способ газодинамического детонационного ускорения порошков и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ газодинамического детонационного ускорения порошков, включающий заполнение камер сгорания компонентами горючей газовой смеси и ускоряемым порошком, инициирование детонационного режима сгорания в камерах и ускорение порошка, отличающийся тем, что осуществляют одновременную подачу и смешивание компонентов горючей смеси в двух и более камерах сгорания, инициирование детонации осуществляют последовательно, сначала в форкамере устройством для зажигания, затем ударной или детонационной волной в основной цилиндрической камере сгорания в месте схождения потоков продуктов сгорания от форкамеры и в боковых кольцевых камерах в месте их схождения с основной камерой сгорания, при этом ввод порошка осуществляют в ствол за местом схождения последней боковой кольцевой камеры с основной, а ускорение и нагрев порошка осуществляют детонационными и ударными волнами и продуктами сгорания, последовательно следующими из основной и кольцевых камер сгорания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в форкамеру и кольцевые камеры сгорания вводят акустические колебания с частотой 200-20000 Гц.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что акустические колебания с частотой 200-20000 Гц создают газодинамическими резонаторами в каналах ввода смеси кислорода и инертного газа.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что заполнение горючей смесью цилиндрической камеры осуществляют до места ввода порошка, а кольцевых до места схождения с цилиндрической камерой.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что инициирование детонации в кольцевых камерах осуществляют от ударных или детонационных волн в месте схождения кольцевых и основной цилиндрической камеры.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу порошка осуществляют порциями в цилиндрическую камеру перед инициированием детонации.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что подачу и дозирование порошка под импульс осуществляют продуктами сгорания от предыдущего импульса.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что дозирование порошка осуществляют всасыванием из закрученного порошкового слоя за счет разряжения от выходящей газодинамической струи продуктов сгорания.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что порция порошка приобретает первый импульс скорости от детонационных волн и продуктов сгорания основной цилиндрической камеры, а последующие импульсы от детонационных волн и продуктов сгорания из боковых кольцевых камер.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что количество и мощность импульсов воздействия на порцию порошка пропорционально количеству и объему камер сгорания.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что суммарный расход компонентов горючей смеси, разделенный на частоту инициирования детонации, равен суммарному объему всех камер сгорания.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что продукты сгорания отклоняют от ускоренной струи порошка на выходе из цилиндрической камеры за счет неоднородного давления на ее стенках.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что ударные волны и продукты сгорания отклоняют от пути следования порошка до поверхности изделия боковым подпором газа по периферии конца открытой части ствола.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что отклонение ударных волн и продуктов сгорания от пути следования порошка осуществляют боковым разряжением газа по периферии конца открытой части ствола.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что инициирование детонации осуществляют в форкамере электрической свечой зажигания.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что инициирование детонации свечой зажигания в форкамере осуществляют так, чтобы отраженные от ее торцовых отражателей ударные волны охлопывались вне области размещения свечи.

17. Устройство для газодинамического детонационного ускорения порошков, содержащее несколько камер сгорания горючей смеси, камеру для ускорения и нагрева порошка, устройства для ввода и смешивания компонентов горючей смеси, устройства для дозирования и ввода порошка, устройство для инициирования детонационного режима сгорания горючей смеси, автоматизированные пульты управления газами, порошками и зажиганием, отличающееся тем, что оно состоит из последовательно сопряженных форкамеры для инициирования детонации, основной цилиндрической камеры и боковых камер, размещенных с совпадением или перекрещением их осей, а результирующая ось совпадает с камерой для ускорения порошка, форкамера выполнена в виде замкнутой цилиндрической полости с угловыми отражателями на торцах и каналов, оси которых направлены под углом к стенкам цилиндрической камеры сгорания, при этом боковые камеры имеют индивидуальные устройства для смешивания компонентов горючей смеси, устройство для ввода порошка состоит из кольцевой камеры, имеющей два и более канала, соединяющих ее с камерой для ускорения и нагрева, устройства для смешивания компонентов горючей смеси содержат в каналах для подачи окислителя микрокамеры для генерирования звуковых колебаний и жиклеры для подачи горючего газа, а плоскость среза конца камеры для ускорения и нагрева порошка выполнена под острым углом к ее оси.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что узел смешивания газов в форкамере выполнен в виде кольцевой щели, в стенках щели выполнены тангенциальные каналы для ввода окислителя, микрокамеры газодинамических возбудителей колебаний и радиальные жиклеры для подачи горючей смеси.

19. Устройство по п.17, отличающееся тем, что свеча зажигания установлена в конце форкамеры, в месте размещения углового отражателя, который сопрягается с цилиндрическим стволом посредством каналов.

20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что в угловом отражателе форкамеры выполнены три и более канала, оси которых направлены к поверхности цилиндрической камеры под углом 30-45 градусов.

21. Устройство по п.17, отличающееся тем, что боковые камеры выполнены в виде диска, имеющего криволинейные торцевые стенки, расширяющиеся от оси к периферии и сопрягаемые с цилиндрической камерой узкой щелью, шириной 2-5 мм.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что периферийные стенки боковых камер имеют форму цилиндрической поверхности, ось которой совпадает с осью цилиндрической камеры сгорания.

23. Устройство по п.21, отличающееся тем, что боковая дисковая камера имеет одну плоскую стенку, а другую полусферическую.

24. Устройство по п.21, отличающееся тем, что в периферийной части боковых камер выполнено сопряжение с устройством для подачи и смешивания компонентов горючей смеси.

25. Устройство по п.17, отличающееся тем, что оси каналов, соединяющие устройство для ввода порошка с камерой для ускорения порошков, скрещены с ее осью и ориентированы относительно радиуса камеры под углом 30-75 град.

26. Устройство по п.17, отличающееся тем, что ось канала для подачи порошка от порошкового питателя направлена по касательной к оси кольцевого канала в устройстве для ввода порошка в камеру для его ускорения.

27. Устройство по п.17, отличающееся тем, что плоскость среза конца камеры для ускорения порошка выполнена под углом к ее оси 45 градусов.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способам газодинамического детонационного ускорения порошков и к устройствам для его осуществления в промышленности.

Уровень техники

Известен способ детонационного ускорения порошков для напыления покрытий [1] (патент США № 2714563). По этому способу инициирование детонационного сгорания осуществляется автомобильной свечой зажигания. В указанном способе управление температурой и скоростью продуктов сгорания осуществляется применением инертных газов разбавителей, например азота. После каждого цикла ускорения порошков осуществляется продувка камеры сгорания инертным газом. Затем осуществляется следующий цикл - заполнение камеры сгорания и инициирование детонации. Частота повторения импульсов от 4 до 8 раз в секунду. Скорость детонационной волны 1860 3093 м/с, а скорость продуктов сгорания до 1400 м/с. Температура продуктов сгорания достигает значений 4000 K. В качестве горючего газа используют ацетилен.

