автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование, разработка технологии и оборудования для получения покрытий методом холодного газодинамического напыления

ГГо ОД

1 2 ГЛН Ш

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.78.062.822:539.4.016.3

Солдатенков Сергей Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ХОЛОДНОГО ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.02.01 - "МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (МАШИНОСТРОЕНИЕ)"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 2000

Диссертация выполнена на кафедре "Технической физики" Московского государственного индустриального университета.

Научный руководитель - академик РАТН, доктор технических наук, профессор Курочкин Юрий Васильевич.

Научный консультант - кандидат технических наук,

Демин Юрий Никитич Официальные оппоненты - доктор технических наук, зав. лаб.

ИМАШ им. A.A. Благонравова, профессор Баранов Юрий Викторович; - кандидат технических наук, зам. ген. директора ОАО "Опытный завод "Луч"" Семенов Александров Алексеевич

Ведущая организация - ОАО "НИИТавтопром"

о£с2¿¿^/fJväm I. в/^ч:

Защита состоится

часов на заседании

диссертационного совета К064.02.02 при Московском государственном индустриальном университете по присуждению ученой степени кандидата технических наук (Москва, ул. Автозаводская, д16).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного индустриального университета.

Автореферат разослан

1999 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К064.02.02 профессор, кандидат техническдх'наук

К663. 25 -1,0

Рябышев А.М.

1 .ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последнее время широкое распространение в машиностроении получил следующий подход к выбору материалов деталей: механическая и конструкционная прочность достигается за счет применения одного металла, а специальные свойства поверхности обеспечивается сплошным или частично сформированным слоем покрытия с требуемыми характеристиками по износостойкости, по коррозии, антифрикционным и другими свойствам.

Среди различных способов получения покрытий важное место занимает газотермическое напыление, например газопламенное и плазменное. Общим для них является то, что частицы, нагреваясь и ускоряясь в высокотемпературном газовом потоке, поступают на поверхность подложки в виде расплавленных частиц и, ударяясь о нее, деформируются и укрепляются, образуя покрытие Возможность варьирования кинетической энергией частиц в данных способах весьма ограничена, поэтому улучшение качества покрытий достигается перегревом частиц, совершенствованием подготовительных операций по активации поверхности.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что эффективным способом улучшения качества покрытий является увеличение скорости частиц и снижение их температуры до температуры начала пластической деформации. Справедливость данных утверждений показана на примере детонационного способа напыления, который имеет и свои недостатки: низкая производительность, взры-воопасность, шумность и т.д.

В результате дальнейшего развития технологии напыления был предложен новый способ - "холодное" газодинамическое напыление (ХГН). Название способа указывает на то, что напыляемые частицы имеют высокие скорости, а температуру ниже температуры плавления. Суть процесса заключается в ускорении двухфазного потока, со-

стоящего из несущего газа и частиц напыляемого материала, в сверхзвуковом сопле до скоростей в 1,5-2 раза превышающих скорость звука. В связи с тем, что данный способ реализован сравнительно недавно, многие вопросы по его применению остаются открытыми.

Цель работы. Цель работы состояла в теоретическом исследовании процесса формирования покрытия и создании методики расчета относительной прочности соединения покрытие-подложка, разработке методики 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.

Методы исследования. Теоретические расчеты относительной прочности соединения покрытия с подложкой проводились на IBM PC.

В работе выполнены измерения адгезионной прочности покрытий штифтовым способом, металлографический и фазовый анализ структуры покрытий на установке SPECTROLAB-5, измерение микротвердости на приборе ПМТ-3, химический анализ состава покрытий иодометрическим способом.

Научная новизна. Проведено сравнение метода ХГН с методами сварки холодным деформированием. Показано, что природа соединения частиц металла одинакова, 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. Получены диаграммы изменения относительной прочности соединения в зависимости от скорости и температуры частицы для некоторых пар материа-

лов частица-подложка (Cu-Cu, Cu-Al, Zn-Al, Zn-Cu). Дан анализ зависимости относительной прочности соединения от изменения механических свойств материалов частицы и подложки.

Приведены результаты экспериментальных продувок длинномерных сопел для ХГН. Разработана методика расчета сверхзвуковых сопел для ХГН, работающих в режиме перерасширения двухфазного потока.

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

Практическая ценность. Полученные результаты позволят расширить область 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 экспериментальных исследований с применением сопел, работающих в режиме перерасширения двухфазного потока, позволит снизить энергетические затраты при напылении.

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. Данная установка является основой для проектирования промышленного ручного и автоматизированного инструмента.

