Состояние и перспективы детонационного напыления покрытий

На рис. 16, б приведена схема детонационно-газового распылителя с форкамерным зажиганием, радиальной инжекторной подачей порошка со стволами переменного сечения. Характерной особенностью такого распылителя является наличие двух стволов: переднего выходного с длиной L1 = (15 - 40)d1 и заднего с длиной L2 = (15 - 80)d2. Между собой стволы соединены камерой 4. Рабочая взрывчатая смесь подается в форкамеру 1, где происходит ее возбуждение свечой 2. В задней взрывной камере смесь детонирует и на выходе в камеру смешения продукты сгорания обладают сверхзвуковой скоростью.

Рис. 16. Конструктивная схема детонационно-газового распылителя с осевой инжекторной подачей порошка и форкамерным зажиганием (а), а также с радиальным вводом порошка со стволом переменного сечения (б)

Кольцевая часть задней камеры и камера смешения образуют между собой инжектирующий узел. Порошок за счет инжекции поступает в смесительную камеру из питателя через радиальные отверстия 3. Из смесительной камеры продукты детонации с взвешенным порошком направляются в переднюю камеру распылителя. Проходя цилиндрический участок этой камеры, поток турбулизуется. Создаются благоприятные условия для дальнейшего перемешивания порошка с продуктами сгорания. В расширяющейся части смесь приобретает дополнительную скорость. Наличие переднего обособленного ствола позволяет иметь строго заданный участок разгона напыляемых частиц. Для напыления многослойных покрытий предусмотрено несколько входных штуцеров, связанных с разными порошковыми питателями.

Для зажигания взрывчатой смеси необходима определенная энергия - энергия зажигания. Максимальная энергия зажигания при атмосферном давлении соответствует стехиометрическому составу взрывчатой смеси и составляет 10-4 - 10-6 Дж. С повышением давления и температуры эти значения становятся еще меньше. Следовательно, для первоначального возбуждения могут быть использованы автомобильные свечи с энергией искрового разряда 0,05 - 0,2 Дж. Обычно детонационные распылительные камеры изготовляют из высоколегированных сталей. Внутренняя поверхность (особенно передней части ствола) должна быть гладкой и без выступов. При работе распылителя форкамера, взрывная камера и другие узлы нагреваются. Это приводит к преждевременной детонации смеси и неустойчивости процесса. Поэтому в распылителе предусмотрено водяное охлаждение теплонапряженных элементов, ограничивающее их перегрев свыше 400 °С.

Рис. 17. Изменение энергии зажигания в зависимости от концентрации С₂Н₂ и O₂ (С), температуры (То) и давления (Ро) рабочей смеси (а) и источник питания свечи зажигания в установках для ДГН (б).

В современных распылителях предусмотрены сменные стволы различного диаметра и различной длины. Это позволяет получать оптимальные параметры потока напыляемых частиц.

Камеры смешения. Предназначены для создания равномерного распределения газовой смеси вдоль ствола. Обычно при создании газопламенных струй для смешения газов используют инжекторный принцип. В установках для детонационного напыления он малоэффективен. Целесообразнее использовать устройства, обеспечивающие смешение газовых потоков, движущихся под углом один относительно другого или их закруткой. Поэтому в смесителях часто применяют форсунки струйного или центробежного типа. Конструирование и расчет смесительных камер описан в специальной литературе.

Система зажигания. На рис. 17, а показано влияние различных факторов на энергию, необходимую для возбуждения взрывчатой смеси. В результате повышения температуры и давления смеси резко снижается энергия зажигания. Минимальная энергия зажигания требуется для стехиометрического состава смеси С2Н2 + О2. Так, при содержании в смеси 25% кислорода при атмосферном давлении энергия зажигания составляет 5 · 10-4 Дж; при 50 % снижается до 10-6 Дж. Таким образом, для зажигания детонирующих смесей С2 Н2 + О2 целесообразно применять автомобильные свечи, воспроизводящие индукционную искру с энергией 0,05 - 0,2 Дж. Для питания используют маломощный источник (рис. 17, б) с трансформацией напряжения и накопления энергии на конденсаторе.

Предотвращение обратного удара. Для четкой и безопасной работы детонационных установок необходимо исключить возможность проникновения взрывчатой смеси из детонационной камеры в коммуникации и агрегаты установки. Для этих целей применяют газовые буферы и пламегасители или огнепреградители. Известные в практике газопламенной обработки водяные предохранительные затворы для детонационных установок оказались малоэффективными. Вода в них при циклической подаче детонирующей газовой смеси вспенивается и предохранительное устройство перестает выполнять свои функции.

