автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Исследование пластического деформирования частиц и разработка рациональных технологических параметров газодинамического напыления металлических порошков

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

ин

УДК: 621.7+532.529.5

Головко Александр Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ АСТИЦ И РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ

Специальность 05.03.05 "Процессы и машины обработки давлением"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск - 1998

Диссертация есть рукопись

Работа выполнена в Государственной металлургической академии Украию Министерства образования Украины

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Данченко Валентин Николаевич Государственная металлургическая академия Украины, профессор кафедр1 обработки металлов давлением.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Хаустов Георгий Иосифович Государственный научно-исследовательский и конструкторско-технологи ческий институт трубной промышленности, заместитель директора;

кандидат технических наук Македонов Сергей Иванович, Никопольскш Южнотрубный завод, начальник химико-технологической лаборатории.

Ведущая организация:

Институт черной металлургии Национальной Академии наук Украины прокатные отделы, г. Днепропетровск.

Защита состоится " /2 199^г. в /Г _часов на заседании специали зированного ученого совета Д 08.084.02 по защите диссертаций 1 Государственной металлургической академии Украины (320635 г.Днепропетровск, пр. Гагарина, 4, тел. (0562) 410292 )

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной металлургической академии Украины (320635, г. Днепропетровск, пр. Гагарина, 4)

Автореферат разослан " // 199/р.

Ученый секретарь специализиро- . ванного учёного совета, доктор ¡^^

ошшши ^ЧБП^и димир М ^ |_

технических наук, професор И . ' Л(Щ^омаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ежегодные потери металла от коррозии составляют порядка 10%. Эффективный, no еще недостаточно используемый в Украине способ повышения срока службы металлопроката и труб - защита их различными металлическими покрытиями. Большой интерес представляет способ "холодпого" газодинамического напыления, который заключается в разгоне частиц порошка высокоскоростной газовой струей и формировании покрытия при их взаимодействии с напыляемой поверхностью. Важными преимуществами способа является отсутствие высокотемпературных струй, что позволяет наносить покрытия в широком диапазоне толщин, в том числе из легкоплавких материалов, а также достаточно высокая производительность и безопасность технологического процесса. Характерной особенностью способа газодинамического напыления является то, что частицы разгоняются в потоке холодного или слабоподогретого газа, поэтому, образование прочного сцепления на контакте с основой возможно только за счет пластической деформации и разогрева частиц при ударе. Актуальной задачей является исследование контактного взамодейст-вия частиц с основой и определение оптимальных параметров процесса газодинамического напыления.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнялась в соответствии с пршраммой № 21 (на 1992—1995гг.) и координационным планом № 17 (на 1997—1999гг.) Министерства образования Украины.

Цель и задачи исследования. Разработка рациональных параметров технологии нанесения металлических покрытий способом газодинамического напыления на базе математического моделирования соударения часгиц порошка с основой и создания программы расчета технологических параметров процесса напыления.

Научная новизна полученных результатов. Разработана математическая модель определения характеристик напряженно-деформированного состояния частицы при ударе об основу с применением пакета конечноэлементных программ IMPACT и с учетом влияния деформационного разогрева и реологических свойств материала при высоких скоростях деформации. Определены зависимости температуры на контакте частица-основа, продолжительности деформирования и формоизменения частиц при ударе о жесткую основу от размером и свойств материала частиц, а также скорости и температуры частиц перед ударом.

Разработана общая математическая модель процесса газодинамического напыления металлических порошков, учитывающая особенности силового взаимодействия частиц порошка с основой при ударе.

Получены экспериментальные данные о влиянии режимов процесса нане-

сения покрытия на прочность сцепления, пористость, производительность процесса, а также сведения о коррозионной стойкости покрытий и о влиянии последующей прокатки образцов с покрытием на его свойства.

Практическое значение полученных результатов. Разработан алгоритм и программа расчета параметров процесса газодинамического напыления металлических порошков, позволяющие определять рациональные технологические параметры нанесения покрытий на металлическую основу. Теоретически установлены взаимные зависимости технологических параметров газодинамического напыления и их влияние на прочность сцепления покрытия с основой.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили определить рациональные параметры технологии процесса нанесения алюминиевых покрытий на наружную поверхность стальных труб.

Результаты работы использованы при проектировании НПП "Прецизион-труб-Юг" технологии и опытного образца оборудования для нанесения защитных покрытий на наружную поверхность труб способом газодинамического напыления для участка напыления покрытий цеха 5 Никопольского Южнотрубного завода.

Личный вклад соискателя. Все результаты, составляющие основное содержание диссертационной работы, были получены автором самостоятельно, в частности те, которые составляют общие выводы и научную новизну.

