СПОСОБ ИНЖЕКЦИИ ПОРОШКА ДЛЯ ДЕТОНИРУЮЩЕГО ПИСТОЛЕТА-РАСПЫЛИТЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК B05B7/20 

Изобретение относится к области технологий термического распыления для нанесения покрытий и, в частности, к детонирующему термическому распылению.

Задачей настоящего изобретения является устройство инжекции порошка, которое при внедрении в детонирующую систему обеспечивает возможность повышения ее точности, надежности, универсальности и производительности.

В настоящее время технология детонирующего распыления главным образом используется для нанесения покрытий на заготовки, подвергаемые воздействию сильного износа, тепла или коррозии и фундаментальным образом основана на использовании кинетической энергии, производимой при детонации горючей смеси газов для осаждения порошкообразных материалов покрытия на заготовках.

Обычно используемые материалы покрытия включают порошковые формы металлов, металлокерамики и керамики и наносятся для улучшения сопротивляемости к износу, эрозии и коррозии в качестве теплоизоляторов и электрических изоляторов и проводников.

Распыление посредством детонации выполняется с помощью пистолетов-распылителей, которые в основном состоят из трубчатой детонационной камеры с одним закрытым и другим открытым торцом, чтобы его в дальнейшем можно было прикрепить также к трубчатому стволу. Горючая смесь инжектируется в детонационную камеру, и с помощью искрового зажигания достигается возгорание газовой смеси, что вызывает детонацию, а следовательно, также удар или фронт ударной волны, который распространяется на сверхзвуковых скоростях внутри камеры и затем внутри ствола, пока не выйдет через открытый торец ствола.

Порошок материала покрытия в основном инжектируется в ствол впереди фронта распространения ударной волны, а затем выводится в открытый торец ствола и осаждается на подложку или заготовку, расположенную напротив ствола. Попадание порошка покрытия на подложку производит покрытие с высокой плотностью и с хорошими адгезионными характеристиками.

Процесс повторяется циклически до тех пор, пока деталь не будет адекватно покрыта.

Коммерчески доступные механизмы подачи порошка обеспечивают непрерывную подачу, что делает их адекватными для высокоскоростных технологий или технологий плазменного распыления и вместе с тем является дискретным процессом, который, следовательно, требует дискретной подачи порошка.

С другой стороны, механизмы подачи, используемые в детонационных устройствах, обеспечивают дискретную подачу посредством использования устройств, которые управляют количеством порошка, подаваемого в детонационный ствол в каждом взрыве, однако, они всегда являются устройствами, специально рассчитанными для каждого типа пистолета, то есть они не могут быть взаимозаменяемыми для использования с другими пистолетами или другими механизмами, которые требуют подачи порошка. Относительно используемой системы измерения количества порошка они могут быть классифицированы на две категории.

а) Механические. Эти устройства используют движущиеся механизмы (клапаны, шпиндели, редукторы и т.п.) для введения постоянных количеств порошка в каждом детонационном цикле. Устройства этого типа описаны, например, в патенте США 3109680 и в европейском патенте 0484533.

Главным преимуществом этих устройств является то, что они обеспечивают точные измерения, но, однако, они очень сложны (имеют очень много компонентов), их надежность низка, поскольку они требуют периодического обслуживания для сохранения точности измерения, и их производительность низка, поскольку они ограничены низкими частотами функционирования.

б) Пневматические. Эти устройства используют импульсы газа, синхронизированные с импульсами детонации для введения порошка в детонационный ствол циклическим образом, причем иногда эти импульсы получаются из самого процесса детонации. Изящество и механическая простота этих устройств являются вкладом в их широкое применение, несмотря на их сомнительную точность. Также имеются многочисленные патентные публикации, такие как патент США РСТ 9620129.

Эти устройства имеют ту общую характеристику, что включают некий объем или резервуар, в которых хранится ограниченное количество порошка, который посредством силы тяжести снабжает другой объем или дозировочную камеру, которая снабжает детонационный ствол посредством импульса газа. Недостатком этих систем является их ограниченная точность в количестве дозируемого порошка, в основном, вследствие трудности поддержания стабильного объема и/или давления в резервуаре в течение длительных периодов. Это обусловлено тем фактом, что часть детонационной волны попадает в резервуар подачи порошка, сжимая его таким образом, что порошок падает под действием силы тяжести и давления, существующего в резервуаре в каждый момент времени.

