автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование и разработка плазменного напыления износостойких покрытий плазмотроном с МЭВ в разреженной контролируемой атмосфере

- - л -) На правах рукописи

О и И удк

Бобров Максим Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ ПЛАЗМОТРОНОМ С МЭВ В РАЗРЕЖЕННОЙ КОНТРОЛИРУЕМОЙ АТМОСФЕРЕ

05.03.06 - технология и машины сварочного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 1997

Работа выполнена на кафедре теории и технологии сварки Санкг Петербургского государственного технического университета.

Научный руководитель: доюгор технических наук,

профессор В.С.Кпубникин

Официальные оппоненты: к.т.н., завлаб. В.Д.Бурьяненко

д.т.н., проф. Руссо В .Л.

Ведущая организация: Институт электросварки России

Защита состоится Я2.ЪЫ МАЯ 1997г. в_часов на заседании диссертационного Совета Д 063.38.17 Санкт-Петербургского государственного технического университета по адресу: Санкт-Петербург, Политехническая ул.29, Химический корпус, аудДД

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просьба направлять по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул.29, ученому секретарю диссертационного Совета Д 063.38.17.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан сълре*^ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., проф.

ВАКархин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Дзтуадьпосчъ работа. Современная промышленность нуждается в создании защитных покрытий на изделиях. Среди газотермических способов нанесения покрытий особое место занимает процесс плазменного напыления в разреженной контролируемой атмосфере (ПНРКА), который по сравнению с другими процессами нанесения покрытий обладает следующими преимуществами:

- наиболее полная защита напыленных материалов от вза-

/

имодействия с воздухом, которая обеспечивается не только созданием защитной атмосферы вокруг процесса, но и низким парциальным давлением химически активных газов - кислорода и азота;

- возможность достижения высоких скоростей частиц напыляемого материала;

- получение низкопористых и адгезионнопрочных покрытий благодаря напылению мелкими частицами порошка 5-10 мкм, которые в разреженной атмосфере легко разгоняются до высоких скоростей;

- совмещение в одном технологическом звене операций напыления, электроочистки и активации.

Данный процесс получил свое промышленное развитие только в конце 70-х годов, когда удалось решить проблему нагрева напыляемых частиц, который резко ухудшался из-за снижения переносных свойств плазмы при пониженном давлении. С тех пор на возможности этого процесса возлагаются большие надежды исследователей, так как только при ПНРКА частицы приобретают и

1

высокую скорость и высокую температуру.

Однако судя по публикациям за последние годы, очень мало количественных данных о влиянии давления на параметры плазменной струи и на условия движения и нагрева напыляемых частиц в ней. Теоретические представления о процессе ПНРКА также очень скудны. Кроме того, в нашей работе исследования проводились для процесса ПНРКА в «отором используется новый плазмотрон с межэлектродными вставкши, способный генерировать сверхзвуковые высокотемпературные потоки плазмы.

Таким образом, создание процесса плазменного напыления в разреженной контролируемой атмосфере явилось результатом совершенствования процессов газотермического напыления покрытий в целом, но экспериментальных данных о самом процессе имеется очень мало.

Цель работа. Разработка научных и технологических основ плазменного напыления в разреженной контролируемой атмосфере плазмотроном с МЭВ и создание на этой основе эффективных технологических процессов для получения защитных покрытий с повышенной прочностью и низкой пористостью.

Основными задачами данной работы являются:

- исследование влияния давления на энергетические характеристики плазмотрона с МЭВ, используемого в процессе ПНРКА;

- исследование влияния давления на параметры плазменной струи при различных режимах работы плазмотрона с МЭВ;

- исследование влияния давления на движение и нагрев напыляемых частиц при различных режимах процесса ПНРКА;

- определение оптимального режима процесса ПНРКА, при

котором достигается максимальная адгезия покрытия;

2

- разработка и .апробация методики расчета скорости и температуры частиц при ПНРКА;

- разработка технологии плазменного напыления износостойких покрытий в защитной атмосфере.

Научная яоваоиа.