Апробация результатов диссертации. Материалы работы доложены и обсуждены на: Первой международной конференции "Конструкцшш та функцюналыи матер!али" (г. Львов, "Льв^вська полпехшка", 1993г.), научно-технической конференции "Теория и технология процессов пластической деформации - 96" (г. Москва, МИСиС, 1996г.), научной конференции "Наука 1 освгга" (г.Киев, АНВШ Украины, 1997г.); научных семинарах кафедры обработки металлов давлением Государственной металлургической академии Украины (Днепропетровск, 1994, 1996, 1998 гг.). Комплексная научная работа "Развитие научных основ и разработка технологических процессов получения легированных металлических порошков и нанесения защитных покрытий способом газодинамического напыления" авторов П.Н.Острика, В.Н.Данченко, А.Н.Головко, в которую вошли разработки, представленные в диссертационной работе, в 1997 г. получила награду Ярослава Мудрого АНВШ Украины.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 10 опубликованных в печати работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованных источников, 5 приложений. Полный объем диссертации 204 страницы, из них 176 стр. текста, включая 60 иллюстраций и 20 таблиц, список использованных источников из 124 наименований и 17 стр. приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Способ «холодного» газодинамического напыления обладает рядом преимуществ, позволяющим рекомендовать его для нанесения покрытий на металлопрокат, в частности, отсутствие высокотемпературных струй, что позволяет наносить покрытия в широком диапазоне толщин, в том числе из легкоплавких материалов, достаточно высокая производительность, простота оборудования и безопасность технологического процесса.

Литературный обзор показал, что в настоящее время о тсутствует математическая .модель процесса газодинамического напыления, учитывающая пластическое деформирование и разогрев частиц при соударении с основой. Имеющиеся решения по удару в твердое полупространство тел различной формы (прежде всего цилиндрической) имеют ограниченные области применения и не лишены ряда недостатков. Возможно получение численного решения задачи о соударении частиц порошка с основой на базе метода конечных элементов.

Важным вопросом при численном решении задач ударного деформирования является задание реологических свойств металла при высоких скоростях деформации.

Определение рациональных технологических параметров газодинамического напыления металлических порошков потребует решения задачи пластического деформирования частиц ири ударе об основу, разработки математической модели процесса напыления и проведения экспериментальных исследований процесса.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЧАСТИЦ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ОСНОВОЙ

Математическое моделирование процесса пластического деформирования при соударении частиц с основой проведено с применением метода конечных элементов. Использован пакет конечноэлементных программ IMPACT. Учтено влияние тепловыделения при пластическом деформировании (деформационного разогрева) и реологических свойств металла при высоких скоростях деформации.

В математической модели процесса пластического деформирования при ударе используются следующие допущения: напряженно-деформированное состояние - осесимметричное; материал частиц и основы (в случае нежесткой основы) - жесткопластический, напряжение текучести которого зависит от степени, скорости деформации и температуры; зависимость сопротивления деформации от интенсивности скорости деформации сдвига - монотонно возрастающая; теплообмен на контакте с основой и окружающей средой отсутствует, процесс пластической деформации - адиабатический.

Задача пластического деформирования решается с использованием вариационного принципа Лагранжа с последующей дискретизацией с помощью метода конечных элементов.

Модифицированный функционал Лагранжа с учетом действия инерционных нагрузок имеет вид

3 = . (1)

У V V 5

где ¡л - переменная вязкость, в соответствии с методом гидродинамических приближений:

// = Т(Н,Г,0)/Н, (2)

Т - интенсивность касательных напряжений, Н - интенсивность скоростей деформаций сдвига; Г - степень деформаций сдвига; 0 - температура; V - объем, <; - штрафной множитель; ¿0- средняя скорость деформации; Р, - (объемные) инерционные нагрузки, у, - скорости по соответствующей координате г, -напряжения на контакте (напряжения трения), ут - скорость металла частицы на контакте относительно жесткой основы; 5 - площадь.

При дискретизации функционала (1) с помощью метода конечных элементов используются треугольные симплекс-элементы.

В функционал (1) в соответствии с известным методом штрафных функций введены также штрафные слагаемые, обращающиеся в нуль, если условие несжимаемости выполнено, и возрастающие с увеличением ¿1.

Скорости деформации определяются по соотношениям Стокса

(3)

Граничные условия на контакте частица-основа определяются соотношением

сгг =тТ(Н,Г,©)51£т>г , где 0<т<1. (4)

Фактор трения т в данном случае является аналогом показателя трения /а по условию Зибеля и превышает последний в V? раз.

В соответствии с принятым допущением о том, что процесс пластической деформации адиабатический, приращение температуры материала на каждом шаге по времени может быть определено как

А0^-Н-Т(Н,Г,0) (5)

р с

где А/ - шаг по времени, рис- плотность и удельная теплоемкость соответственно.

Объемные (инерционные) нагрузки в каждом элементе на каждом шаге по времени рассчитываются по формуле:

р1=р •ЕК'-^о)/3^, (6)

4 ; /______ __________________

где номер узла в элементе.

Анализ литературных данных показал, чю в области высоких скоростей деформации (более IО3— 104 с"1) напряжение текучести линейным образом зависит от скорости деформации и может быть описано с помощью метода термомеханических коэффициентов как функция интенсивности скоростей деформаций сдвига, степени деформаций сдвига и температуры:

Т = Гб^н^т^тэ (7) •

где тй- базовое напряжение текучести; !сн, кг, к@ - соответственно коэффициенты скорости и степени сдвиговой деформации, температуры.

