Результат интеллектуальной деятельности: Способ газопламенного напыления порошковых материалов с получением покрытия на никелевой основе посредством термораспылителя

Изобретение относится к области газотермических технологий и может быть использовано при нанесении порошковых покрытий методом низкоскоростного газопламенного напыления. 

Известные способы получения низкоскоростного газопламенного напыления состоят в том, что определенная смесь кислорода (или воздуха) с горючим газом поступает в горелку, где поджигается и образует факел. В этот высокотемпературный поток газа подается порошковый материал, который нагревается до пластичного состояния и уносится на основу, где образует покрытие (см. книгу В.А.Линик, П.Ю.Пекшев. «Современная техника газотермического нанесения покрытий». - М., Машиностроение, 1985, с.7). 

Известно предложение, позволяющее увеличить протяженность «активной» зоны пламени путем формирования вторичного соосного факела, горящего с отрывом на некотором расстоянии от сопла термораспылителя за счет высокой скорости подачи рабочей смеси (SU №1787171 A3, C23C4/12, опубл. 07.01.1993 г.). 

Наиболее близким к заявляемому техническому решению, является способ газопламенного напыления металлических порошков (патент RU № 2169792 C2, МПК С23С 4/12, опубл.27.06.2001 г.), включающий введение в пламя, образованное при сгорании ацетилена и кислорода, струи, состоящей из транспортирующего газа-аммиака и напыляемого порошка. В результате диссоциации аммиака (NH₃→N+3H) в ядре основного пламени и внешнего бескамерного горения смеси атомарного водорода с воздухом происходит удлинение факела, выравнивание профилей температур, интенсификация процесса передачи тепла от струи к порошку. 

Однако при значительном удлинении факела необходимо проведение дополнительных мероприятий по повышению скорости истечения струи стабилизирующей физико-механические свойства покрытия. 

По своим свойствам аммиак очень ядовит, вдвое легче воздуха, смесь с которым взрывоопасна. Работа с газом относится к работам с повышенной опасностью и регламентируется ПОТ Р О-14000-005-98 («Положение. Работы с повышенной опасностью. Организация проведения».) 

В силу вышеназванных причин при работе с газообразным аммиаком у предприятий и персонала возникает гораздо больше организационных и технических проблем связанных не только с закупкой, использованием и хранением газа, но и с разрешительной системой. Этим очевидно и обусловлено отсутствие коммерческой востребованности способа. 

Задача предлагаемого изобретения - повышение физико-механических свойств покрытия поверхностей деталей машин и инструмента и снижение опасности в работе. 

Сущность изобретения заключается в том, что способ газопламенного напыления порошковых материалов с получением покрытия на никелевой основе посредством термораспылителя, включающий активирование пламени образованного при сгорании ацетилена и кислорода путем подачи исходной активирующей добавки в виде вводного раствора аммиака до термического контакта с ядром основного пламени через термический диссоциатор, установленный соосно внутри центрального канала, при этом глубина его проникновения в высокотемпературное ядро основного пламени регулируется.

Технический результат направлен на повышение физико-механических свойств порошковых покрытий поверхностей деталей машин и инструментов.  

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе газопламенного напыления порошковых материалов с получением покрытия на никелевой основе посредством термораспылителя с помощью активированного газового пламени предусматривается возможность регулирования протяженности активной зоны пламени и скорости движения расплавленных напыляемых частиц введением под давлением исходной активирующей добавки в виде водного раствора аммиака в удлиненной до термического контакта с ядром основного пламени центральный канал термораспылителя за счет термического диссоциатора. На выходном участке диссоциатора длиной 10-15 мм в условиях ограниченного объема и температуре ~ 1000°С идет интенсивная многократная диссоциация двигающегося водного раствора с образованием на выходе термоактивирующей струи дополнительных объемов горючего газа в виде атомарного водорода и высокоскоростной струи перегретого водяного пара. 

Растворимость аммиака в воде равна 700:1 при 20°С по формуле NH3+H2O=NH4OH. В промышленных масштабах аммиачная вода поставляется в виде 25% раствора следующих марок: 

Согласно ГОСТУ 12.1.007 аммиачная вода относится к 4 классу опасности. Это значит, что она является умеренно-опасным для человека, но работа с ним все же несет в себе некоторые риски для здоровья людей. Поэтому при хранении, транспортировке и использовании аммиачной воды необходимо соблюдать Правила безопасности ПБ03-182-98. 

Гидроксид аммония (аммиачная вода) неустойчив и при температуре 100°С полностью диссоциирует по формуле: 

NH4OH→100℃NH3↑+H2O↑ 

Во время движения и нагрева водного раствора аммиака по удлиненному центральному каналу термораспылителя, например УПН-8-68, на выходе нагретого до ~ 1000°С пламенем участка канала происходит полная диссоциация аммиака NH3→ N+3Н и перегрев паров воды. В результате внешнего бескамерного горения смеси атамарного водорода с воздухом и выброса струи перегретого пара происходит удлинение факела, выравнивание профилей температур, интенсификация процесса передачи тепла от струи к порошку, а также повышение скорости (кинетической энергии) объемами перегретого водяного пара. 

Способ поясняется чертежом, в котором представлена схема структуры газового факела, где L – длина неограниченной стехиометрическими соотношениями, увеличенной до требуемой для гарантированного расплавления порошкового материала, «активной» зоны. 

Термораспылитель состоит из центрального канала 1, внутри которого соосно с центральным каналом 1 установлен трубчатый термический диссоциатор 2, для регулирования глубины проникновения на 15 – 20 мм в высокотемпературное, около 3200⁰ С ядро основного пламени.

Способ достигается подачей через удлиненный до термического контакта с ядром пламени центральный канал термораспылителя в «активную» зону струи дополнительного количества атомарного водорода при неизменном расходе исходных компонентов основной горючей смеси. где на выходном участке диссоциатора, установленного соосно в центральном канале длиной 10-15 мм в условиях ограниченного объема и температуре ~1000°С идёт интенсивная многократная диссоциация движущегося раствора с образованием на выходе термоактивирующей струи атомарного водорода и повышающих скорость пламени перегретых паров и введение напыляемого порошкового материала в струе воздуха под срез сопла термораспылителя.

Здесь за счёт регулируемого углубления вылета термического диссоциатора в высокотемпературную (~3300°С) зону пламени обеспечивается максимальный рост температуры соизмеримой с температурой плавления материала металлического канала. Таким образом, в условиях ограниченного объема идет интенсивная, многократная диссоциация водного раствора с образованием на выходе термоактивирующей струи. Водород, имея меньшую скорость горения и не требующий для этого избытка воздуха (кислорода), в широких пределах увеличивает длину пламени. 

При осуществлении способа можно использовать любое серийное оборудование, работающее с применением любых известных горючих газов. Концентрированные водные растворы аммиака, с неистёкшим сроком годности, пригодны для получения покрытий без какой-либо подготовки. 

При использовании комплекта установки УПН-8-68 напыляемый порошковый материала подавался в активированное пламя под срез сопла. Подача водного раствора аммиака дозировалось визуально, по необходимой для проплавления конкретного размера частиц порошкового материала длине факела специальным вентилем. 

Качественные характеристики напыленного слоя контролировались образцами – «свидетелями». Прочность сцепления газопламенных покрытий из сплавов на никелевой основе, установленная по клеевой методике превышает 23 МПа.