1. Влияние давления в камере на энергетические характеристики плазмотрона с МЭВ, используемого в процессе ПНРКА, зависит от расхода плазмообразующего газа: чем меньше расход, тем сильнее влияние давления. Термический КПД и энтальпия плазмы с уменьшением давления возрастают, а среднемассовая температура остается неизменной до 30 кПа, и затем начинает снижаться.

2. С уменьшением давления затухание плазменных струй становится более плавным, особенно это заметно при небольших расходах газа соответствующих ламинарным режимам течения. Струи с переходным режимом течения с понижением давления становятся ламинарными при давлениях 504 60 кПа, а затем в их течении опять возникают возмущения.

3. Зависимости осевой скорости и температуры плазменной струи от давления в вакуумной камере различные. С уменьшением давления температура плазмы возрастает по линейному закону, а скорость нет.

4. С уменьшением давления скорость напыляемых частиц растет и достигает максимального значения при промежуточном давлении 40+60 кПа.

5. Положительного влияния от повышения скорости частиц

при пониженном давлении на адгезию покрытий удается добиться

3

только при использовании предварительного подогрева порошка в дозаторе.

6. Предложена методика расчета скорости и температуры частиц с учетом разреженности плазменного потока, которая отразила экспериментально определенный максимум скорости частиц при давлении 4От60 кПа.

Пражтжтестсая ценность работа. Проведенные исследования процесса ПНРКА позволили определить оптимальные режимы напыления при которых адгезия покрытия максимальна. Максимальная адгезия достигается только при определенном сочетании скорости и температуры напыляемых частиц. В области промежуточных давлений 30-60 кПа, когда скорости частиц максимальны, путем предварительного подогрева порошка в дозаторе удается добиться необходимого сочетания скорости и температуры частиц.

Разработанная методика расчета скорости и температуры частиц позволила теоретически предсказать область оптимальных режимов при давлении 40-50 кПа.

Разработан и реализован предварительный подогрев напыляемого порошка в дозаторе, который позволил повысить качество покрытий при ПНРКА.

Разработана технология плазменного напыления в защитной атмосфере порошка карбид хрома с нихромом для создания прочных, износостойких покрытий.

Апробация работа. Материалы диссертации докладывались на Российской научно-технической конференции "Перспективные технологические процессы обработки материалов" - 1995г., С-Петербург; на Международной научно-технической конференции

"Напыления и покрытия - 95", 1995г., С-Петербург. Для работы

4

по теме диссертации выделен грант, учрежденный Правительством "-Петербурга и Госкомвузом России на 1996г.

ПуДяшсацвд. По теме диссертации опубликованы две работы.

Об*ея д сч'рудттра диссертация. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы. Содержание работы изложено на 147 страницах машинописного текста; графический материал представлен на 63 рисунках, список литературы содержит 70 наименований.

На в<ацац)у шшосевса:

Результаты исследования влияния давления в камере на энергетические характеристики плазмотрона с МЗВ, параметры плазменной струи, скорость напыляемых частиц и адгезию покрытий.

Методика расчета скорости и температуры напыляемых частиц, с учетом разреженности плазменного потока в процессе ПНРКА.

Принцип выбора оптимального режима процесса ПНРКА на основе проведенных экспериментальных исследований и результатов расчета.

Технологическое решение процесса плазменного напыления в защитной атмосфере покрытий из карбида хрома с нихромом.

Нетодд пссаедовашп:

Методом калоршетрирования определялись тепловые потери в элементах плазмотрона, с помощью которых рассчитывались термический КПД и энтальпия на срезе сопла плазмотрона.

На различных режимах процесса ПНРКА производилась фотосъемка струи плазмы. По внешнему виду струи судили о харак-

5

тере ее течения, длина струи определялась по негативам. Масштаб которых определялся сравнением с предварительно снятым, негативным изображением камеры с закрепленной в ней линейкой, указывающей расстояние от среза сопла плазмотрона.