На основе полученных результатов разработаны и опробованы технологии восстановления местного износа контактного провода железных дорог без его демонтажа и исправления литейного брака в деталях из алюминиевых сплавов, что подтверждено актами испытаний.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались:

• на научных семинарах кафедры "Техническая физика" МГИУ,

• на 2-ой Всесоюзной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ и получен один патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 138 страниц машинописного текста,30 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 43 наименований.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена теоретическому исследованию процесса соединения частицы с подложкой в процессе ХГН. Анализ литературных данных показал, что механизм соединения частицы и подложки при ХГН аналогичен механизму соединения металлов при сварке в твердой фазе, т.е. при физическом контакте на соединяемых поверхностях за счет пластических деформаций образуются активные центры, по которым протекает валентное межатомное взаимодействие. Пластические деформации в случае ХГН возникают в результате высокоскоростного удара, поэтому, в отличие от многих методов га-

зотермического напыления, в кинетическом уравнении химическои реакции на границе раздела фаз (1) необходимо учитывать "скоростной" вклад в энергетику взаимодействия частицы и подложки: / Л

сг = 1- ехр

К.

ехр

ахкТк +а2т

V

(1)

/у

где, 1а - время взаимодействия частицы и подложки, V - частота собственных колебаний атомов,Еа - энергия активации образования химических связей, Тк - абсолютная температура в контакте, к - постоянная Больцмана, - масса и скорость напыляемой частицы, ОТ,, а2 - коэффициенты использования внутренней и кинетической энергий напыляемой частицы при ударе о подложку.

Анализ литературных данных показал, что существующие методы учета "скоростного" вклада используют величины, определение которых в инженерной практике затруднено (например, структурно чувствительный коэффициент, скорость переползания дислокаций, концентрация дислокаций, динамическая твердость материала и т.д.).

Поэтому для разработки инженерного метода количественной оценки относительной прочности соединения с в результате деформационного взаимодействия частицы и подложки, была применена теория контактного взаимодействия тел, в которой используются прочностные характеристики материалов. Режим соударения частицы и подложки, характерный для ХГН, описывается теорией поверхностного квазистатического вдавливания. Это соответствует следующим условиям: эффектами тепловыделения и волновыми движениями в

телах можно пренебречь, полное упругое и пластическое сжатие 3 связано с размерами контактной зоны соотношением 6 ~а/^г

радиус области контакта при сжатии иг- радиус частицы) и среднее контактное давление в полностью пластичном состоянии Р(1 постоянно и равно 3,0У(У^ + гДе - динамический предел текучести, С - модуль сдвига).

Известно, что даже, если в процессе нагружения развиваются большие пластические деформации, разгрузка происходит идеально упруго, т.е. если бы не произошло взаимодействия частицы и подложки, то после момента максимального сжатия частица приобрела бы энергию отскока, равную работе, совершенной за время упругого восстановления:

Таким образом, суть метода заключается в нахождении коэффициента в, который представляет собой отношение работы, совершенной за время упругого восстановления, к кинетической энергии частицы, перешедшей в локальные упругие и пластические деформации сталкивающихся тел:

у2

е = = ^--(2)

у'2 а'

\РЧ<18'

о

где Р - сила сжатия, V5 - скорость частицы (величины

с " "относятся к процессу восстановления, а со "*" - к моменту максимального сжатия).

Используем выражениями теории Герца, связывающими геометрические параметры области контакта с силой сжатия, и предпо-

ложения теории квазистатического вдавливания, после интегрирования и преобразований получаем:

I

-тУг

2

Хг

(3)

У

111

где h - условный модуль упругости, равный—- =--1--, и

Е Еп £

значение относительной прочности соединения с учетом "скоростного" вклада в энергетику взаимодействия деформируемых частицы и подложки.

Г \

<7 = ■

N_

Nn

= 1 - exp

vt„

exp

kTk+( 1-е)

2 )

(4)

M

где ms = —- (Ms - атомный вес частицы, NA- число Авогадро).

Na

В формуле (4) используются прочностные характеристики материалов, что делает ее удобной для инженерных расчетов.

На рис.1 и 2 представлены полученные в результате расчетов на IBM PC графики зависимости относительной прочности соединения от скорости и температуры напыляемой частицы для различных материалов частицы и подложки. Из приведенных зависимостей видно, что для каждой температуры частицы существует критическая

ч

скорость, выше которой начинается резкий рост относительной прочности. Эти данные позволяют определить необходимые параметры напыления для получения покрытий с хорошими адгезионными свойствами (сг> 0,7).

