Исследование, разработка технологии и оборудования для получения покрытий методом холодного газодинамического напыления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Солдатенков, Сергей Иванович

• Солдатенков, Сергей Иванович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Солдатенков, Сергей Иванович

Перечень сокращений и условных обозначений

Введение

Глава 1. Теоретическое исследование процессов взаимодействия напыляемого материала с подложкой.

1.1. Анализ механизмов формирования покрытия.

1.2. Метод определения относительной прочности соединения покрытия й подложки на основе теории контактного взаимодействия тел.

1.3. Анализ влияния параметров напыления и свойств материала частицы и подложки на относительную прочность

Глава 2. Расчет газодинамических параметров сверхзвукового течения газопорошковой смеси.

2.1. Методы расчета двухфазных течений.

2.2. Результаты расчета параметров сверхзвукового сопла для ускорения газопорошковой смеси.

Глава 3. Экспериментальное оборудование и методики измерений.

3.1. Экспериментальная установка и методики измерений.

3.2. Промышленная установка ХГН

Глава 4. Свойства покрытий, полученных газодинамическим напылением.

4.1. Металлографические исследования.

4.2. Исследование микротвердости покрытий.

4.3. Исследование адгезионной прочности соединения покрытия с подложкой

Глава 5. Примеры применения ХГН в промышленности.

5.1. Исправление литейного брака в деталях из алюминиевых сплавов двигателей автомобилей.

5.2. Восстановление прессформ для изготовления сотовых панелей из композиционных материалов.

5.3. Восстановление изношенных участков контактного провода железной дороги без его демонтажа

5.4. Перспективные направления исследований и применения способа холодного газодинамического напыления. 114 Основные результаты и выводы. 116 Список использованных источников. 120 Приложения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование, разработка технологии и оборудования для получения покрытий методом холодного газодинамического напыления»

Создание новых видов техники и ресурсосберегающих технологий неразрывно связано с обеспечением эффективной защиты поверхности деталей машин и конструкций от коррозии и изнашивания. Кроме того, в ряде случаев экономически целесообразно восстановление изношенных деталей машин.

В связи с этим последнее время получил распространение следующий подход к выбору материалов: механическая и конструкционная прочность достигается за счет применения одного металла, а специальные свойства поверхности - сплошным или частично сформированным слоем покрытия с требуемыми характеристиками по коррозии, антифрикционным и другими свойствам.

Существуют различные способы получения покрытий, из которых важное место занимает газо-термическое напыление. Эта технология к настоящему времени развилась в самостоятельную отрасль производства, отличающуюся большими своеобразием методов и широкой областью применения.

Суть процесса напыления заключается в том, что частицы материала, из которого состоит покрытие, нагреваются до определенной температуры и разгоняются потоком газа по направлению к детали. При ударе о поверхность частицы вступают во взаимодействие с материалом детали, образуя прочную связь.

Так как механизмы процесса взаимодействия могут быть различными, то исследование структуры напыленного слоя и границы покрытие-подложка может дать много информации о свойствах покрытия. Это позволяет обеспечить улучшение качества покрытия за счет оптимизации режимов напыления и последующей обработки.

Среди газо-термических способов нанесения покрытий из порошковых материалов наибольшее распространение имеют газопламенное, плазменное и детонационное [1,2,3,4]. Первые два относятся к непрерывным методам нанесения, а последний - к импульсным.

Применение газо-термических покрытий эффективно при любых масштабах производства от индивидуального и мелкосерийного до крупномасштабного автоматизированного. Высокая эффективность и универсальность этих методов объясняется следующими их основными особенностями.

1. Возможность нанесения покрытий из различных материалов, чистых металлов и их сплавов, неметаллических соединений (оксидов, боридов и т.д.), а также механических смесей, состоящих из вышеперечисленных компонентов. Напыляя последовательно несколько слоев из различных материалов, можно получить композиционные покрытия со специальными свойствами.