К недостаткам этого способа относится то, что он не может выполняться с большей частотой из-за инерционности электромеханических систем подачи газов и порошков. Использование ацетилена ограничивает возможности устройства, когда инициирование детонации осуществляется с высокой частотой, так как усложняет конструкцию системы подачи газов в устройства для ускорения порошков и ограничивает показатели производительности нанесения покрытий. К недостаткам этого способа относиться то, что в нем осуществляется стационарный режим детонации, а передача энергии напыляемому порошку осуществляется с низкой эффективностью от одного импульса продуктов детонационного сгорания, что недостаточно для обеспечения высоких скоростей порошка.

Известен способ ускорения порошков для детонационного напыления покрытий и устройство для его осуществления [2] (Гавриленко Т.П., Николаев Ю.А., Ульяницкий В.Ю. Использование пересжатой детонации для нанесения покрытий. Физика горения и взрыва, 2010, т.46, № 3), который включает такой признак как формирование пересжатой детонационной волны, что позволяет повысить плотность, температуру, давление, скорость продуктов сгорания и скорость порошка. К недостаткам этого способа относится низкий коэффициент использования энергии продуктов сгорания, так как зона пересжатой детонации существует на участках ствола длиной не более трех калибров ствола, а затем быстро затухает. Продукты сгорания совершают работу по разгону порошка на коротком участке ствола устройства. Способ обеспечивает формирование мощных импульсов продуктов сгорания, которые в «жестком» режиме разгоняют и разогревают порошок, что приводит к дроблению и перегреву порошка и снижению качества покрытий. В устройствах, использующих данный способ разгона порошка, сложно реализовать режим с высокой частотой следования импульсов пересжатой детонации. Рабочая частота установки «Обь» при использовании данного способа разгона порошка - 6 Гц.

Известно устройство для газодинамического ускорения порошков для детонационного напыления покрытий [1] (патент США № 2714563), содержащее камеру сгорания (пушку), клапанную систему управления газами, систему импульсной подачи порошкового материала и свечу зажигания. Это устройство работает с частотой до 8 раз в секунду, в качестве компонентов горючей смеси используется кислород, ацетилен и азот. Детонация горючей газовой смеси осуществляется при атмосферном давлении.

В данном устройстве имеет место большие потери энергии на нагрев стенок камеры сгорания, неполное сгорание и подмешивание инертного газа. Данное известное устройство не обеспечивает точной локализации газопорошковой смеси в камере сгорания и синхронизации между ее подачей и инициированием детонации. Производительность устройства ограничена энергоемкостью камеры сгорания и частотой ее срабатывания. В качестве горючего газа используют ацетилен, который не позволяет увеличивать частоту инициирования детонации и исключает возможность сжимать горючие смеси.

Наиболее близким к изобретению является устройство для нанесения покрытий [3](Patent US: US 2002/0130201 A1), [4] (Патент РФ: RU 2236910 C2), которое содержит цилиндрический ствол, дозаторы порошкового материала, систему зажигания и кольцевую камеру с жиклерами для раздельной подачи окислителя, горючего газа и инертного газа. Чтобы обеспечить работу устройства на высоких частотах с большими объемами газов, приходящимися на один импульс, в конструкции предусмотрено осуществление подачи газов в одну камеру сгорания в нескольких точках, пространственно распределенных по одной камере сгорания. Эта конструкция детонационной установки обеспечивает устойчивую генерацию продуктов сгорания с частотой до 30 Гц. Однако данная конструкция не решает проблемы охлаждения свечи зажигания при высокой частоте, так как инициирование детонации осуществляется непосредственно в основной камере сгорания. Установка свечи зажигания в камере сгорания, где высокая плотность энергии, ограничивает частоту инициирование детонации. Использование одной камеры сгорания ограничивает возможности устройства для разгона порошка до высоких скоростей, так как разгон осуществляется одним импульсом продуктов сгорания на один процесс инициирования детонации.

Одним из существенных недостатков известных способов и устройств является форма выходной части ствола. В процессе напыления покрытий перед газопорошковой струей из ствола выходят ударные волны. Они идут от обреза ствола (камеры сгорания), впереди напыляемого порошка, и отражаются от поверхности изделия. Отраженная ударная волна при встрече с газопорошковой струей снижает ее кинетическую энергию. Это отрицательно влияет на качество покрытия и производительность. Вследствие этого, в технологии детонационного напыления покрытий используют дистанцию 150 200 мм. Применение таких дистанций для напыления позволяет уменьшить энергию взаимодействия порошка и отраженной волны, но при этом теряется и энергия напыляемого порошка.

Устранение выше приведенных недостатков позволит, даже при использовании горючей газовой смеси на основе метана и(или) пропан-бутана, существенно повысить скорость порошка и, соответственно, качество покрытия и производительность технологии. Кроме того, можно упростить конструкции установок и повысить их работоспособность, а также повысить точность дозирования порошков и обеспечить стабильность качественных характеристик покрытия.

Сущность изобретения

Поставленная задача решается тем, что способ газодинамического детонационного ускорения порошков для детонационного напыления покрытий включает в себя следующие известные по прототипу отличительные признаки: заполнение камеры сгорания компонентами горючей газовой смеси и ускоряемым порошком, инициирование детонационного режима сгорания в камере и ускорение порошка, использование разных видов горючего газа, осуществление подачи и смешивания компонентов горючей смеси в нескольких точках камеры сгорания.

Целью изобретения является повышение скорости порошков и, соответственно, производительности и качественных характеристик покрытия, расширение технологических возможностей устройства. Достигается это тем, что в способ газодинамического ускорения порошков для детонационного напыления покрытий включены также и неизвестные существенные признаки. Это осуществление одновременной подачи и смешивание компонентов горючей смеси в двух и более камерах сгорания, причем инициирование детонации осуществляют последовательно. В форкамере инициирование осуществляется устройством для зажигания. В основной камере сгорания инициирование детонации осуществляется потоком продуктов детонации, истекающих из форкамеры. В кольцевых камерах инициирование детонации осуществляется ударными или детонационными волнами, следующими от места схождения этих камер с основной камерой. Ввод порошка осуществляют в цилиндрическую камеру (ствол) за местом схождения последней кольцевой камеры с основной камерой сгорания. Ускорение и нагрев порошка осуществляют в стволе ударными волнами и продуктами сгорания, последовательно следующими из основной и дополнительных боковых камер сгорания.

В результате, напыление покрытий осуществляется порошком, который нагревается и ускоряется многократно ударными волнами и импульсами продуктов сгорания из основной и дополнительных боковых камер сгорания, где реализуется режим детонационного сгорания. Для исключения влияния ударных волн и продуктов сгорания на качество покрытия, по способу осуществляется их отклонение от пути следования порошка, путем создания газодинамического разряжения на конечной части сопла.

Полное использование энергии компонентов горючей смеси обеспечивается также тем, что при осуществлении способа их смешивание осуществляют при одновременном возбуждение акустическими колебаниями, генерируемыми в струях окислителя, имеющих тангенциальное направление к оси камер. Формирование зон повышенного давления в угловых отражателях боковых камер препятствует образованию участков с недогоранием газовой смеси. Это обеспечивает полное сгорание, высокое качество и равномерность горючей газовой смеси, а в конечном итоге, полное ее сгорание.

