1.2 Установка для газодинамического напыления

Известны способы напыления покрытий с использованием газоплазменных, плазменных, электродуговых и детонационных установок [1]. В газоплазменных и плазменных устройствах нагрев и ускорение порошка осуществляется с помощью высокотемпературной газовой или плазменной струи. В электродуговых устройствах напыляемый металл расплавляется в электрической дуге между сходящимися проволоками и диспергируется струей воздуха. В детонационных установках порошок нагревается и ускоряется продуктами газовой детонации.

Общей отличительной чертой указанных методов является то, что сцепление частиц с поверхностью и между собой и образование монолитного

слоя происходит за счет сварки сталкивающихся расплавленных частиц. С помощью упомянутых установок наносят покрытия с целью восстановления размеров деталей и ликвидации дефектов поверхности, а также с целью защиты от коррозии и придания поверхности особых физических или механических свойств. Технологический процесс напыления включает очистку поверхности, формирование на ней необходимой шероховатости, нанесение подслоя и т.д.

Основные проблемы использования газотермических методов связаны с вредными газовыми выделениями, шумовым и радиационным воздействием на обслуживающий персонал, сложностью и дороговизной отдельных узлов технологического оборудования, небольшим сроком их службы. Как правило, процесс напыления проводят в инертной атмосфере с целью уменьшения влияния высокой температуры на порошок и изделие. Скорость частиц порошка при напылении электродуговым металлизатором, газопламенной горелкой или плазмотроном с дозвуковым соплом не превышает 150 м/с. В детонационной установке она достигает 600-800 м/с, за счет чего обеспечивается более высокая прочность и плотность покрытия ( до 20-30 кгс/мм² по сравнению с 3-5 кгс/мм² при плазменном напылении). Необходимо учитывать, что при слишком высокой скорости может произойти разбрызгивание капель и ухудшение качества формования. Определенные сложности использования сверхзвукового сопла возникают и в связи с невозможностью полностью устранить налипание порошкового материала внутри сопла. Вводить порошок в сверхзвуковую струю на выходе неэффективно из-за резкого уменьшения разгонного участка и разрушения струи. Поэтому возникает противоречие между стремлением вводить

порошок в газ перед критическим сечением и необходимостью устранить возможность столкновения ускоряемых жидких частиц со стенками канала на всем его протяжении.

В описании изобретения Браунинга данные проблемы оговариваются, но не разрешаются. Выход из данного положения открывает метод напыления, в котором порошок не нагревается до расплавленного состояния. Идея о возможности "холодной сварки" мелких металлических частиц при высокоскоростном соударении их с твердой поверхностью высказана в изобретении Шестакова еще в 1967 году [3] Предложение о холодной сварке частиц в динамическом режиме в свое время не получило развития. Т.к. для реализации режима холодного напыления необходимы были новые предложения по устройству соплового узла.

Явление холодного газодинамического напыления было переоткрыто независимо в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН в начале 80-х годов. В экспериментах по изучению сверхзвукового обтекания тел вращения в аэродинамической трубе, где для визуального потока в него впрыскивается тонкодисперсный алюминиевый порошок, было замечено образование на лобовых поверхностях моделей плотного алюминиевого покрытия. Оказалось, что аналогичное покрытие образуется при надувании на твердую поверхность сверхзвуковой газопорошковой струи, истекающей из сопла большого удлинения. Были разработаны принципы расчета и конструирования соплового узла.

Установлено, что найденные приемы пригодны для широкого диапазона порошковых металлов, в том числе достаточно тугоплавких, таких, как железо, титан, кадмий, молибден и др. Выяснилось, что большинство металлов напыляется в струе легкого газа (гелия или водорода) при комнатной температуре, а в струе воздуха или азота при температуре 100-400^oC. Например, алюминий хорошо напыляется воздухом при температуре 100-150^oC. На рис 2 приведена одна из возможных схем установки газодинамического напыления, которую можно использовать и для формования изделий. Она состоит из источника сжатого воздуха (компрессора), порошкового питателя, соплового узла, нагревателя, камеры напыления и устройства для осуществления относительного движения сопла и напыляемой детали. Реальная установка должна иметь также устройство для очистки выхлопных газов и другие вспомогательные агрегаты.

При газодинамическом напылении используется сопло с удлинением более 30. Поперечное сечение на выходе имеет прямоугольную или овальную форму с большим отношением сторон. Большое удлинение необходимо для обеспечения высокой скорости частиц, а указанная форма сечения выбрана с целью уменьшения зоны заторможенного газа перед поверхностью, где частицы снижают скорость.

Покрытыми слоем меди или алюминия инструментами можно работать в пожароопасных помещениях: при ударе о металлические предметы они не дают искры.

Рисунок 1. - летящие с огромной скоростью частицы металла при соударении с подложкой привариваются к ней, а частицы керамики уплотняют покрытие (а); на шлифе слоя металла видны застрявшие керамические частицы (б).

Рисунок 2. - Схема (вверху) и общий вид (внизу) аппарата для напыления металлических покрытий.

Рисунок 3. - За критическим сечением сопла возникает зона отрицательного давления, и сюда засасывается порошок. Благодаря этому явлению удалось упростить конструкцию питателя. Дефекты в корпусных деталях (слева). и результат напыления (справа): а - трещина в автоматической коробке передач; б - каверна в головке блока цилиндра.

