипания частиц на внутреннюю поверхность. Устройство устанавливается на газовую головку газопламенного пистолета и крепится к нему газовой крышкой на резьбовом соединении. В состав устройства также входят коаксиально расположенные наружная и внутренняя трубы корпуса, служащие для подачи и формирования потока воздуха, и вспомогательные детали. Подаваемый воздух обеспечивает принудительное охлаждение наружной поверхности сопла и одновременно подогревается, перед формированием потока. Для обеспечения сверхзвуковой скорости потока используются повышенные, по сравнению со стандартными, значения рабочего давления: горючего газа и окислителя до 3-4 кг/см2; давления сжатого воздуха до 6 кг/см2 - при подаче их на пистолет.
Техническая сущность и принцип действия полезной модели поясняются чертежом, фиг.1, на котором представлена принципиальная схема устройства для напыления. Продольный и поперечный разрезы сопла, входящего в состав устройства, показаны, соответственно, на фиг.2 и 3. Устройство устанавливается на газовую головку 1 газопламенного проволочного пистолета с механизмом подачи проволоки (не показан) и блоком газораспределения 2, крепится при помощи газовой крышки 3 на резьбовом соединении. Расположенные в блоке газораспределения каналы 4 предназначены для подачи горючего газа. Стенки газовой крышки замыкают снаружи полости 5, которые используются для подачи воздуха. Устройство включает в себя горелку, состоящую из внутреннего блока 6 и наружного блока 7, установленного в газовую головку с кольцевым уплотнением 8. Наружный блоки горелки 7 имеет проточку 10 для подачи газа, и закреплен на газовой головке при помощи гайки горелки 9. В гайке горелки 9 выполнена проточка 11 для воздушного потока. Между наружным и внутренним блоками горелки имеется проход 12, который служит для подачи горючего газа (F) в камеру сгорания 13, в которой образуется факел пламени. Блок горелки расположен соосно к направляющей 15, служащей для подачи проволоки 16 в зону плавления. Проходы 17 служат для подачи окислителя (О) в зону горения. Стенки наружного блока горелки выполнены длиннее по направлению напыления, чем у направляющей, для предупреждения отрыва пламени. Профильные выступы 18 на наружной поверхности направляющей и внутренней поверхности наружного блока горелки, расположенные оппозитно друг к другу, образуют кольцевую камеру 19 и кольцевой канал 20. К плоскости гайки горелки 9, через прокладку 21 примыкают коаксиально расположенные наружная труба корпуса 22 с радиальными отверстиями 23 и внутренняя труба 24 с радиальными отверстиями 25. Между наружной и внутренней трубами образуется полость 26, используемая для подачи воздуха. Сопло 27 с критическим сечением 28 и наружными продольными ребрами охлаждения 29, установлено между расточкой в гайке горелки, и крышкой 30, которая крепится к при помощи гайки 31 с резьбой к наружной трубе корпуса 22. Внутренняя поверхность выходной части сопла 32 выполнена расширяющейся по направлению движения потока с расплавленными частицами 33, с углом наклона в пределах 120-220. Внутренняя труба корпуса горелки 24 выполнена с расположенным внутри нее профильным кольцевым выступом 34, служащим для распределения и перенаправления потока воздуха.