Для синхронизации, инициирование детонации в боковых камерах сгорания осуществляют детонационными или ударными волнами, следующими из основной камеры сгорания от места их сопряжения. Это обеспечивает двойное прохождение детонационной волны по газовой среде в боковых камерах, инициирование детонационного режима сгорания в угловых отражателях камеры и более полное сгорание горючей газовой смеси. Сходящиеся ударные волны и потоки продуктов сгорания, двигающиеся от периферийных участков кольцевых боковых камер в область их сопряжения с основной камерой, создают в основной камере зону с высокими значениями давления продуктов сгорания и большими амплитудами ударных волн, которые распространяются к открытой части цилиндрической камеры в ствол, где и осуществляют работу по ускорению порошка.

Заполнение камер сгорания, независимо от частоты инициирования детонации, обеспечивается выполнением следующего технологического принципа. Суммарный расход компонентов горючей смеси, разделенный на частоту инициирования детонации, должен быть равен суммарному объему форкамеры, основной и боковых кольцевых камер сгорания.

Газопорошковую смесь подают в ствол, сопрягаемый с основной цилиндрической камерой сгорания после места сопряжения с боковой кольцевой камерой, чтобы передний фронт газопорошковой смеси был на расстоянии 150 300 мм от выхода из ствола. Это позволяет использовать, для ускорения порошка, несколько импульсов ударных волн и продуктов сгорания от основной и затем от боковых кольцевых камер сгорания.

Известно, что ударные волны опережают продукты сгорания и ускоренный порошковый напыляемый материал. Ударные волны отражаются от поверхности изделия и встречаются с материалом в сопле или на дистанции между соплом и поверхностью изделия. Это препятствует формированию качественных покрытий. В предлагаемом нами способе, ударные волны и продукты сгорания отклоняют от пути следования напыляемого материала до поверхности изделия. Это осуществляют боковым подпором или созданием бокового разряжения газа по периферии конца открытой части цилиндрического сопла.

В изобретении, высокие скорости порошка и качество нанесения покрытия обеспечиваются тем, что к известным признакам добавлены следующие неизвестные существенные признаки. Осуществляют одновременное заполнение компонентами горючей смеси форкамеры, основной и боковых дополнительных кольцевых камер сгорания и смешивание компонентов в затопленных струях окислителя с вводом акустических колебаний с частотой 200-20000 Гц, которые создают газодинамическими резонаторами в каналах ввода смеси кислорода и инертного газа.

Для расширения технологических возможностей устройства и рационального использования горючей газовой смеси заполнение горючей смесью основной цилиндрической камеры осуществляют до места ввода порошка, а кольцевых камер до места схождения с основной камерой, по аналогии с предложением, сделанным для однокамерной установки [5] (Патент РФ: RU 2329104 C2).

Инициирование детонации в форкамере осуществляется устройством для зажигания, а в основной и боковых кольцевых камерах ударными или детонационными волнами.

С целью эффективного использования порошкового материала в способе газодинамического детонационного ускорения порошков подача порошка осуществляется порциями в ствол перед инициированием детонации, а дозирование порошка под импульс осуществляется продуктами сгорания от предыдущего импульса всасыванием из закрученного порошкового слоя за счет разряжения от выходящей газодинамической струи продуктов сгорания.

Эффективная передача энергии порошку осуществляется тем, что порция порошка приобретает первый импульс скорости от ударных или детонационных волн и продуктов сгорания, следующих из основной камеры и последующие от ударных или детонационных волн и продуктов сгорания из боковых кольцевых камер. При этом количество и мощность импульсов воздействия на порцию порошка пропорционально количеству и объему камер сгорания. Для обеспечения экономичности работы камер и рационального расхода газовой смеси, суммарный расход компонентов горючей смеси, разделенный на частоту инициирования детонации, равен суммарному объему всех камер сгорания.

Для уменьшения участка перехода горения в детонацию в камерах сгорания и повышения эффективности сгорания, инициирование детонации осуществляется в форкамере электрической свечой зажигания так, чтобы отраженные от ее торцовых отражателей ударные волны охлопывались, причем вне области размещения свечи, ударные или детонационные волны, следующие из форкамеры в основную, образовывали участки высокого давления в основной камере, а ударные или детонационные волны, следующие из основной камеры, образовывали участки высокого давления в боковых кольцевых камерах. Это обеспечивает полное детонационное сгорание горючих смесей в камерах.

Для более полного использования скорости порошковой струи, в способе газодинамического детонационного ускорения порошков, используется новый существенный признак - отклонение ударных волн и продуктов сгорания от пути следования струи порошка на выходе из сопла за счет неоднородного давления на его стенках, которое возможно обеспечить подпором или разряжением газа по периферии конца открытой части сопла.

Энергия продуктов сгорания в форкамере существенно ниже, чем в основной и боковых кольцевых камерах сгорания, поэтому тепловое воздействие на свечу зажигания умеренное даже при высокой (~50 Гц) частоте инициирования детонации. Энергетический импульс из боковых кольцевых камер сгорания зависит от их объема и конфигурации, а инициирование детонационного сгорания смеси ударными или детонационными волнами исключает затраты энергии на разгон детонации и синхронизацию, что обеспечивает полное сгорание горючей смеси. Схлопывание отраженных волн в кольцевых камерах от периферии к оси повышает скорость и температуру продуктов сгорания, которые следуют в ствол. В стволе последовательно проходят ударные волны и скоростные струи продуктов сгорания от основной и боковых кольцевых камер, которые разгоняют порошок и передают ему свою кинетическую и тепловую энергию.

Для ускорения процессов детонационного сгорания осуществляется смешивание компонентов горючей смеси в затопленных струях окислителя, оси которых скрещиваются с осью камеры сгорания под углом 15 30 град. Горючий газ вводят в затопленные струи окислителя в необходимой пропорции. Активацию смеси осуществляют вводом акустических колебаний, которые генерируются газодинамическими резонаторами в каналах ввода окислителя и инертного газа.

Способ инициирования детонации в кольцевой камере от ее осевой области обеспечивает многократное прохождение детонационной или ударной волны по горючей смеси и ее полное сгорание в кольцевых камерах. Многократное прохождение детонации по горючей смеси и продуктам сгорания осуществляет вторичное их окисление и нагрев. Физический смысл этого отличительного признака - вторичное догорание горючей смеси, которая не успела прореагировать при первичном прохождении ударной волны.

Было выполнено численное моделирование сходящейся ударной волны в кольцевой камере, показанной на рис.1. Размеры камеры: сферическая стенка имела радиус 150 мм и имела зазор с плоской стенкой, равный 3 мм. В радиальном направлении полость ограничивалась цилиндрической стенкой с радиусом R_max=50 мм. Компоненты газовой смеси, заполняющие камеру, имели начальное давление 0,1 МПа и показатель адиабаты =7/5. Источником энергии инициирования детонации являлась ударная волна от цилиндрической камеры сгорания. После инициирования, в боковой камере двигалась сильная ударная волна, которая расходилась, а затем сходилась к оси симметрии.