На рис. 15, б показан газовый буфер 10, выполненный в виде змеевика из трубки диаметром 8,0 мм (сталь типа 18-8) с эффективной длиной около 1 м. Создаваемая в змеевике пробка из флегматизирующего газа (СО2, N2, Аг, Не, воздух) достаточно надежно предохраняет установку от обратного удара.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 18. Схема АДК "Прометей" для детонационно-газового напыления:

Ч - взрывная камера; 2 - дозатор порошка; 3 - пневмовибратор дозатора; 4 - буферный змеевик; 5 - блок распределения золотниковый; 6 - блок смесеприготовления; 7 - 14 - электропневмоклапаны; 15 - искровая свеча; 16 -генератор импульсов высокого напряжения; А и В - газораспределительные каналы; Na (тр) -- транспортирующий азот.

Для полного предотвращения обратного удара в коммуникациях необходимо устанавливать огнепреградители (см. рис. 18). Достаточно надежны огнепреградители, представляющие собой корпус, внутри которого располагается стакан с пористыми металлокерамическими вставками. Принципы расчета и конструирования огнепреградителей изложены в специальной литературе.

Системы автоматического управления и регулирования. В установках для детонационного напыления применяют ручной, полуавтоматический и автоматический режим управления. Пульт управления располагают в изолированном от бокса помещении. Наблюдение за процессом осуществляется визуально через прозрачную перегородку. Наиболее надежным является автоматический режим работы. При этом обеспечивается стабильное качество покрытий. Могут быть использованы различные системы автоматического регулирования. Однако алгоритмы функционирования установок различаются мало (обычно это открывание клапанов газопитания, подача порции порошка, заполнение буферного устройства для предотвращения обратного удара, подача импульса на свечу для воспламенения рабочей смеси, продувка камеры). В России созданы системы, обеспечивающие автоматическое управление и регулирование процессом детонационного напыления.

Особенно большое распространение для детонационно-газового напыления получили автоматические комплексы. В состав комплекса входит: установка для ДГН, блок автоматического управления; газораспределительный пульт, манипулятор и другие элементы. На рис. 18 приведена схема автоматического детонационного комплекса (АДК) "Прометей" (см. рис. 15, б).

3. ПЕРСПЕКТИВЫ ДЕТОНАЦИОННО-ГАЗОВОГО НАПЫЛЕНИЯ

Для оценки перспектив детонационно-газового напыления необходимо определить достоинства и недостатки данного метода.

3.1 Достоинства и недостатки детонационно-газового напыления

Детонационно-газовое напыление предусматривает последовательную передачу взрывных импульсов в определенном направлении для создания высокотемпературного потока газовой смеси, нагревающего и распыляющего порошковый материал, ускоряющего его частицы и формирующего покрытие.

Взрывное, детонационное сгорание обеспечивается заданным составом газовой смеси после ее поджигания в камере и появления тепловых волн за счет которых возникают ударные волны, и происходит попадание смеси в канал ствола, куда вводится напыляемый порошок. Здесь появляется взрывная, детонационная волна с образованием продуктов взрывного сгорания и формированием на выходе из ствола газового потока с напыляемыми частицами.

Применение детонационно-газового метода дает возможность напылять покрытия различного назначения на мелких и крупных изделиях, наружных и внутренних поверхностях при следующих основных преимуществах процесса:

- высокие механические свойства покрытия;

- широкая номенклатура напыляемых материалов;

- невысокий нагрев изделия при напылении;

- повышенная производительность;

- малая чувствительность к качеству подготовки поверхности.

К недостаткам метода относятся:

- трудность нанесения покрытий на очень твердую поверхность;

- трудность использования порошков с невысокой плотностью частиц;

- высокий уровень шума (до 130 дБ);

- повышенная стоимость оборудования.

Технологический режим

1. Выбор порошка ограничен опасностью его химической реакции с продуктами сгорания: СО, CO2, H2O, Н2, О2, N2, H, О, N. Поэтому к напыляемым материалам относятся порошки оксида алюминия, инструментальные твердые сплавы при зернистости порошков 10 - 50мкм.

2. Подача порошка из питателя в рабочую камеру производится транспортирующим азотом под давлением 0,3 МПа.

3. Параметры работы распылителя включают несколько основных характеристик.

Давление ацетилена составляет безопасную величину до 0,14 МПа, кислород подается под давлением до 0,2 МПа.

Состав детонирующей газовой смеси соответствует коэффициенту избытка кислорода Р = 1,21 - 1,25 с добавкой 10 - 15 % азота для улучшения процесса сгорания, стабилизации температуры и скорости напыляемых частиц.

Дистанция напыления задается в пределах от 50 до 200 мм в зависимости от напыляемого материала, от материала, формы и размеров изделия, требований к толщине, однородности и другим свойствам покрытия.