Для измерения осевой температуры и скорости плазменного потока на различных расстояниях от среза сопла использовался энтальпийный датчик Грея, стационарно вносимый в плазменную струю. Измерения проводились в диапазоне давлений от 100 до 30 кПа.

Измерение скорости напыляемых частиц производилось при помощи прибора ИССО-1 (измеритель скорости светящихся объектов) при наблюдении за видимыми светящимися треками частиц.

Для определения прочности соединения покрытия с основный металлом (адгезии) использовался штифтоеый метод. Кроме того, проводимые металлографические исследования покрытий и испытания их на износостойкость.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе доводится анализ характеристик процесса плазменного напыления в разреженной контролируемой атмосфере (ПНРКА) по имеющимся литературным данным. Описываются особенности плазменных струй, истекающих в разреженную атмосферу, и особенности движения и нагрева частиц в таких струях. При ПНРКА. структура сверхзвуковых струи на начальном участке значительно усложняется, возникают волновые образования, названные "бочками Маха".

В отличие от обычных газовых потоков влияние разрежен-

6

ности плазменного потока сказывается и при атмосферном давлении. Тогда коэффициент аэродинамического сопротивления частицы с учетом разреженности потока определяется по формуле:

Cdp = cd

Re

f _ОзУ-1 н

а + в • е

где С^ - коэффициент аэродинамического сопротивления частицы, рассчитанный без учета разреженности потока, т.е. он определен в зависимости от числа Рейнольдса (Де) и в одних случаях обратно пропорционален числу Рейнольдса, а в других обратно пропорционален корню из него; М - число Маха/ А, В и С - константы.

Интенсивность теплообмена, независимо от режима течения, определяется следующим выражением для критерия Нуссельта:

V"!

Nu = Nucfl + 3,42 ,

Ч Re Рг/

+

где Nu,, - интенсивность теплообмена в условиях течения сплошной среды; Рг - число Прандтля.

Во второй гхаве описывается экспериментальная установка и методики исследования параметров процесса ПНРКА. Для напыления используется аргонодуговой плазмотрон постоянного тока типа ПН с фиксированной длиной дуги, который крепится снаружи к вакуумной камере, корпус которой заземлен. Диаметр вакуумной камеры 60 см и длина 50 см. Для подачи напыляемого материала в плазмотрон используется порошковый дозатор вибрационного типа.

В паве зря приводятся результаты исследований процесса

ПНРКА. Определены зависимости энергетических характеристик

7

плазмотрона с МЭВ от режимных параметров процесса ПНРКА.

Плазмотрон с МЭВ, которым оборудована наша экспериментальная установка для исследования процесса ПНРКА, является ламинарным. Проведенные исследования показали, что понижение давления в камере позволяет не только значительно увеличить длину ламинарных плазменных струй, но и добиться их существования при больших расходах плазмообразующего газа. А при исследовании влияния давления на плазменные струи с переходный режимом течения при атмосферном давлении наблюдалась следующая интересная картина (рис. 1). С уменьшением давления добивались устойчивого ламинарного режима течения при промежуточных давлениях в камере 40-60 кПа, а затем опять возникали возмущения в течение плазменной струи. Причем это явление наблюдалось наиболее сильно при увеличении мощности плазмотрона.

Результаты измерения скорости частиц прибором ИССО-1 и измерения осевой скорости и температуры плазменного потока энтальпийныи датчиком в зависимости от давления в камере приводятся на рис. 2. Рисунок показывает, что с уменьшением давления скорость и температура плазменной струи возрастают, однако характер роста у них различный. Температура плазменной струи с уменьшением давления возрастает по линейному закону в отличие от скорости. Скорость частиц с уменьшением давления возрастает и имеет максимум при промежуточном давлении 40-50 кПа.

Результаты измерения адгезии покрытий из порошка ПН85Ю15 фракции 63 мкм для различных режимов процесса ПНРКА представлены на рис. 3. С уменьшением давления в камере в той области

8

давлений, где скорость частиц возрастает, заметного увеличения адгезии не наблюдается. Отмечается падение адгезии при давлениях ниже 50 кПа, т.е. когда и скорость частиц начинает снижаться согласно экспериментальным исследованиям. Предварительный подогрев порошка в дозаторе до 400°С способствовал увеличению адгезии (см. рис. 3,а).