Расчет проводился до достижения сходящейся ударной волны радиуса 5 мм. На начальной стадии сходящаяся ударная волна испытывала последовательное нерегулярное взаимодействие поочередно с плоской и сферической стенкой. Как результат, процесс усиления ударной волны происходил скачкообразно и сопровождался появлением газодинамических возмущений, распространяющихся в направлении, поперечном фронту сходящейся ударной волны, от стенки к стенке.

По мере схождения ударной волны скачки давления относительно ослабевают. Это приводит к тому, что зависимость давления от радиуса степенная (прямая в логарифмическом масштабе). Численное моделирование демонстрирует быстрый рост давления при схлопывании ударной волны.

Полученный при численном расчете закон роста давления является более резким, чем для сферической ударной волны в газе с тем же показателем адиабаты.

Передача энергии от продуктов сгорания в боковой кольцевой камере обеспечивает многократное повышение скорости и плотности продуктов сгорания, которые участвуют в нагреве и ускорение порошка.

Это, а также увеличение давления в камере сгорания, повышает энергоемкость горючей газовой смеси. Размещение свечи зажигания вне кольцевых камер сгорания снижает тепловую нагрузку на нее. Это позволяет осуществлять инициирование детонации с частотой более 30 раз в секунду.

С целью оптимизации технологического режима, газопорошковую смесь подают в ствол в зону после выхода из кольцевой камеры в основную камеру сгорания. Выполняется следующее условие, чтобы в момент инициирования детонации передний фронт газопорошковой смеси был на расстояние 150 300 мм от обреза открытой части ствола. Это обеспечивает полное использование энергии продуктов сгорания.

При высокой частоте инициирования детонации (>10), возможность применения импульсных систем подачи порошков затруднена. В способе подачу газопорошковой смеси осуществляют непрерывно в специальный сосуд, соединенный со стволом. Периодическое повышение и понижение давления в этом сосуде дозирует и выдает порцию порошка под энергетический импульс продуктов сгорания и ударных волн.

С целью исключения загрязнения покрытия и для сохранения высокой энергии дисперсных материалов, ударные волны и продукты сгорания отклоняют от пути следования порошков. Осуществляется это созданием разницы давления на стенках открытой части ствола. Этот отличительный признак позволяет отклонять отраженную от поверхности изделия ударную волну от пути следования газопорошковой струи и, как следствие, снизить дистанцию напыления до 15 40 мм.

Для реализации способа создано устройство для детонационного напыления покрытий.

Устройство для газодинамического ускорения порошков содержит такие известные признаки. Это цилиндрический ствол для ускорения и нагрева порошка, несколько камер сгорания горючей смеси, устройства для ввода и смешивания компонентов горючей смеси, устройства для дозирования и ввода порошка, устройство для инициирования детонационного режима сгорания горючей смеси, автоматизированные пульты управления газами, порошками и зажиганием.

К неизвестным существенным признакам, которые повышают скорость порошка, относится следующее: устройство состоит из последовательно сопряженных форкамеры для инициирования детонации, основной и боковых камер так, чтобы их оси совпадали или скрещивались, а результирующая ось совпадала с камерой для ускорения порошка - стволом. Форкамера выполнена в виде замкнутой цилиндрической полости с угловыми отражателями на торцах и выходных каналов, оси которых направлены под углом к стенкам цилиндрической камеры сгорания. Боковые камеры имеют индивидуальные устройства для смешивания компонентов горючей смеси. Устройство для ввода порошка состоит из кольцевой камеры, имеющей два и более канала, соединяющие ее с камерой для ускорения порошков - соплом. Устройства для смешивания компонентов горючей смеси содержат в каналах для подачи окислителя микрокамеры для генерирования звуковых колебаний и жиклеры для подачи горючего газа, а плоскость среза открытого конца камеры для ускорения порошка (ствола) выполнена под острым углом к ее оси.

Устройство содержит основную и боковые камеры сгорания. Эти камеры закреплены так, чтобы выход из детонационной камеры и вход в сопло совпадали с выходом из крайней к соплу боковой камеры. Кроме того, существенным признаком является то, что боковая камера выполнена в виде коноида с криволинейными образующими, а периферийная ее стенка выполнена в виде цилиндрической поверхности, ось которой совпадает с осью устройства. Эффективная боковая камера выполнена с плоской и сферической стенками, а радиус сферической стенки пересекается с осью устройства.

Возможно расширение технологических возможностей газодинамического устройства для ускорения порошков. Для этого периферийная стенка боковой камеры может быть выполнена в форме цилиндрической поверхности, ось которой не совпадает с осью детонационной камеры. Этот конструктивный прием увеличивает длительность взаимодействия продуктов сгорания из боковой камеры с порошковым материалом.

Для увеличения эффективности смешивания компонентов горючей смеси узел смешивания газов в форкамере выполнен в виде щели, в стенках которой выполнены тангенциальные каналы для ввода окислителя, также микрокамеры газодинамических возбудителей колебаний и радиальные жиклеры для подачи горючей смеси. Для ускорения перехода горения в детонацию по концам форкамеры выполнены угловые отражатели, а в отражателе, сопрягаемым с детонационной камерой, выполнены три и более канала, оси которых направлены к цилиндрической поверхности основной камеры сгорания под углом 30-45 градусов. Для защиты свечи зажигания от перегрева, она установлена в конце форкамеры, в месте размещения углового отражателя, который сопрягается с детонационной камерой.

Для увеличения объема и энергии горючих газовых смесей в устройстве имеются одна или более боковых камер, которые выполнены в виде диска, имеющего криволинейные торцевые стенки. Камеры расширяются от оси к периферии и сопрягаются с цилиндрической основной камерой сгорания кольцеобразной щелью. Для увеличения эффективности генерирования ударных волн и детонационного режима сгорания, периферийные стенки боковых камер имеют форму цилиндрической поверхности, ось которой совпадает с осью цилиндрической детонационной камеры сгорания, а стенки могут быть плоскими и(или) полусферическими. Для ввода и перемешивания компонентов горючей смеси в периферийной части боковых камер выполнено сопряжение с щелевым устройством, имеющим каналы для ввода окислителя и жиклеры для ввода горючего газа. В каналах для ввода окислителя выполнены микрокамеры-резонаторы для генерирования звуковых колебаний. Газы, подаваемые в камеру, разбиваются острым краем резонатора на два потока. Один выходит в камеру, а второй попадает в камеру резонатора, повышая в ней давление. Через определенные промежутки времени, зависящие от размеров камеры и свойств газа, давление в микрокамере превышает некоторое критическое, и среда из нее прорывается наружу, возмущая поток подаваемого газа. В результате возникают периодические сжатия и разрежения, распространяющиеся в горючую смесь в виде акустических волн.

Энергия продуктов сгорания горючей смеси от двух и более камер суммируется на входе в ствол в виде пакета чередующихся ударных волн и потоков продуктов сгорания. При детонации и движении газа в боковых камерах генерируются волны, сходящиеся к оси основной камеры, что многократно повышает давление и скорость продуктов сгорания, истекающих в ствол.