Результатом решения является поле скоростей во всех узлах рассматриваемой области, по известным значениям скоростей на каждом временном этапе определяются компоненты скоростей деформаций, интенсивности скоростей деформаций сдвига, степени деформаций сдвига, интенсивности касательных напряжений, а также компонент тензора и девиатора напряжений и температуры.

Реологические свойства используемых металлов при высоких скоростях деформации задавались по данным работ Кэмлбелла. Ферпосона, Хаузера, Дорпа, Ткшухина с сотрудниками и др. исследователей

Рассмотрено два варианта модели - удар пластичной частицы о пластичную и о жесткую основу. Начальные скорость и температура частиц перед \даром варьировались в диапазонах 100...600 м/с и 300.. 600 К соответственно; диаметр частиц -- 10... 100 мкм; материал частиц и основы -- алюминий и низкоуглеродистая сталь.

Установлено, что в связи с влиянием жестких зон в основе, деформация ее невелика и не оказывает существенного влияния на деформацию частиц, поэтому, вполне допустимо в общей модели газодинамического напыления использовать задачу об ударе частицы о жесткую основу.

В случае соударения с жесткой основой пластичной частицы сферической формы (рис.1), деформирование ее может быть представлено как совокупность двух параллельно протекающих процессов: опускание на поверхность основы "боков" частицы и локализация деформации в приконтактной области (так называемое "бочкообразование").

Характеристики напряженно-деформированного состояния распределены по сечению частицы неравномерно. Интенсивность касательных напряжений на начальных этапах имеет наибольшие значения в конусообразной приконтакной зоне, где интенсивность скорости сдвиговой деформации Н максимальна, а температура металла еще не высока; на более поздних этапах в тыльной час-

ти, куда уже проникла деформация, велики значения Н, а температура ниже, чем в приконтактной области.

Анализ размерностей и серия расчетов термомеханических параметров пластического деформирования в диапазоне диаметров частиц, охватывающем их возможные размеры при газодинамическом напылении (5...200 мкм) показали, что температура и давление на контакте практически не зависит, а диаметр пятна контакта и время деформирования прямо пропорциональны диаметру частиц. Поэтому, дальнейшие расчеты проводились для частиц диаметром 10 мкм.

Для защиты от коррозии низкоуглеродистой стали наиболее часто применяются покрытия из алюминия и цинка. Анализ термомеханических параметров пластического деформирования частиц при варьировании начальных условий соударения (в диапазоне vc = 100...600 м/с и 0С = 300...600 К для алюминиевых частиц, и vc = 100...300 м/с и 0( = 200...400 К - для цинковых) показал следующее.

При увеличении скорости удара частицы температура контакта возрастает (рис 2,о) по закон!', близкому к экспоненциальному с отрицательным показателем степени. Причем, чем выше исходная температура удара, тем меньше интенсивность изменения 0n(vc). Для алюминия и цинка при начальной гомологической (отнесенной к температуре плавления - 0с/©пл) температуре 0,3...0,7 приращение гомологической температуры контакта ((©к-©с)/0пл) составляет от 0,2...0,4 до 0,05...0,25, большие значения соответствуют большим начальным скоростям.

Зависимость времени деформирования tK от скорости vc частицы перед ударом (рис.2,б) имеет минимум (при скоростях 200...300 м/с для алюминия, 150.. .200 м/с - для цинка).

С увеличением начальных скорости и температуры удара радиус пятна контакта R* и, соответственно, площадь контакт частица-подложка возрастают по зависимости близкой к экспоненциальной. При увеличении vc и 0С высота частицы после удара ZK уменьшается; характер зависимости 2Х (vc, 0С) близок к прямой пропорциональности. Отметим, что такой характер изменения радиуса пятна контакта и конечной высоты частицы свидетельствует о том, что при повышении vc и ©с возрастает интенсивность деформации в приконтактной области, меняется форма сечения частицы.

Аппроксимация результатов расчетов с помощью программы STATISTICA позволила получить следующие регрессионные зависимости для алюминиевых частиц (диапазоны варьирования: vc = 100...600 м/с, ©с = 300... 600 К):

427

Рис. 1. Форма и распределение температуры по сечению частицы на различных этапах деформирования (начальные условия: А1, ¿4 = 10 мкм, 0С = 300 К, ус = 400 м/с; общее время деформирования гх = 20 не): a-t = 2нc,б-t~6 пс, в - / = 20 не

Рис. 2. Зависимость температуры контакта (а) и времени деформирования (б) от скорости и температуры частиц алюминия диаметром 10 мкм перед ударом

0К = - 940 + 1204-ехр(0,0003■ ус) + 79-ехр(О,ОО245-0с), К; (8)

= - 2,07 + 11402/ ус - 0,0127-ус- О,О9О-0С + 0,00021-ус-0с, не; (9)