Поток газообразных продуктов сгорания вблизи напыляемой поверхности имеет температуру 4000 - 5700 К, его скорость составляет 2000 - 3000 м/с. Частицы в газовом потоке нагреваются до температуры 1873 К их скорость достигает 1500 м/с, плотность частиц в пятне напыления составляет 104 ч/см2с.

Инструмент для детонационно-газового напыления выглядит как пушка-распылитель, имеющая камеру сгорания и ствол. Канал ствола диаметром 10 - 30 мм и длиной 500 - 2000 мм выполняется цилиндрическим либо конусным в соответствии с требованиями к характеристикам потока напыления. Скорострельность пушки-распылителя определяет производительность напыления и составляет наибольшие значения 14 - 15 циклов в секунду.

Рис. 19. Схема детонационно-газовой установки: 1 -блок автоматического управления, 2 -ствол. 3 - питатель, 4 - пульт дистанционного управления

Оборудование для напыления отличается режимом работы с образованием взрывных выбросов газопорошковой смеси при высоких значениях температуры, скорости, частоты, уровня шума. Поэтому согласно требованиям безопасности оно выполняется в виде автоматизированной технологической установки, располагается в изолированном боксе и содержит следующие основные части: источники рабочих газов (C2Hi, Оз, N2), устройство дозирования, смешивания и подачи горючей смеси в камеру, система зажигания смеси, ствол 2 с порошковым питателем 3, система охлаждения ствола, блок автоматического управления 1, пульт дистанционного управления 4, расположенный вне бокса (рис. 19).

В производственных процессах детонационно-газового напыления нашли применение установки типа ДНП, АДК и некоторые другие.

3.2 Оценка перспективы развития метода

Композиционные материалы, все более широко применяемые в машиностроении, должны обладать высокой несущей способностью, низким коэффициентом трения, устойчивостью к воздействию агрессивных сред и ударных нагрузок.

Полимерные материалы (фторопласт, полиэтилен и др.), обладая хорошими антифрикционными свойствами, имеют низкую несущую способность. Поэтому для подшипников скольжения используют фторопластовые эмульсии, которыми заполняют пористые подложки, припеченные к металлической ленте. Такой метод снижения трения позволяет повысить работоспособность узла даже без применения смазки. Однако это покрытие не обладает достаточной стойкостью в агрессивных средах в виду его пористости и малой толщины. Целесообразно применение деталей с полимерным покрытием, которое получают приклеиванием тонких пленок к защищаемой поверхности.

Известно, что полимерные материалы плохо смачиваются клеями и практически не склеиваются. Исследования вели в направлении создания слоя, сцепленного механически с полимером и обладающего хорошей адгезией с клеем. В результате были разработаны такие технологические процессы, как металлизация поверхности полимера в тлеющем разряде и втирание абразивных частиц специальной формы, смешанных с клеем, в склеиваемые поверхности. Однако значительного повышения прочности адгезии при этом получить не удалось.

Одним из перспективных методов создания высокопрочных клееных полимерных композиционных материалов является детонационно-газовое нанесение активного слоя. Преимущество этого метода заключается в высокой скорости частиц, обеспечивающей хорошую адгезию при низкотемпературном воздействии газовой струи на деталь. Процесс можно представить в такой последовательности. При детонационно-газовом напылении покрытия в момент инициирования взрыва детонирующей смеси в ствол установки подается мелкодисперсный металлический порошок, обладающий определенными свойствами. Детонационная волна распространяется в стволе со скоростью 3000 - 4000 м/с, образуя фронт с высокими термодинамическими параметрами. Попадая в эту зону, частицы порошка разогреваются, пластифицируются и ускоряются до скорости 8 - 1200 м/с на срезе ствола.

Одним из условий получения качественного газопламенного покрытия является обеспечение необходимого уровня энергии частиц напыляемого материала на поверхности изделия. Энергетическое состояние частиц определяется суммой энергий -- тепловой, характеризующейся температурой нагрева, и кинетической.

При газопламенном напылении порошковым материалом частица напыляемого материала нагревается до температуры пластического состояния или температуры плавления за счет конвективного теплообмена между продуктами горения факельного пламени и частицей. Это происходит в интервале эффективных температур, где температура продуктов горения на 300 °С выше температуры плавления. Участок факела, на котором температура частицы не ниже температуры плавления материала и не охлаждается ниже этой температуры, определяет рабочую зону факела пламени для газопламенного нанесения покрытий.

Исследования, проведенные на кафедре восстановления деталей машин сварочного факультета НТУУ «Киевский политехнический институт», показали, что длина зоны эффективных температур и рабочей зоны зависит от характера горения факела пламени и состава горючей смеси. Для водородно-кислородного пламени, получаемом при сжигании смеси, вырабатываемой электролизно-водяным генератором, длина зоны эффективных температур при напылении материалов с температурой плавления до 1000°С и больше при ламинарном характере течения продуктов горения. Причем она увеличивается, если в смесь паров добавляют углеводородные соединения.