Для повышения эффективности использования энергии сгорания горючей смеси, в боковых стенках ствола выполнены каналы, которые соединяют его с устройством для ввода порошка. Для выдачи дозы порошка точно под энергетический импульс, каналы, соединяющие сопло и кольцевую камеру - дозатор порошка, выполнены так, чтобы их оси скрещивались с осью сопла и были ориентированы относительно радиуса сопла под углом 30-75 градусов. Точное дозирование порции порошка осуществляется за счет точной подачи ее от порошкового питателя и специальной конструкции камеры дозирования. Эта камера имеет кольцевой вид с тангенциальным вводом порошка от порошкового питателя.

Существенна также правильная организация движения порошкового потока от среза открытой части ствола к подложке. Для исключения встречных ударных волн от подложки, которые снижают скорость порошка, в устройстве выполнено специальный ствол. Этот ствол имеет плоскость среза конца под углом к оси 30-75 градусов. При истечение скоростных газовых струй и прохождения ударных волн, они отклоняются от оси сопла за счет создания разницы газодинамического давления на срезе сопла и ударяются о подложку под углом. Более тяжелая, порошковая струя отклоняется много меньше из-за своей инерционности. Имея разные углы падения на подложку, отраженные ударные волны и струи продуктов сгорания не встретятся с истекающей из сопла порошковой струей.

С целью снижения потерь энергии в устройстве применяют также и такие существенные признаки, как обеспечение совпадения осей камер сгорания и плавное сопряжение основной камеры сгорания камеры со стволом для ускорения порошков.

Особенностью устройства является наличие в щелевых смесителях винтовых каналов для формирования затопленных струй окислителя, а в стенках каналов, перпендикулярно их оси, выполняются жиклеры для подачи горючего газа.

Стабильный тепловой режим свечи зажигания в устройстве обеспечивается тем, что свеча зажигания установлена в форкамере, которая имеет многократно меньший объем, чем основная и боковые камеры. Кроме того, место размещения свечи не совпадает с областью схлопывания ударных волн от боковых отражателей в форкамере. Особенностью устройства является также то, что для защиты поперечных каналов для подачи газопорошковой смеси от действия ударной волны они размещены в цилиндрической части ствола за кольцевым уступом, который расширяет сечение сопла. Кольцевой уступ, расширяющий сечение сопла, имеет величину не более 10% от радиуса сопрягаемой со стволом цилиндрической камеры сгорания.

Для обеспечения полного сгорания горючей смеси и защиты свечи зажигания от перегрева в форкамере имеются угловые отражатели, которые обеспечивают схлопывание ударных волн вне области размещения свечи зажигания. Инициирование детонации горючей газовой смеси осуществляется в форкамере, а затем через каналы в угловом отражателе в основной камере сгорания, затем в местах сопряжения основной камеры и боковых камер.

Детонационный режим сгорания инициируется в форкамере, затем ударные волны через каналы в угловом отражателе распространяется в основную камеру сгорания, где отражаются от ее стенок и охлопываются по оси камеры. В результате схлопывания, повышается давление и инициируется детонационный режим сгорания в основной камере, который распространяется к местам сопряжения с боковыми камерами сгорания. Ударные волны в боковых камерах, после многократного отражения и суммирования в угловых отражателях, инициируют детонационный режим сгорания на периферийной цилиндрической стенке камеры. Ударные волны и продукты сгорания следуют от периферии к центру камеры, где они сходятся и повышают давление и скорость истечения.

Положительный эффект от распространения ударных волн к периферийной закрытой части боковой части камеры, где они многократно отражаются от стенок камеры, в осуществлении перемешивания, активации, вторичного окисления и ускорения компонентов продуктов сгорания. Результирующая составляющая энергии от продуктов сгорания в нескольких камерах передается порошковому материалу в цилиндрическом стволе.

Волна разрежения, следующая по продуктам сгорания, облегчает заполнение камер сгорания компонентами горючей газовой смеси со стороны закрытой части камер и воздухом со стороны открытой части. Газопорошковая смесь периодически подается в сопло со стороны боковых стенок ствола. После заполнения камер горючей смесью и подачи в сопло дозы порошка осуществляется инициирование детонации в форкамере и процесс повторяется с частотой 20-40 Гц.

Порошок и газы подаются в устройство непрерывно. Это позволяет их дозировать с применением современных приборов и устройств, используемых для газопламенного напыления. После инициирования детонации давление продуктов сгорания в камерах повышается, и противодавление автоматически запирает каналы для подачи компонентов горючей и газопорошковой смеси.

Газодинамическая отсечка компонентов горючей смеси и газопорошковой струи позволяет разделять непрерывные потоки и делать их импульсными. Увеличение частоты инициирования детонации повышает точность разделения непрерывных потоков. При падении давления, в камеры вновь начинают подаваться газы и порошки. Чем выше частота инициирования детонации, тем более точно дозируются порции газов и порошка на каждый импульс.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется описанием примеров его выполнения и прилагаемыми чертежами:

Рис.1. Схема газодинамического ускорителя порошков с двумя боковыми камерами (продольный разрез).

Рис.2. Схема форкамеры и сопряжения с основной камерой сгорания (продольный разрез).

Рис.3. Схема боковой камеры сгорания с полусферической и плоской стенками (продольный разрез).

Рис.4. Схема узла создания горючей газовой смеси и генерирование волновых (акустических) колебаний в смеси (продольный разрез).

Рис.5. Схема узла для дозирования и подачи навески порошка под энергетический импульс (продольный разрез).

Рис.6. Схема отклонений ударных волн и продуктов сгорания от пути следования порошка до подложки (продольный разрез).

Лучшие варианты осуществления изобретения

Для газодинамического ускорения порошков, реализующих способ, разработано многокамерное детонационное устройство, имеющее симметричную геометрию и дополнительные боковые камеры в виде кольца, рис.1. Устройство содержит узлы для подачи, смешивания и активирования горючей газовой смеси - 1, которые сопрягаются с форкамерой, имеющей угловые отражатели - 2 и свечу зажигания - 3, угловой отражатель с каналами - 4, соединяющими форкамеру с основной камерой сгорания - 5. С основной камерой посредством кольцевого переходника - 6 сопрягаются кольцевые боковые камеры - 7. Компоненты горючей смеси подаются, смешиваются и активируются в специальном устройстве - 8, которое соединено с кольцевой камерой на цилиндрической периферийной стенке. Боковая камера может иметь вид правильного и неправильного коноида. Ускоряемый порошок подается в ствол в зону, расположенную после места сопряжения боковых камер с основной камерой - 10, через устройство 11 в ствол - 12. Ударные волны и продукты сгорания отклоняются от пути следования порошка за счет среза ствола - 13. Ствол имеет кожух - 14 для водяного охлаждения. Кожухи для водяного охлаждения имеют основную и боковые камеры - 15 и форкамеру - 16.