2. Возможность получения покрытий на деталях различной формы и из различных материалов ( металл, пластик, керамика и т.д.), причем напыление может производится и на большие площади, и на отдельные участки крупногабаритных изделий. Для сравнения, нанесение покрытий такими способами, как погружение в расплав, электролитическое осаждение, диффузионное насыщение и т.д., предусматривает наличие ванн или камер по объёмам, соответствующим размерам обрабатываемых деталей. Кроме того, нанесение покрытий на часть изделия требует специальных мер по защите остальной поверхности.

3. Напыление является одним из эффективных способов восстановления формы или геометрических размеров при ремонтно-восстановительных технологиях.

4. Возможность напыления различных материалов с помощью одного и того же оборудования.

5. Напыление можно использовать для изготовления деталей сложной формы. В этом случае напыление производят на поверхность оправки, которую потом удаляют, оставляя оболочку из напылённого материала.

6. В отличие от наплавки методы напыления покрытий вызывают меньшие деформации и остаточные напряжения в изделиях, так как не происходит существенного нагрева детали.

7. Высокая, производительность, относительно небольшая трудоемкость, возможность автоматизации процесса.

8. Оборудование для напыления является сравнительно простым и несложным в эксплуатации.

9. Технология напыления не требует дорогостоящих мероприятий по охране окружающей среды.

С физической точки зрения общим для всех этих методов является то, что частицы нагреваются и ускоряются в высокотемпературном газовом потоке. На поверхность подложки материал поступает в виде расплавленных или пластифицированных частиц, которые, ударяясь о нее, деформируются и укрепляются, образуя покрытие.

В качестве источника нагрева распыляемого металла используется электрическая дуга или теплота, выделяющаяся при сгорании горючих газов (ацетилен, пропан) в кислороде. Применение плазменных источников энергии дало возможность получить новые композиционные покрытия из тугоплавких материалов. Однако, возможность варьирования кинетической энергией весьма ограничена, поэтому улучшение качества покрытий достигается перегревом напыляемых частиц, а также совершенствованием подготовки поверхности подложки, ее подогревом в процессе напыления, применением подслоев с низкой энергией связи в кристаллической решетке, создания контролируемой окружающей среды и т.д. Однако, в ряде случаев эти мероприятия не позволяют достичь низкой пористости покрытия, нежелательного изменения в его составе.

Теоретические и экспериментальные исследования в области напыления показали, что действенным способом улучшения качества покрытий является увеличение скорости напыляемых частиц. Это привело к созданию детонационного метода, который благодаря высокой скорости частиц позволяет получить покрытия, обладающие низкой пористостью, высокой прочностью и адгезией. Но детонационный метод имеет и свои недостатки: высокий уровень шума, дорогостоящее оборудование, взрывоопасность. Кроме того, процесс детонационного напыления не является непрерывным.

Все рассмотренные методы относятся к высокотемпературным,т.е. имеющим температуру истекающей струи в несколько тысяч градусов. При движении частиц в такой среде происходят изменения их свойств окисление, фазовые переходы, разложение и т.д.), что усложняет получение покрытий заданного состава. Затруднено напыление механических смесей, в состав которых входят порошки из материалов со значительной разницей в температуре плавления. Существуют ограничения и по размерам частиц (не менее 40 мкм). Кроме существенного нагрева и, как следствие, возможного коробления изделия, высокотемпературная струя вызывает частичное испарение материала частиц, что требует дополнительных мер по защите окружающей среды. Высокая стоимость современного оборудования также является сдерживающим фактором их дальнейшего развития. Именно поэтому поиск новых методов напыления продолжается.

Так при исследовании обтекания тел двухфазным потоком [5] было обнаружено, что при больших скоростях происходит образование покрытия из металлических частиц на лобовой поверхности обтекателей. Причем температура частиц в потоке была существенно ниже температуры плавления. Два этих фактора, высокая скорость и низкая температура частиц, обусловили название нового метода - "холодное" газодинамическое напыление (ХГН).