Более того, поскольку количество порошка, поступающего в дозировочную камеру, не может точно управляться, степень псевдоожижения, производимого посредством импульса газа, также не может управляться, и, следовательно, трудно узнать точно количество порошка, инжектированного в ствол пистолета.

Более того, поскольку в этих устройствах подача порошка из резервуара в дозировочную камеру осуществляется посредством силы тяжести, когда детонирующий пистолет, управляемый промышленным роботом, принимает положения, в которых резервуар порошка не является вертикальным, порошок не будет падать в дозировочную камеру непрерывно, и, таким образом, трудно гарантировать непрерывную подачу.

В уровне техники известен документ GB A 2192815, в котором описано устройство детонирующего покрытия, содержащее ствол, открытый на одном торце, систему подачи газа, сборку инициирования взрыва и измерительный модуль бака порошка, состоящий из вертикально ориентированного бункера, изменяющегося в своей нижней части в вертикальную трубку, под которой внутри ствола расположен горизонтальный клапан. Ствол ориентирован вертикально и имеет ось, параллельную оси бункера, в то время как трубка присоединена к стволу через закрытый торец последнего.

Это устройство детонирующего покрытия не пригодно для обеспечения качественных покрытий материалами любого вида, но подходит только для конкретных покрытий.

В английском патенте GB 2192815 резервуар, содержащий порошок, который должен выпускаться, размещается вертикально с порошком, падающим на распределительный лоток под действием силы тяжести, и подразумевается, что пистолет может функционировать только в тех положениях, где резервуар, распределительный канал и лоток компонуются вертикально, так что в противном случае порошок не подавался бы. Таким образом, этот пистолет не может быть использован смонтированным на манипуляторе робота, поскольку движение последнего было бы ограничено положением резервуара порошка.

Порошок подается из закрытого резервуара таким образом, что по мере того, как резервуар опустошается, условия внутри него, в частности температура и давление, изменяются, и невозможно гарантировать управление количеством вводимого порошка.

Дозировка порошка, который должен использоваться в каждом взрывном цикле, определяется размером и расположением распределительного лотка и прерывается, когда порошок достигает такой высоты в лотке, что заслоняет выпускное отверстие распределительного канала таким образом, что газ переносит количество порошка, находящегося в лотке. Следовательно, невозможно точное управление дозированным количеством, поскольку лоток может наполняться меньше или больше в зависимости от условий камеры и от порошка.

Механизм подачи порошка находится в фиксированном положении на задней стенке камеры сгорания так, что он подходит для выполнения только некоторых типов покрытий. Вот почему, в зависимости от используемого типа порошка покрытия, требуется конкретная длина ствола, и так как механизм подачи порошка покрытия находится на задней стенке, длина пистолета будет всегда одинаковой. Поэтому для покрытий, которые требуют различных длин ствола, понадобились бы различные пистолеты, подходящие для этих покрытий. Следовательно, пистолет патента GB 2192815 является совершенно негибким в отношении покрытий, которые должны быть получены.

Настоящее изобретение полностью устраняет упомянутые недостатки посредством использования инжекционной системы, которая позволяет применять механизм непрерывной подачи порошка известного типа для снабжения системы детонирующего распыления, причем инжекция порошка выполняется циклическим образом синхронно с частотой распыления пистолета и с большой точностью дозировки порошка.

Предложенная система позволяет непосредственно соединять пистолет и механизм непрерывной подачи порошка и состоит из дозировочной камеры, которая принимает непрерывную загрузку порошка, и трубопровода, который напрямую связывает камеру со стволом пистолета таким образом, чтобы в каждом детонационном цикле детонационная волна давления достигала дозировочной камеры, мгновенно прерывая подачу таким образом, чтобы последующее засасывание детонационной волны переносило порошок, содержащийся в дозировочной камере, инжектируя его в ствол пистолета.

В связи с этой задачей дозировочная камера связывается со стволом пистолета прямым трубчатым трубопроводом малого диаметра таким образом, чтобы волна давления, которая проходит по стволу, проходила в соединительный трубопровод и сразу после достижения дозировочной камеры испытывала стремительное расширение, тем самым наполняя камеру находящимся под давлением газом, блокируя вход трубопровода, подающего порошок.