Форкамера и сопряжение ее с основной камерой, рис.2, имеет следующие конструктивные признаки. На торце форкамеры выполнены щелевые устройства для смешивания компонентов горючей смеси - 1 и угловые отражатели - 2 и 4. Свеча зажигания - 3 установлена смещенной к угловому отражателю - 4, что обеспечивает схлопывание ударных волн в области - 17, вне места, где размещена свеча зажигания. Ударные или детонационные волны через каналы - 18 следуют в цилиндрическую камеру сгорания - 5, отражаются от ее стенок - 19 и схлопываются в области - 20. В этой же области инициируется детонационный режим сгорания, который распространяется в область размещения боковых камер сгорания, рис.3.

Боковая камера ограничена боковыми стенками - полусферической - 21 и плоской - 22. Ударные волны, которые следуют по основной камере - 5, достигают место кольцевого сопряжения камер - 6 и через него распространяются внутрь боковой камеры, отражаясь от ее стенок и схлопываясь в кольцевом боковом отражателе - 23. В месте схлопывания ударных волн инициируется детонационный режим сгорания, который распространяется к месту схождения - 6 с основной камерой.

Устройства для создания горючей газовой смеси и генерирования волновых (акустических) колебаний в смеси расположены на входе в форкамеру и боковые камеры, рис.4. В устройстве имеется щель - 24 для подачи смеси окислителя с инертным газом, в этой щели выполнены микрокамеры - 25, выполняющие роль резонаторов, возбуждающих в газовом потоке акустические колебания. На входной щели выполнены жиклеры - 26 для подачи горючего газа. Образованная горючая смесь подается в форкамеру - 16 или боковую камеру.

Схема узла для дозирования и подачи навески порошка в ствол приведена на рис.5. На входе в разгонный участок ствола - 13 встроено устройство для дозирования и подачи дозы порошка - 11. Это устройство имеет кольцевой канал - 27. В этот канал входит трубопровод - 28 от порошкового питателя. Порошок периодически подсасывается из кольцевого канала 27 через каналы - 29 в ствол - 13.

Ускоренная в стволе - 13 порошковая струя - 30 (рис.6) устремляется - 31 к подложке - 32 практически без отклонения. Ударные волны и более легкие составляющие струи - 33 (продукты сгорания) отклоняются за счет разницы давления, создаваемой срезом - 34 ствола.

Для ускорения порошков возможно также не симметричное устройство, которое имеет несоосные камеры сгорания и(или) несимметричную геометрию. Ось боковых камер смещена относительно оси цилиндрической детонационной камеры. Такая конструкция устройства обеспечивает асимметрию отражения ударных волн и формирует растянутую область схлопывания энергии ударных волн и продуктов детонационного сгорания от боковых камер. Изменение смещения оси боковой камеры от оси основной камеры обеспечивает управление плотностью суммарной энергии от камер.

Существенные признаки изобретения обеспечивают следующий режим работы устройства. Окислитель поступает в камеры сгорания через щель - 24, рис.4, где осуществляется смешивание с горючим газом, поступающим через жиклеры - 26. В горючую смесь вводятся акустические колебания, генерируемые резонатором - 25. В результате, в камере сгорания - 16 образуется возбужденная горючая смесь, которая легко детонирует при создании локальных объемов повышенного давления в форкамере, а затем в основной камере и в боковых камерах - 23. Инициирование первичных ударных волн осуществляется высоковольтным электрическим разрядом - свечой зажигания.

Ударные или детонационные волны распространяются в основную камеру сгорания, а затем и в боковые камеры, где последовательно, вследствие схлопывания при отражении в уголковых отражателях, образуют области высокого давления и инициируют детонационный режим сгорания горючих газовых смесей. В области схождения цилиндрической и боковых камер многократно повышается давление продуктов сгорания и амплитуда ударных волн. В результате в стволе генерируется пакет высокоамплитудных ударных волн и скоростная плотная струя продуктов сгорания, которые последовательно проходят через облако газопорошковой смеси и отдают ей свою энергию. Срез ствола - 34 служит для отклонения ударных волн и продуктов сгорания - 33 от траектории движения порошка - 31, который напрессовывается на подложку - 32.

В паузе между энергетическими импульсами детонационного сгорания и истечения идет заполнение форкамеры, основной и боковых камер компонентами горючей смеси, смешивание компонентов, генерирование в горючей смеси акустических волн, заполнение сопла газопорошковой смесью и газом противодавления. Выполнение условия, где суммарный расход компонентов горючей смеси, разделенный на частоту инициирования детонации, будет равен объему камер сгорания до места ввода порошка, позволяет сформировать встречную струю газа - воздух в стволе от открытой его части. Это обеспечивает локализацию газопорошковой смеси в начале ствола. В конечном итоге, это условие обеспечивает равномерный нагрев и ускорение порошкового материала.

Горючая газовая смесь в боковых камерах возбуждается акустическими колебаниями и ударными волнами со стороны места схождения с основной камерой. Осуществляется многократное отражение ударных волн о стенки камеры и схождение их в уголковом отражателе боковой камеры, где резко повышается давление горючей смеси и инициируется ее детонация. Ударные волны и продукты сгорания распространяются к месту схождения камер и образуют область с высокой плотностью энергии.

Косой срез ствола создают отклоняющее давление, которое эффективно отклоняет газовую составляющую импульсной струи и ударную волну. Порошковый материал, практически без отклонения, напрессовывается на подложку.

Ударные волны и продукты сгорания отдают свою энергию порошковому материалу в стволе. За волной продуктов сгорания следует волна разряжения, которая управляет процессом заполнение камер сгорания горючей смесью и подачей порошка в ствол. На момент заполнения камеры сгорания горючей смесью, порошком и газом противодавления осуществляется инициирование детонации. Процесс ускорения и напрессовывания порошка циклически повторяется.

Пример 1

Для реализации способа использовали устройство, имеющее форкамеру, основную и симметричную боковую камеру сгорания с полусферической и плоской стенкой, ограниченной цилиндрической поверхностью. Размеры камеры: сферическая стенка имела радиус 150 мм и касалась плоской стенки с зазором 3 мм. В радиальном направлении полость ограничивалась цилиндрической стенкой с радиусом R_max=60 мм. Компоненты горючей смеси, заполняющие камеру, имели начальное давление 1 атмосфера. Выходной ствол имел диаметр 16 мм.

Основную и боковую заполняли компонентами горючей смеси: пропан-бутаном, кислородом и воздухом. Газы подавали в стехиометрическом соотношении так, чтобы на момент инициирования детонации весь объем камер был заполнен горючей газовой смесью.

Инициирование детонации осуществляют свечой зажигания в форкамере. Сжатие горючей газовой смеси осуществляет поток газа от открытого конца ствола. Расходы горючего газа, кислорода, воздуха и порошка устанавливают в зависимости от частоты инициирования детонации и требований технологии так, чтобы заполнение камер горючей смесью осуществлялось до места ввода порошка.

Проводилось напрессовывание порошка из сплава на основе никеля ПГ-СР4, который содержит 16,5% Cr, 3,3% В, 3,70% Si, до 5,0% Fe, 0,8% С. При напылении использовали порошки, дисперсностью 50-63 мкм. В качестве подложки использовали образцы, изготовленные из стали 45. Твердость покрытия определяли на твердомере ТП-7Р. Пористость покрытия определяли металлографическим методом на приборе "ОМНИМЕТ".