При напылении материалов с температурой плавления свыше 1000°С длина зоны эффективных температур больше при турбулентном течении струи продуктов горения.

Распределение скорости потока продуктов горения по длине факела пламени находили эксриментально-расчетным методом. При расчете пользовали экспериментальные данные распределения по длине факела температуры и напорного давления газовой струи продуктов горения, которые получали с помощью водоохлаждаемого зонда (трубки Пито-Прандтля). Максимальную скорость напыляемых частиц определяли экспериментально с помощью прибора ИССО-1. Экспериментальные данные от расчетных отличались на ±5 %.

Исследовали влияние состава горючей смеси и характера течения продуктов горения на скорость напыляемых частиц грануляцией соответственно 20...40, 20...63 и 63...100мкм порошков меди, железа (ПЖ-1) и никелевого сплава (ПГ-АН-33). Указанные материалы выбраны на основании анализа широко используемых при газотермическом нанесении покрытий порошковых материалов с различным диапазоном температур плавления, характерном для газопламенного способа напыления.

Анализ распределения скорости частиц движения Wч по длине газового факела показал, что в нем имеют место три зоны: разгона, где частица приобретает скорость от минимальной до максимальной; стабильного движения, где скорость изменяется в пределах 5 - 10%; торможения, где скорость частицы уменьшается.

Исследование скорости движения частиц порошка меди показало, что при ламинарном характере течения продуктов горения водородно-кис-лородной смеси (ВКС) и ВКС + 16 % паров этилового спирта максимальную скорость движения частицы приобретают на расстоянии L = 300 мм от среза мундштука горелки, а при сжигании смеси ВКС + 5,5 % паров бензина -- на расстоянии 250 мм. Максимальная скорость движения частиц при напылении порошка грануляцией 20...40мкм и ламинарном течении продуктов горения ВКС составляет 95 м/с на расстоянии 250 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные в работе данные позволяют сделать вывод о том, что для всех видов материалов при детонационном (газотермическом) напылении покрытий существует оптимальное соотношение между скоростью и температурой напыляемых частиц. Это предопределяет необходимость более тщательного подхода к выбору источников энергии для детонационного нанесения порошковых покрытий, накоплению и обобщению экспериментальных данных о формировании покрытий при различных сочетаниях скорости и температуры части.

Работы в области получения новых экспериментальных данных продолжается и вполне успешно, это позволяет сделать вывод о том, что метод применяется и будет в дальнейшем применим т.к. ведутся разработки.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Астахов Е.А. Влияние детонационных покрытий на механические свойства изделий / / Автоматическая сварка. - 2004. - №6. - С. 56 - 57.

2. Белоус Ю.Ю., Волхов А.М., Захаров Н.Г., Ахтырский В.П. Технология получения металло-полимерных клееных соединений / / Сварочное производство. - 1989. - №2. - С. 30 - 31.

3. Бутовский К. Г., Лясников В.Н Напыленные покрытия и оборудование: Учеб. пособие для студ. мишино-и приборостроит. спец./ Саратовский гос. тех. ун-т. - Саратов, 1999. -118с.:ил.

4. Жадкевич М.Л., Тюрин Ю.Н., Колисниченко О.В., Мазунин В.М. Влияние параметров разрядного контура плазменно-детонационной установки на газодинамические характеристики импульсных плазменных потоков / / Автоматическая сварка. - 2006. - №8. - С. 52 - 45.

5. Корж В.Н., Попиль Ю.С. Получение газопламенного покрытия при использовании водородно-кислородного пламени / / Автоматическая сварка. - 2005. - №9. - С. 25 - 30.

6. Кудинов В.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование: учебник для вузов / В.В. Кудинов, Г.В. Бобров; под ред. Б.С.Митина, - М.: Металлургия, 1992. - 432.с: ил.

7. Пащенко В.Н., Солодский С.П. Магнитное управление потоками низкотемпературной плазмы в процессах нанесения покрытий / / Автоматическая сварка. - 2006. - №6. - С. 53 - 55.

8. Ульшин В.А, Харламов М.Ю. Оптимизация параметров детонационно-газового напыления с использованием генетического алгоритма / / Автоматическая сварка. - 2005. - №2. - С. 32 - 37.

9. Ульшин В.А., Харламов М.Ю., Борисов Ю.С., Астахов Е.А. Динамика движения и нагрева пороша при детонационном напылении покрытий / / Автоматическая сварка. - 2006. - №9. - С. 37 - 43.

10. Харламов Ю.А. О роли скорости и температуры частиц при газотермическом напылении / / Физ. и химия обработки материалов. - 1983. - №3. - С.12 - 17.

Размещено на Allbest.ru