Описанное устройство для нанесения покрытий работает следующим образом. Напыляемый проволочный материал 16 подается через направляющую 15. Горючий газ подается из блока газораспределения пистолета через каналы 4, далее поступает через проход 12 в кольцевую камеру 19, где сталкивается и перемешивается с поступающим по проходу 17 окислителем. Образовавшаяся горючая смесь поступает через зазор 20 и поджигается, с образованием факела кольцевого пламени 14, который служит для плавления проволоки. Сжатый воздух (либо химически неактивный газ, при необходимости снижения уровня оксидов в покрытии) подается через полости 5 и радиально расположенные отверстия 23 в полость 26, между наружной и внутренней трубами корпуса. Далее воздух поступает через группу отверстий 25, расположенных на внутренней трубе корпуса горелки, и направляется при помощи выступа 34 к продольным охлаждающим ребрам 29, расположенным на наружной поверхности сопла; при этом происходит нагрев воздуха и отвод тепла от поверхности сопла. Поступивший в кольцевую проточку 11 воздух, далее проходит между поверхностью наружного блока горелки и конической сужающейся частью сопла, прижимая газопламенный факел к поверхности проволоки, что увеличивает скорость плавления металла, и формирует поток напыления. Постоянная подача проволоки в зону плавления осуществляется при помощи соответствующих устройств газопламенного пистолета - электродвигателя или воздушной турбины. В зоне, близкой к критическому сечению сопла 15 происходит плавление металла проволоки, захват плавящихся капель исходящим потоком и их перенос на напыляемую поверхность. При прохождении потока через критическое сечение, возникает изменение вектора скорости потока; расплавленные частицы при разгоне захватываются потоком и измельчаются, что способствует более равномерному их распределению; на расширяющемся участке сопла происходит разгон частиц.
Устройство обладает следующими техническими преимуществами. Устройство может быть установлено в составе оборудования мобильных комплексов для проведения работ по газопламенному напылению покрытий в полевых условиях, в том числе, для напыления в ручном режиме, либо с использованием простой оснастки. Использование данного устройства в полевых условиях позволяет обойтись без сложных и дорогостоящих работ по изготовлению и наладке сложной технологической оснастки и привода, оборудования, систем охлаждения, что позволяет значительно снизить себестоимость работ. В то же время, высокий уровень качества и адгезии наносимых с использованием полезной модели покрытий, а также низкий уровень пористости и содержание оксидов, обеспечиваются за счет повышения скорости потока частиц, более однородного их распределения, отсутствия охлаждающего действия и окисления со стороны дополнительных обжимающих потоков. Использование отводимого тепла и формирование направленного потока, обеспечивают также, снижение энергозатрат, повышение коэффициента использования материала. Принудительное охлаждение сопла позволяет повысить расход рабочих газов, мощность факела, скорость подачи проволоки, и соответственно - производительность напыления. Вместе с вышеуказанными факторами, это расширяет функциональные и технологические возможности установки с данным устройством.
ЛИТЕРАТУРА
1. Балдаев Л.Х. Реновация и упрочнение деталей машин методами газотермического напыления. М.: Изд. «КХТ». - 2004. - 134 с.
2. Газотермическое напыление: учеб. пособие / кол. авторов; под общей ред. Л.Х.Балдаева. - М.: Маркет ДС, 2007. - 344 с.
3. Теория и практика нанесения защитных покрытий / П.А.Витязь, B.C.Ивашко, А.Ф.Ильюшенко и др. - Минск.: Белорусская наука, 1998, 583 с.
1. Устройство для напыления покрытий из проволочных материалов, устанавливаемое на газовую головку газопламенного пистолета и содержащее горелку из двух блоков, направляющую для подачи проволоки, корпус, состоящий из двух коаксиально расположенных труб, и профилированное сопло для формирования потока напыляемых частиц, установленное внутри корпуса и закрепленное при помощи крышки и гайки, отличающееся тем, что на внешней поверхности сопла выполнены продольные теплообменные ребра, а внутренняя поверхность выполнена с сужением в начальной части и с расширением в конечной части по направлению движения газопламенного потока.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между трубами корпуса образована полость, закрытая с торцов, в наружной и внутренней трубах корпуса выполнены радиальные отверстия, а на внутренней поверхности внутренней трубы корпуса выполнен кольцевой выступ, что обеспечивает подачу поступающего воздуха или газа, перенаправление и распределение его потока вдоль наружной поверхности сопла и теплообменных ребер.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кольцевая камера, в которой осуществляется перемешивание горючего газа и окислителя, кольцевой канал, через который горючая смесь поступает в камеру сгорания, и камера сгорания образованы за счет профильных поверхностей направляющей и составной горелки, состоящей из наружного и внутреннего блоков.