Таким способом подача порошка из механизма непрерывной подачи прерывается циклическим образом, и, следовательно, существует возможность определять точное количество порошка, присутствующего в дозировочной камере во время детонации.

Детонационная волна создается при помощи системы, подающей топливо и кислород в ствол пистолета, и источника зажигания, который сообщается со стволом пистолета, причем система, подающая топливо и кислород, и источник зажигания располагаются на его серединной части, выше соединительного трубопровода.

Стремительное расширение газа в дозировочной камере создает турбулентность, которая производит псевдоожижение всего порошка, содержащегося в дозировочной камере, так что процесс засасывания, который следует за детонацией, переносит весь порошок, содержащийся в дозировочной камере, таким образом существует возможность управлять точным количеством порошка, инжектируемого в ствол. Кроме того, по мере того, как волна давления создается из горячих газов, производимых в процессе сгорания, взаимодействие этих газов с порошком, содержащимся в дозировочной камере, производит предварительный нагрев порошка, что способствует его псевдоожижению. Таким образом, когда волна давления, генерируемая при детонации, проходит соединительный трубопровод дозировочной камеры, низкое давление, генерируемое после детонационной волны, создает засасывание, которое переносит газ, содержащийся в дозировочной камере, и псевдоожиженный порошок. Переносимый порошок достигает ствола, где он остается до тех пор, пока его не перенесет волна давления, генерированная в следующем детонационном цикле, осаждая его на поверхность покрываемой детали.

В случае этой инжекционной системы волна давления от детонации осуществляется для выполнения инжекции порошка в ствол циклическим образом и синхронно с частотой стрельбы пистолета, таким образом преобразуя непрерывную подачу порошка в импульсную инжекцию в ствол пистолета без использования сложных механических устройств.

Более того, расширение, создаваемое дозировочной камерой, снижает скорость волны давления, препятствуя ей в эродировании дозировочной камеры и в продвижении в механизм подачи порошка, устраняя риск производимых ею необратимых повреждений системы подачи.

Дозировочная камера имеет удлиняющую надставку или вспомогательную камеру, расположенную напротив соединительного трубопровода к детонационному стволу, что подразумевает увеличение длины дозировочной камеры для снижения силы удара и, следовательно, эффектов эрозии, производимых столкновением газов и порошка на этом участке дозировочной камеры.

Устройство изобретения имеет следующие достоинства:
- оно способствует циклическому прерыванию подачи посредством детонационной волны давления,
- оно способствует предварительному нагреву и псевдоожижению порошка посредством его взаимодействия с горячими газами сгорания,
- оно обеспечивает возможность подачи точного количества порошка при каждом взрыве посредством эффекта засасывания, который следует за волной давления при каждой детонации.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 - изображен эскиз устройства инжекции порошка согласно изобретению,
фиг.2 - последовательность операций устройства инжекции порошка согласно изобретению,
фиг.3 - график, показывающий процесс изменения давления в точке инжекции порошка на протяжении двух циклов стрельбы детонирующего пистолета,
фиг. 4 - эскиз варианта воплощения со сдвоенным устройством инжекции порошка.

Как показано на фиг.1, система изобретения представляет собой устройство соединения между системой непрерывной подачи и детонирующим пистолетом и в основном состоит из расширительной и дозировочной камеры (2), которая посредством прямого трубопровода (5) снабжается порошком, подаваемым системой (7) непрерывной подачи (не показана), системы, подающей топливо и кислород (не показана), источника зажигания (не показан), и причем дозировочная камера (2) соединяется со стволом (1) прямым трубопроводом (4).

Дозировочная камера (2) в основном представляет собой расширительную камеру, которая связана со стволом (1) пистолета по прямому трубчатому трубопроводу (4) уменьшенного диаметра таким образом, чтобы волна давления, проходящая по стволу (1), проходила в соединительный трубопровод (4) и достигала дозировочной камеры (2). Детонационные газы, которые достигают дозировочной камеры (2), претерпевают стремительное расширение, которое наполняет камеру газом, блокируя вход трубопровода (5) подачи порошка. Таким образом, существует возможность циклическим образом прерывать подачу порошка из механизма (7) непрерывной подачи порошка, и поэтому существует возможность управлять количеством порошка, дозируемого в камере, и, следовательно, количеством порошка, инжектируемого в ствол в каждом детонационном цикле.

