RU2190695C2

RU2190695C2 - Device for gas-dynamic spraying of powder materials

Info

Publication number: RU2190695C2
Application number: RU2000110245/02A
Authority: RU
Inventors: А.П. Алхимов; В.Ф. Косарев; О.А. Алхимов; В.В. Лаврушин
Original assignee: Институт теоретической и прикладной механики СО РАН
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2002-10-10

Abstract

FIELD: application of coats of powder materials by gas-dynamic spraying; mechanical engineering; power engineering; metallurgy and other industries. SUBSTANCE: device is made in form of two units interconnected by means of flexible pneumatic and electrical lines; spraying unit is made in form of portable remotely-operated hand tool which includes supersonic nozzle rigidly connected with preheating unit and control and monitoring unit including electronic system for presetting and automatic maintenance of temperature of working gas of preheater; it is connected with heating elements by means of electric cable and with remotely-operated member. EFFECT: extended functional and technological capabilities; saving of powder material. 2 cl, 3 dwg

Description

Устройство газодинамического напыления порошковых материалов относится к устройствам нанесения покрытий из порошковых материалов газодинамическим напылением переносного типа и может найти применение в машиностроении, энергетике, металлургии и других сферах производства для получения одно- и многослойных покрытий различного функционального назначения. The device for gas-dynamic spraying of powder materials relates to devices for applying coatings of powder materials using gas-dynamic spraying of a portable type and can be used in mechanical engineering, energy, metallurgy and other areas of production for producing single and multilayer coatings for various functional purposes.

Известно устройство для газодинамического напыления, содержащее дозатор порошка и сверхзвуковой сопловой узел, объединенные в одном корпусе, а также систему регулирования скорости частиц порошка, включающего задорно-регулирующие органы для задания концентрации компонента (гелия, водорода) в рабочей смеси с воздухом [1]. A device for gas-dynamic spraying, containing a powder dispenser and a supersonic nozzle assembly combined in one housing, as well as a system for controlling the speed of powder particles, including provocatively regulating organs for setting the concentration of the component (helium, hydrogen) in the working mixture with air [1].

К недостаткам данной конструкции следует отнести ограниченность технологических и функциональных возможностей и, в частности, низкую производительность, ограничение по видам порошковых материалов - связанные с низкотемпературным процессом напыления и невозможностью изменять пластические свойства порошкового материала из-за отсутствия в конструкции устройства элемента, влияющего на эти параметры, например нагревателя газа. Кроме того, объединение дозатора порошка с приводом и соплового узла в виде ручного инструмента в едином корпусе значительно утяжеляет конструкцию и увеличивает ее габариты. The disadvantages of this design include the limited technological and functional capabilities and, in particular, the low productivity, the restrictions on the types of powder materials associated with the low-temperature spraying process and the inability to change the plastic properties of the powder material due to the absence of an element in the device structure that affects these parameters for example a gas heater. In addition, the combination of a powder dispenser with a drive and a nozzle assembly in the form of a hand tool in a single housing significantly complicates the design and increases its dimensions.

Известно также устройство [2] для газодинамического напыления, содержащее источник сжатого газа, дозатор порошка, сверхзвуковой сопловой узел и нагреватель рабочего газа. A device [2] for gas-dynamic spraying is also known, containing a source of compressed gas, a powder dispenser, a supersonic nozzle assembly and a working gas heater.

Недостаток этой конструкции заключается в том, что нагревательный элемент выполнен в виде длинномерной электропроводящей трубки, внутренняя часть которой является пневмоканалом рабочего газа, что вызывает соответственно увеличение габаритов и веса нагревателя в целом, а в частности -теплоизолятора и корпуса нагревателя газа, и не может быть использован в виде переносного ручного инструмента. Кроме того, ввод напыляемого порошка осуществляется только в до критическую область сверхзвукового сопла, что не всегда оправдано, так как приводит к изменению (при использовании некоторых видов порошковых материалов) режимов работы сопла. The disadvantage of this design is that the heating element is made in the form of a lengthy conductive tube, the inside of which is a pneumatic channel of the working gas, which causes a corresponding increase in the dimensions and weight of the heater as a whole, and in particular, the heat insulator and the gas heater body, and cannot be used in the form of a portable hand tool. In addition, the input of the sprayed powder is carried out only in the critical region of the supersonic nozzle, which is not always justified, since it leads to a change (when using certain types of powder materials) of the nozzle operating modes.

Задачей технического решения является расширение функциональных и технологических возможностей, в том числе обеспечение работ на открытых площадках, в труднодоступных местах, в полузамкнутых объемах и внутри резервуаров, а также экономия порошкового материала. The objective of the technical solution is to expand the functional and technological capabilities, including the provision of work in open areas, in inaccessible places, in semi-enclosed volumes and inside tanks, as well as saving powder material.

