Установка для газопламенного напыления наноструктурированного покрытия
Полезная модель относится к устройствам для получения наноструктурированных покрытий поверхности изделий с использованием методов газотермического напыления, в частности высокоскоростного газопламенного напыления. Установка газопламенного напыления наноструктурированного покрытия содержит распылитель с камерой сгорания, имеющей выходное сопло, и устройства для подачи в камеру сгорания горючего, окислителя и исходного материала для покрытия, а также дополнительное сопло, охватывающее выходное сопло камеры сгорания и снабженное устройством для подачи инертного газа, причем длина дополнительного сопла превышает длину выходного сопла камеры сгорания.
Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для получения наноструктурированных покрытий поверхности изделий с использованием методов газотермического напыления, в частности высокоскоростного газопламенного напыления. Наноструктурированные покрытия позволяют существенно повысить прочностные и антикоррозионные свойства поверхности изделий, что обеспечивает увеличение их эксплуатационного ресурса.
Известны установки для газопламенного напыления, содержащие распылитель с устройствами для подачи горючего, окислителя и порошка напыляемого материала (см. книгу Газотермическое напыление: учебное пособие/кол, авторов; под общей редакцией Л.Х.Балдаева. - М.: Маркет ДС, 2007. С.106-114). В распылителе этих установок в результате сгорания горючего образуется высокотемпературный газовый поток. Порошок напыляемого материала под действием потока горячего газа разгоняется и, нагреваясь, расплавляется. При соударении с поверхностью детали, расплавленные капли растекаются и застывают, образуя защитное покрытие. Однако эти установки не обеспечивают получения наноструктурированного покрытия.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели по совокупности признаков является установка для газопламенного напыления наноструктурированного покрытия, содержащая распылитель с камерой сгорания, имеющей выходное сопло, и устройства для подачи в камеру сгорания горючего, окислителя и исходного материала для покрытия (патент РФ 
2407700 C2, МКП B82B 3/00, C23C 4/12). В этой установке исходный материал для покрытия представляет собой истинный или коллоидный раствор органических и/или неорганических соединений в жидком топливе, в частности керосине. При сгорании этого раствора в камере сгорания распылителя происходит выгорание растворителя - керосина и превращение раствора в материальные частицы при реакции пиролиза. Эти частицы агломерируются и ускоряются в выходном сопле распылителя, после выхода из которого осаждаются на подложке, образуя наноструктурированное покрытие.
Недостатком известной установки является использование в качестве исходного материала для покрытия истинного или коллоидного раствора органических и неорганических соединений в органическом растворителе, служащем в качестве топлива. С одной стороны, получение такого раствора в целом усложняет и удорожает технологический процесс нанесения покрытия. С другой стороны, не всякий материал, используемый для покрытия, растворяется в органическом растворителе, служащем в качестве топлива. Это ограничивает технологические возможности данной установки.
Задачей полезной модели является упрощение организации технологического процесса получения наноструктурированного покрытия и расширение технологических возможностей установки для получения такого покрытия.
Технический результат достигается тем, что установка для газопламенного напыления наноструктурированного покрытия, содержащая распылитель с камерой сгорания, имеющей входное сопло, и устройства для подачи в камеру сгорания горючего, окислителя и исходного материала для покрытия, имеет дополнительное сопло, охватывающее выходное сопло камеры сгорания и снабженное устройством для подачи инертного газа, причем длина дополнительного сопла превышает длину выходного сопла камеры сгорания.
В качестве исходного материала для покрытия используются порошковые материалы, широко применяемые на практике, в частности в порошковой металлургии. Достижение технического результата основано на том, что в камере сгорания порошок исходного материала для покрытия, нагреваясь под воздействием высокотемпературного потока газа, переходит в газообразное состояние, а затем в дополнительном сопле за счет резкого охлаждения потока газа исходный материал из газообразного состояния, минуя жидкое состояние, переходит в твердое состояние в виде наночастиц. Эти частицы при оседании на поверхности подложки образуют наноструктурированное покрытие.
Предлагаемая установка для газопламенного напыления наноструктурированного покрытия схематично показана на представленном чертеже. Установка имеет распылитель, содержащий корпус 1, в котором размещены камера сгорания 2 с выходным соплом 3 и диск 4 с отверстиями 5. На корпусе 1 установлены свеча зажигания 6 и трубка 7. На торце корпуса 1 имеются штуцеры 8 и 9. Между диском 4 и торцом корпуса 1 расположена полость 10, служащая для образования топливной смеси. Распылитель снабжен также дополнительным соплом 11, охватывающим сопло 3 камеры сгорания 2. Сопло 11 закреплено на корпусе 1. Между соплами 3 и 11 образована коническая кольцевая полость 12. Сопло 11 имеет штуцер 13 для подачи инертного газа.