Ь,см

I

40 \

Рис. 1. Зависимость длины плазменной струи от давления в камере для струй с ламинарным и переходным режимами течения.

В таетертой глаза приводится методика расчета скорости и

температуры частиц для процесса ПНРКА, сравнение результатов

9

Рис. 2. а) Зависимость скорости частиц от давления в камере при расходе газа 0,65 г/с, порошок ПТЮ5М 063 мкм.

б) и в) Зависимости осевой скорости и температуры плазменного потока от давления в камере, измеренные с помощью эн-тальпийного зонда на расстоянии 12 см от среза сопла плазмотрона при расходе газа 0,5 г/с.

10

Рис. 3. а) Зависимость адгезии от расхода плазмообразую-щего газа при давлении в камере 60 кПа. х - I = 200 - 250А; 0 - I = 200А с предварительным подогревом порошка до 400°С. б) Зависимость адгезии от давления в рабочей камере для режима ПНРКА: I = 200А; и = 90В; САс = 0,65 т/с.

11

расчета с экспериментальными данными. Расчет производился в предположении безградиентного нагрева, поскольку для материала частицы критерий Био В1 < 0,01. Частицы имеют сферическую форму и их траектории движения совпадают с осью плазменного потока. Поэтому для расчета достаточно было распределения осевой скорости и температуры плазмы по длине струи, построенных по результатам измерений энтальпийныи зондом.

Для определения изменения температуры Т» и скорости и? частиц решались уравнения:

с1ич Зр^оп - ич)2 р,__ =

с1Ь 4с1ч

с!Тч Сап РчСр?—:г = —- (Тп ~ Т?), с^ с1ч

где с^, рч, СРЧ - соответственно диаметр, плотность и удельная теплоемкость частицы/ ап - коэффициент теплоотдачи Вт

плазмы, —-;

м • град

№ • Хп - —'

Вт

где Яп - коэффициент теплопроводности плазмы, -. Коэф-

м ■ град

фициент аэродинамического сопротивления частицы (с^) и критерий Нуссельта определялись по формулам из главы I приведенным выше.

Уравнения движения и нагрева частиц в заданном поле скоростей и температур плазмы решались кусочно-линейным методом, в основе которого лежит разбиение струи на мелкие участки с

12

240 220 200 180 160 № 120 100 60 60

10 20 30 40 ¿0 60 70 80 90 РКАМ)*ЛА

Рис. 4. Сравнение результатов расчета скорости частиц с экспериментальными данными для режима ПНРКА. I = 200А; СЛс = 0,65 Г/Ь.

1 - зависимость скорости частиц от давления в камере, построенная по результатам расчета,

— частицы, согласно расчету, начинают испаряться в струе плазмы, 2 — экспериментальная кривая.

постоянными о^рд, Тп, а следовательно, и с постоянным Яе. Метод предполагает единообразие решений на всех участках изменения чисел Рейнольдса Яе.

Зависимости плотности (рд), вязкости (}1П), коэффициента теплопроводности (Ап) плазмы и числа Прандтля от температуры на различных изобарах взяты из справочника Варгафтика Н.В.

Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными представлено на рис. 4. Хотя результаты и отличаются друг от друга, но завышение расчетных значений над экспериментальным в одной области давлений примерно такое же, как их занижение в другой области, а максимальное значение скорости лежит на обоих кривых при одном и том же давлении (40-60 кПа). Таким образом расчет отражает реальное изменение скорости и температуры частиц в процессе ПНРКА.