Скорость определяли фиксированием и расшифровкой характерных всплесков струи посредством использования оптического кабеля, высокочастотных диодов и специальной компьютерной программы.

На первом этапе апробации способа проводилось измерение скорости порошковой струи и определение коэффициента использования порошкового материала. Использовали ствол со срезанным концом открытой части под 45 град. Компоненты горючей газовой смеси подавались в пропорции 1:5. Частота инициирования детонации изменялась от 10 до 40 Гц. Соответственно, изменялся расход компонентов горючей смеси. Коэффициент использования порошка определялся методами взвешивания. При частоте инициирования детонации 20 Гц расход пропана составлял 0,6 м ³/час, кислорода 3 м³/час, воздуха 1 м³ /час, а порошка 1 г/с или 3,6 кг/час. Измерения показали, что максимальное значение коэффициента использования материала получается в диапазоне частот 20 30 Гц и достигает 90 92% (см. пп.1 4 таблицы). Измеренное значение скорости порошка на выходе из ствола достигало величины 1000-1100 м/с.

Пример 2

Второй вариант выполнения способа осуществляли аналогично первому варианту.

Отличие заключается в том, что напрессовывание порошка на подложку проводилось при частоте инициирования детонации 30 Гц и постоянных расходах компонентов горючей газовой смеси. Расход пропана составлял 0,9 м³ /час, кислорода - 4,5 м³/час, воздуха - 1,5 м ³/час, а расход порошка напыляемого материала - 5,4 кг/час.

Изменялся угол среза открытой части ствола от 75° до 0°. Дистанция напыления была равна 30 мм и 100 мм. Результаты выполнения способа оценивались измерением коэффициента использования напыляемого материала. Также определялась скорость порошка и пористость напрессованного материала. Результаты выполнения способа приведены в таблице (см. пп.5 16 таблицы).

Анализ результатов показал, что при срезе открытой части камеры сгорания под углом 45° напрессованный материал имеет наилучшие характеристики. С увеличением дистанции скорость порошка вблизи подложки уменьшается и, соответственно, увеличивается пористость полученного материала.

Коэффициент использования порошка при дистанции напыления 30 мм достигает 92%. При дистанции 30 мм характеристики покрытия и коэффициент использования порошка зависят от угла среза конца сопла и при углах 0 и 15 град материал имеет пористость до 5% и твердость до 600 МПа. При дистанции напыления 100 мм, характеристики покрытия не зависят от угла среза ствола, но коэффициент использования напыляемого материала ниже на 20 40%, чем при напылении на дистанции 30 мм и срезанным под 45 град стволом. Скорость порошка измерялась на срезе сопла и она при проведении этого эксперимента не изменялась.

Пример 3

Третий вариант выполнения способа осуществляется аналогично первому. Отличие заключается в том, что напрессовывание порошка осуществлялось при частоте 30 Гц. Расход компонентов горючей газовой смеси составлял: пропана - 1,0 м³/час, кислорода - 5,5 м³/час, воздуха - 6 м³/час, порошка - 2 г/с или 7,2 кГ/час. Срез открытой части камеры сгорания - 45°. Дистанция до подложки - 30 мм.

Напрессовывание порошка на подложку осуществлялось устройством, имеющим основную и боковую камеру сгорания, имеющую симметрию и одну плоскую стенку. Для сравнения, напрессовывание порошка осуществлялось устройством с основной камерой с цилиндрической вставкой, равной по объему боковой камере (п.18* таблица).

Результаты исследования показали, что использование для напыления боковой детонационной камеры, имеющей симметрию и одну плоскую стенку (п.17* таблица) на 50% повышает эффективность напрессовывания. Этот результат объясняется эффектом схлопывания и увеличения амплитуды давления сходящихся ударных волн и продуктов сгорания за счет схождения их от периферии боковой камеры к центру - месту схождения с основной камерой. Кроме того, возбуждение горючей смеси обеспечивает более полное ее сгорание в боковой камере и снижение времени детонационного сгорания. Пористость материала зависит от скорости дисперсных частиц - порошка. В эксперименте использовали крупные порошки (50-63 мкм), см. пример № 1, которые не успевают прогреться и их деформация зависит от кинетической энергии (скорости порошка). Использование устройства по изобретению обеспечивает высокую скорость порошка (1100 м/с) и, соответственно, условия для деформирования. Это обуславливает низкую пористость (0.6%) и высокую твердость материала (880 МПа). Применение того же устройства, но с цилиндрической вставкой, заменяющей боковую камеру, резко снижает эффективность. Скорость порошка 600 м/с, пористость 5,0%, твердость 520 МПа и коэффициент полезного использования порошков 40%. По-видимому, при низкой скорости частицы порошка не деформируются на подложке и отскакивают. Увеличение скорости до 1000 м/с, увеличивает деформацию частиц порошка и их сцепление с подложкой, что существенно увеличивает коэффициент использования до 92%.

Результаты исследования показали, что использование для напыления боковой детонационной камеры, имеющей симметрию и одну плоскую стенку (п.17* таблицы) на 50% повышает эффективность напрессовывания, что объясняется эффектом схлопывания и увеличения энергии ударных волн и продуктов сгорания за счет схождения и более полного сгорания горючей газовой смеси в боковой камере.

Пример 4

Четвертый вариант выполнения способа осуществляется аналогично первому и третьему вариантам.

Отличие заключается в том, что нанесение покрытий осуществлялось при различных расходах сжимающего горючую смесь газа. Пропорционально увеличению расхода сжимающего газа увеличивали подачу компонентов горючей смеси и порошка. В результате, с увеличением расхода сжимающего газа, давление и, соответственно, плотность пакета ударных волн и горючей газовой смеси возрастает. Для полного заполнения камеры сгорания и соответствия объема горючей смеси и объема напыляемого порошка их расход был увеличен вплоть до двухкратного, но качество покрытия при этом ухудшилось, хотя производительность напыления увеличилась (см. таблицу пп.19 23). Увеличение расхода компонентов горючей смеси и пропорциональное увеличение подачи порошка не дает должного эффекта. Резко снижается скорость порошка и качество получаемого материала. Это обусловлено тем, что объемы камер устройства ограничены и при увеличении скорости подачи горючей смеси смесь используется менее эффективно.

Пример 5

При неизменной (оптимальной) подаче компонентов горючей смеси снижалась подача порошка. Увеличение удельного расхода компонентов горючей газовой смеси на единицу ускоренного порошка повысило качество покрытия (см. таблицу пп.24 27).

Снижение подачи порошкового материала на один импульс ведет к повышению скорости порошкового материала, соответственно повышается твердость материала до 920 МПа и снижается пористость до 0%. Коэффициент использования материалов улучшается до 94%. Увеличение твердости обусловлено образованием нанокристаллических материалов [6]. Производительность прессования порошка снижается почти в три раза.

Пример 6

Шестой вариант выполнения способа осуществляется аналогично второму варианту выполнения способа. В этом примере увеличена частота инициирования детонации до 40 Гц, при оптимальном заполнение камер сгорания и подачи порошкового материала.