Были проанализировано влияние на относительную прочность размеров частицы (рис.3) и некоторых механических свойств материалов, вступающих в контактное взаимодействие. Показано, что наибольшее влияние на параметры процесса напыления оказывает динамический предел текучести (рис.4).

Во второй главе приведены методы расчета параметров двухфазного потока в сверхзвуковых соплах. На основании расчетных данных показано, что при концентрации частиц в газовом потоке, соответствующей процессу ХГН, скорости частиц можно считать в первом приближении равными -0,8 скорости идеального газа. Так как сопла ХГН имеют большую относительную длину ( > 30), были проведены измерения статического давления вдоль тракта сопла, которые показали отсутствие роста пограничного слоя.

Приведен пример расчета сверхзвукового сопла ХГН, работающего в режиме перерасширения газового потока. Это позволяет работать при полном давлении - О.бМПа, что снижает энергетические затраты на сжатие газа и расширяет выбор оборудования для применения при ХГН, в частности возможна работа от стандартной газовой сети.

В третьей главе приведена схема и описан принцип действия экспериментальной установки ХГН, работающей на подогретом воздухе, и на которой были получены образцы покрытий из пластичных металлов (А1,2п, Си, РЬ) и их механических смесей.

На основании проведенных исследований был спроектирован и изготовлен прототип промышленной установки ХГН, позволяющей работать на подогретом воздухе, как в ручном, так и автоматизиро-

шнном режиме. Описан принцип действия, приведена конструкция )Сновных узлов и техническая характеристика установки.

Четвертая глава содержит описание и обсуждение основных результатов, полученных при металлографических исследованиях, «мерении микротвердости и адгезионной прочности покрытий.

Металлографические исследования выявили следующие особенности покрытий ХГН. Так как напыление производится при низких температурах, окисления частиц не происходит. Большинство тастиц не имеет окисной пленки, остальные же имеют ее только на части поверхности. Распределение окислов по объему покрытия име-гт равномерный характер (рис.5).

Деформация частиц в покрытии зависит от скорости и явно выражена уже при скорости ~900м/с.

При исследовании границы подложка-покрытие не обнаружено наличие диффузионных процессов и следов оплавления подложки. Однако при травлении шлифов приграничная зона у подложки и по периметру частиц стравливалась более интенсивно, т.е. эти зоны подверглись значительным деформациям, благодаря которым и происходит взаимодействие материалов в твердой фазе.

При ХГН интенсивно идет процесс ударного прессования уже сформированного слоя покрытия и абразивное отделение плохо закрепленных частиц, что положительно сказывается на плотности покрытия, например отсутствует сквозная пористость покрытия. На это указывает также более "рыхлая" структура верхнего слоя покрытия, где эти эффекты отсутствуют.

При исследовании покрытий из механической смеси Си+2п было обнаружено, что уже при наличии в смеси 10%7.п образование покрытия вдет при параметрах процесса, соответствующих параметрам напыления чистого цинка, т.е. наиболее пластичной фракции. Было также обнаружено увеличение концентрации частиц цинка (более пластичной фракции) по границе покрытие-подложка (рис.6). Анализ

участков отслоений показали, что разрыв вдет по участкам с малым содержанием цинка (рис.7), т.е. там, где присоединенные к подложке частицы меди обладают недостаточной адгезией на данном режиме напыления. Поэтому можно предположить, что адгезия обеспечивается частицами цинка, а частицы меди присоединяются к поверхности подложки либо за счет ее активации другими частицами, либо за счет более высокой энергии отдельных частиц меди

Исследования микротвердости показали, что характер ее изменения по поперечному сечению подложки сходен по своему виду с изменениями микротвердости в биметаллических пластинах, полученных сваркой взрывом. Значительное повышение микротвердости на границе резко снижалось в зоне недеформированного зерна и, после повышения в области больших деформаций, падало до микротвердости исходного материала (рис.8). Это подтверждает сходство процесса образования покрытия при ХГН с процессами соединения металлов в твердой фазе. Наличие пластического течения в подповерхностных слоях подложки согласуется также с теорией контактного взаимодействия тел. Снижение микротвердости вблизи границы наблюдается и в покрытии. Ширина данной зоны составляет 3-4 диаметра напыляемых частиц. Микротвердость покрытий близка по величине мнкротвердости нагартованного металла (для меди ~ 1300 МПа, для цинка ~ 450 МПа).

Определение адгезионной прочности покрытий проводилось штифтовым методом. Результаты исследований, проведенные на покрытиях цинка, показали хорошее соответствие относительной прочности соединения расчетам, проведенным по формуле (4) , и составляют -19...20 МПа.