В пятой главе описывается разработка технологии плазменного напыления износостойких покрытий из карбида хрома с нихромом в защитной атмосфере с помощью нового плазмотрона с МЭВ. Требуемый химический состав покрытий не проверялся, поэтому остановились на разработке технологии плазменного напыления при атмосферном давлении, которое обеспечивало высокую прочность покрытий, даже без предварительного подогрева порошка, в отличие от процесса ПНРКА. Был подобран оптимальвый режим напыления на котором адгезия покрытий была максимальной. Образцы с покрытиями, напыленными на выбранном режиме, проходили металлографические исследования и испытания на износостойкость, которые подтвердили их высокое качество.

ВЫВОДЫ

1. Проведено исследование влияния давления на энергетические характеристики плазмотрона с межэлекхроднши вставками (МЭВ):

14

термический КПД, энтальпию и. среднемассовую температуру на :резе сопла плазмотрона. Удалось выяснить, что при небольших эасходах. газа (меньше 0,7 г/с) и малых токах (до 150 А), когда :труя плазмы не полностью заполняем дуговой канал плазмотрона, они зависят от давления в камере. Причем с уменьшением давления термический КПД и энтальпия возрастают, з среднемассовая температура до давлений 30 кПа остается неизменной, а ниже начинает снижаться. Зависимость энергетических характеристик плазмотрона с МЭВ от давления в камере тем сильнее-, чем иеньсе расход газа.

2. Экспериментально исследовано влияние давления на параметры, плазменной струи: ее размер, характер течения, осевую скорость и температуру. С уиеньсением давления изменяется характер течения и, соответственно, размеры плазменной струи. На расходах газа, которым при атмосферном давлении соответствовали переходные режимы течения, путем снижения давления удавалось добиться ламинарного характера течения струи при промежуточном давлении 40-60 кПа, а с дальнейшим понижением давления опять возникали возмущения в ее течении. С уменьшение» давления затухание плазменных струй, особенно ламинарной, становится более плавным.

3. С понижением давления в камере осевая скорость и температура плазменной струи, измеренные на расстоянии 12 см от среза сопла плазмотрона, возрастают, но характер зависимости у них разный: температура плазмы возрастает линейно, а скорость нет.

4. Прибором ИССО-1 измерялась скорость частиц диаметром 63 мкм, напыляемых при различных давлениях в камере. Определено, что скорость частиц с уменьшением, давления возрастает и достигает своего максимального значения при давлениях 40-50 кПа. Это объясняется тем, что скорость частиц зависит от скорости и плотности плазменного потока. С уменьшением давления скорость потока возрастает, а его плотность падает. И вначале преобладает влияние

15

увеличения скорости потока, а затем влияние снижения его плотности на скорость частиц.

5. Разработана методчика расчета скорости и температуры частиц по скорости и температуре плазменного потока с учетом его разреженности, которая позволила отразись максимум скорости частиц при давлении в какэре 40-60 кПа, выявленном в результате экспериментальных исследований.

6. Экспериментальные исследования по определение адгезии покрытий, напиленных на различных режимах процесса ПНРКА установили, что с уменьшением давления в камере до 30 кПа адгезия покрытий практически не меняется, а затем начинает снижаться. Отсутствие повышения адгезии в области давлений, где скорости частиц возрастают, связано с недостаточностью и нагрева. Эксперименты с предварительным нагревом напыляемого порошка в дозаторе позволили увеличить адгезию в области давлений, где скорость частиц возрастает.

7.' Разработана технология плазменного напыления, износостойких покрытий из порошка карбид хрома с нихромом в защитной атмосфере, хорошее качество которых подтверждено металлографическими исследованиями и испытаниями на износостойкость.

Основные положения диссертации опубликованы в следущих работах: . ,

1. Клубникин B.C., Бобров М.Ю. Некоторые достижения в создании высокоскоростных способов напыления покрытий.//Тезисы докла-г дов Международной научно-технической конференции "Напыление и по-крытия-95"-С-Петербург, СПбГТУ, 1995г.-с.38-40.

2. Бобров М.Ю. пути повышения адгезии покрытий при плазменном напылении в динамическом вакууме.//Тезисы докладов Российской научно-технической конференции "Перспективные технологические процессы обработки материалов"-С-Петербург, СПбГТУ, 1995г.-с.24-26.

16