Высокая частота - аналогия работы непрерывной скоростной горелки для ускорения порошков. Отличие заключается в том, что при неизменном угле среза конца ствола в 45° изменялась дистанция от сопла до подложки.

Измерение скорости порошка показали, что скорость на обрезе сопла также неизменна и составляет 1000 м/с. Эксперимент показал, что с увеличением дистанции снижается качество покрытия (твердость от 890 до 580 МПа), увеличивается пористость до 9,2%. Соответственно и ухудшается коэффициент использования порошка. Наилучшее качество покрытия было при дистанции 30 50 мм.

Это объясняется тем, что с увеличением дистанции снижается скорость порошкового материала и увеличивается подмешивание воздуха, который охлаждает и окисляет материалы порошка и подложки.

Наилучшее качество покрытия было при дистанции 30 50 мм. С уменьшением дистанции и увеличением угла среза качество покрытия ухудшилось (см. пример 2), (см. таблицу пп.28 35).

Пример 7

Для сравнения брался ближайший прототип детонационного однокамерного устройства для ускорения порошков, который используется в технологии газотермического напыления покрытий. На этом устройстве реализовывались режимы сгорания и подачи порошков, близкие к исследуемому по изобретению. Результаты исследования показали, что устройство-прототип обеспечивает максимальную скорость крупнодисперсного порошка на основе никеля (см. пример 1) 800 м/с. Пористость материала составляет 3,6-5,6%, коэффициент использования материала 38-43%. Эти результаты ниже, чем у худшего варианта использования устройства по изобретению.

Описание работы устройства

Ниже приводится описание работы патентуемого газодинамического устройства для ускорения порошкового материала.

Порошок и газы подаются в камеры сгорания непрерывно, что позволяет их точно дозировать с применением современных известных методов и устройств регулировки и стабилизации расходов газов и порошков. После сгорания горючей газовой смеси давление продуктов сгорания повышается, что обеспечивает запирание каналов для подачи компонентов горючей смеси и газопорошковой смеси.

После истечения продуктов сгорания и падения давления в камеру сгорания вновь начинают поступать газы и порошки. Чем выше частота воспламенения горючей смеси, тем более точно дозируется расход порошка на каждый импульс, тем точнее локализуется напыляемый материал в цилиндрической камере, где осуществляется нагрев и ускорение порошка.

Отклонение ударной волны от направления следования порошкового материала позволяет снизить дистанцию от среза ствола до подложки до 30 40 мм, что снижает возможности окисления материала воздухом и потери энергии порошка. Срез ствола под острым углом к его оси обеспечивает отклонение ударной волны и продуктов сгорания относительно плоскости среза. Ускоренный порошок сохраняет свою траекторию полета параллельно оси ствола. При встрече с подложкой ударная волна и продукты сгорания отражаются от нее под углом падения, что даже при небольших изменениях угла падения практически исключает встречу напыляемого порошка с ударной волной.

Данный отличительный признак позволяет осуществлять технологию напрессовывания порошков при малых дистанциях, исключив при этом потери на преодоление энергии встречной (отраженной) ударной волны.

В зависимости от требований технологии и состава горючей смеси давление в камере может изменяться за счет изменения расхода газа противодавления. Непрерывная подача компонентов упрощает конструкцию устройства и обеспечивает его надежную работу в диапазоне частот до 40 Гц. При этом точно дозируются составляющие смеси, приходящейся на каждый импульс, независимо от частоты инициирования детонации.

Инициирование детонации в форкамере позволяет решать несколько задач: первая - это уменьшение в детонационной камере участка перехода горения в детонацию и инициирование детонации с высокой частотой, вторая - сохранение теплового режима свечи зажигания. Непрерывная подача порошка, при высокой частоте инициирования детонации, обеспечивает точное дозирование его на 1 импульс и компактное размещение в стволе.

Косой срез сопла обеспечивает отклонение ударной волны и позволяет осуществлять напыление при дистанциях до 30 мм, что повышает как качество покрытия, так и коэффициент использования порошка до 90%.

Испытание устройства с различным количеством щелевых каналов для смешивания газов в форкамере и боковой камере показало, что при 4 каналах наблюдаются пропуски инициирования детонации. Увеличение количества каналов до 8 и более обеспечило ритмичное инициирование детонации в соответствии с частотой коммутации энергии в свече зажигания. Пропуски инициирования детонации не наблюдались даже при частоте коммутации энергии 40 Гц.

Активирование горючей смеси акустическими колебаниями повышает надежность инициирования детонации обедненных горючих смесей даже при соотношении 1/4. Эксперименты показали, что без активации горючей смеси звуковым резонатором инициирование детонации в использованной конструкции осуществляется только при стехиометрическом составе смеси. Ввод колебаний повышает надежность работы системы инициирования детонации при любом составе смеси.

Испытывали вариант устройства с различными каналами для смешивания компонентов горючей смеси. Изменяли соотношение сечения отверстий для ввода горючего газа и окислителя. Увеличение соотношения сечения каналов (отверстий) для ввода газов до 5 обеспечивает стабильное инициирование детонации во всем исследуемом диапазоне частот (2 40 Гц).

Далее приводится таблица с результатами исследования при реализации способа и устройства для газодинамического ускорения порошков.

Патентуемое устройство значительно повышает качество материала покрытия, снижает расход порошка, экономит компоненты горючей смеси, повышает производительность, что наглядно видно из таблицы. Наиболее оптимальными являются варианты способа № № 4, 5, 20, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36 (см. табл.). Отмечено, что качество напрессованного на подложку материала и производительность выше, чем по способу-прототипу.

Промышленная применимость

Устройство, осуществляющее способ газодинамического ускорения порошков, может быть использовано в различных отраслях промышленности. В металлургии для создания дифференцированных по толщине и качеству защитных материалов на поверхности плит кристаллизаторов. В машиностроении, при получении заготовок, а также при ремонте и восстановлении деталей машин. В авиастроении и судостроении - создание защитных покрытий на поверхности корпуса и другие.

Список литературы

1. Способ детонационного напыления покрытий и устройство для его осуществления (Патент США № 2714563. Кл³ B05B 7/20).

2. Гавриленко Т.П., Николаев Ю.А., Ульяницкий В.Ю. Использование пересжатой детонации для нанесения покрытий // Физика горения и взрыва, 2010, т.46, № 3, с.125.

3. Устройство для детонационного нанесения покрытий (US Patent, Pub. № : US 2002/0130201 A1. Int. C1.⁷ B05B 7/06).

4. Высокопроизводительный детонационный пистолет распылитель с высокой частотой повторения импульсов (Патент RU № 2236910 С2. МПК⁷ B05B 7/20).

5. Способ детонационного нанесения покрытий и устройство для его осуществления (Патент RU № 2329104 С2. МПК⁷ B05B 7/20).

6. Тюрин Ю.Н., Василик Н.Я., Колисниченко О.В., Ковалева М.Г., Прозорова М.С. Использование многокамерного ускорителя порошков для формирования нанокристаллических покрытий // Труды межд. научн.-техн. конференции «Нанотехнологии функциональных материалов». С.-Петербург, с.557, 20.