Поставленная задача достигается благодаря тому, что устройство выполнено в виде блока напыления и блока управления и контроля напыления, связанных между собой гибкими пневмоэлектропроводами; блок напыления выполнен в виде переносного ручного инструмента с дистанционным управлением и состоит из сверхзвукового сопла и жестко связанного с ним нагревателя газа. Сверхзвуковое сопло установлено с возможностью изменения положения относительно своей оси и связано с дозатором порошка посредством гибкого пневмопровода и насадки, которая установлена вдоль оси сопла с возможностью ввода газопорошковой смеси в его докритическую или закритическую часть. Нагреватель газа выполнен в виде металлического корпуса с размещенным в нем электротеплоизолятором со сквозными параллельными пневмоканалами с суммарным проходным сечением, удовлетворяющим условию Re > 2300, где Re - число Рейнольдса, и с встроенными в них нагревательными элементами. Блок управления и контроля напыления содержит электронную систему задания и автоматического поддержания величины температуры рабочего газа подогревателя и соединен электропроводом с нагревательными элементами и дистанционным управлением. The task is achieved due to the fact that the device is made in the form of a spraying unit and a control and spraying control unit, interconnected by flexible pneumatic electric wires; the spraying unit is made in the form of a portable hand tool with remote control and consists of a supersonic nozzle and a gas heater rigidly connected to it. A supersonic nozzle is installed with the possibility of changing position relative to its axis and is connected to the powder dispenser by means of a flexible pneumatic line and nozzle, which is installed along the axis of the nozzle with the possibility of introducing a gas-powder mixture into its subcritical or supercritical part. The gas heater is made in the form of a metal casing with an electrical heat insulator placed in it with through parallel pneumatic channels with a total flow area satisfying the condition Re> 2300, where Re is the Reynolds number, and with heating elements built into them. The spraying control and monitoring unit contains an electronic system for setting and automatically maintaining the temperature of the working gas of the heater and is connected by an electric wire to the heating elements and remote control.

Нагревательные элементы выполнены спиральной формы из сплава с повышенным электросопротивлением. The heating elements are made of a spiral shape made of an alloy with high electrical resistance.

Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень. These features are not identified in other technical solutions when studying the level of this technical field and, therefore, the solution is new and has an inventive step.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг.2 - часть нагревателя газа; на фиг.3 - фрагмент конструкции сопла. In FIG. 1 shows a block diagram of a device; figure 2 - part of the gas heater; figure 3 is a fragment of the design of the nozzle.

Устройство выполнено в виде двух блоков, связанных между собой гибкими пневмоэлектропроводами, один из которых - блок напыления 1 - выполнен в виде переносного ручного инструмента с дистанционным управлением. Он состоит из нагревателя газа 2, включающего металлический корпус 3, электротеплоизолятор 4, пневмоканалы 5, нагревательные элементы 6, патрубок подвода рабочего газа 7, термодатчик 8, кнопку 9 дистанционного управления дозатора порошка 10; и сопла 11, жестко связанного с нагревателем газа 2. При этом сопло 11 установлено с возможностью изменения положения относительно своей оси и связано с дозатором порошка 10 посредством гибкого пневмопровода 12 и насадки ввода газопорошковой смеси 13, который установлен вдоль оси сопла с возможностью ввода газопорошковой смеси в его докритическую, (см. фиг.3, положение "а"), или за критическую часть (см. фиг.3, положение "б"). The device is made in the form of two blocks interconnected by flexible pneumatic electroconductors, one of which - spraying unit 1 - is made in the form of a portable hand tool with remote control. It consists of a gas heater 2, including a metal casing 3, an electric heat insulator 4, pneumatic channels 5, heating elements 6, a pipe for supplying working gas 7, a temperature sensor 8, a button 9 for remote control of the powder dispenser 10; and a nozzle 11 rigidly connected to the gas heater 2. In this case, the nozzle 11 is mounted with a possibility of changing position relative to its axis and connected to the powder dispenser 10 by means of a flexible pneumatic pipe 12 and a nozzle for introducing a gas-powder mixture 13, which is installed along the axis of the nozzle with the possibility of introducing a gas-powder mixture in its subcritical, (see figure 3, position "a"), or for the critical part (see figure 3, position "b").

Второй блок - управления и контроля напыления 14 включает в себя электронную систему задания и автоматического поддержания величины температуры рабочего газа нагревателя 15 (питающуюся от сети 220/380 В), связанную электропроводом 16 с нагревательными элементами 6; запорно-регулирующие органы, запитанные от источника сжатого газа и связанные соответственно пневмопроводом 17 с нагревателем газа 2 через патрубок 7 и пневмопровод 18 с дозатором порошка 10 и манометрами, а также индикатор температуры газа 19, связанный с термодатчиком 8. The second block - control and monitoring of spraying 14 includes an electronic system for setting and automatically maintaining the temperature of the working gas of the heater 15 (powered by a 220/380 V network), connected by an electric wire 16 to the heating elements 6; shut-off and regulating organs, powered from a source of compressed gas and connected respectively by a pneumatic pipe 17 with a gas heater 2 through a pipe 7 and a pneumatic pipe 18 with a powder dispenser 10 and pressure gauges, as well as a gas temperature indicator 19 connected to a temperature sensor 8.