Дх= 3,12 + ехр(- 0,465 + О,ОО334-0С+ 0,00157-ус), мкм; (10)

гк = 8,79 + О,ООО1350С - 0,00285 ус - 0,000007©с ус, мкм; (11) а также для цинковых частиц (ус = 100...300 м/с, 0С=2ОО...4ООК):

0« = 141,5 + 34,4ехр(О,ОО36-0с) + 97,3-ехр(0,0030-ус), К; (12)

= - 37,7 - 13528/ус+ 0,0239-ус- О,18556-0С + 0,001-©с-ус, не; (13)

/?„= -3,28 + ехр(1,675 + 0,000874-©с+ 0,00237-ус), мкм; (14)

= 7,49 + 0,00141-0С - 0,00421 • ус - О,ОООО19-0с-ус, мкм. (15)

Реальные материалы обладают комплексом физических свойств. Проведены расчеты при однофакторном варьировании плотности, удельной теплоемкости и напряжения текучести металла частицы. В качестве базового принимаем решение для алюминиевой частицы диаметром 10 мкм, имеющей температуру 300 К и ударяющейся со скоростью 400 м/с о жесткую основу.

Анализ результатов расчетов показал, что при увеличении плотности или снижении удельной теплоемкости частицы сильнее деформируются, время деформирования возрастает; однако, температура контакта снижается и при увеличении р, и при увеличении с. Такое поведение объясняется тем, что хотя с увеличением плотности увеличивается кинетическая энергия частиц, тепло, которое выделяется при пластической деформации частицы, расходуется на нагрев большей массы металла.

Изменение базисного напряжения текучести материала г^.б. неоднозначно влияет на исследуемые характеристики: функции имеют явно выраженный экстремум (кроме зависимости ©к (^.б.) - при увеличении напряжения текучести возрастает работа пластической деформации и вследствие этого температура частицы. В диапазоне относительно небольших значений (до 200 МПа) при увеличении напряжения текучести сопротивление деформированию частицы возрастает, поэтому частица деформируется слабее (радиус пятна контакта уменьшается, конечная высота частицы растет), время деформирования снижается. Однако при дальнейшем увеличении гтд материал частицы разогревается настолько, что это существенно облегчает возможность дальнейшего протекания деформации во времени - возрастают величины Дки снижается 2К.

Таким образом, разработанная модель пластического деформирования частиц при соударении с основой позволила определить влияние диаметра, начальных условий соударения и свойств напыляемого порошка на формоизменение частиц, температуру на их контакте с основой и время деформирования частиц, что необходимо для создания общей математической модели процесса газодинамического напыления металлических порошков.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ Определение начальных условий деформирования частиц (скорости и

температуры частиц перед ударом) может быть проведено с помощью известных положений газовой динамики одномерных двухфазных течений.

Газ и частицы порошка ускоряются в сверхзвуковом сопле, охлаждаясь при этом. После выхода из сопла температуру частиц можно считать неизменной вплоть до соударения с основой, скорость газа снижается на скачке уплотнения и в уплотненном слое газа перед напыляемой поверхностью; скорость частиц на скачке не успевает измениться, а в уплотненном слое снижается на некоторую величину.

Для одномерного установившегося течения известно уравнение движения, связывающее скорости газа и частиц:

где <1С - диаметр частиц, С</ - коэффициент сопротивления частиц, являющийся функцией числа Рейнольдса, и рс - плотности газа и материала частиц, л - ко-эрдината.

Из уравнения (16), при использовании допущения о постоянстве отношения скорости частиц к скорости газа при ускорении в сопле, но известному значению длины сопла и скорости газа на выходе из него может быть определена скорость частиц; также может быть найдена скорость частиц после торможения з уплотненном слое газа перед поверхностью основы. Имея отношение скоростей газа и частиц, температуру газа в форкамере и на выходе из сопла и зная свойства газа и удельную теплоемкость частиц, по методу предложенному Г.Уоллисом может быть найдена температура частиц на выходе из сопла.

Таким образом, при известных параметрах газа в форкамере соплового аппарата, геометрических размерах сопла, соотношении расходов порошка и газа, а также свойствах газа и материала частиц могут быть определены нагадь ные условия соударения частиц с основой - скорость и температура час-гиц.

Из работ В.В.Кудинова, М.Х.Шоршорова и др. известно теоретическое выражение для относительного числа связей, образованных в результате протекания химической реакции на контакте частица-основа:

где N - число атомов, прореагировавших за время N0 - число атомов на по-зерхности контакта; V - частота собственных колебаний атомов (»10" с'1 ); Еа-знергия активации образования химических связей; 0К - средняя температура

(16)

(17)

контакта; к - постоянная Больцмана.

Те же авторы показали, что расчетные зависимости, полученные с использованием выражения (17) находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными, приведенными к виду

(18)

где ас - прочность сцепления, o¡, - предел прочность на разрыв более мягкого металла.