Стремительное расширение газа в дозировочной камере (2) создает турбулентность, которая производит псевдоожижение всего порошка, содержащегося в дозировочной камере (2), таким образом, что процесс засасывания, который следует за детонацией, переносит весь порошок, содержащийся в камере, инжектируя его в ствол (1). Псевдоожижению порошка, содержащегося в дозировочной камере (2), способствует тот факт, что газы детонационной волны имеют высокую температуру.

Таким образом, когда волна давления, генерируемая при детонации, проходит соединительный трубопровод (4), низкое давление, генерируемое после детонационной волны, создает засасывание, которое переносит газ, содержащийся в камере (2), и порошок, заключенный в ней, который является полностью псевдоожиженным. Порошок переносится в ствол (1), где он остается до тех пор, пока его не перенесет волна давления, произведенная в новом детонационном цикле, осаждая его на подложку (3) или на покрываемую деталь.

Более того, расширение газов детонационной волны внутри камеры (2) снижает их скорость, минимизируя эффект эрозии на стенках камеры (2) и препятствуя прохождению волны давления в систему (7) подачи порошка через трубопровод (5).

Хотя расширительная камера (2) снижает скорость волны давления, неизбежно имеется взаимодействие между газами и внутренними стенками камеры на участке, противолежащем соединительному трубопроводу (4), такое, что удар находящегося под давлением газа и псевдоожиженного порошка об этот участок неминуемо приводил бы к сильной эрозии. По этой причине дозировочная камера (2) обеспечивается удлиняющей надставкой или вспомогательной камерой (6), имеющей точку впускного отверстия, противостоящую соединительному трубопроводу (4), такое, чтобы ударная волна давления расширялась внутрь дозировочной камеры (2) и внутрь удлиняющей надставки (6), избегая резкого столкновения ударной волны со стенками камеры (2).

Расширительная камера (2) может иметь любую форму или размер при том условии, чтобы газы, которые входят в нее через трубопровод (4), претерпевали стремительное расширение, когда они входят в камеру. Соединительный трубопровод (4) может также иметь любую длину или диаметр при том условии, чтобы он был достаточно большим для того, чтобы порошок не прилипал к его стенкам, блокируя его, и чтобы давление детонационной волны, которая распространяется по нему, не было слишком большим, то есть при том условии, чтобы давление обеспечивало возможность псевдоожижения порошка, содержащегося в камере, но не подвергало опасности систему непрерывной подачи порошка, и не было выхлопов энергии, нужной для детонации.

Фиг. 3 изображает график зависимости изменения давления от времени в точке инжекции порошка, на котором хорошо виден пик или стремительный рост давления (Д), соответствующий детонации, за которым следует падение давления (3), соответствующее засасыванию, следующему за детонацией, и затем остальная часть более или менее постоянная до тех пор, пока во время следующего цикла не появится новый пик давления (Д) с последующим засасыванием (3).

При такой конфигурации, как на фиг.2 и 3, последовательность действия, соответствующая циклу действия пистолета с инжектором настоящего изобретения, будет следующей.

- Известная система (7) непрерывной подачи порошка обеспечивает поступление порошка в дозировочную камеру (2) через трубопровод (5). Подача происходит непрерывно и напрямую без каких-либо клапанов или закрывающих механизмов между системой (7) подачи порошка и дозировочной камерой (2).

- Когда фронт волны (Д) давления достигает соединительного отверстия между трубопроводом (4) и стволом (1), часть детонационных газов входит через трубопровод (4), пока не достигнет дозировочной камеры (2). Сразу после достижения дозировочной камеры эти газы испытывают стремительное расширение, что наполняет дозировочную камеру (2) находящимся под давлением газом, блокируя вход порошка из трубопровода (5), преобразуя непрерывную подачу порошка в дискретное наполнение дозировочной камеры.

- Более того, стремительное расширение газов создает турбулентность, которая вызывает псевдоожижение всего порошка, содержащегося в дозировочной камере (2), причем псевдоожижению порошка способствует высокая температура газов детонации.

