ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Процесс детонационного напыления защитных покрытий был впервые разработан в 1955 году Х. Б. Сарджентом, Р. М. Пурманом и Х. Миногой.

Этот процесс позволяет наносить очень твердые и плотные поверхностные покрытия, которые полезны в качестве износостойких покрытий. По этой причине детонационное распыление обычно используется для защитных покрытий в авиационных двигателях, штекерных и кольцевых датчиках, режущих кромках (ножах), трубчатых сверлах, лопастях ротора и статора, направляющих рельсах или любом другом металлическом материале, подверженном высокому износу. 

Обычно материалами, которые распыляются на детали при детонационном напылении, являются порошки металлов, металлических сплавов и металлокерамики, а также их оксиды (алюминий, медь, железо и др.).

Детонационное распыление покрытий наносится с помощью детонационного пистолета, который состоит из длинного металлического ствола с водяным охлаждением, содержащего впускные клапаны для введения газов и порошков в камеру. Предварительно выбранное количество защитного материала покрытия в виде порошка с размером частиц 5–60 мкм вводят в камеру. В камере кислород и топливо поджигается свечой зажигания для создания сверхзвуковой ударной волны, которая выталкивает смесь расплавленного и/или частично расплавленного и/или твердого сырья (в зависимости от типа используемого материала из ствола на распыляемый объект. Затем ствол очищается с помощью короткой очереди азота, прежде чем D-пушка готова к повторному выстрелу. 

Частота следования волн детонационного горения в данной технологии ограничена 20 Гц.

ДОСТОИНСТВА СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

— возможность получения покрытий из большинства порошков, плавящихся при температуре до 2800 °С без разложения.

— возможность нанесения покрытий на различные материалы (металлы, керамику, стекло, пластмассу и др.);

— отсутствие деформации напыляемой поверхности;

— возможность получения покрытий с пористостью 0,5— 1,5% и высокой прочностью сцепления покрытий;

— возможность управлять химическим составом продуктов детонации за счет регулирования газового режима;

НЕДОСТАТКИ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Детонационное напыление из-за своего импульсного режима работы является не слишком производительным методом (по сравнению, например, с высокоскоростным газопламенным напылением).

Детонационное напыление экономично для напыления поверхностей площадью не более нескольких квадратных сантиметров.

ЗАДАЧА

Исходя из недостатков детонационного напыления, необходимо предложить технологию промышленного нанесения защитных покрытий на большие площади, например для производства стального листа с цинковым, алюминиевым и т.п. защитным покрытием, которое в разы  прочнее классике горячего оцинкования или алюминирования.

ПРЕДЛАГАЕМОЕ РЕШЕНИЕ

Классические трубчатые источники волн детонационного горения

для  заявленных целей нанесения покрытий на большие площади в условиях промышленного производства не эффективны.  Связано это в первую очередь с частотами следования волн детонационного горения, которые ограничены конструктивными особенностями самих источников волн детонационного горения. В пределе частота следования волн не превышает 20 гц.

Исходя из выше изложенного, предлагается использовать для заявленных технологических целей источники волн детонационного горения, работающие в квазиимпульсном (почти непрерывном) режиме работы с энергетическими характеристиками одной волны детонационного горения со скоростями уровня 2000 м/с и температурой во фронте уровня  3000°С.  С частотой следования волн детонационного горения более 1 кГц.

Такие высокочастотные (квазирезонансные) источники энергии, конструктивные особенности, принципы работы и т.п. наиболее подробно изложены в книге: Детонационные технологии как новый технологический тренд в промышленности [2].

К таким высокочастотным источникам волн детонационного горения относятся полусферические детонационно-резонансные горелки  и  спиновые источники волн детонационного горения с механическими и электромагнитными системами клапанов управления детонационного горения.

Заявленные источники волн детонационного горения работают  на частотах 1-10 кГц, что вполне достаточно для заявленных промышленных целей нанесения защитных покрытий на большие площади.

Для примера, схематически, предлагаемое решение на основе полусферической детонационно-резонансной горелки  представлено на рис. № 8.19.1.

Полусферическая детонационно-резонансная горелка размещается сверху стального, движущегося листа. Сверху полусферы  горелки размещён бункер с клапаном дозатором. В бункере находится жидкий металл.

Рис. № 8.19.1. Квазиимпульсная технология напыления защитных металлических покрытий.

Подготовленное топливо  поступает для смешивания с вторичным воздухом непосредственно  перед кольцевым выходным соплом в короткую кольцевую зону смешивания. Смешивание происходит путём инжекции подготовленного топлива вторичным воздухом с большой скоростью.

После инжекции, подготовленная к детонационному горению топливовоздушная смесь поступает  в кольцевое сопло. На выходе в фокусе полусферы формируется высокоскоростной поток за счёт кольцевого сопла, которое изготовлено по профилю поперечного сечения сопла Лаваля. Такой профиль позволяет сформировать радиальный центростремительный  поток топливовоздушной смеси со сверхзвуковой скоростью. Большая скорости потока топливовоздушной смеси не допускает его самовоспламенения.

Одновременно в эту центральную область поступает порционно жидкий металл из бункера.

Заключительный этап – инициация детонационной волны электроискровым поджогом с частотой, равной частоте следования волн детонационного горения.

После инициации формируется фронт бегущей волны детонационного горения с сверхвысокой температурой, давлением и сверхзвуковой скоростью.  Волна детонационного горения придаёт порции жидкого металла высокую энергетику для заявленных целей формирования защитного покрытия на стальном листе. Затем цикл повторяется с частотой 1 кГц.

Можно сказать, что такая полусферическая детонационно-резонансная горелка работает в квазиимпульсном (почти непрерывном) режиме формирования волн детонационного напыления

Пример детонационно-резонансной горелки представлен на рис. 8.19.2

Рис. № 8.19.2. Детонационно-резонансная горелка с полусферическим резонатором

ВЫВОД

— Переход от классических трубчатых низкочастотных (20 Гц.) источников волн детонационного горения  на высокочастотные с частотами 1-10 кГц позволит расширить сферу применения  детонационного способа напыления защитных покрытий. Это относится в первую очередь к высокочастотным источникам волн детонационного горения полусферического детонационно-резонансного типа и спинового типа с механическими и электромагнитными системами клапанов управления детонационного горения.

— Заявленный способ обеспечит массовое,  площадное нанесение защитных покрытий, и что самое главное, с более высокими характеристиками, которые не доступны, например, горячему способу оцинкования или алюминирования стального листа.    Это обеспечивается, в отличии от классических технологий горячего нанесения покрытий, за счёт следующего:

При детонационном воздействии (высоко скоростное, высоко кинетическое, высоко температурное  воздействие)  расплавленные частицы покрытия ударяются о более холодную поверхность с последующим растеканием и одновременным затвердеванием. По мере растекания уже затвердевшая часть покрытия бомбардируется  новой порцией высоко кинетического жидкого покрытия, обеспечивая  большую адгезию с подложкой (стальным листом).

— Процесс детонационного горения в заявленных высокочастотных (квазиимпульсных) источниках и параметры и сочетания различных продуктов детонационного напыления легко регулируются. Таким образом можно получать материалы с новыми характеристиками.