Известно, что под действием давления на контакте величина энергии активации снижается. Причем, если это давление превышает некоторое критическое значение, энергия активации остается величиной постоянной и равной некоторому минимальному значению Ef°. При газодинамическом напылении при соударении частиц с основой развиваются контактные давления порядка 1 ГПа, что превышает критические значения давления на контакте. Поэтому, эффективное значение энергии активации в большинстве случаев равно Е^. Эта величина была определена путем обработки экспериментальных данных.

В качестве достаточной для прочного соединения покрытия с основой по данным В.В.Кудинова, П.Ю.Пекшева и др. может быть принята величина lF, равная 40...70%.

Полученные результаты были использованы при создании общей математической модели, алгоритма и программы расчета технологических параметров газодинамического напыления металлических порошков.

Исходными данными являются: параметры (температура и давление) рабочего газа в форкамере соплового аппарата, геометрические размеры выходного сечения сопла и длина его сверхзвуковой части, свойства рабочего газа, удельный расход порошка, а также размеры и свойства материала частиц порошка.

Разработанная программа позволила провести анализ зависимости начальных условий деформирования частиц и относительного числа связей на контакте частица-основа от. диаметра частиц ¿4, температуры ©о и давления р0 газа в форкамере, длины сопла ¡s и других технологических параметров. Варьирование производилось в следующих дипазонах: dc = 5... 100 мкм, ©о = 300... 600 К, ро = 0,5... 2,5 МПа, /s = 40...200 мм.

Установлено, что при увеличении температуры ©о и давления ра газа в форкамере, длины сопла /s, либо уменьшении диаметра часгац dc скорость частиц vc из различных материалов возрастает. Температура частиц перед ударом ©с возрастает при увеличении 0О и dc либо при уменьшении ро и 15, характер зависимостей - нелинейный.

С ростом температуры в форкамере относительное число связей ¥ возрастает, поскольку повышается температура и скорость частиц перед ударом об

основу, что приводит к росту температуры контакта. Влияние диаметра и свойств материала частацы на величину Ч' неоднозначно. С одной стороны, алюминий имеет большую удельную теплоемкость, чем цинк, и с уменьшением диаметра с1с алюминиевые частицы охлаждаются в сопле не так интенсивно, как цинковые, с другой стороны, более легкие (при том же частицы алюминия, разгоняются до больших скоростей. Поэтому, температура контакта алюминиевых частиц, в отличие от цинковых, при увеличении диаметра снижается очень незначительно. К тому же, время деформирования при увеличении с1с возрастает. Поэтому в исследованном диапазоне с ростом диаметра частиц относительное число связей на контакте со стальной основой алюминиевых частиц возрастает, а цинковых - снижается.

При увеличении диаметра частиц алюминия меняется характер зависимости относительного числа связей Т от давления в форкамере ро и длины сопла 4: для мелких (до 20 мкм) частиц алюминия при увеличении этих параметров величина Т снижается, для крупных - возрастает. Это объясняется описанными выше особенностями движения в газовом потоке и деформирования при ударе •! об основу, а также тем, что лепске частицы сильнее тормозятся в уплотненном слое газа перед основой. Цинковые частицы, по сравнению с алюминиевыми, имеют почти в три раза большую массу при том же диаметре. Поэтому при увеличении ро и и величина Ч' для цинковых частиц стабильно повышается в диапазоне диаметров частиц, характерных для газодинамического напыления.

В связи с тем, что в реальном порошке все частицы различаются по размерам, модель не позволяет найти коэффициент использования порошка и сквозную пористость покрытия. С целью определения влияния технологических параметров процесса напыления на свойства покрытий и производительность процесса, а также дня подтверждения результатов теоретических исследований проведены экспериментальные исследования процесса газодинамического напыления.

экспериментальные исследования нанесения покрытий способом газодинамического напыления

Экспериментальные исследования проводились на опытно-промышленном оборудовании в условиях цеха 5 ГГГЗ, в состав которого входил компрессор, осушитель воздуха, нагреватель воздуха, дозатор порошка, сопловой аппарат, камера напыления и устройство для перемещения образцов. Наносили алюминиевые покрытия из порошка АСД-1 на основу из малоуглеродистой стали; форма образцов - пластины или патрубки.

Напыление производилось при следующих базисных значениях параметров: температура газа в форкамере ©о = 300°С, давление ра = 1,8 МПа, дистанция напыления Ц = 10 мм, скорость перемещения основы у„ =100 мм/с, расход

! 12

I

порошка (} = 0,8 г/с, порошок - АСД-1, способ подготовки поверхности - иг-лофрезерование.

Установлено, что при увеличении температуры в форкамере в исследуемом диапазоне (100...320°С) прочность сцепления увеличивается почти в 4 раза (с 7,2 до 28,1 МПа); характер зависимости близок к экспоненциальному. Существует качественное и количественное (разница не более 12%) сходство зависимостей относительной прочности сцепления и расчетной зависимости относительного числа связей от температуры воздуха в форкамере. При увеличении температуры подогрева воздуха до 320°С производительность и коэффициент напыления возрастают почти на порядок до 0,66 и выше, причем, при температурах более 250°С интенсивность роста снижается.