Конструктивные особенности нагревателя газа 2, а именно число пневмоканалов 5, их диаметр и длина, обеспечивают интенсивный, в том числе максимально возможный теплосъем с нагревательных элементов 6 за счет организации переходного или турбулентного режима их обтекания с поддержанием температуры их поверхности в пределах допустимых значений (при эксплуатации) для материала нагревательных элементов 6. Это, в частности, увеличивает срок их службы. The design features of the gas heater 2, namely, the number of pneumatic channels 5, their diameter and length, provide intensive, including the maximum possible heat removal from the heating elements 6 due to the organization of the transitional or turbulent regime of their flow around with maintaining the temperature of their surface within acceptable values (at operation) for the material of the heating elements 6. This, in particular, increases their service life.

Возможность изменения положения сопла (особенно при использовании плоского сопла) относительно своей оси позволяет при манипуляции ручным инструментом обеспечивать оптимальный угол встречи газопорошковой струи с напыляемой поверхностью (т.е. регулировать качество покрытия) и высокую производительность напыляемой площади. The ability to change the position of the nozzle (especially when using a flat nozzle) with respect to its axis allows, when manipulating with a hand tool, to provide an optimal angle of the gas-powder jet with the sprayed surface (i.e., to control the quality of the coating) and high productivity of the sprayed area.

Особенности ввода порошка (см. фиг.3) обеспечивают напыление как однородными металлическими порошками (предпочтителен ввод в докритическую область), так и различными смесями порошков, в том числе металл - керамика, металл - полимер и т.д. (при вводе в за критическую область сопла), и тем самым существенно расширяют технологические возможности устройства. The features of the input powder (see figure 3) provide spraying as a homogeneous metal powder (preferable input in the subcritical region), and various mixtures of powders, including metal - ceramic, metal - polymer, etc. (when entering into the critical region of the nozzle), and thereby significantly expand the technological capabilities of the device.

Малые габариты и вес блока напыления 1 обусловлены конструктивным решением нагревателя газа 2, а именно наличием в теплоизоляторе нескольких пневмоканалов 5 (в 50 раз, по меньшей мере, более коротких по сравнению с прототипом), обеспечивающих к тому же в несколько раз меньшие потери давления рабочего газа, а подбор их числа и диаметра (с учетом заполнения части проходного сечения нагревательными элементами 6) позволяет задавать наиболее целесообразные параметры обтекания нагревательных элементов 6, т.е. выбирать число Рейнольдса (Re), ответственное за теплообмен, величиной более 2300 и таким образом, за счет переходного или турбулентного течения, значительно интенсифицировать теплосъем. The small dimensions and weight of the spraying unit 1 are due to the constructive solution of the gas heater 2, namely, the presence of several pneumatic channels 5 in the heat insulator (50 times, at least shorter compared to the prototype), which also provides several times less working pressure loss gas, and the selection of their number and diameter (taking into account the filling of a part of the passage through the heating elements 6) allows you to set the most appropriate flow parameters of the heating elements 6, i.e. choose the Reynolds number (Re), which is responsible for heat transfer, with a value of more than 2300 and thus, due to the transition or turbulent flow, significantly intensify heat removal.

Эффективный теплоотвод от нагревательных элементов 6 к газу позволяет поддерживать более низкую (по сравнению с прототипом) температуру поверхности нагревательных элементов и подводить к ним и соответственно к рабочему газу (при необходимости) более высокую мощность, т.е. работать в условиях повышенного потока тепла, снимаемого с единицы площади. Это позволяет повысить производительность и технологичность в целом. Effective heat removal from the heating elements 6 to the gas allows to maintain a lower (compared with the prototype) surface temperature of the heating elements and to bring to them and accordingly to the working gas (if necessary) a higher power, i.e. work in conditions of increased heat flux removed from a unit area. This allows you to increase productivity and manufacturability in general.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