Новый способ имеет ряд преимуществ перед известными методами:

1. Возможность использования порошков с размерами менее 40мкм, что приводит к улучшению таких свойств покрытия, как пористость, однородность структуры, снижение минимальной толщины покрытий.

2. Отсутствие существенного нагрева позволяет получать покрытия со свойствами, максимально приближенными к свойствам исходного материала частиц. '

3. Возможность напыления механических смесей материалов, существенно различающихся по температуре плавления.

4. Малое термическое воздействие на подложку.

5. Отсутствие больших термических напряжений, что позволяет наносить покрытия толщиной до 5 мм.

6. Недорогое и простое в изготовлении и эксплуатации оборудование.

7. Низкие затраты электроэнергии.

8. Отсутствие высокотемпературной струи и связанных с ней экологических проблем.

Однако, несмотря на свои достоинства, данный метод не может пока полностью заменить уже известные, так как не позволяет напылять непластичные материалы, например керамику.

В связи с тем, что эффект ХГН был открыт недавно, количество публикаций по данному вопросу невелик. В одной из первых работ по исследованию этого процесса [5] приведены данные о лабораторном стенде и его основных технологических параметрах. Там же приведены критические скорости и расходы порошка, необходимые для взаимодействия частиц с подложкой, описаны некоторые свойства полученных покрытий из чистых металлов. Впервые упоминается о попытке заменить гелий на подогретый воздух в качестве несущего газа.

Более поздние публикации [6,7] посвящены исследованию технологических параметров с применением подогретого воздуха и созданию оборудования для напыления. В ряде источников [8] приводятся сведения о создании технологических участков холодного газодинамического напыления, например для металлизации алюминием внешних поверхностей труб большого диаметра.

Из литературных данных, приведенных выше, видно, что намечена тенденция по замене гелия на воздух, что резко удешевляет процесс напыления. Однако, изучены режимы лишь в узком диапазоне газодинамических параметров несущего газа. Проведение расширенных исследований позволяет определить режимы напыления наиболее перспективные как с точки зрения качества покрытия, так и экономичности процесса. Это также поможет разработать подходы к созданию технологического оборудования, которое позволяет избежать V потерь энергии при нагреве газа и обеспечит безопасность и удобство в работе.

При ХГН взаимодействие частиц металла с подложкой происходит при температурах намного ниже их температуры плавления.Данный процесс протекает за счет образования активных центров в результате пластических деформаций, возникающих при силовом воздействии вот высокоскоростного удара. Поэтому при расчете прочности соединения покрытие-подложка "скоростной вклад" целесообразно оценить, прибегнув к теории контактного взаимодействия тел, которая широко используется для расчета прочности соединения при сварке металлов в твердой фазе.

В связи с отсутствием данных необходимо исследовать свойства покрытий при напылении механических смесей материалов, в частности, провести сравнение процентного содержания металлов в исходной механической смеси и полученном псевдосплавном покрытии в зависимости от параметров двухфазного потока.

Цель работы состояла в теоретическом исследовании процесса формирования покрытия и создании методики инженерного расчета относительной прочности соединения покрытие-подложка, разработке методики инженерного расчета сверхзвуковых сопел для ХГН, разработке и создании экспериментального и технологического оборудования, исследовании режимов напыления и свойств полученных покрытий, как из чистых металлов, так и их механических смесей, применении ХГН для решения конкретных технологических задач.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

• провести анализ газодинамических и металлофизических процессов ХГН и разработать инженерный метод расчета параметров напыления;

• произвести расчет сверхзвукового сопла для ХГН;

• создать технологическое оборудование;

• исследовать свойства полученных покрытий и влияние на них режимов напыления;

• рассмотреть возможность применения ХГН для решения конкретных технологических задач.