При увеличении температуры воздуха в форкамере или толщины покрытия величина сквозной пористости снижается и при некоторых критических значениях этих параметров (например 280°С и 120 мкм) приближается к нулю.

При увеличении давления в форкамере от 1,4 до 2,0 МПа возрастают прочность сцепления (на 17%), производительность и коэффициент напыления (на 40%); характер зависимости близок к прямой пропорциональности.

Уменьшение дистанции напыления (от 30 до 5 мм) приводит к повышению прочности сцепления (на 13%) и коэффициента напыления (на 23%).

Применение сопел с большей длиной сверхзвуковой части позволяет увеличить прочность сцепления и производительность процесса напыления (в диапазоне значений длины сопла 80... 120мм - на 9 и 26% соответственно). Наблюдается качественное и количественное сходство между расчетной зависимостью относительного числа связей на контакте и экспериментальной зависимостью относительной прочности сцепления от длины сопла.

Прочность сцепления покрытия с основой практически не зависит от толщины покрытия в диапазоне толщин 0,1 ...0,8 мм.

При увеличении расхода порошка <2 (от 0,8 до 3,2 г/с) увеличивается производительность процесса (в 3 раза), однако, коэффициент напыления снижается (на 25%).

Испытания на коррозионную стойкость свидетельствуют о высокой стойкости алюминиевых покрытий, полученных методом газодинамического напыления, в условиях повышенной влажности по сравнению с другими видами покрытий и о высокой стойкости покрытий толщиной 100... 120 мкм (напыленных при 0о= 320°С,ро=1,8 МПа, уп = 200 мм/с, 0 = 0,8 г/с).

Эксперименты по холодной прокатке стальных полос размером 0,9x20x150мм с алюминиевыми покрытиями толщиной 0,06...0,27мм (отношение толщин слоев покрытия и основы 0,07.. .0,3) и шириной 10мм на стане Дуо-175 лаборатории кафедры ОМД ГМетАУ показали хорошую прокатываемость таких полос без разрушения покрытия. В исследованном диапазоне относи-

тельное обжатие покрытия в 2 - 6 раз больше относительного обжатия основы (большие значения указанного отношения соответствуют меньшим величинам обжатия полосы с покрытием). При увеличении обжатия возрастает прочность сцепления покрытия с основой, сквозная пористость значительно снижается.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Теоретические и экспериментальные исследования процесса газодинамического напыления позволили определить рациональные технологические параметры нанесения покрытий из алюминиевого порошка.

При нанесении алюминиевых покрытий на низкоуглеродистую сталь оптимальная температура воздуха в форкамере соплового аппарата 300...320°С. Осуществлять подогрев выше 350°С нецелесообразно, поскольку при больших температурах интенсивность роста коэффициента использования порошка значительно снижается, повышаются энергозатраты и вероятность налипания порошка на стенки сопла.

Теоретические и экспериментальные исследования по напылению алюминиевого порошка показали, что прочность сцепления и коэффициент использования порошка при увеличении давления (до 2 МПа) изменяются незначительно.

В промышленных условиях целесообразно использовать стандартный компрессор 2ВУ/1,5-2,5/26М1, обеспечивающий давление сжатого воздуха до 2,5 МПа и требуемый расход газа (до 0,04 кг/с).

Рекомендуемая минимальная толщина покрытия - 120 мкм. При расходе порошка 3,2 г/с производительность процесса напыления - 0,0055 м2/с (около 20 м2/час), что при нанесении покрытия на грубы диаметром 80 мм соответствует производству 80 м труб с покрытием в час. Ненапыленный порошок улавливается и используется повторно. Потребление электроэнергии - 2 кВт/м2.

Проведенные исследования использованы при разработке НПП "Прецизионтруб-Юг" оборудования участка газодинамического напыления в цехе 5 ПТЗ (г. Никополь), предназначенного для нанесения покрытий на наружную поверхность труб диаметром 20... 80мм.

Оборудование подразделяется на пневматическое и транспортирующее. В состав транспортирующего оборудования входят дисковые и роликовые рольганги, обеспечивающие винтовое перемещение трубы с заданной скоростью и позволяющие регулировать шаг подачи трубы, наклонные столы, перекладыва-гели пневматические и др.

К пневмооборудованию относятся: компрессор (характеристики упомянуты выше); ресивер; влагоотделитель угольный; осушитель воздуха; дозатор порошка дискового типа с приводом; нагреватель воздуха электрический; камера напыления; устройство отсоса воздуха.

ВЫВОДЫ

1. Способ газодинамического напыления обладает рядом преимуществ (отсутствие высокотемпературных газовых струй, высокая производительность, относительно низкое энергопотребление, возможность получения покрытий в широком диапазоне материалов и толщин и др.), позволяющих рекомендовать его для нанесения покрытий на металлопрокат. Имеющиеся решения задач высокоскоростного соударения тел не позволяют определить формоизменение, температуру на контакте частица-основа и время деформирования частиц, необходимые для разработки общей математической модели процесса газодинамического напыления и определения технологических параметров процесса.