Исследования покрытий Си+Еп показали, что адгезионная прочность на отрыв колеблется в пределах 12... 19 МПа. Это намного ниже прочности меди (30...40 МПа), но близко к прочности покрытий из чистого цинка.

Таким образом, результаты испытаний на отрыв подтверждают сделанный при металлографических исследованиях вывод, что взаимодействие между подложкой и покрытием идет по частицам цинка, которые и обеспечивают адгезионную прочность. Понижение прочности по сравнению с чисто цинковым покрытием происходит благодаря малой адгезионной прочности частиц меди на границе покрытие-подложка и повышенной пористости в местах соединения вышеуказанных частиц с подложкой.

Пятая глава посвящена разработке технологий ХГН и их практическому применению.

Разработана технология исправления литейного брака в деталях двигателя, изготовленных из алюминиевых сплавов. Суть технологии заключается в запылении дефектов типа горячая трещина, раковина или пора, что позволяет исключить применение аргонодуговой сварки. На AMO ЗИЛ данная технология позволяет исправить ~ 80% ранее неподдающихся восстановлению деталей.

Была разработана технология устранения дефектов пресс-форм из сплава Ал-9, которые применяются для изготовления деталей авиационной техники, выполненных в виде сотовых конструкций из стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой.

Метод ХГН был применен для восстановления местного износа контактного провода железных дорог. Было разработано экспериментальное оборудование и технология, позволяющие проводить восстановление провода без демонтажа со скоростью ~1м/мин и толщиной восстановленного слоя ~2мм.

Исследования показали, что для уменьшения термического воздействия на провод и получения удовлетворительной электропроводности и износостойкости наиболее подходит для напыления механическая смесь меди с 25-50% цинка. Адгезионная прочность данных покрытий составляет'~ 20МПа, что, однако, не сказывается на работоспособности провода, так как напыленный слой не испытывает на-

грузки на отрыв. Образцы восстановленного провода успешно прошли натурные испытания на станции Москва-Сортировочная Казанской железной дороги в течении полутора лет.

В конце главы дан анализ перспективных направлений исследований и применения метода ХГН.

З.ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан способ, технология и создано технологическое оборудование для холодного газодинамического напыления покрытий на режимах с низким давлением (~0,6 МПА) несущего газа.

2. Разработан метод расчета и получены аналитические выражения для вычисления относительной прочности соединения покрытия и подложки на основании теории контактного взаимодействия тел.

3. Составлена программа вычисления на алгоритмическом языке "Фортран 4", проведены численные расчеты и получены диаграммы относительной прочности соединения для различных материалов частицы и подложки.

4. Проведено теоретическое исследование влияния изменения механических свойств материала на величину относительной прочности соединения покрытия и подложки. Показано, что наибольшее влияние на величину относительной прочности соединения оказывает изменение динамического предела текучести материалов частицы и подложки.

5. Результаты испытаний покрытий на адгезионную прочность находятся в хорошем соответствии (-15%) с данными, полученными расчетом по предложенной методике вычисления относительной прочности соединения частицы и под ложки.

6. На основании анализа методов, результатов расчета и экспериментальных исследований двухфазных потоков в сверхзвуковых

соплах показано, что в случае ХГН скорость частиц в первом приближении можно считать равной ~ 0,8 скорости газа на срезе сопла, вычисленной по формуле течений для "чистого" газа.

7. Экспериментальные исследования показали, что для снижения энергетических затрат на ускорение частиц напыление можно проводить при полном давлении газа ниже расчетного для данных размеров сопла.

8. Разработана и создана экспериментальная установка, позволившая получить покрытия из пластичных металлов, применяя в качестве несущего газа горячий воздух.

9. Спроектированы и изготовлены прототипы промышленных установок, позволяющих проводить напыление в ручном и автоматическом режиме.

10. Результаты исследования микротвердости образцов покрытие-подложка показали, что процесс формирования покрытий аналогичен процессам соединения металлов в твердой фазе (в частности, сварке взрывом).

11. Граница раздела покрытие-подложка имеет более высокую микротвердость, чем исходные материалы, т.е. оба металла упрочнены пластической деформацией, а слои, прилегающие к поверхности подложки (-трех диаметров частицы), имеют недеформированную структуру.

12. Металлографические исследования покрытий из механических смесей частиц металлов показали, что формирование покрытий при напыления на режимах с пониженными скоростями и температурами происходит в результате присоединения к подложке частиц более пластичной фракции.

13. Адгезионная прочность покрытий из механических смесей частиц металлов определяется прочностью на растяжение более пластичной фракции.