Установка для напыления кроме распылителя содержит также системы для подачи топлива, порошка исходного материала для покрытия и инертного газа. Система топливоподачи включает в себя баллон 14 с горючим газом, например пропан - бутаном, баллон 15 с кислородом, воздушный компрессор 16, регуляторы давления 17, 18, 19, дроссели 20, 21, 22 и вентили 23, 24. Магистраль горючего газа присоединена к штуцеру 8, а магистраль окислителя к штуцеру 9. При использовании в качестве окислителя кислорода вентиль 23 находится в открытом положении, а вентиль 24 в закрытом положении. Если же используется в качестве окислителя сжатый воздух от компрессора 16, то вентиль 23 находится в закрытом положении, а вентиль 24 в открытом положении. Необходимое соотношение между горючим газом и окислителем обеспечивается соответствующим подбором проходных сечений дросселей 20, 21, 22.
Системы подачи порошка исходного материала для покрытия и инертного газа включают в себя баллон 25 с газом, например азотом, регуляторы давления 26, 27 и емкость 28 с трубкой 29, соединенная трубопроводом с трубкой 7. Регулятор давления 26 соединен трубопроводом со штуцером 13. В емкости 28 помещен порошок 30 исходного материала для покрытия. Трубка 29 и полость емкости 28 соединены трубопроводами с регулятором давления 27.
Работа установки осуществляется следующим образом. Горючий газ из баллона 14 через регулятор давления 17, дроссель 20 и штуцер 8 поступает в полость 10. Одновременно кислород из баллона 15 через регулятор давления 18, дроссель 21, вентиль 23 и штуцер 9 поступает в полость 10. При использовании в качестве окислителя сжатого воздуха в полость 10 воздух поступает из компрессора 16 через регулятор 19, дроссель 22, вентиль 24. В полости 10 образуется топливная смесь, которая через отверстия 5 диска 4 поступает в камеру сгорания 2.
Поджиг топливной смеси производится при помощи свечи 6. В дальнейшем свеча 6 не используется, процесс горения топливной смеси поддерживается автоматически. В результате сгорания топливной смеси в камере сгорания 2 формируется высокотемпературный газовый поток. Одновременно с этим инертный газ, поступающий из баллона 25 в трубку 29 емкости 28, при истечении из трубки 29 увлекает с собой частички порошка 30. Благодаря этому в камеру сгорания 2 через трубку 7 подается порошок исходного материала для покрытия. Под действием высокотемпературного газа частицы порошка нагреваются, расплавляются и испаряются.
Параметры газового потока подбираются таким образом, чтобы на длине камеры сгорания 2 частицы порошка полностью испарились. Таким образом, из камеры сгорания 2 в сопло 3 поступает газовый поток с парами исходного материала для покрытия. В сопле 3 газовый поток ускоряется и его температура снижается.
Наряду с этим из баллона 25 через регулятор давления 26 и штуцер 13 подается инертный газ в сопло 11, и в кольцевой полости 12 формируется поток холодного газа. При смешивании высокотемпературного потока газа, вытекающего из сопла 3, с холодным потоком происходит резкое охлаждение высокотемпературного потока. Температура его становится ниже температуры плавления исходного материала для покрытия. При этом исходный материал из парогазообразного состояния переходит в твердое состояние, минуя жидкое состояние. Благодаря этому в газовом потоке возникают наночастицы напыляемого материала. В дальнейшем эти наночастицы, оседая на поверхность подложки, образуют наноструктурированное покрытие 31.
В предлагаемой установке в качестве исходного материала для покрытия используются порошковые материалы, выпускаемые промышленностью. Это существенно упрощает организацию технологического процесса напыления наноструктурированного покрытия. Кроме того, покрытие может наноситься из различных порошковых материалов и их смесей. Это значительно расширяет технологические возможности установки для напыления наноструктурированного покрытия.
Установка для газопламенного напыления наноструктурированного покрытия, содержащая распылитель с камерой сгорания, имеющей выходное сопло, и устройства для подачи в камеру сгорания горючего, окислителя и исходного материала для покрытия, отличающаяся тем, что она содержит дополнительное сопло, охватывающее выходное сопло камеры сгорания и имеющее устройство для подачи инертного газа, причем длина дополнительного сопла превышает длину выходного сопла камеры сгорания.