- Сразу после того, как фронт (Д) детонационной волны полностью прошел соединительное отверстие к трубопроводу (5), низкое давление (3) вызывает засасывание, которое переносит газы, содержащиеся как в дозировочной камере (2), так и в трубопроводе (4), и, следовательно, порошок, содержащийся в дозировочной камере (2). Таким образом, порошок достигает ствола, ожидая следующего фронта (Д) давления, соответствующего следующей детонации, которая вынесет его с собой. Когда весь порошок, содержащийся в дозировочной камере (2), оказывается псевдоожиженным, засасывание, создаваемое волной давления, переносит весь порошок, находящийся в дозировочной камере (2), получая таким образом периодическую и управляемую инжекцию порошка в ствол.

Наконец, фиг. 4 изображает сдвоенное устройство, состоящее из двух инжекционных систем, чтобы обеспечить возможность подачи различных типов порошка в разных точках, аксиально разнесенных из ствола, для получения многослойных покрытий или даже покрытий с постепенно изменяющимся составом.

Система инжекции порошка состоит из дозировочной камеры 2, напрямую снабжаемой известным механизмом 7 подачи порошка и связанной со стволом 1 детонирующего пистолета через прямой трубопровод 4. Таким способом волна давления, проходящая по стволу, входит в соединительный трубопровод 4 и сразу при достижении дозировочной камеры 2 претерпевает стремительное расширение, прерывая подачу порошка из механизма 7 непрерывной подачи и вызывая полное псевдоожижение порошка, содержащегося в дозировочной камере 2. Псевдоожиженный порошок засасывается в ствол 1, где он остается до тех пор, пока его не вынесет волна давления, произведенная в новом детонационном цикле, осаждая его на поверхность покрываемой детали. Техническим результатом изобретения является возможность циклического прерывания подачи посредством детонационной волны давления и возможность подачи точного количества порошка при каждом взрыве посредством эффекта засасывания, который следует за волной давления при каждой детонации. Система инжекции также способствует предварительному нагреву и псевдоожижению порошка посредством его взаимодействия с горячими газами сгорания. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Система инжекции порошка для детонирующего пистолета-распылителя такого типа, который содержит подачу топлива и кислорода, источник зажигания, средство для подачи порошка и ствол, отличающаяся тем, что она состоит из расширительной и дозировочной камеры, напрямую снабжаемой устройством непрерывной подачи порошка, которое использует газ-носитель для подачи порошка без прерывания, причем дозировочная камера связана через соединительный трубопровод прямо со стволом и радиально его оси таким образом, чтобы высокие давления, вызванные детонационными импульсами, проходящими вниз ствола к его открытому концу, затем достигающие дозировочной камеры через соединительный трубопровод, временно прерывают непрерывную подачу порошка до последующего обусловленного разреженностью засасывания порошка, содержащегося в камере, в ствол, преобразуя непрерывную подачу порошка, обеспечиваемую устройством, в циклическую или импульсную подачу, синхронизированную с частотой процесса детонации. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что прямое сообщение между расширительной и дозировочной камерой и стволом достигается посредством трубопровода уменьшенного диаметра таким образом, что газы, которые проходят по соединительному трубопроводу, стремительно расширяются сразу при достижении дозировочной камеры, наполняя камеру находящимся под давлением газом, прерывая подачу порошка из механизма непрерывной подачи и создавая турбулентность, которая вызывает псевдоожижение всего порошка, содержащегося в упомянутой камере. 3. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что дозировочная камера включает удлиняющую надставку или вспомогательную камеру, имеющую точку впускного отверстия, прямо противостоящую соединительному трубопроводу, с возможностью увеличения длины дозировочной камеры и избежания столкновения газа и порошка с этим участком дозировочной камеры. 4. Система по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что соединительный трубопровод имеет достаточно большой диаметр для того, чтобы препятствовать прилипанию порошка к внутренним стенкам трубопровода и блокированию трубопровода, и для того, чтобы волна давления, проходящая по упомянутому трубопроводу, достигала дозировочной камеры с давлением, достаточным для псевдоожижения всего порошка в ней, но без заграждения системы непрерывной подачи порошка и энергии, нужной для детонации.