14. 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.

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

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. A.c. №2062820 С1. Способ получения покрытий /И.С. Герш-ман, С.И. Солдатенков, Ю.В. Курочкин и дрУ.

2. Нанесение покрытий из порошковых материалов способом сверхзвукового напыления / O.A. Водяницкий, С.И. Солдатенков,

B.А. Голов и др./. Тез. докл. Второй всесоюз конф. "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов".- Юрмала, 1990. - 4.2. - С.44 - 45.

3. Исследование возможностей способа сверхзвукового напыления порошковых материалов / O.A. Водяницкий, С.П. Краснышов,

C.И. Солдатенков и др./. Тез. докл. Второй всесоюз. Конф. "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов'. -Юрмала, 1990. - 4.2 - С.44 - 45.

4. И.С.Гершман, С.И.Солдатенков. Восстановление изношенных участков контактного провода железной дороги без его демонта-жаУ/Сборник научных трудов МГИУ под ред. Н.Г. Хохлова. - М., МГИУ, 1999. -Т.2 - С. 127-132.

5. Ю.В. Курочкин, С.И. Солдатенков. Теоретические исследования взаимодействия напыляемого материала с подложкой при холодном газодинамическом напылении. //Сборник научных трудов МГИУ под ред. Н.Г. Хохлова. - М., МГИУ, 1999. - Т.2 - С. 255 - 265.

6. Ю.В. Курочкин, С.И. Солдатенков. Исправление литейного брака в деталях из алюминиевых сплавов для двигателей автомобилей семейства ЗИЛ.//Сборннк научных трудов МГИУ под ред. Н.Г. Хох-лова. - М., МГИУ, 1999. - Т.2 - С. 295 - 298.

7. С.И. Солдатенков, Ю.В. Субботин. Исследование микротвердости покрытий, полученных холодным газодинамическим напы-лением.//Сборник научных трудов МГИУ под ред. Н.Г. Хохлова. - М., МГИУ, 1999. - Т.2 - С.383 - 387.

а

01Н.

Рис.1. Зависимость относительной прочности покрытия от скорости и температуры частицы (материал частицы - 2п, подложки - Си)

V, м/с

Рис. 2. Зависимость относительной прочности покрытия от скорости и температуры частицы (материал частицы - Си, подложки - Си)

Ям 1.2

-o-d =60мкм -л-d =20мкм

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

V, м/с

Рис. 3. Зависимость относительной прочности покрытия от скорости и диаметра частицы (Т=473 К, материал частицы - Zn, подложки - AI)

'Зжи.г

1

0,8 -0,6 ■ 0,4 -0,2 -

- Y = G/10 • Y = G/I5

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

Рис. 4. Зависимость относительной прочности^ покрытия от скорости и динамического предела текучести материала (Т=473 К, материал частицы -Zn, подложки - Си)

соиНга';

г-'248-е гз1 ■

£15 ■ 1«9 I 18г я кг а

»4?

»зг . Л5 ■ 93 а

К К в« я 41 К

33 Й

а

Си

ссшгз.

178 В

-1ЙЗ в 15? ■! • . 143 ■ ¡г" в

■ 1x6 в

: ■ не ;

-

''•Г94.В

■ -го

■ , 56 « 4Й в

" ...73 £ ' . 38

: ; .0 ',•

'№35,2

Ь 4

<сг7

их-

шфшш

шшшп-

Ч ¿.-г* *

Рис.5. Распределение в покрытии компонентов механической смеси 80%Си-20%2п

Рис.6. Микроструктура покрытия, полученного напылением механической смеси 80%Cu-20%Zn

Рис.7. Микроструктура участка покрытия с отслоением (покрытие 80%C.u-20%Zn)

Н, МРа 160,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0

-0,50-0,30-0,15-0,02 0,09 0,24 0,39

Z, шш

Рис.8. Изменение микротвердости (образец: покрытие-2п, подложка-Си).

Солдате» ко в Сергеи Иванович

Исследование, разработка технологии и оборудования для получения покрытии методом холодного газодинамического напыления специальность 05.02.01 - "Материаловедение (машиностроение)"

АВТОРЕФЕРАТ

ЛР№ 020407 от 12.02.97. Подписано в печать 03.04.2000 Сдано в производство 03.04.2000 Формат бумаги 60 х 90/16 Бум. множит. Усл. печ. л. 1,6 Уч.-изд. л. 1,5 Тираж 100_Заказ № {¿5_

РИЦ МГИУ, 109280, Москва, Автозаводская, 16

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.

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.

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.

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./.