2. .Математическая модель, разработанная с использованием пакета ко-нечноэлементных программ IMPACT, позволяет определить характеристики напряженно-деформированного состояния при высокоскоростном соударении металлической частицы и основы. Сравнительный анализ моделей удара о пластичную и о жесткую основу показал приемлемость использования последней для расчета характеристик деформирования частиц при ударе в основу в условиях газодинамического напыления.

3. Впервые получены зависимости средних температуры контакта и радиуса пятна контакта частица-основа, конечной высоты частицы и времени деформирования от начальной скорости и температуры частиц. Показано, что при одинаковых начальных условиях соударения средние температура и давление на контакте практически не зависят от диаметра частиц, время деформирования и диаметр пятна контакта пропорциональны диаметру частицы. При увеличении начальных скорости и температуры частиц температура и радиус пятна контакта увеличиваются, высота частицы снижается. С ростом начальной скорости время деформирования уменьшается до некоторой величины, а при дальнейшем увеличении скорости - возрастает.

4. Проведен анализ влияния свойств частиц на термомеханические характеристики их деформирования. Установлено, что при увеличении плотности или снижении удельной теплоемкости (например, при использовании частиц из цинка, стали) частицы получают бблыпую деформацию, время деформирования возрастает. Температура контакта снижается при увеличении плотности и удельной теплоемкости, либо при уменьшении базисного напряжения текучести.

5. Анализ физико-химических процессов, протекающих при газодинамическом напылении, позволил впервые разработать общую математическую модель газодинамического напыления металлических порошков, учитывающую формоизменение и нагрев твердых металлических частиц при ударе об основу. Разработаны алгоритм и программа расчета технологических параметров процесса газодинамического напыления металлических порошков.

6. Получены теоретиче<кие зависимости характеристик движения газопорошковой смеси я контактюго взаимодействия частиц алюминия.и цинка с основой из низкоуглеродист«й стали от диаметра частиц, температуры и давления в форкамере соплового шпарата, длины сопла и расхода порошка.

7. Экспериментальные исследования процесса газодинамического напыления алюминиевого порошка АСД-1 на основу из низкоуглеродистой стали показали, что при увеличении температуры (50...320°С) и давления (1,4...2,0 МПа) воздуха в форкамере либо уменьшении дистанции напыления (30...5 мм) прочность сцепления покрытия с основой и коэффициент напыления увеличиваются. Показало хорошее соответствие экспериментальных и теоретических зависимостей отношения прочности сцепления к прочности материала покрытия и относительного числа связей на контакте от температуры подогрева воздуха в форкамере. При увеличении температуры воздуха в форкамере или толщины покрытия величина сквозной пористости снижается. В случае напыления мелких алюминиевых порошков типа АСД толщина покрытия 100...120 мкм является вполне приемлемой с точки зрения коррозионной стойкости. При увеличении расхода порошка увеличивается производительность процесса, однако коэффициент напыления снижается.

8. Эксперименты по прок®псе стальных полос с алюминиевыми покрытиями показали, что в диапазоне величин относительных обжатий полосы с покрытием 4...60% и отношении толщин слоя покрытия и основы 0,07...0,3 относительное об--*атие покрытия в несколько (2...6) раз больше относительного обжатия основы. При увеличении относительного обжатия образца с покрытием возрастает прочность сцепления покрытия (до 1,6 раза), сквозная пористость снижается.

9. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке технологии процесса газодинамического напыленяя порошковых покрытий на наружную поверхность труб и в проекте оборудования участка газодинамического напыления покрытий в цехе 5 ПТЗ, выполненном НПП "Прецизионтруб-Юг".

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Данченко В.Н., Миленин A.A., Головко А.Н. Теоретический анализ деформирования частиц порошка в процессе высокоскоростного напыления // Доклады Национальной академии наук Украины.-1995.-№11.- С. 46-49.

2. Данченко В.Н., Кондратьев C.B., Головко А.Н. Нанесение металлических покрытий способом газодинамического напыления // Металлургическая и горнорудная промышленность.-1997.-№3,-С. 46-49.

3. Данченко В.Н., Головко А.Н. Математическое моделирование процесса газодинамического напыления металлических покрытий // Теория и практика металлургии-1998-№ 1-С. 31-34.

4. Данченко В.Н., Миленин A.A., Головко А.Н. Исследование деформирования частиц порошка при высокоскоростном напылении // Теория и технология процессов пластической деформации - 96. Труды научно-технической кон-ференции.-М.: МИСиС, 1997. - С. 489-494.

5. Данченко В., Головко О. Анал13 ф^зико-хшиних процеав, що протисають при газодинам1чному напилешп металевих покрить // Наука i оевпа. Кн. III. 36. наукових праць. - К.: Хрещатик, 1997. - С. 103-109.

6. Головко A.H., Миленин A.A., Данченко B.H. Математическое моделирование ударного деформирования частиц порошка При газодинамическом напылении."// Днепропетровск, Гос. металлург, академия Украины. 1996. - 21 с. - Деп. в ГНТБ Украины, № 1765 - Ук 96.