Автор защищает:

• результаты исследования процесса взаимодействия частицы с подложкой методом теории контактного взаимодействия тел и методику инженерного расчета относительной прочности соединения покрытие-подложка;

• методику инженерного расчета параметров сверхзвукового сопла для ХГН;

• создание технологического оборудования;

• результаты исследования свойств покрытий, полученных напылением порошков чистых металлов и их механических смесей при использовании в качестве несущего газа подогретого воздуха;

• результаты применения ХГН для решения конкретных технологических задач.

Научная новизна.

Проведено сравнение метода ХГН с методами сварки холодным деформированием. Показано, что природа схватывания частиц металла одинакова во всех вышеуказанных случаях, а именно, образование металлических связей на соединяемых поверхностях при их совместном деформировании происходит по активным центрам, образовавшимся при пластическом течении материала подложки и частицы.

Разработана методика и проведен расчет относительной прочности соединения покрытие-подложка путем решения контактной задачи взаимодействия частицы и подложки при ударе.

На основе полученных результатов спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, позволяющая получать покрытия из металлов и их механических смесей, используя в качестве рабочего газа подогретый воздух.

Исследованы свойства полученных покрытий из чистых металлов и их механических смесей. Показано, что при напылении механических смесей формирование пограничного слоя происходит за счет закрепления на подложке частиц более пластичной фракции, прочностные свойства которой определяют адгезию покрытия.

Разработаны технологические процессы для решения конкретных задач промышленности.

Практическая и научная ценность.

Полученные результаты позволят расширить сферу применения метода ХГН для получения покрытий при ограниченном тепловом воздействии на подложку.

Применение теории контактного взаимодействия тел для оценки относительной прочности соединения покрытие-подложка позволит определить температурно-скоростные характеристики режимов напыления.

Проведенные расчеты и результаты экспериментальной работы на соплах, работающих в режиме перерасширения двухфазного потока, позволят снизить энергетические затраты при напылении.

Разработанная экспериментальная установка является основой для проектирования промышленного ручного и автоматизированного инструмента.

Результаты, полученные в ходе работ, опробованы при решении ряда производственных задач, что подтверждено соответствующими актами.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Солдатенков, Сергей Иванович

8. Результаты исследования микротвердости образцов покрытие-подложка показали, что процесс формирования покрытий аналогичен процессам соединения металлов в твердой фазе (в частности, сварке взрывом). Граница раздела имеет более высокую микротвердости, чем исходные материалы, т.е. оба металла упрочнены пластической деформацией, а слои, прилегающие к поверхности подложки, имеют недеформированную структуру.

9. Металлографические исследования покрытий из механических смесей частиц металлов показали, что формирование покрытий происходит в результате присоединения к подложке частиц более пластичной фракции. Адгезионная прочность данных покрытий определяется прочностью на растяжение более пластичной фракции.

10.В результате проведенных исследований разработаны и опробованы в промышленных условиях следующие технологии: исправление литейного брака в деталях из алюминиевых сплавов, восстановление изношенных участков контактного провода железной дороги без его демонтажа, восстановление пресс-форм для изготовления сотовых панелей из композиционных материалов.

11 .Дан анализ перспективных направлений исследований и применения метода ХГН.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Солдатенков, Сергей Иванович, 2000 год

1. А. Хасуи, О. Моригаки. Наплавка и напыление. М.: Машиностроение, 1985.-239с.

2. Ю.С. Борисов, A.JI. Борисова. Плазменные порошковые покрытия. К.: Техника, 1986. -221с.

3. С.С. Бартенев, Ю.П. Федько, А.И. Григоров. Детонационные покрытия в машиностроении. JL: Машиностроение, 1982. - 215с.

4. В.В. Кудинов, Г.В. Бобров. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. М.: Металлургия, 1993. - 431с.

5. В.Ф. Косарев. Экспериментальное исследование процесса "холодного" газодинамического напыления. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. Новосибирск, 1991.- 136с.