К блоку управления и контроля напыления 14 подают сжатый газ и электропитание. Электронной системой 15 задают требуемую величину температуры рабочего газа, с помощью запорной арматуры сжатый газ подают соответственно по пневмопроводу 17 и патрубку 7 к нагревателю газа 2, а по пневмопроводу 18 - к дозатору порошка 10 и устанавливают необходимую величину давления газа. При достижении в дозаторе порошка 10 и нагревателе газа 2 требуемого давления, контролируемого манометрами, на последний с электронной системы 15 подают электропитание по электропроводу 16. Рабочий газ, проходя через пневмоканалы 5, нагревается и поступает в сверхзвуковое сопло 11, в котором ускоряется до сверхзвуковой скорости и истекает в атмосферу. При выходе устройства на стационарный режим по температуре и давлению рабочего газа нажатием кнопки 9 дистанционного управления включают электропривод дозатора порошка 10 и газопорошковая смесь по пневмопроводу 12 с помощью насадки 13 вводится в сопло 11 вдоль его оси в докритическую область (положение "а", фиг.3) или за критическую область (положение "б", фиг.3). Напыляемый порошок в сопле 11 ускоряется, нагревается потоком газа из нагревателя газа 2 и переносится на обрабатываемое изделие. To the control unit and control spraying 14 serves compressed gas and power. The required temperature of the working gas is set by the electronic system 15, using shut-off valves, compressed gas is supplied through the pneumatic pipe 17 and pipe 7 to the gas heater 2, respectively, and through the pneumatic pipe 18 to the powder dispenser 10 and the required gas pressure is set. When the powder 10 and the gas heater 2 reach the required pressure controlled by pressure gauges, the latter is supplied with power via the electric wire 16. The working gas, passing through the pneumatic channels 5, heats up and enters a supersonic nozzle 11, in which it accelerates to supersonic speed and expires into the atmosphere. When the device enters the stationary mode by temperature and pressure of the working gas by pressing the button 9 of the remote control, the electric drive of the powder dispenser 10 is turned on and the gas-powder mixture is introduced into the nozzle 11 along the axis 11 into the subcritical region via the nozzle 13 along the axis 13 (position “a”, FIG. 3) or beyond the critical region (position "b", figure 3). The sprayed powder in the nozzle 11 is accelerated, heated by a gas stream from the gas heater 2 and transferred to the workpiece.

При отклонении температуры рабочего газа на 1-2% (в зависимости от чувствительности электросхемы) от заданной величины сигналом с термодатчика 8 электронная система 15 либо отключает электропитание нагревателя газа 2 (при превышении температуры), либо включает его (при снижении температуры газа относительно заданной), обеспечивая автоматическое поддержание ее величины. If the temperature of the working gas deviates by 1-2% (depending on the sensitivity of the electrical circuit) from the set value by a signal from the temperature sensor 8, the electronic system 15 either turns off the power of the gas heater 2 (when the temperature is exceeded), or turns it on (when the gas temperature decreases relative to the set) , providing automatic maintenance of its value.

В целом конструкция данного устройства, выполненная в виде двух блоков, функционально связанных гибкими элементами, обеспечивает возможность проведения работ на значительном удалении одного блока относительно другого и от источников сжатого газа и электропитания, наносить покрытия на труднодоступные элементы конструкций, поверхности полузамкнутых объемов, резервуаров, в том числе при проведении ремонтно-восстановительных и реставрационных работ. In general, the design of this device, made in the form of two blocks, functionally connected by flexible elements, provides the ability to work at a considerable distance of one block relative to the other and from sources of compressed gas and power supply, to apply coatings to hard-to-reach structural elements, surfaces of semi-enclosed volumes, tanks, including during the repair, restoration and restoration work.

Источники информации
1. Патент РФ 1618777, МКИ C 23 С 4/20, 1984.Sources of information
1. RF patent 1618777, MKI C 23 C 4/20, 1984.

2. Патент РФ 1674585, МКИ С 23 С 26/00, 1989 - прототип. 2. RF patent 1674585, MKI C 23 C 26/00, 1989 - prototype.

Claims

1. The device is a gas-dynamic spraying of powder materials, containing a source of compressed gas, a powder dispenser, a gas heater, a supersonic nozzle, a pneumatic line and shut-off valves, characterized in that the device is made in the form of a spraying unit and a control and monitoring unit for spraying connected by flexible pneumatic electrodes; the spraying unit is made in the form of a portable hand tool with remote control and consists of a supersonic nozzle and a gas heater rigidly connected to it, and the supersonic nozzle is mounted with the possibility of changing position relative to its axis and connected to the powder dispenser by means of a flexible pneumatic conduit and nozzle, which is installed along the axis nozzles with the possibility of introducing a gas-powder mixture into its subcritical or supercritical part, and the gas heater is made in the form of a metal casing with elektroteploizolyatorom therein with clearance parallel pnevmokanalami with the total passage cross-section that satisfies the condition Re> 2300 where Re - Reynolds number, and the built-in heating elements; the spraying control and monitoring unit contains an electronic system for setting and automatically maintaining the temperature of the working gas of the heater and is connected by an electric wire to the heating elements and remote control.

2. The device according to claim 1, characterized in that the heating elements are made of a spiral shape from an alloy with high electrical resistance.