7. Анализ особенностей физикохимических процессов, протекающих при нанесении порошковым покрытий высокоскоростным напылением /

B.Н.Данченко, С.Е.Подольский, Н.Г.Садовский, С.В.Кондратьев, А.Н.Головко, М.В.Кукатов // Днепропетровск, Гос. металлург, академия Украины. 1994. - 10 с. Деп. В ГНТБ Украины, № 2038 - Ук 94.

8. Особенности выбора технологических параметров высокоскоростного напыления порошков на металлическую подложку / В.Н.Данченко,

C.Е.Подольский, А.Н.Головко, М.В.Кукатов // Днепропетровск, Гос. металлург. академия Украины. 1994. - 11 с. Деп. в ГНТБ Украины, № 2039 - Ук 94.

9. Компьютерная модель процесса высокоскоростного напыления порошковых материалов / В.Н.Данченко, С.Е.Подольский, Н.Г.Садовский, А.Н.Головко, М.В.Кукатов // Днепропетровск, Гос. металлург. Академия Украины. 1994. -

"12 с. Деп. в ГНТБ Украины, № 2040 - Ук 94.

Ю.Данченко В., Головко О. Bn6ip параметр1в нанесення покритгя високош-видюсним напиленням' порошка // Перша м1жнародна конференщя "Конструк-цшш та функцюнальш Marepiajtn", тези доповщей. - Львш, Держ. ушверситет"Льв1вськаполпехшка", 1993.-С. 172.

АН0ТАЩЯ

Головко О.М. Досл1дження пластичного деформування часток i розробка

ращональних технолопчних napaMerpiB газодинамшного нашшення металевих

порошив. - Рукопис.

Дисертацш на здобутгя наукового ступеня кандидата техшчних наук за

спещалыпстю 05.03.05 - процеси та машины обробки тиском. Державна

металурпйна академия Украгни, Дшпропетровськ, 1998.

Проведено математичне моделювання процсса пластичного деформування часток при ударг в основу в умовах газодинамгчнаго напилення з урахуванням впливу деформацшного рознр1ву га рсолопчних властивостей метала при высоких швидостях деформацн. Визначеш залежносп температуря на контакт! частка-основа, часу деформування та формозмшення часток при удар1 В1Д размф1в 1 властивостей магер!алу часток, початково1 швидкосп та температуря часток. Разраблена загальна математична модель, алгоритм \ програма разрахунку технолопчних пapaмeтpiв процсса газодинамшного напилення. Отримаш экспериментальш дат про вплив режим1в нанесения покриття на мщтпсть зцеплення, пориспсть покритпв i нродуктившстъ процесу. Результата дослщжень використат при проекгуванш технологи та опитного зразка устаткування для нанесешш захисних покритпв на зовшшню поверхню труб.

Ключов1 слова: частка, основа, удар, пластична деформащя, температура, газодинашчне напилення, покриття.

АННОТАЦИЯ

Головко А.Н. Исследование пластического деформирования частиц и разработка рациональных технологических параметров газодинамического напыления металлических порошков. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - процессы и машины обработки давлением. Г осударственная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 1998.

Проведено математическое моделирование процесса пластического деформирования частиц при ударе об основу в условиях газодинамического напыления с учетом влияния деформационного разогрева и реологических свойств металла при высоких скоростях деформации. Определены зависимости температуры на контакте частица-основа, времени деформирования и формоизменения частиц при ударе от размеров и свойств материала частиц, начальной скорости и температуры частиц. Разработана общая математическая модель, алгоритм и программа расчета технологических параметров процесса газодинамического напыления. Получены экспериментальные данные о влиянии режимов нанесения покрытия на прочность сцепления, пористость покрытий и производительность процесса. Результаты исследований использованы при проектировании технологии и опытного образца оборудования для нанесения защитных покрытий на наружную поверхность труб.

Ключевые слова: частица, основа, удар, пластическая деформация, температура, газодинамическое напыление, покрытие.

ABSTRACT

Golovko A.N. Investigations of Particles Plastic Deformation for Development of Rational Technological Parameters of Metal Powders Gas Dynamic Spraying. -Manuscript.

Thesis for an Engineering Science Candidate's Degree by Speciality 05.03.05 -Processes and Machines for Plastic Working. State Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 1998.

The mathematical modelling of plastic deformation process at impact of particles to a basis in conditions of gas dynamic spraying with regard for influence of deformation heating and mechanic properties of metal at high strain rates is carried out. The dependencies of temperature on contact a particle - basis, deformation time and impact forming of particles are determined against the sizes and properties of a material of particles, initial velocity and temperature of particles. The general mathematical model, algorithm and program for account of gas dynamic spraying process technological parameters are developed. The experimental data about influence of coat modes on adhesion strength, porosity of coatings and productivity of process are received. Research results are used when designing technology and pilot sample of the equipment for coating on an outside surface of tubes.

Key words: particle, basis, impact, plastic deformation, temperature, gas dynamic spraying, coating.