Рисунок 5. - Распределение давления вдоль сопла

Рисунок 6. - Примеры покрытий с помощью ХГН

На рис.2 приведена одна из возможных схем соплового узла для напыления . Подогретый воздух и порошок подаются в форкамеру. Хонейкомб необходим для раздробления крупных вихрей воздуха. Охлаждение сопла уменьшает вероятность налипания порошка внутри него. Сопло для напыления алюминия дисперсностью 5-10 мкм может иметь критическое сечение около 10 мм² и сверхзвуковую расширяющуюся часть длиной около 120 мм с выходным сечением 3 х 10 мм. Давление и температура воздуха при этом придерживаются на уровне 2,5 МПа и 200^oC. Проблемы метода газодинамического формования или напыления увеличиваются с увеличением размеров частиц, особенно при высокой температуре их плавления.

Для того чтобы обеспечить оптимальное (в этом случае) сочетание скоростных и температурных параметров газопорошковой струи, оставаясь в режиме нерасплавленных частиц порошка, необходимы мощные сопловые устройство и вспомогательное оборудование.

1.3 Приближенные оценки газового потока на сверхзвуковом участке сопла, при постоянной скорости, плотности и температуре

Приближенно можно принять, что газовый поток на сверхзвуковом участке сопла и за выходным сечением имеет постоянную скорость, плотность и температуру. На этом участке частицы приобретают необходимую скорость за счет аэродинамического сопротивления. Уравнение, описывающее ускорение частицы, имеет вид

(1)

где m масса частицы, F ее модель, V_p ее скорость, C_x коэффициент сопротивления, ρ и V плотность и скорость газа, C_x, r, V в данной задаче постоянные величины.

Интегрируя приведенное дифференциальное уравнение при условии нулевой начальной скорости, получаем формулу для вычисления длины разгонного участка:

(2)

Здесь a=3/4 C_x ρ/ρ_p,ρ_p плотность материала частицы; , гдеV_рк скорость частицы в конце разгонного участка; d диаметр частицы. Для газодинамического компактирования стального порошка с размером частиц 50 мкм, при условии, что они нагреты до температуры не менее 600^oC, необходима скорость порядка 600-800 м/с. (В этом случае полная энергия каждой частицы равна ее тепловой энергии при температуре плавления). Если в качестве ускоряющего газа используется воздух или азот при числе Маха М 20, при температуре и давлении торможения 2000^oK и 4 МПа, то длина разгонного участка будет порядка 0,4-0,6 м. Следовательно, сопло будет иметь сверхзвуковой канал примерно такой же длины. Для того, чтобы газ не затормозился за счет трения о стенки, критическое сечение сопла должно быть порядка 100 мм². При этом расход сжатого воздуха будет порядка 0,35 кг/с (20 м³/мин при нормальных условиях). Уменьшить габариты сопла и снизить расход газа можно за счет повышения давления в форкамере. Действительно, при увеличении и пропорциональном уменьшении всех размеров сопла соблюдается подобие по числам Маха и

Рейнольдса, что означает сходство полей скоростей температур и плотностей газа во всех сечениях сопла, в том числе и в выходном сечении. Скорость частиц порошка в выходном сечении пропорциональна длине сопла и плотности газа. Поскольку произведение характерной длины на характерную плотность газа в рассматриваемом случае сохраняет свое значение, то скорость частиц на выходе также не изменяется. (Строго говоря, она изменяется, но на небольшую величину, из-за несоблюдения подобия по обтеканию частиц, приводящему к C_x≠const). Расход газа в коротком сопле оказывается при этом меньше во столько раз, во сколько раз меньше его длина. Это легко показать, если учесть, что . Однако на практике такой путь не всегда приемлем из-за очень высокого давления (10 МПа).

Выход из создавшегося положения возможен на пути организации циклического режима работы. Предлагается чередовать процессы напыления и подготовки к напылению. Режим подготовки к напылению используется для накопления энергии, а также для осуществления определенных релаксационных процессов, необходимых для подготовки элементов оборудования к следующему процессу напыления.

Для примера рассмотрим цикл, состоящий из процесса напыления длительностью 6 с и процесса подготовки длительностью 60 с (1 мин). За время подготовки накапливается сжатый воздух в ресивере, идет накопление тепла в теплообменных аппаратах (нагревателях), отводится тепло от нагретого сопла, охлаждается обрабатываемое изделие и т.д. Тепловые и механические процессы по предлагаемой схеме идут циклически. Этим предлагаемая схема отличается от схемы непрерывного стационарного действия. Узлы установки циклического действия работают в неустановившемся кратковременно-периодическом режиме, поэтому конструкция их проще по принципу действия и по исполнению. Например, система охлаждения сопла, которая в случае непрерывной работы установки должна обеспечивать очень большой удельный теплосъем, при циклическом режиме может быть нагружена намного меньшим усредненным потоком тепла, если использовать массу сопла в качестве буферной тепловой емкости. Мощность компрессора с ресивером на циклической установке в 11 раз меньше его потребной мощности для установки непрерывного действия. В некоторых случаях защищаемое предложение открывает единственный практически осуществимый путь для метода газодинамического напыления (формования), сохраняя его основные преимущества, заключающиеся в хорошем качестве формования, дешевизне рабочих газов, простоте технологического оборудования. В данном описании оценки выполнены для случая, когда рабочий газ воздух или азот, напыляемый материал среднедисперсный порошок легированной стали. Аналогичные выводы можно сделать и для других тугоплавких металлов[6,7,10].