6. A.c. №1327569 С23 С7/00. Устройство для нанесения покрытий /А.П. Алхимов, В.Ф. Косарев, Н.И. Нестерович и др./.

7. A.c. №1773072 AI. Способ нанесения металлопорошковых покрытий /А.П. Алхимов, В.Ф. Косарев, Н.И. Нестерович, Ф.Н. Папырин/.

8. С.И. Кондратов, В.А. Константиновский, В.В. Чигарев. Метод высокоскоростного напыления антикоррозионного алюминиевого покрытия // Сварочное производство. 1992. - №2, -.С. 15.

9. B.B. Кудинов, B.M. Иванов. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. М.: Машиностроение, 1981. - 191с.

10. Получение покрытий высокотемпературным распылением / Под ред. H.H. Рыкалина. М.: Атомиздат, 1973. - 346с.

11. Э.С. Каракозов. Сварка металлов давлением. М.: Машиностроение, 1986.-276с.

12. В. Г. Степанов, И. А. Шавров. Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов. JL: Машиностроение., 1975. - 278с.

13. A.A. Дерибас. Физика упрочнения и сварки взрывом. М.: Наука, 1972.- 264с.

14. В.С.Седых, H.H. Казак. Сварка взрывом и свойства сварных соединений. М.: Машиностроение, 1971. - 72с.

15. Г.А. Николаев, P.A. Ольшанский. Специальные методы сварки. М.: Машиностроение, 1975. - 232с.

16. Э.С. Каракозов. Соединение металлов в твердой фазе. М.: Металлургия, 1976. - 264с.

17. Э.С. Каракозов, М.Х. Шоршоров. О понятии энергии активации топохимической реакции между материалами в твердой фазе // ФХОМ 1971. -№4. - С.94-100

18. М.Х. Шоршоров, Ю.А. Харламов. Физико-химические основы детонационно- газового напыления покрытий. М.: Наука, 1978. - 227с.

19. C.IO. Шаривкер, Е.А. Астахов, А.П. Гарда. Влияние скорости полета напыляемых частиц на прочность сцепления напыленных покрытий // ФХОМ. -1974. -№5.-С.157-158

20. Г.И. Эпштейн, O.A. Кайбышев. Высокоскоростная деформация и структура металлов. М.: Металлургия, 1971. - 198с.

21. В.Р. Регель, А.И. Слуцкер, Э.И. Тимошевский. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. - 560с.

22. Ю.Л. Красулин. Взаимодействие металла с полупроводником в твердой фазе. М.: Наука, 1971. - 120с.

23. Жаростойкие и теплостойкие покрытия / Под ред. H.H. Рыкалина. М.: Наука, 1969. - 196с.

24. W. Jonson. Impact strength of materials. London: "Arnold", 1972.241 p.

25. Высокоскоростные ударные явления / Под ред. Р. Кинслоу. М.: Мир, 1973. -356с.

26. К. Джонсон. Механика контактного взаимодействия. М.: Мир, 1989.510с.

27. D. Tabor. A Simple Theory of Static and Dynamic Hardness// Proc. Roy. Soc.- 1948.-A192.-P.247

28. JT.E. Стернин. Основы газодинамики двухфазных течений в соплах. -М.: Машиностроение, 1974. 212с.

29. У.Г. Пирумов, Г.С. Росляков. Газовая динамика сопел. М.: Наука, 1990.-368с.

30. Г.Н. Абрамович. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976.888с.

31. Ю.А. Харламов. Методы измерений адгезионной прочности покрытий // Заводская лаборатория. 1984. - С.52-56

32. Справочник по машиностроительным материалам / Под ред. Г.И. Погодина-Алексеева. М.: Машгиз, 1959. - Т.2. - 639с.

33. A.c. №2062820 С1. Способ получения покрытий /И.С. Гершман, С.И. Солдатенков, H.A. Буше и др./.