Установки для детонационно-газового напыления

В табл. 2 приведены технические характеристики некоторых уста­новок для детонационно-газового напыления. Первоначально была предложена установка с механическим клапанным механизмом по­дачи рабочих газов, позднее - с электромагнитным клапанным меха­низмом и смешанного типа.

 

Таблица № 2. Технические характеристики установок для детонационно-газового напыления
Характеристика	АДК-1	ДНП-5	АДК	АДУ-СЛ
Объем ствола, см3		500-700	400	630
(Lст, м)		(0,45-1,0)		(2.0)
Расход газов (не более), мз/ч:
-ацетилена	1,2-2,25	0,5-4,0	< 2,2	3,0
-кислорода	1,2-2,25	-	< 2,6	5,0
-азота	5,0-8,0	-	< 9,0	8,0
-воздуха	20-25	-	< 25	-
Давление газов, МПа:
-ацетилена	0,15	-	0,1-0,12	-
-кислорода	0,5	-	0,3-0,5	-
-азота	0,3-0,8	-	0,3-0,8	-
-воздуха	0.4	-	0,4-0,5	-
Расход охлаждающей во­ды, м3/ч (давление, МПа)	1,0	-	1,0	.-
	(0,2)		(0,05-0,1)
Скорострельность, выстрел/с	2-4	2-15	4	4
Расход напыляемого по­рошка, г/выстрел	0,1-0,25	2-12	-	4-12
Производительность на­ пыления, кг/ч		0,8-2,5	0,7-3,0	0,7-3,5
КИП	0,4-0,5	0,3-0,8	0,3-0,5	0,1-0,8
Электрическая мощность, кВт	0,35	-	0,3	-
Толщина покрытия за вы- стрел, мкм (площадь, см2)	5-10	-	3-10	-
	(3.2)

 

На рис. 15, а приведена принципиальная схема установки меха­нического типа. Рабочие газы С₂Н₂ (1), О₂ (2) и N₂ (3) через систему подводящих трубопроводов и тарельчатых клапанов 1 подаются в сме­сительную камеру 3. Первоначально срабатывают клапаны, подаю­щие С₂Н₂ и О₂, а при их закрытии открывается клапан подачи азота. Готовая взрывчатая смесь проталкивается в камеру 6, где и взрывает­ся искрой запального устройства 5. Подача продувочного газа необ­ходима для того, чтобы заглушить азотом входные отверстия ацети­ленового и кислородного клапанов. Этим предотвращается возмож­ность обратного удара и увеличивается стойкость клапанов. Кроме того, азот очищает камеру смешения и взрывную камеру 6 от продук­тов сгорания перед новым циклом. Распределительный механизм, выполненный в виде вала с кулачками 2, управляет работой клапа­нов и установки. Этот механизм приводится в движение электропри­водом 4.

На рис. 15, б приведена упрощенная принципиальная схема уста­новки с электромагнитной клапанной системой. Блок управления БУ с электронным счетно-суммирующим программным устройством оп­ределяет последовательность работы схемы. В начальный момент по команде с БУ открываются электромагнитные клапаны 1 - 3, подающие в смесительную камеру 7 компоненты газовой рабочей сме­си. С помощью клапана 3 регулируется количество азота в смеси N₂. Это позволяет в широких пределах регулировать температуру, давление и скорость детонационной волны и продуктов ее распада. Появляется возможность подбирать необходимый режим работы установки. Одновременно с клапанами 1-3 открывается клапан 4, че­рез который поступает транспортирующий газ N₂ (тр) и подается из питателя 8 порция порошка во взрывную камеру 9. После заполнения взрывной камеры рабочей смесью клапаны 1-4 закрываются. Одно­временно открывается клапан 5, через который нейтральный газ N₂ (з) заполняет буферный змеевик 10. После закрытия всех клапанов гене­ратор 11 подает импульс высокого напряжения на искровую свечу 12. Этим обеспечивает подрыв рабочей смеси во взрывной камере. Цикл заканчивается открытием клапана 6 и продувкой системы нейтраль­ным газом N₂ (п). В последующих циклах последовательность рабо­ты клапанов повторяется.

Преимуществом установок с электромагнитной клапанной систе­мой и электронным счетно-суммирующим программным устройством является оперативное изменение режимов (программы) напыления покрытий.

Функционирование детонационно-газовых установок зависит от совершенства конструкций ряда узлов и систем, например распыли­теля, камеры смешения, системы зажигания, устройства для предот­вращения обратного удара, системы управления и регулирования и др.

Детонационно-газовые распылители. Основным элементом дето-национно-газового распылителя является взрывная или детонацион­ная камера. Конструктивно она представляет собой, чаще всего, ствол постоянного или переменного сечения. В распылительной камере проис­ходит детонационный взрыв и, как следствие его, высокотемператур­ный, высокоскоростной поток горючей смеси совместно с напыляе­мым порошком. В простейшем варианте взрывная (распылительная) камера представляет собой длинную трубу с отверстиями для ввода рабочей газовой смеси, порошка и запального устройства. Для рабо­ты в автоматическом режиме требуется водяное охлаждение.

Взрывные распылительные камеры классифицируют: по способу введения порошка - с осевой и радиальной подачей; по способу ини­циирования смеси - с прямым и форкамерным зажиганием; по спо­собу подачи взрывчатой смеси - с прямым смешением и предвари­тельным; по способу создания движущей силы порошка - с инжектор-ной и принудительной подачей; по периодичности ввода газовой сме­си - с периодическим вводом и непрерывным; по конструктивным особенностям - с камерой-стволом постоянного сечения и перемен­ного; с прямолинейным стволом и в виде змеевика.

Имеются и другие признаки классификации. Все это свидетельст­вует о многих возможных конструктивных решениях детонационно-газовых распылителей.

Конструктивная схема распылительной взрывной камеры с инжекторной осевой подачей порошка, форкамерным зажиганием и прямым стволом постоянного сечения показана на рис. 143, а. Взрывная ка­мера 6 через смесительную камеру 5 соединена с форкамерой 3. Взрыв­ная смесь подается через штуцер 10 в замкнутую кольцевую полость с отверстиями 9 и далее в форкамеру. Отверстия выполнены таким образом, чтобы вокруг порошкового сопла 2 создавалось разрежение и осуществлялась инжектирующая подача порошка из питателя через штуцер 1. Взрывная смесь в форкамере поджигается при помощи све­чи 4, на которую подается высоковольтный разряд от специального источника. Горючая смесь с порошком из форкамеры направляется в смесительную камеру 5 и далее в ствол распылителя, охлаждаемо­го водой 7. Инжекторное устройство и форкамера являются наиболее ответственными узлами распылителя. От них в значительной мере зависит смесеобразование порошка с газом, формирование стацио­нарной детонационной волны и двухфазного потока. Наличие форка­меры надежно защищает свечу от возможного попадания от нее по­рошковой взвеси. Обратное движение порошковых частиц обуслов­лено разрежением во взрывной камере после подрыва газовой сме­си. Для охлаждения форкамеры и взрывной камеры применяют водя­ное охлаждение через штуцеры 8.

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.
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.

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).

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.

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.

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.